適用于電力系統的GPS 裝置設計

李益敏，范其明

（天津中德應用技術大學 智能制造學院，天津 300350）

隨著國民經濟的高速發展，電力系統的需求也不斷擴大，超高電壓、遠距離輸送電日益增多[1]，這樣就使電力系統結構和運行方式變得復雜，而現代社會對電力供應的安全可靠性性能的要求越來越高，如何能實時全面地掌握電力系統各個裝置的運行狀態[2-3]，是電力系統的監測與控制面臨的新問題，是系統的安全穩定、經濟運行的保證。

電力系統所需設備較多，分布地域不同，要想獲得電力系統主要設備的關鍵點同一時間的運行狀態，就要求系統有統一的高精度基準時間。這樣在系統發生問題或設備有故障時，運行人員就容易分析各裝置的動作行為是否準確，事故狀態發生的先后順序、起因及發展趨勢，并能及時地采取有效控制措施，來避免事故的發生，已經成為電力系統監測的重點。基于GPS 定位引入電力系統，為電力系統提供準確的、高精度、時時高效、操作簡便的校時裝置，具有重要意義[4]。

1 基于GPS 在電力系統應用

1.1 基于GPS 系統在相量測量中應用

電力系統中檢測主要參數是電壓和電流，它們的波形為正弦波，頻率、幅值和相角是正弦波的3個要素[5]，同一電力系統中，相位的大小則取決于時間參考點（t=0）的選擇，對于同一系統的相角測量必須是同一個標準時間[6]測量的各個站點母線電壓和線路電流的相角。

測量電壓相量是直接測量電網中各個母線電壓的幅值和相位。時間參考點不同，電壓的相角也不等，參考點時間誤差大小直接影響相量的測量[7]。

在電力工程中，正弦信號用相量表示為

相量法表示為

式中：X 為正弦信號有效值。

通過傅里葉變換求相量。上式中的正弦信號可展開為

則其頻譜函數為

1.2 電力系統對同步精度的要求

電力系統不同行為對同步精度的要求如表1所示。

表1 電力系統不同行為對同步精度的要求Tab.1 Requirements of different behaviors of power system on synchronization accuracy

傳統的定時方式：一是通過通信通道的時鐘同步，由于距離的差別，通信延時也不一樣，因此系統時鐘存在誤差；另一種方式是無線報時信號，信號傳播延時，也會積累較大的誤差。

1.3 基于GPS 的相量測量方法

離散型傅里葉變換DFT，是把連續的模擬量采樣、經過模數變換后的離散數字量轉換成頻域得到相量值。DFT 測量相位方法如下：

設采樣序列為（X0，X1，…，XN-1），那么其基波頻域值為

由此得到各相向量（Xa，Xb，Xc），相應的幅值和相位也就得到了，其正序向量為

相量大小取決于時間參考點t=0 的時刻。

1.4 基于GPS 的同步向量測量

基于GPS 的電力系統由接收天線、數據處理單元、GPS 接收機組成，如圖1 所示。

圖1 向量測量單元框圖Fig.1 Block diagram of vector measuring unit

基于GPS 的電壓相量同步測量是在雙端系統的兩個節點上安裝相同的相量測量裝置PMU（phasor measurement unit），其由微處理器和數據采集環節。PMU 是由高穩晶振構成采樣時鐘，震蕩信號被GPS 每隔1 s 同步時鐘的1PPS 同步1 次[8-9]，每經過一個采樣周期，利用GPS 同步時鐘串口提供的時間和數據窗置以相應的“時間標簽”，將計算結果連同其時間標簽實時傳送至調度中心。

2 衛星定位同步時鐘硬件設計

2.1 硬件系統總體構成框圖

硬件系統總體構成如圖2 所示。

圖2 硬件系統總體構成框圖Fig.2 Overall composition block diagram of hardware system

2.2 中央處理單元的設計

中央處理單元需要通過串行口接收OEM 板信息，裝置需要有良好的人機對話通道，配置了獨立式鍵盤和8 位LED 顯示電路。

選用具有2 個串行口的DS80C320 高速單片機芯片，并用8255 作為單片機的可編程I/O 擴展。同時，根據容量采用16 K 的EPROM 27128 作為程序存儲器，并配以鎖存器74LS373 實現其功能。另外，采用譯碼器74LS139 實現程序存儲器EPROM 27128 與可編程I/O 擴展8255 之間的片選。

2.3 人機對話單元的設計

為了便于對裝置進行調整和設定，裝置需要良好的人機通道配置。這里選用LED 靜態顯示，保證系統運行效率，以提高顯示質量。配合靜態顯示，這里選用MC14495 顯示鎖存器，并用74LS138 實現對MC14495 和LED 的片選。

2.4 同步時鐘脈沖的設計

由于實際應用中電力系統自動化裝置多采用空接點方式同步時鐘脈沖，故本裝置設計1 對TTL電平輸出端子，7 對空接點輸出端子。為適應多種自動化裝置的需要，本裝置由用戶通過鍵盤設置其脈沖輸出時間間隔。具體實現方法如下：裝置通過8255 的PB 口中PB0～PB4 分別控制用戶選定的4個時間間隔信號。4 個信號分別與OEM 板的1PPS經國家標準CT3000 甚高速系列的四2 輸入與非門CT1001 后接至光隔，產生輸出。

3 衛星定位同步時鐘軟件的設計

3.1 主程序

主程序首先完成初始化，然后循環執行鍵盤程序，用以檢測用戶是否對裝置進行了新的調整和設定。同時，等待中斷的進入。程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程Fig.3 Main program flow chart

3.2 鍵盤程序的功能

裝置在運行狀態，按下“▲”鍵，左起第1 位數碼管顯示“0”，開始調節顯示亮度。按“＋”循環調節數碼管亮度，裝置在運行狀態，按住“確認”鍵，則顯示當前日期（年月日）。

裝置在運行狀態，同時按下“項目”和“確認”鍵，進入設置菜單，左起第1 位數碼管可以顯示從“1”到“7”，表示7 個設置項目。若 “項目”鍵按下，項目值遞增1。若“確認”鍵按下，返回運行狀態顯示時間（時分秒）。

3.3 串行口波特率設置子程序

在鍵盤主程序中判斷是否調用子程序KEY3。

在KEY3 子程序中顯示左起第1 位數碼管顯示值及該項目設定值，并判斷是否有鍵按下。以左起第1 位數碼管顯示“1”為例說明：若“＋”鍵按下，跳轉至下一項目；若“確認”鍵按下，跳轉至鍵盤主程序。

3.4 串行口中斷程序

串行口中斷程序的功能是通過串行口0 從OEM 板讀取信息，獲得日期（年月日）、時間（時分秒）信息存入相應存儲單元，再通過串行口1 將信息發送至通信單元，同時通過LED 顯示時間信息。

4 結語

本文將衛星定位技術引入電力系統同步時鐘裝置中，以提高電力系統時間精度為目的，設計出基于DS80C320 高速芯片的衛星定位電力系統同步時鐘裝置。主要結論：衛星定位是一種全球共享的高技術資源，它能在世界范圍內提供同步精度最低為1 μs 的時間信息。根據衛星定位技術指標和OEM 板的實際性能可以得知，以衛星定位提供的時間信息為基準，能夠實現繼電保護高精度的時間統一，可在事故分析、穩定判斷等領域獲得重要應用；本設計中的軟件程序控制的同步脈沖類型、串行口波特率等的設置，實現同步時鐘功能。