一種基于GPS授時(shí)的高精度無(wú)線同步核相技術(shù)

陳兢　耿軍　肖鋒　房春雪

【摘要】由于傳統(tǒng)無(wú)線同步核相技術(shù)在進(jìn)行同步采樣時(shí)存在時(shí)間延遲，同步核相精度較低，針對(duì)此問(wèn)題，本文提出一種基于GPS授時(shí)的高精度無(wú)線同步核相技術(shù)，首先對(duì)GPS報(bào)文進(jìn)行解析獲取GPS時(shí)間，利用GPS時(shí)間和PPS脈沖信號(hào)準(zhǔn)確控制同步采樣時(shí)刻進(jìn)行同步核相，然后基于此核相原理設(shè)計(jì)研制出基于GPS授時(shí)的無(wú)線同步核相儀，并對(duì)相距一定距離的多處電壓、電流值進(jìn)行無(wú)線同步核相，測(cè)量結(jié)果表明，在1000米范圍內(nèi)，基于GPS授時(shí)的無(wú)線同步核相儀能實(shí)現(xiàn)相位誤差小于0.05的精度，滿足電力系統(tǒng)二次核相的測(cè)量要求，克服了傳統(tǒng)無(wú)線同步測(cè)量技術(shù)同步精度較差的問(wèn)題，為提高電力系統(tǒng)同步核相精度和其他同步測(cè)量精度提供了新的解決思路。

【關(guān)鍵詞】GPS授時(shí)；無(wú)線同步核相；GPS報(bào)文；PPS脈沖

引言

無(wú)線核相技術(shù)在電力系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)中占有重要地位。在電力系統(tǒng)中，相序是反應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，交流電力系統(tǒng)ABC三相在正常情況下，三相電壓、電流對(duì)稱，相位相差120°，但在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，ABC三相不再對(duì)稱，因此通過(guò)對(duì)ABC三相電壓和電流進(jìn)行核相可以提前預(yù)測(cè)和快速找到電力系統(tǒng)故障類型，及時(shí)做出應(yīng)對(duì)措施，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

二次核相技術(shù)因其測(cè)量信號(hào)額定值較低、不直接對(duì)運(yùn)行線路測(cè)試等因素成為廣泛使用的核相技術(shù)。無(wú)線同步核相技術(shù)是對(duì)電力系統(tǒng)中相距一定距離的分布式電壓電流信號(hào)進(jìn)行同步測(cè)量的一種有效方法。目前電力系統(tǒng)中常用的無(wú)線同步核相技術(shù)是通過(guò)無(wú)線通訊模塊發(fā)送同步采樣信號(hào)實(shí)現(xiàn)異地同步采樣核相，此種無(wú)線同步核相技術(shù)由于同步采樣信號(hào)在無(wú)線傳輸時(shí)存在時(shí)間延遲造成核相精度較低，為了提高核相精度，一些專家和學(xué)者提出了時(shí)間延遲補(bǔ)償算法，但無(wú)線信號(hào)傳輸過(guò)程中的時(shí)間延遲與傳輸距離、信號(hào)強(qiáng)度等因素有關(guān)，造成時(shí)間延遲補(bǔ)償算法較為復(fù)雜，參數(shù)較難確定。

為了提高核相精度，本文提出一種基于GPS授時(shí)的高精度無(wú)線同步核相技術(shù)?；贕PS授時(shí)的高精度無(wú)線同步核相技術(shù)通過(guò)對(duì)GPS報(bào)文進(jìn)行解析，獲得準(zhǔn)確的GPS時(shí)間，利用GPS時(shí)間和PPS脈沖信號(hào)準(zhǔn)確控制同步采樣時(shí)刻進(jìn)行異地同步核相。本文第一節(jié)首先對(duì)GPS授時(shí)技術(shù)進(jìn)行介紹，第二節(jié)對(duì)基于GPS授時(shí)的無(wú)線同步核相技術(shù)工作原理進(jìn)行說(shuō)明，第三節(jié)使用基于GPS授時(shí)的無(wú)線同步核相儀分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，第四節(jié)為本文結(jié)論。

1、GPS授時(shí)技術(shù)

GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是現(xiàn)階段技術(shù)最完善的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一。

GPS系統(tǒng)分為三個(gè)基本部分 ：一是作為空間部分的GPS衛(wèi)星星座；二是作為地面控制部分的地面監(jiān)控系統(tǒng)；三是作為用戶設(shè)備部分的GPS信號(hào)接收機(jī)。本文中主要對(duì)用戶設(shè)備部分也就是GPS信號(hào)接收機(jī)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。

GPS接收機(jī)功能是接收衛(wèi)星播發(fā)的信號(hào)，獲取定位觀測(cè)值，提取導(dǎo)航電文中的廣播衛(wèi)星、星歷、衛(wèi)星時(shí)鐘、鐘差及電離層延遲修正參數(shù)等，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，完成導(dǎo)航、定位和授時(shí)任務(wù)。

本文中設(shè)計(jì)的GPS接收機(jī)如圖1所示。

圖1中GPS接收機(jī)通過(guò)微處理器串口接受GPS報(bào)文并對(duì)其進(jìn)行解析，解析出當(dāng)前GPS時(shí)間、當(dāng)前衛(wèi)星狀態(tài)、當(dāng)前可視衛(wèi)星個(gè)數(shù)、當(dāng)前鎖定衛(wèi)星個(gè)數(shù)等有效信息，同時(shí)通過(guò)微處理器GPIO口獲取PPS脈沖，獲取其脈沖上升沿，為之后的異地同步核相做準(zhǔn)備。

圖2為用GPS定位成功時(shí)示波器捕獲到的GPS報(bào)文和PPS脈沖。圖2中PPS脈沖寬度為100ms，1秒內(nèi)完整的GPS報(bào)文為600ms。GPS授時(shí)模塊采用NMEA 0183協(xié)議。用串口捕捉到的1秒內(nèi)完整的GPS報(bào)文如下表1所示。

表1中列出了每秒鐘GPS授時(shí)模塊發(fā)出的11條報(bào)文，報(bào)文中包括了時(shí)間信息、跟蹤衛(wèi)星信息、可視衛(wèi)星信息、地理位置信息、速度信息等多種信息。

本文中主要對(duì)GPS時(shí)間信息、天線狀態(tài)、可視衛(wèi)星顆數(shù)和跟蹤衛(wèi)星顆數(shù)進(jìn)行解析，具體的分別對(duì)$GNRMC，$GNGGA，$GPGSV，$GPGSV和$GNZDA報(bào)文進(jìn)行解析。

2、基于GPS授時(shí)的無(wú)線同步核相技術(shù)

基于GPS授時(shí)的無(wú)線同步核相技術(shù)的工作原理圖如圖3所示。

圖3中A、B機(jī)分別作為對(duì)分布式電壓電流信號(hào)進(jìn)行同步核相的主從機(jī)。

A機(jī)作為主機(jī)主要執(zhí)行以下操作：

從GPS接收機(jī)接收到GPS報(bào)文和PPS脈沖信號(hào)發(fā)送給微處理器進(jìn)行解析處理；

微處理器對(duì)GPS報(bào)文進(jìn)行解析獲得當(dāng)前GPS時(shí)間，將當(dāng)前GPS時(shí)間延遲2s后作為采樣時(shí)間存入本機(jī)存儲(chǔ)器，并通過(guò)無(wú)線通訊模塊將采樣時(shí)間和采樣命令發(fā)送給B機(jī)；

繼續(xù)接收和解析GPS報(bào)文，若當(dāng)前GPS時(shí)間等于采樣時(shí)間，等待PPS脈沖上升沿，AD采樣模塊在第一個(gè)PPS上升沿時(shí)刻執(zhí)行采樣命令，并將本機(jī)即A機(jī)采樣數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理器；

微處理器接收無(wú)線模塊發(fā)送的B機(jī)采樣數(shù)據(jù)；

微處理器將A機(jī)采樣數(shù)據(jù)和B機(jī)采樣數(shù)據(jù)發(fā)送給液晶顯示屏進(jìn)行顯示。

至此A機(jī)（主機(jī)）完成一個(gè)同步采樣流程。

B機(jī)作為從機(jī)主要執(zhí)行以下操作：

通過(guò)無(wú)線通訊模塊接收A機(jī)發(fā)送的采樣時(shí)間和采樣命令；

接收和解析GPS報(bào)文，若當(dāng)前GPS時(shí)間等于采樣時(shí)間，等待PPS脈沖上升沿，AD采樣模塊在第一個(gè)PPS上升沿時(shí)刻執(zhí)行采樣命令，并將本機(jī)即B機(jī)采樣數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理器；

微處理器通過(guò)無(wú)線模塊將B機(jī)采樣數(shù)據(jù)發(fā)送給A機(jī)進(jìn)行處理和顯示；

微處理器將B機(jī)采樣數(shù)據(jù)發(fā)送給液晶顯示屏進(jìn)行顯示。

至此B機(jī)（從機(jī)）完成一個(gè)同步采樣流程。

從以上流程可以看出主從機(jī)均以GPS時(shí)間和PPS脈沖上升沿作為采樣時(shí)刻，而PPS脈沖上升沿精確對(duì)應(yīng)某一個(gè)UTC時(shí)刻，誤差為幾十ns，因此主從機(jī)的同步誤差為幾十ns。將100ns換算為工頻交流信號(hào)的角度數(shù)為0.0018?，考慮到此設(shè)計(jì)中AD采樣模塊精度和主從機(jī)各個(gè)模塊運(yùn)算和傳輸速度差異，此設(shè)計(jì)中主從機(jī)核相的同步誤差最大為0.05?。

傳統(tǒng)的無(wú)線同步核相儀主機(jī)的AD采樣模塊在收到微處理器的同步采樣命令之后開(kāi)始采樣，從機(jī)通過(guò)串口接收無(wú)線通訊模塊發(fā)送的同步采樣命令之后，再控制AD采樣模塊開(kāi)始采樣，兩者的采樣開(kāi)始時(shí)刻時(shí)間差為主機(jī)的微處理器向無(wú)線通訊模塊發(fā)送采樣命令的時(shí)間、主機(jī)無(wú)線通訊模塊發(fā)送采樣命令時(shí)間、從機(jī)無(wú)線通訊模塊收到采樣命令向從機(jī)微處理器發(fā)送采樣命令的時(shí)間三者之和，此時(shí)間約為幾十到底幾百us，所以傳統(tǒng)無(wú)線同步核相儀同步誤差至少為0.3?。

基于GPS授時(shí)的無(wú)線同步核相技術(shù)可以有效地提高同步核相精度，此技術(shù)不僅限于應(yīng)用于有主從機(jī)兩臺(tái)機(jī)子的雙機(jī)同步核相，也可用于多機(jī)同步核相。

3、測(cè)試結(jié)果及分析

在實(shí)驗(yàn)室中用繼保之星輸出固定交流電壓電流值，繼保之星輸出的A、B、C各相交流電壓電流值分別如表2所示。

表2 A、B、C各相交流電壓電流值

A相 B相 C相

電壓幅值（V） 57.70 57.70 57.70

電壓相位（°） 0 240 120

電流幅值（A） 1.00 1.00 1.00

電流相位（°） 10 250 130

首先使用傳統(tǒng)的無(wú)線同步核相儀主機(jī)和從機(jī)同時(shí)對(duì)表2所示的電壓電流值進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。測(cè)試中，A、B、C三相交流信號(hào)的相位隨具體測(cè)試時(shí)刻變化而變化，為了更好的對(duì)比測(cè)試結(jié)果，表3中A、B、C三相電壓和電流相位均以主機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)中的A相電壓相位為參考相進(jìn)行計(jì)算和顯示。

從表3中可以看出：傳統(tǒng)的無(wú)線同步核相儀主機(jī)和從機(jī)在測(cè)試同一電壓電流信號(hào)時(shí)，主從機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)中電壓幅值和電流幅值最大差值為0.03，由于電壓幅值和電流幅值為定值，測(cè)試中幅值差值不與采樣時(shí)刻的同步性有關(guān)，而只與采樣模塊的精度及其他模塊的精度、響應(yīng)速度有關(guān)。表3測(cè)試數(shù)據(jù)中，主從機(jī)電壓相位和電流相位差值最大值為0.66°，最小值為0.35°，此數(shù)據(jù)較能反映同步采樣的同步精度。

然后使用本文設(shè)計(jì)的基于GPS授時(shí)的無(wú)線同步核相儀主機(jī)和從機(jī)同時(shí)對(duì)表2所示的電壓電流值進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4所示。表4中A、B、C三相電壓和電流相位也均以主機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)中的A相電壓相位為參考相進(jìn)行計(jì)算和顯示。

表3 傳統(tǒng)無(wú)線同步核相儀測(cè)試結(jié)果

A相 B相 C相

主機(jī) 電壓幅值（V） 57.72 57.65 57.68

電壓相位（°） 0.00 240.53 119.79

從機(jī) 電壓幅值（V） 57.69 57.67 57.69

電壓相位（°） 0.38 239.87 120.14

差值 電壓幅值（V） 0.03 0.02 0.01

電壓相位（°） 0.38 0.66 0.35

主機(jī) 電流幅值（A） 0.97 0.99 0.98

電流相位（°） 10.54 250.36 130.57

從機(jī) 電流幅值（A） 0.99 0.98 0.99

電流相位（°） 10.12 249.87 130.22

差值 電流幅值（A） 0.02 0.01 0.01

電流相位（°） 0.42 0.49 0.35

表4 基于GPS授時(shí)的無(wú)線同步核相儀測(cè)試結(jié)果

A相 B相 C相

主機(jī) 電壓幅值（V） 57.71 57.65 57.68

電壓相位（°） 0.00 240.23 240.09

從機(jī) 電壓幅值（V） 57.69 57.67 57.69

電壓相位（°） 0.04 240.20 240.14

差值 電壓幅值（V） 0.02 0.02 0.01

電壓相位（°） 0.04 0.03 0.05

主機(jī) 電流幅值（A） 0.98 0.99 0.98

電流相位（°） 10.14 250.36 130.18

從機(jī) 電流幅值（A） 0.99 0.98 0.99

電流相位（°） 10.12 250.35 130.22

差值 電流幅值（A） 0.01 0.01 0.01

電流相位（°） 0.02 0.01 0.04

表5 基于GPS授時(shí)的無(wú)線同步核相儀測(cè)試結(jié)果

A相 B相 C相

主機(jī) 電壓幅值（V） 57.38 56.82 57.25

電壓相位（°） 12.62 253.01 132.15

從機(jī) 電壓幅值（V） 57.36 56.90 57.22

電壓相位（°） 12.60 253.03 132.12

差值 電壓幅值（V） 0.02 -0.02 0.03

電壓相位（°） 0.02 -0.04 -0.03

從表4中可以看出：傳統(tǒng)的無(wú)線同步核相儀主機(jī)和從機(jī)在測(cè)試同一電壓電流信號(hào)時(shí)，主從機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)中電壓幅值和電流幅值最大差值為0.02，與表3中的幅值差值差別不大，而主從機(jī)的相位誤差最大值為0.05°，最小值為0.01°，與表3中相比，同步精度大大提高，驗(yàn)證了本文提出的基于GPS授時(shí)的無(wú)線同步核相技術(shù)的高精度。

同時(shí)國(guó)網(wǎng)黃石供電公司檢修分公司工作人員，利用本文設(shè)計(jì)的基于GPS授時(shí)的無(wú)線同步核相儀主機(jī)和從機(jī)在220KV智能變電站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，兩臺(tái)儀器分別測(cè)量Ⅰ段母線和Ⅱ段母線端子箱電壓，進(jìn)行同步采樣。其中一次同步采樣結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出， 兩條母線測(cè)量幅值相差最大為0.03V，兩條母線測(cè)量相位相差最大為0.04?。理論上兩條母線的相位應(yīng)該相等，說(shuō)明測(cè)試設(shè)備的測(cè)試結(jié)果最多偏差了0.04?。進(jìn)一步驗(yàn)證了本文中基于GPS授時(shí)的無(wú)線同步核相技術(shù)的精度。

4、結(jié)論

本文為解決傳統(tǒng)無(wú)線同步核相技術(shù)同步精度較低的問(wèn)題，在傳統(tǒng)無(wú)線同步核相技術(shù)基礎(chǔ)上引入GPS授時(shí)模塊，提出基于GPS授時(shí)的高精度的無(wú)線同步核相技術(shù)，通過(guò)理論分析論證了基于GPS授時(shí)的無(wú)線同步核相技術(shù)的精度比傳統(tǒng)無(wú)線同步核相技術(shù)的精度高，并設(shè)計(jì)同步核相儀進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了理論分析的正確性，基于GPS授時(shí)的高精度無(wú)線同步核相技術(shù)為提高電力系統(tǒng)中同步核相和其他同步測(cè)量技術(shù)提供了新的解決思路和方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡成博，張能，馬勇，周志成，陶風(fēng)波，劉洋，陳俊武. 狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置智能校驗(yàn)系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[J]. 江蘇電機(jī)工程，2016，35（01）：70-75.

[2]蘇根. 手持式無(wú)線核相儀的研究與設(shè)計(jì)[D].電子科技大學(xué)，2016.

[3]姚庭鏡，曲鴻春，蔣冬，王紫薇，曹建波，潘會(huì)亮. 基于無(wú)線同步的智能二次核相儀設(shè)計(jì)[J]. 廣東科技，2015，24（18）：31-33.

[4]王甜. 基于GPS授時(shí)定位的配變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].中北大學(xué)，2017.

作者簡(jiǎn)介：陳兢（1973-），男， 助理工程師，中專，從事繼電保護(hù)工作；耿軍（1973-），男，工程師，?？?，從事繼電保護(hù)工作；肖鋒 （1978-），男，助理工程師，本科，從事繼電保護(hù)工作；房春雪，（1993-），女，工程師，碩士研究生，從事電力電子技術(shù)研究和繼電保護(hù)工作。