適用于電力系統(tǒng)的GPS 裝置設(shè)計

李益敏，范其明

（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 智能制造學(xué)院，天津 300350）

隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，電力系統(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行方式變得復(fù)雜，而現(xiàn)代社會對電力供應(yīng)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(tǒng)各個裝置的運行狀態(tài)[2-3]，是電力系統(tǒng)的監(jiān)測與控制面臨的新問題，是系統(tǒng)的安全穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的保證。

電力系統(tǒng)所需設(shè)備較多，分布地域不同，要想獲得電力系統(tǒng)主要設(shè)備的關(guān)鍵點同一時間的運行狀態(tài)，就要求系統(tǒng)有統(tǒng)一的高精度基準時間。這樣在系統(tǒng)發(fā)生問題或設(shè)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(tài)發(fā)生的先后順序、起因及發(fā)展趨勢，并能及時地采取有效控制措施，來避免事故的發(fā)生，已經(jīng)成為電力系統(tǒng)監(jiān)測的重點。基于GPS 定位引入電力系統(tǒng)，為電力系統(tǒng)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(tǒng)應(yīng)用

1.1 基于GPS 系統(tǒng)在相量測量中應(yīng)用

電力系統(tǒng)中檢測主要參數(shù)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(tǒng)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(tǒng)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(wǎng)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(shù)為

1.2 電力系統(tǒng)對同步精度的要求

電力系統(tǒng)不同行為對同步精度的要求如表1所示。

表1 電力系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(xù)的模擬量采樣、經(jīng)過模數(shù)變換后的離散數(shù)字量轉(zhuǎn)換成頻域得到相量值。DFT 測量相位方法如下：

設(shè)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(yīng)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(tǒng)由接收天線、數(shù)據(jù)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(tǒng)的兩個節(jié)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(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)。PMU 是由高穩(wěn)晶振構(gòu)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(jīng)過一個采樣周期，利用GPS 同步時鐘串口提供的時間和數(shù)據(jù)窗置以相應(yīng)的“時間標簽”，將計算結(jié)果連同其時間標簽實時傳送至調(diào)度中心。

2 衛(wèi)星定位同步時鐘硬件設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)總體構(gòu)成框圖

硬件系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖2 所示。

圖2 硬件系統(tǒng)總體構(gòu)成框圖Fig.2 Overall composition block diagram of hardware system

2.2 中央處理單元的設(shè)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(jù)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(xiàn)其功能。另外，采用譯碼器74LS139 實現(xiàn)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(shè)計

為了便于對裝置進行調(diào)整和設(shè)定，裝置需要良好的人機通道配置。這里選用LED 靜態(tài)顯示，保證系統(tǒng)運行效率，以提高顯示質(zhì)量。配合靜態(tài)顯示，這里選用MC14495 顯示鎖存器，并用74LS138 實現(xiàn)對MC14495 和LED 的片選。

2.4 同步時鐘脈沖的設(shè)計

由于實際應(yīng)用中電力系統(tǒng)自動化裝置多采用空接點方式同步時鐘脈沖，故本裝置設(shè)計1 對TTL電平輸出端子，7 對空接點輸出端子。為適應(yīng)多種自動化裝置的需要，本裝置由用戶通過鍵盤設(shè)置其脈沖輸出時間間隔。具體實現(xiàn)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(jīng)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(chǎn)生輸出。

3 衛(wèi)星定位同步時鐘軟件的設(shè)計

3.1 主程序

主程序首先完成初始化，然后循環(huán)執(zhí)行鍵盤程序，用以檢測用戶是否對裝置進行了新的調(diào)整和設(shè)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(tài)，按下“▲”鍵，左起第1 位數(shù)碼管顯示“0”，開始調(diào)節(jié)顯示亮度。按“＋”循環(huán)調(diào)節(jié)數(shù)碼管亮度，裝置在運行狀態(tài)，按住“確認”鍵，則顯示當前日期（年月日）。

裝置在運行狀態(tài)，同時按下“項目”和“確認”鍵，進入設(shè)置菜單，左起第1 位數(shù)碼管可以顯示從“1”到“7”，表示7 個設(shè)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(tài)顯示時間（時分秒）。

3.3 串行口波特率設(shè)置子程序

在鍵盤主程序中判斷是否調(diào)用子程序KEY3。

在KEY3 子程序中顯示左起第1 位數(shù)碼管顯示值及該項目設(shè)定值，并判斷是否有鍵按下。以左起第1 位數(shù)碼管顯示“1”為例說明：若“＋”鍵按下，跳轉(zhuǎn)至下一項目；若“確認”鍵按下，跳轉(zhuǎn)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(yīng)存儲單元，再通過串行口1 將信息發(fā)送至通信單元，同時通過LED 顯示時間信息。

4 結(jié)語

本文將衛(wèi)星定位技術(shù)引入電力系統(tǒng)同步時鐘裝置中，以提高電力系統(tǒng)時間精度為目的，設(shè)計出基于DS80C320 高速芯片的衛(wèi)星定位電力系統(tǒng)同步時鐘裝置。主要結(jié)論：衛(wèi)星定位是一種全球共享的高技術(shù)資源，它能在世界范圍內(nèi)提供同步精度最低為1 μs 的時間信息。根據(jù)衛(wèi)星定位技術(shù)指標和OEM 板的實際性能可以得知，以衛(wèi)星定位提供的時間信息為基準，能夠?qū)崿F(xiàn)繼電保護高精度的時間統(tǒng)一，可在事故分析、穩(wěn)定判斷等領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用；本設(shè)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(shè)置，實現(xiàn)同步時鐘功能。