（電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)論文）電子式互感器合并單元同步時(shí)鐘模塊的設(shè)計(jì).pdf

電子式互感器合并單元同步時(shí)鐘模塊的設(shè)計(jì) t h e d e s i g n f o ri m p l e m e n t i n gs y n c h r o n i z a t i o no f m e r g i n gu n i ti n e l e c t r o n i et r a n s d u c e r s a b s t r a c t a st h ec a p a b i l i t ya n dv o l t a g el e v e lo ft r a n s m i s s i o nl i n e si n c r e a s i n g c o n v e r t i o n a l i n d u c t i v ee u r r l m tt r a n s f o r m e r sa n dp o t e n t i a lt r a n s f o r m e r sh a v es e v e r a ld r a w sa te x t r a h i g h v o l t a g e a n dp a r t i c u l a r l yu l t r a h i g h v o l t a g eg r a d e s h i 曲v o l t a g e e l e c t r o n i ct r a n s d u c e r s r e p l a c i n gc o n v e r t i o n a lt r a n s f o r m sw i l lb et h ec e r t a i nd e v e l o p i n gt e n d e n c y m u m e r g i n gu n i t i st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to f t h ei n t e r f a c eb e t w e e ne l e c t r o n i c t r a n s d u c e ra n dp r o t e c t i v ed e v i c e t h ed e f i n i t i o no f m ua n di t si m e m a t i o n a ls t a n d a r d sa r e i n t r o d u c e d a n dt h em a i nf u n c t i o n so f m ua n di t si m p l e m e n t a t i o na r er e s e a r c h e d e s p e c i a l l y t h ed e m a n do f t h es y n c h r o n i z a t i o na c c o r d i n gt h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d si se x p a t i a t e do n t h i st h e s i sp o i n t so u tt h ep r o b l e mt or e s o l v et h es y n c h r o n i z a t i o no fm e r g i n gu n i t a c c o r d i n gt ot h ei e c6 1 8 5 0 9 1a n di e c 6 0 0 4 4 8s t a n d a r d a n dp r o p o s e sam e t h o du s i n g f p g aa n dv e r i l o gh d l t oi m p r o v et h ea c c u r a c ya n ds t a b i l i t yo ft h es y n c h r o n o n st i m e r t h e n t h i st h e s i sp r e s e n t san e wm e t h o dt oi m p l e m e n tah i g h l ya c c u r a t ea n ds t a b l ec l o c kb y s y n c h r o n i z i n gt h ec r y s t a lo s c i l l a t o rc l o c kw i t l lt h eg p sc l o c k w h i c hi s b a s e do nt h e c o m p l e m e n to ft h ee r r o r sb e t w e e ng p sa n dc r y s t a lo s c i l l a t o r t h i sm e t h o dc a ni d e n t i f yt h e s y n c h r o n o u sc l o c ka c c u r a t e l y a n di tc a ns y n c h r o n o u s l ys a m p l et h em u l t i c h a n n e lc u r r e n ta n d v o l t a g ei n f o r m a t i o na c c u r a t e l ya n dr e l i a b l y w h e nt h es y n c h r o n o u sc l o c ki sd i s t u r b e do rl o s t t e m p o r a l l y i tc a l ls t i l lm a k et h es a m p l i n gp u l s ea n d1p p sb yc r y s t a lo s c i l l a t o ra c c u r a t e l y q u i c k l ya c h i e v i n gt h es y n c h r o n i z a t i o no ft h em e r g i n g u n i tw h e nt h es y n c h r o n o u sc l o c ki n p u t i sr e s u m e d t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t sd e m o n s t r a t et h ev a l i d i t yo ft h i sm e t h o d t h i s s u b j e c tc a nb ev e r yi m p o r t a n tf o rr a i s i n gt h el e v e lo f p o w e rs y s t e ma u t o m a t i z a t i o n e s p e c i a l l y f o rt h ed e v e l o p m e n to f f a u l ta n a l y z i n g f a u l tl o c a t i n g s t a b i l i z a t i o n j u d g i n ga n dc o n t r o l l i n g t e c h n o l o g y k e yw o r d s e c t 但v t m e r g i n gu n i t s y n c h r o n o u sc l o c k f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y f p g a e r r o rr e u s e i i 獨(dú)創(chuàng)性說(shuō)明 作者鄭重聲明 本碩士學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得研究成果 盡我所知 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外 論文申不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的研究成果 也不包含為獲得大連理 工大學(xué)或者其他單位的學(xué)位或證書(shū)所使用過(guò)的材料 與我一同工作的同志 對(duì)本研究所做的貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說(shuō)明并表示了謝意 大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 大連理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解 大連理工大學(xué)碩士 博士學(xué)位論文版權(quán)使用 規(guī)定 同意大連理工大學(xué)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子 版 允許論文被查閱和借閱 本人授權(quán)大連理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi) 容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索 也可采用影印 縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編學(xué)位論 文 作者簽名 鴦生奎整 跏繇整尷 丑年正月盟日 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒論 1 1 電子式互感器的發(fā)展 高電壓 大電流的測(cè)量對(duì)于電力系統(tǒng)安全 經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行具有重要的意義 準(zhǔn)確地測(cè) 量各種電壓 電流值是電能測(cè)量 繼電保護(hù) 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)診斷以及電力系統(tǒng)分析的前提條 件 電力互感器 包括電壓互感器和電流互感器 是電力系統(tǒng)中進(jìn)行電能計(jì)量和獲取繼 電保護(hù)信號(hào)的重要設(shè)備 l j 隨著電力系統(tǒng)傳輸容量的增加 運(yùn)行電壓等級(jí)越來(lái)越高 傳統(tǒng)的電磁式電流 電壓 互感器暴露出如絕緣要求高 磁飽和 鐵磁諧振 動(dòng)態(tài)范圍小的 頻帶窄等一系列缺點(diǎn) 于是 各種旨在解決超高壓絕緣問(wèn)題的測(cè)量方法應(yīng)運(yùn)而生 國(guó)際電工委員會(huì)通過(guò)對(duì)這些方 法的統(tǒng)計(jì)分析 提出了電子式電壓 電流互感器的概念 根據(jù)i e c 標(biāo)準(zhǔn) 2 3 這類依賴于 電子技術(shù) 光學(xué)技術(shù) 現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)的電壓 電流變送器統(tǒng)稱為電子式電壓互感器 e v t 和電子式電流互感器 e c d 與傳統(tǒng)電力互感器相比 電子式互感器具有如下的一系列優(yōu)點(diǎn)m j 1 絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 體積小 重量輕 因無(wú)鐵心 絕緣油等 一般電子式互感器的重 量只有電磁式互感器重量的1 1 0 便于運(yùn)輸和安裝 2 不存在磁飽和與鐵磁諧振問(wèn)題 能在很大的電流與電壓變化范圍內(nèi) 以高速動(dòng)作 準(zhǔn)確 抗干擾等寬頻帶性能來(lái)測(cè)量電流 電壓 3 由于傳感和信號(hào)處理部分外形小和重量輕 可以裝入成套電器或成套配電裝置 中 適應(yīng)電力設(shè)備向集成化方向發(fā)展的趨勢(shì) 4 采用光纖或其它加強(qiáng)絕緣方式實(shí)現(xiàn)高電壓回路與二次電壓回路在電氣上的完全 隔離 消除這些回路不希望有的相互影響 保護(hù)了二次設(shè)備和工作人員的安全 5 適應(yīng)了繼電保護(hù)裝置 包括微機(jī)保護(hù) 的發(fā)展 由于受傳統(tǒng)的互感器性能的限制 其保護(hù)原理基本上是基于工頻測(cè)量進(jìn)行保護(hù)判斷的 易受過(guò)渡電阻和系統(tǒng)振蕩 磁飽和 等的影響 其保護(hù)性能難以滿足當(dāng)今電力系統(tǒng)向著超高電壓 大容量 遠(yuǎn)距離方向的發(fā) 展要求 利用故障時(shí)的暫態(tài)信號(hào)量作為保護(hù)判斷 是微機(jī)保護(hù)的發(fā)展方向 它對(duì)互感器 的線性度 動(dòng)態(tài)特性等都有較高的要求 電子式互感器的出現(xiàn)滿足了這一要求 6 有利于實(shí)現(xiàn)變電站數(shù)字化 光纖化和智能化 電子式互感器的信號(hào)和傳輸形式都 可以采用光纜 光纖 實(shí)現(xiàn) 而光信號(hào)的突出優(yōu)點(diǎn)和光纖通信技術(shù)的廣泛采用使得變電 站內(nèi)部以及和上級(jí)站之間的數(shù)據(jù)傳輸更加可靠和迅速 電子式互感器與光纖通訊技術(shù)和 電子式互感器合并單元同步時(shí)鐘模塊的設(shè)計(jì) 微機(jī)相結(jié)合組成光纖局域網(wǎng)應(yīng)用于電力系統(tǒng)是變電站自動(dòng)化的一個(gè)重要的發(fā)展方向 開(kāi) 創(chuàng)了未來(lái)光纖化變電站的美好前景 電子式互感器按傳感原理分為無(wú)源全光型和有源電子式兩種基本類型 前者基于有 關(guān)光學(xué)傳感技術(shù) 因其一次側(cè)光學(xué)電流 電壓傳感器無(wú)需工作電源 具有較大的優(yōu)勢(shì) 但光學(xué)傳感器的制作工藝復(fù)雜 穩(wěn)定性及一致性不易控制 后者基于電磁感應(yīng)原理 通 過(guò)一次側(cè)的采樣傳感器對(duì)電流 電壓信號(hào)取樣 利用有源器件調(diào)制技術(shù) 以光纖作為信 號(hào)通道 把一次側(cè)轉(zhuǎn)換的光信號(hào)傳送到地面進(jìn)行信號(hào)處理 還原得到被測(cè)信號(hào) 這種互 感器的特點(diǎn)是 利用光纖系統(tǒng)提供的高絕緣性 抗電磁干擾強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn) 顯著地降低了電 流互感器的制造成本 減少了體積和重量 充分發(fā)揮了被電力工業(yè)界廣泛接受的常規(guī)電 流測(cè)量裝置的優(yōu)勢(shì) 同時(shí)還避免了光學(xué)傳感頭光路的復(fù)雜性及對(duì)溫度 外界振動(dòng)敏感等 技術(shù)難點(diǎn) 有源電子式互感器的特點(diǎn)決定了它在實(shí)用化道路上的優(yōu)勢(shì) 5 j 其結(jié)構(gòu)框圖如 圖l 1 所示 二次端子 圖l 1 有源電子式c t p t 通用框圖 f i g 1 1 t h eg e n e r a ls c h e m eo f p o w e re l e c t r o n i cc t p t 有源電子式電流互感器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 2 所示 感應(yīng)被測(cè)電流的線圈通常采用 r o g o w s k i 線圈 r o g o w s d 線圈的骨架為非磁性材料 如圖1 3 所示 若線圈的匝數(shù)密 度n 及截面積s 均勻 r o g o w s k i 線圈輸出的信號(hào)e 與被測(cè)電流i 有如下關(guān)系 6 7 j p 一蘭 一硒 塔睪 1 1 口fm 將e d 積分便可求得被測(cè)電流f d p f 砂經(jīng)積分變換及a d 轉(zhuǎn)換后 由電光轉(zhuǎn) 換為數(shù)字光信號(hào)輸出 控制室的p i n 及信號(hào)處理電路對(duì)其進(jìn)行光電變換及相應(yīng)的處理 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 便可輸出供微機(jī)保護(hù)和計(jì)量用的電信號(hào) 圖1 2 有源電子式電流互感器結(jié)構(gòu)示意圖 f i g 1 2 t h es k e t c hm a po f p o w e re l e c t r o n i cc t 圖1 3r o g o w s k i 線圈 f i g 1 3r o g o w s k ic o i l 有源電子式電壓互感器結(jié)構(gòu)如圖1 4 所示 被測(cè)高壓經(jīng)分壓器分壓后 經(jīng)信號(hào)預(yù)處 理 a d 轉(zhuǎn)換及光電轉(zhuǎn)換 以數(shù)字光信號(hào)的形式送至控制室 控制室的p i n 及信號(hào)處 理電路對(duì)其進(jìn)行光電變換及相應(yīng)的信號(hào)處理 便可輸出供微機(jī)保護(hù)和計(jì)量用的電信號(hào)嘲 高壓母線 圖1 4 有源電子式電壓互感器結(jié)構(gòu)圖 f i g 1 4 t h es k e t c hm a po f p o w e re l e c t r o n i cp t 一3 電子式互感器合并單元同步時(shí)鐘模塊的設(shè)計(jì) 電流信號(hào)在高壓側(cè)經(jīng)取樣后 變成數(shù)字信號(hào) 經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)墓β史糯?驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管 變成光信號(hào) 用光纖送到互感器下側(cè)低電壓端 電壓信號(hào)經(jīng)分壓器取樣后 變成數(shù)字信 號(hào) 同樣經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)墓β史糯?驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管 也變成光信號(hào) 在互感器本體低電位 側(cè) 已變成光信號(hào)的電流 電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳送到變電站控制室 在控制室經(jīng)o p e 變 換后 經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)理 信號(hào)再送入工控機(jī)中進(jìn)行信號(hào)解調(diào)和處理 解調(diào)后的模擬信號(hào)可 供計(jì)量和保護(hù)用 在信號(hào)處理單元中 瞬態(tài)信號(hào)測(cè)量即用于保護(hù)電流 電壓信號(hào)的測(cè)量 必須考慮信號(hào)處理單元的響應(yīng)速度及頻帶寬度 電子式互感器的數(shù)字接口通過(guò)合并單元 實(shí)現(xiàn) m u 可以是互感器的組成部分之 一 也可以是位于控制室的獨(dú)立的單元 它可組合1 2 路s c 的數(shù)據(jù)通道 每路通道傳送 從e c t 電子式電流互感器 或e v t 電子式電壓互感器 采樣的測(cè)量值數(shù)據(jù) 輸出的供微 機(jī)保護(hù)和計(jì)量用的電信號(hào)要求同步 這要求各個(gè)不同的電子式互感器的采樣脈沖同步 采樣脈沖由合并單元提供 這要求不同合并單元之間達(dá)到同步 1 2 合并單元 電子式互感器標(biāo)準(zhǔn)i e c 6 0 0 4 4 7 8 中定義了一個(gè)新的物理單元 合并單元 9 1 0 1 見(jiàn)圖1 5 用來(lái)對(duì)來(lái)自二次轉(zhuǎn)換器的電流或電壓數(shù)據(jù)做時(shí)間相干的組合 可以是現(xiàn)場(chǎng)變 換器中的一個(gè)部件 或是獨(dú)立單元 其結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1 5 所示 圖1 5 電子式互感器數(shù)字接口框圖 f i g 1 5 t h ed i g i t a li n t e r f a c e so f e v t e c t 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 1 合并單元功能 合并單元是針對(duì)數(shù)字化輸出的電子式互感器而定義的 連接了電子式互感器二次轉(zhuǎn) 換器與變電站二次設(shè)備 它所采集的1 2 路電流 電壓信息均有明確定義 用于測(cè)量和 保護(hù)的電流分別給出 合并單元以曼徹斯特編碼格式將這些信息組幀發(fā)送給二次保護(hù) 控制設(shè)備 l 合并單元與二次設(shè)備的接口是串行單向多路點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接 它將7 個(gè) 3 個(gè)測(cè)量 3 個(gè)保護(hù) 1 個(gè)備用 以上的電流互感器和5 個(gè) 3 個(gè)測(cè)量 保護(hù) 1 個(gè)母線 1 個(gè)備用 以上的電壓互感器合并為一個(gè)單元組 并將輸出的瞬時(shí)數(shù)字信號(hào)填入到同一個(gè)數(shù)據(jù)幀 中 如圖1 5 所示 圖中e v t a 是指電子式電壓互感器a 相 e c t a 是指電子式電流 互感器a 相 s c 是指二次轉(zhuǎn)換器 合并單元以曼徹斯特編碼格式將這些信息組幀發(fā)送 給二次保護(hù) 控制設(shè)備 報(bào)文內(nèi)主要包括了各路電流 電壓量及其有效性標(biāo)志 此外還 添加了一些反映開(kāi)關(guān)狀態(tài)的二進(jìn)制輸入信息和時(shí)間標(biāo)簽信劇1 2 合并單元應(yīng)具備以下三種功能1 1 3 j 1 同步功能模塊 在正確識(shí)別外部輸入的同步秒脈沖時(shí)鐘信號(hào) 一般來(lái)自于g p s 接 收機(jī)的輸出 后 合并單元給各路a d 轉(zhuǎn)換器發(fā)送同步轉(zhuǎn)換信號(hào) 2 多路數(shù)據(jù)采集和處理功能模塊 這是與電子式互感器進(jìn)行接口的主要功能模塊 在合并單元給多路a d 轉(zhuǎn)換器發(fā)送同步轉(zhuǎn)換信號(hào)后 最多將同時(shí)接收1 2 路通道的輸出 數(shù)據(jù)并對(duì)其有效性進(jìn)行校驗(yàn) 3 串口發(fā)送功能模塊 用于將各路采樣值數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀并發(fā)送給保護(hù)測(cè)控設(shè)備 此 功能體現(xiàn)了i e c 6 0 0 4 4 7 8 和i e c 6 1 8 5 0 9 1 中合并單元功能實(shí)現(xiàn)的主要區(qū)別 前者是基 于f t 3 格式進(jìn)行曼徹斯特編碼發(fā)送 由于傳輸率比較低 編碼前為2 5 m b i t s 限制了采 樣率 不適用于對(duì)采樣率要求較高的計(jì)量和差動(dòng)保護(hù)等 后者是基于i e e e 8 8 0 2 2 和 i s o 腮c 8 8 0 2 3 即通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行發(fā)送 速度可達(dá)到1 0 0 m b i t s 甚至更高 相對(duì)于 i e c 6 0 0 4 4 7 8 其應(yīng)用更為廣泛 在電子式互感器的應(yīng)用中 與一個(gè)合并單元進(jìn)行接口的e c r i 佰v t 中所帶的a d 轉(zhuǎn)換器可以是單路模擬量輸入通道 也可以是多路模擬量輸入通道 合并單元通過(guò)向各 路a d 轉(zhuǎn)換器發(fā)送同步轉(zhuǎn)換命令 以保證各路同時(shí)進(jìn)行采樣和a d 轉(zhuǎn)換 當(dāng)一個(gè)二 次保護(hù)設(shè)備需要多個(gè)合并單元提供的電流 電壓信息對(duì) 必須使不同的合并單元之間同 步工作 在多數(shù)情況下 變電站的合并單元都需要同步 可以使用一個(gè)站級(jí)同步源給所 有的合并單元發(fā)送同步信號(hào)以實(shí)現(xiàn)采樣的同步 當(dāng)保護(hù)雙重化時(shí) 變電站需要兩個(gè)獨(dú)立 的同步源給兩套保護(hù)設(shè)備提供同步信號(hào) 由于兩套保護(hù)設(shè)備共用同一個(gè)電子式互感器 所以兩個(gè)同步源之間也應(yīng)實(shí)現(xiàn)同步 電子式互感器合并單元同步時(shí)鐘模塊的設(shè)計(jì) 合并單元的同步是很重要的 i e c6 0 0 4 4 8 標(biāo)準(zhǔn)中提到的實(shí)現(xiàn)不同a d 轉(zhuǎn)換器之 間的采樣同步有2 種可行的方法 a 采用線性插值法對(duì)各路a d 轉(zhuǎn)換器之間的采樣值 進(jìn)行同步處理 b m u 向各路a 國(guó)轉(zhuǎn)換器發(fā)送同步采樣命令 插值法的優(yōu)點(diǎn)是不用添 加額外的硬件 缺點(diǎn)是二次設(shè)備中必須增加插值算法 且精度也不如利用時(shí)鐘進(jìn)行的精 度同步耐 本設(shè)計(jì)采用第二種方法 電子式互感器的同步采樣脈沖由合并單元提供 合并單元時(shí)鐘同步主要包括3 個(gè)功能 準(zhǔn)確可靠的識(shí)別g p s 信號(hào) 給各路a d 提 供高精度的同步信號(hào)以及g p s 時(shí)鐘失效時(shí)異常情況處理 1 2 2 同步的概念和意義 時(shí)鐘同步是指來(lái)自不同的設(shè)備間隔的電流 電壓信息同步 它是電子式互感器標(biāo)準(zhǔn) 化接口的核心閩題 在電力系統(tǒng)中精確時(shí)鐘同步是十分重要的 它廣泛應(yīng)用于繼電保護(hù) 故障測(cè)距 故障分析 自動(dòng)控制以及電度采集等諸多方面 例如對(duì)于計(jì)量 要求時(shí)間同 步精度控制在1 s 以內(nèi) 一般的傳輸線路保護(hù) 時(shí)間精度應(yīng)在4 1 t s 以內(nèi) 1 4 1 1 2 3 同步時(shí)鐘輸入 圖1 6 是變電站自動(dòng)化協(xié)議i e c 6 1 8 5 0 中定義的合并單元時(shí)鐘要求 合并單元在收 到外部同步時(shí)鐘輸入信號(hào)1 以下簡(jiǎn)稱信號(hào)1 后 給各路a d 發(fā)送同步轉(zhuǎn)換信號(hào)2 以 下簡(jiǎn)稱信號(hào)2 同步信號(hào)1 即在i e c6 0 0 4 4 7 8 標(biāo)準(zhǔn)中描述的合并單元時(shí)鐘輸入信 號(hào) 是用于控制不同合并單元間同步的時(shí)鐘信號(hào) 由于該信號(hào)的頻率較低 不能滿足保 同步信號(hào)1 b i 進(jìn)制開(kāi)關(guān)狀態(tài)輸入 m r 維修請(qǐng)求 p s 電源供應(yīng) 圖1 6 遵循i e c 6 1 8 5 0 9 一l 的合并單元 f i g 1 6m e r g i n gu n i tf o l l o w i n gi e c6 1 8 5 0 9 一l 護(hù)測(cè)量的采樣要求 因此不能直接用作同步采樣和a d 轉(zhuǎn)換的命令 同步信號(hào)2 是控 制各路a d 同步轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘信號(hào) 可以通過(guò)對(duì)同步信號(hào)1 進(jìn)行倍頻處理后直接產(chǎn)生 一6 一 圍 圜自 竺乏陟面咚 蔓凰 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 也可以根據(jù)需要自行設(shè)定同步信號(hào)2 的內(nèi)容與格式 關(guān)于同步信號(hào)2 的具體頻率和格 式可考慮實(shí)際要求而定 可以是單一的脈沖信號(hào) 也可以是數(shù)字序列 同步信號(hào)l 可以由g p s 系統(tǒng) o m e g a 系統(tǒng) 電視時(shí)鐘系統(tǒng) 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位 系統(tǒng)等系統(tǒng)提供 g p s 系統(tǒng)具有時(shí)間精度高 價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn) 所以目前主要由g p s 接收機(jī)提供同步信號(hào)l 全球定位系統(tǒng)g p s 是當(dāng)前全球傳播范圍最廣 精度最高的時(shí)間 發(fā)布系統(tǒng) g p s 授時(shí)獲取方便 用戶只需安裝廉價(jià)的g p s 接收機(jī)就能免費(fèi)得到所需的 時(shí)間信息 g p s 授時(shí)的優(yōu)越性使得它在電力系統(tǒng)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用 并正在給 電力系統(tǒng)監(jiān)視 保護(hù)和控制技術(shù)帶來(lái)深刻的變化 在電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中 時(shí)間同 步裝置是整個(gè)系統(tǒng)的核心 它將g p s 接收設(shè)備提供的秒脈沖信號(hào) p p s 轉(zhuǎn)換為高精度 時(shí)間定標(biāo)系統(tǒng) 1 3 同步時(shí)間服務(wù)系統(tǒng)的研究背景及意義 隨著三峽工程的建成和投產(chǎn) 以及西電東送和全國(guó)聯(lián)網(wǎng)工程的實(shí)施 我國(guó)即將形成 世界上屈指可數(shù)的超大規(guī)模復(fù)雜電網(wǎng) 對(duì)于我國(guó)的電力系統(tǒng)而言 已經(jīng)呈現(xiàn)出大機(jī)組 大電網(wǎng) 超高壓遠(yuǎn)距離交直流混合輸電 大量采用新技術(shù)并引入市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的 顯著特征 這些特征標(biāo)志著我國(guó)電力系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)模和發(fā)展水平已經(jīng)步入了一個(gè)嶄新的 階段 同時(shí)超大規(guī)模的電力系統(tǒng)又會(huì)表現(xiàn)出一些較小規(guī)模電力系統(tǒng)所不具備的新特性 電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式變得日益復(fù)雜 這將是電力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與控制面臨的新問(wèn)題 一 旦電網(wǎng)發(fā)生大的擾動(dòng) 如果得不到及時(shí)有效的預(yù)報(bào) 控制和保護(hù) 就有可能導(dǎo)致大面積 的停電事故 造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響 因此 電力系統(tǒng)的安全問(wèn)題顯得 格外重要f 嘲 理論研究和電力系統(tǒng)多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)都表明 電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與系統(tǒng)當(dāng)時(shí)的運(yùn) 行狀態(tài)有密切的關(guān)系 因此 對(duì)于電力調(diào)度部門(mén)來(lái)說(shuō) 如果能實(shí)時(shí)全面地掌握電力系統(tǒng) 各組成部分的運(yùn)行狀態(tài) 對(duì)保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行無(wú)疑具有非常重要的意義 然而 大型電力系統(tǒng)中功角穩(wěn)定性 電壓穩(wěn)定性 頻率動(dòng)態(tài)變化及其穩(wěn)定性等各項(xiàng)指標(biāo) 都不是孤立的問(wèn)題 而是相互誘發(fā) 相互關(guān)聯(lián)的 這些關(guān)聯(lián)又會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行狀 態(tài)的影響 但是 由于電力系統(tǒng)地域廣闊 設(shè)備眾多 想獲得全系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)及主要設(shè)備 的運(yùn)行狀態(tài)的同步信息 必須依賴于全系統(tǒng)統(tǒng)一的高精度時(shí)闖基準(zhǔn) 這是因?yàn)榻柚诮y(tǒng) 一的時(shí)間基準(zhǔn) 可以在系統(tǒng)操作發(fā)生故障 特別是短時(shí)間內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)事故的情況下 系 統(tǒng)運(yùn)行人員可以極其方便地分析各裝置的動(dòng)作行為 事故的先后順序 事故的起因和事 故的發(fā)展過(guò)程 例如 電力系統(tǒng)各樞紐點(diǎn)母線電壓相量和功角狀況是電力系統(tǒng)的重要狀 態(tài)量 它們的大小和相位能反映系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài) 是進(jìn)行穩(wěn)定判別的主要依據(jù) 如 電子式互感器合并單元同步時(shí)鐘模塊的設(shè)計(jì) 果能實(shí)時(shí)測(cè)量電力系統(tǒng)重要節(jié)點(diǎn)母線電壓相量 將對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)揮非常重要的作 用 但要測(cè)量母線電壓的相位差就必須具有很高精度的統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn) 而且 對(duì)世界上 發(fā)生的多次大停電事故的事后分析表明 繼電保護(hù) 自動(dòng)控制裝置和調(diào)度人員未能很好 地配合是造成連鎖故障發(fā)生的重要原因之一 因此 如何準(zhǔn)確地判斷電力系統(tǒng)的異常狀 態(tài)和預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì) 并及時(shí)地采取有效的協(xié)調(diào)控制措施 以避免連鎖事故的發(fā)生 已 經(jīng)成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn) 從實(shí)際需要看 隨著電力系統(tǒng)的規(guī)模 日益擴(kuò)大 及各種微機(jī)自動(dòng)裝置在電力系統(tǒng)中大量應(yīng)用 電力系統(tǒng)對(duì)統(tǒng)一時(shí)鐘的需求已 經(jīng)越來(lái)越迫切 但從實(shí)際應(yīng)用看 目前電力系統(tǒng)尚未建立起統(tǒng)一的高精度專用時(shí)間同步 服務(wù)系統(tǒng) 因此 研究電力系統(tǒng)全網(wǎng)統(tǒng)一高精度的廣域時(shí)間同步方法將具有重要意義 l 1 4 世界主要授時(shí)系統(tǒng) 時(shí)間同步包括絕對(duì)時(shí)間同步和相對(duì)時(shí)間同步 前者是指與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間 u t c u n i v e r s a lc o o r d i n a t e dt i m e 同步 后者是指一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的各部分時(shí)鐘同步 對(duì)于廣域 時(shí)間同步系統(tǒng)來(lái)說(shuō) 主要關(guān)心的是相對(duì)時(shí)間同步 i 但是 如果能夠保證時(shí)鐘達(dá)到絕對(duì) 時(shí)間同步 那么自然就能滿足相對(duì)時(shí)間同步了 這樣 要建立統(tǒng)一的廣域同步時(shí)間系統(tǒng) 就必須依賴于一個(gè)公共時(shí)間基準(zhǔn) 目前 世界上有多種授時(shí)系統(tǒng) 他們將解決為廣域同 步時(shí)間系統(tǒng)提供公共時(shí)間基準(zhǔn)的問(wèn)題 現(xiàn)階段主要的授時(shí)系統(tǒng)有以下幾種 1 4 1 全球定位系統(tǒng) g p s 全球定位系統(tǒng) g p s 是美國(guó)于1 9 9 3 年全面建成并投入運(yùn)行的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航 定位和授時(shí)系統(tǒng) g p s 傳遞的時(shí)間與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間 c o o r d i n a t eu n i v e r s a lt i m e u t c 保持高度同步 最高精度可達(dá)1 0 0 u s 它目前是世界上傳播范圍最廣 精度最高的時(shí)間 發(fā)布系統(tǒng) 由于美國(guó)政府已同意將g p s 用于全世界民用領(lǐng)域 因此 g p s 實(shí)際上已成 為一項(xiàng)全球共享高技術(shù)資源 g p s 系統(tǒng)由于其不斷改進(jìn) 在許多領(lǐng)域都得到了廣泛的 應(yīng)用 1b 在目前情況下 民用領(lǐng)域利用價(jià)格低廉的g p s 接收器能方便地獲得g p s 提供的 時(shí)間信息 這種時(shí)間信息一般是以兩種形式給出 一是秒脈沖信號(hào) 1 p p s 1p u l s ep e r s e c o n d 它與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間 u t c 的同步誤差小于l 鄴 二是經(jīng)串口給出的與1 p p s 脈沖對(duì)應(yīng)的絕對(duì)時(shí)間代碼 這種時(shí)間信息在地球上任何地方都能可靠地接收到 因此 若以該信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源去同步電網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行的各時(shí)鐘 就能保證各廠站時(shí)鐘的高精度 同步運(yùn)行 這樣不僅解決了一個(gè)電網(wǎng)的時(shí)間統(tǒng)一問(wèn)題 而且還可以實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍內(nèi)真正 的時(shí)間統(tǒng)一 與傳統(tǒng)方法相比 這種全新的時(shí)鐘同步方式具有精度高 范圍大 不需通 道聯(lián)絡(luò) 不受地理和氣候條件限制等眾多優(yōu)點(diǎn) 是電網(wǎng)時(shí)間統(tǒng)一的理想方法 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 4 2 俄羅斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)g l o n a s s 俄羅斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)g l o n a s s 于1 9 8 2 年開(kāi)始發(fā)射導(dǎo)航衛(wèi)星 它的結(jié)構(gòu)與 g p s 系統(tǒng)極為類似 它由2 4 穎衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座 均勻分布在3 個(gè)軌道平面內(nèi) 其 地面監(jiān)控系統(tǒng)也是由主控站 監(jiān)測(cè)站和注入站組成 g l o n a s s 系統(tǒng)在1 9 9 6 年達(dá)到了 完全運(yùn)作能力 但由于俄羅斯經(jīng)濟(jì)的困難 衛(wèi)星更新不足 現(xiàn)在僅有6 顆衛(wèi)星正常運(yùn) 轉(zhuǎn) 隨著俄羅斯經(jīng)濟(jì)的好轉(zhuǎn) 大量民間用戶的參加 以及外國(guó)資金的到位 g l o n a s s 系統(tǒng)將會(huì)不斷得到新的衛(wèi)星補(bǔ)償 系統(tǒng)會(huì)更加完善 有著很好的發(fā)展前景 不過(guò)就目前 的情況來(lái)看 由于該系統(tǒng)的信息不能全球覆蓋 可利用度較低 1 9 1 4 3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是我國(guó)航天科技人員自主研制開(kāi)發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) 2 0 0 0 年底 我國(guó)自行研制的 長(zhǎng)征三號(hào)甲 運(yùn)載火箭先后將兩顆 北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星 準(zhǔn)確送入預(yù)定軌道 北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)也稱雙星區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng) 它由兩顆與地球同 步旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)航衛(wèi)星 地面控制系統(tǒng)和用戶接收機(jī)三部分組成 它綜合了衛(wèi)星導(dǎo)航和無(wú)線 電導(dǎo)航定位的優(yōu)點(diǎn) 相當(dāng)于把無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái)設(shè)置在圍繞地球同步旋轉(zhuǎn)的 靜止 衛(wèi)星上 從而為軍事導(dǎo)航 公路交通 鐵路運(yùn)輸 海上作業(yè)等提供全天候2 4 小時(shí)的連續(xù)導(dǎo)航定 位服務(wù) 與g p s 不同的是 北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)只用兩顆同步衛(wèi)星 靜止 在赤道上空 某一經(jīng)度上 因此 與g p s 比較 系統(tǒng)簡(jiǎn)單 投入少 它是區(qū)域定位系統(tǒng) 不具有全 球定位的能力 相應(yīng)地定位精度略低 有關(guān)此系統(tǒng)的具體性能指標(biāo)目前仍在測(cè)試中 而 且接收機(jī)造價(jià)高 目前不便采用 2 0 1 4 4 電視時(shí)鐘系統(tǒng) 利用電視信號(hào)進(jìn)行時(shí)間比對(duì) 有兩類基本方法 即無(wú)源時(shí)間比對(duì)法和有源時(shí)頻傳遞 法 無(wú)源時(shí)間比對(duì)法是利用電視信號(hào)中的同步脈沖進(jìn)行時(shí)間比對(duì) 它并不妨礙正常的電 視廣播 目前許多國(guó)家都把它作為一種簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確的時(shí)間比對(duì)方法 有源對(duì)頻傳遞法與 無(wú)源時(shí)間比對(duì)法完全不同 它是將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和頻率信息插入電視信號(hào)消隱期傳送 作為 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和頻率的信號(hào)源 這是一種嶄新的電視廣播技術(shù) 需要電視廣播部門(mén)更積極地 配合 有源時(shí)頻傳遞目前已有兩種形式 一是利用垂直消隱間隔內(nèi)的i l v i h z 的脈沖或 者穩(wěn)定彩色脈沖群信號(hào)進(jìn)行標(biāo)頻傳遞 二是在垂直消隱間隔中插入時(shí)間編碼 2 1 4 5o m e g a 系統(tǒng) o i v 正g a 系統(tǒng)是一個(gè)全球無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng) 工作在甚低頻段 用甚低頻段信號(hào)進(jìn)行 時(shí)間頻率比對(duì) 該系統(tǒng)主要用作雙曲線導(dǎo)航 它依靠分布在挪威 日本等8 個(gè)國(guó)家和地 電子式互感器合并單元同步時(shí)鐘模塊的設(shè)計(jì) 區(qū)的發(fā)射機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò) 使用o m e g a 時(shí)鐘首先要設(shè)置使用地點(diǎn)的經(jīng)緯度 時(shí)區(qū) 選擇 一個(gè)發(fā)射機(jī)站 o m e g a 時(shí)鐘精度可達(dá)1 s 目前 華中網(wǎng)調(diào)和湖南省電力中心調(diào)度局 及葛洲壩電廠都各有一套o(hù) m e g a 時(shí)鐘裝置 但運(yùn)行結(jié)果表明 該類裝置的信號(hào)接收 效果很差 有的甚至完全接收不到信號(hào) 即使是設(shè)置在離我國(guó)最近的日本發(fā)射站 情況 也是如此 加上價(jià)格過(guò)高的缺陷 所以o m e g a 時(shí)鐘并沒(méi)有在電力系統(tǒng)推廣應(yīng)用 2 2 o 除上述的時(shí)間比對(duì)系統(tǒng)外 還有羅蘭一c 導(dǎo)航系統(tǒng)和無(wú)線電報(bào)時(shí)系統(tǒng) 羅蘭一c 導(dǎo) 航系統(tǒng)工作在低頻段 采用精密的時(shí)間頻率比對(duì)手段 使用快速脈沖發(fā)射 其載波頻率 為1 0 0 k h z 信號(hào)頻譜的主要成分在9 0 1 1 0 k h z 波段內(nèi) 該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能 力 用地波進(jìn)行相位 時(shí)間測(cè)量 能達(dá)到的典型精度是1 0 4 鄴 不過(guò)此系統(tǒng)的覆蓋范圍 僅限于羅蘭一c 鏈工作區(qū)域 沒(méi)有覆蓋到全球范圍 不適用于我國(guó) 無(wú)線電報(bào)時(shí)系統(tǒng)的 工作頻率屬于短波范圍 受電離層反射影響 信號(hào)傳播很不穩(wěn)定 另外信號(hào)又受傳播距 離和速度的影響 使所接收到載波信號(hào)的相位產(chǎn)生起伏 這種起伏把頻率比對(duì)的最高精 度限制在0 1 s 把接收定時(shí)脈沖的最高精度限制在5 0 0 1 0 0 0 p s 由于該類系統(tǒng)時(shí)問(wèn) 和頻率比對(duì)精度太低 所以也不適用于電力系統(tǒng)瞄j 1 5 同步時(shí)鐘系統(tǒng)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用 目前 基于g p s 的同步時(shí)鐘在電力系統(tǒng)中已得到了實(shí)際的應(yīng)用 不僅使過(guò)去許多 難以實(shí)現(xiàn)的工作 如相量測(cè)量 故障定位等易于實(shí)現(xiàn) 還會(huì)使人們對(duì)電力系統(tǒng)的分析 控制能力發(fā)生質(zhì)的變化 以下幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例就可以說(shuō)明這一點(diǎn) 1 電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè) 為使電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行 幫助調(diào)度人員進(jìn)行合理的發(fā)電量及負(fù)荷調(diào)度 必須在 操作時(shí)了解各種裝置動(dòng)作情況及系統(tǒng)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)行為 因此需要實(shí)時(shí)測(cè)量全網(wǎng)關(guān)鍵點(diǎn)的 母線電壓相量和主要發(fā)電機(jī)功角等線路參數(shù) 以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 基于g p s 同 步時(shí)鐘的相量測(cè)量裝置 p m u 的研制成功 為獲得同一時(shí)刻各母線電壓的相位關(guān)系 以 及各發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子角度提供了手段 有了統(tǒng)一的系統(tǒng)時(shí)鐘 就能做到各電站輸入信號(hào)的 采樣脈沖同步 也就可以很容易地通過(guò)軟件或硬件方法測(cè)出電站間電壓的相位關(guān)系 而 要保證相位測(cè)量的準(zhǔn)確性 采樣脈沖同步誤差要很小 i r e s 的時(shí)間誤差對(duì)5 0 h z 系統(tǒng)來(lái)說(shuō) 就是1 8 的相角差 般電力系統(tǒng)中對(duì)狀態(tài)量采集的同步糖度要求為4 0 郵 相量實(shí)時(shí)測(cè) 量的同步精度則要求在5 邯 因此利用g p s 時(shí)間同步裝置 在全系統(tǒng)建立一個(gè)參考系 對(duì) 數(shù)據(jù)采集的過(guò)程實(shí)現(xiàn)同步 并將測(cè)量系統(tǒng)中所有的采集數(shù)據(jù)加上g p s 的時(shí)間標(biāo)簽 是實(shí) 現(xiàn)全網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的重要途徑之一f 2 4 2 故障測(cè)距 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 當(dāng)采用行波原理進(jìn)行故障測(cè)距時(shí) 1 坤的時(shí)間誤差就會(huì)引起1 5 0 m 的測(cè)距誤差 o p s 同步時(shí)鐘的出現(xiàn) 為研制雙端行波測(cè)距原理的裝置創(chuàng)造了條件 用行波傳輸?shù)絻?端測(cè)得的對(duì)間差可直接算出故障點(diǎn)到測(cè)量點(diǎn)之間的距離 這樣的故障測(cè)距裝置原理簡(jiǎn)單 易懂 測(cè)距精度高而穩(wěn)定 無(wú)疑是對(duì)傳統(tǒng)的故障測(cè)距技術(shù)的革命 目前 已研制出檢測(cè) 輸電線路故障距離的雙端行波測(cè)距裝置l l 3 為電網(wǎng)自動(dòng)化裝置提供時(shí)間標(biāo)記 在電力系統(tǒng)中 為了分析電力系統(tǒng)故障 搞清事故的起因與發(fā)展過(guò)程 要求電站內(nèi) 安裝的故障錄波器 事件記錄儀 微機(jī)繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置 遠(yuǎn)動(dòng)及微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) 采用統(tǒng)一的時(shí)間 電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化也要求主站端與遠(yuǎn)方終端 r t u 的時(shí)間同步 所以以 統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)為電網(wǎng)自動(dòng)化裝置提供時(shí)間標(biāo)記 是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行 提高運(yùn)行 水平的一個(gè)重要措施 采用g p s 技術(shù)可以獲得高可靠性及高精度的秒脈沖 1 p p s 及通過(guò) 串口輸出時(shí)間 用g p s 來(lái)不斷修正原來(lái)自動(dòng)化裝置中的時(shí)間元件 就可在全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這 些裝置的時(shí)間同步 有助于分析電力系統(tǒng)故障與操作時(shí)各種裝置動(dòng)作情況及系統(tǒng)行為 搞清事故的起因與發(fā)展過(guò)程 這也是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行 提高系統(tǒng)運(yùn)行水平的一項(xiàng) 重要措施 4 繼電保護(hù) g p s 在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中的典型應(yīng)用主要在兩個(gè)方面 一是數(shù)字式電流縱差保護(hù) 另一是保護(hù)裝置的端對(duì)端同步試驗(yàn) 目前 在我國(guó)2 2 0 k v 以上高電壓網(wǎng)中 輸電線路在 正式投運(yùn)以前 都必須對(duì)線路兩側(cè)的繼電保護(hù)和通道設(shè)備裝置進(jìn)行聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn) 線路縱聯(lián) 保護(hù)安裝在線路兩端的電站里 為了達(dá)到在兩側(cè)同時(shí)加故障 真正模擬短路故障的目的 必須使兩端的試驗(yàn)儀器實(shí)現(xiàn)同步 并且同步精度要達(dá)到1 0 郵 采用g p s 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘的 統(tǒng)一和同步后 兩端的繼電保護(hù)試驗(yàn)裝置可按預(yù)先約定的時(shí)間順序啟動(dòng) 產(chǎn)生模擬線路 故障的電壓 電流信號(hào) 可以準(zhǔn)確地檢驗(yàn)縱聯(lián)保護(hù)裝置的動(dòng)作行為 以及測(cè)量高頻信號(hào) 在通道的傳輸延遲 對(duì)線路高頻保護(hù)裝置進(jìn)行校驗(yàn) 5 其它應(yīng)用 高精度的同步時(shí)鐘將其用于電流差動(dòng)保護(hù) 還可以解決線路兩端信號(hào)的同步采樣問(wèn) 題 由此可見(jiàn) 基于g p s 的同步時(shí)鐘能滿足電力系統(tǒng)在各方面對(duì)時(shí)鐘同步的要求 對(duì) 電力系統(tǒng)的發(fā)展意義重大 具有良好的應(yīng)用前景 1 6 本文所做工作 論文的主要工作是針對(duì)具體應(yīng)用研究 實(shí)現(xiàn)高性能的電子式互感器采樣 從而實(shí)現(xiàn) 不同合并單元達(dá)到同步 達(dá)到電力系統(tǒng)時(shí)間同步 論文的內(nèi)容包括同步授時(shí)系統(tǒng)的選用 電子式互感器合并單元同步時(shí)鐘模塊的設(shè)計(jì) 電力系統(tǒng)廣域時(shí)間同步系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)分析 如何提高同步時(shí)鐘的精度與穩(wěn)定度措施以 及系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)等 本文特別采用除法電路和余數(shù)分?jǐn)偛呗?這樣既用晶振檢驗(yàn)g p s 秒 脈沖 又用g p s 秒脈沖對(duì)晶振進(jìn)行校正 這樣使在誤差允許的范圍內(nèi) 產(chǎn)生的采樣脈 沖精度更高 并能減小積累誤差 特別是在g p s 時(shí)鐘失效時(shí) 積累誤差更小 從而能 夠保持更長(zhǎng)時(shí)間的同步 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 基于g p s 時(shí)間同步系統(tǒng) 2 1g p s 全球定位系統(tǒng)概述 全球定位系統(tǒng) g p s 是美國(guó)國(guó)防部為了實(shí)現(xiàn)全天候全球性的連續(xù)導(dǎo)航定位 滿足軍 事部門(mén)和民用部門(mén)對(duì)連續(xù)實(shí)時(shí) 高精度導(dǎo)航定位的迫切要求 于1 9 7 3 年1 2 月批準(zhǔn)研 制 1 9 9 3 年全面建成并投入運(yùn)行的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航 定位和授時(shí)系統(tǒng) 全稱為 授時(shí) 與測(cè)距導(dǎo)航系統(tǒng) 全球定位系統(tǒng) n a v i g a t i o ns y s t e mt i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m n a v s t a r g p s 簡(jiǎn)稱 全球定位系統(tǒng) g p s 系統(tǒng)包括三大部分 2 5 1 空間部分 o p s 衛(wèi)星星座 地面控制部分一地面 監(jiān)控系統(tǒng) 用戶設(shè)備部分 撐s 信號(hào)接收機(jī) 2 1 1 衛(wèi)星星座 衛(wèi)星星座的具體參數(shù)見(jiàn)下表2 1 它由2 1 顆工作衛(wèi)星和3 顆在軌備用衛(wèi)星構(gòu)成 g p s 衛(wèi)星星座 記做 2 1 3 g p s 星座 2 4 顆衛(wèi)星均勻分布在6 個(gè)軌道平面內(nèi) 軌道 傾角為5 5 度 各個(gè)軌道平面之間相距6 0 度 每個(gè)軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角 距相差9 0 度 軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前3 0 度 衛(wèi) 星沿軌道運(yùn)行的周期是l l 小時(shí)5 8 分 這種布置可保證地球上任何地方 任何時(shí)刻都 能同時(shí)收到4 顆以上的衛(wèi)星信號(hào) 表2 1 衛(wèi)星星座基本參數(shù) t a b 2 1t h ep a r a m e t e r so f c o n s t e l l a t i o n 內(nèi)容g p s 美 衛(wèi)星數(shù) 顆 2 1 3 軌道數(shù) 個(gè) 6 傾角 5 5 軌道平面間距 6 0 運(yùn)行周期1 1 5 8 衛(wèi)星軌道高度 胤 2 0 2 0 0 覆蓋面 3 8 1 5 7 5 波長(zhǎng)1 9 0 5 c m 載波頻率 嘲z 1 2 2 7 波長(zhǎng)2 4 4 5 c m 電子式互感器合并單元同步時(shí)鐘模塊的設(shè)計(jì) 在g p s 系統(tǒng)中 g p s 衛(wèi)星的作用為 1 用l 波段的兩個(gè)無(wú)線載波 1 9 c m 和2 4 c m 波 向廣大用戶連續(xù)不斷的發(fā)送導(dǎo) 航定位信號(hào) 每個(gè)載波用導(dǎo)航信息口 和偽隨即碼 p r n 測(cè)距信號(hào)進(jìn)行雙相調(diào)制 用于捕獲信號(hào)和粗略定位的偽隨機(jī)碼叫c a 碼 用于精密定位的精密測(cè)距碼叫p 碼 由導(dǎo)航電文可以知道該衛(wèi)星當(dāng)前的位置和衛(wèi)星的工作情況 2 在衛(wèi)星飛越注入站上空時(shí) 接收由地面注入站用s 波段 1 0 c m 波段 發(fā)送到 衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和其他有關(guān)信息 并通過(guò)g p s 信號(hào)電路 適時(shí)的發(fā)送給廣大用戶 3 接收地面主控站通過(guò)注入站發(fā)送到衛(wèi)星的調(diào)度命令 適時(shí)地改正運(yùn)行偏差或啟 用備用時(shí)鐘等 g p s 衛(wèi)星的核心部件是高精度的時(shí)鐘 導(dǎo)航電文存儲(chǔ)器 雙頻發(fā)射和接收機(jī)以及微 處理機(jī) 而對(duì)于g p s 定位成功的關(guān)鍵是高穩(wěn)定度的頻率標(biāo)準(zhǔn) 這種高穩(wěn)定度的頻率標(biāo) 準(zhǔn)由高精度的時(shí)鐘提供 因?yàn)? 0 9 秒的時(shí)間誤差會(huì)引起3 0 c m 的站星距離誤差 所以每 顆衛(wèi)星一般安設(shè)兩臺(tái)銣原子鐘和兩臺(tái)銫原子鐘 并計(jì)劃未來(lái)采用更穩(wěn)定的氫原子鐘 g p s 衛(wèi)星雖然發(fā)送幾種不同的頻率信號(hào) 但它們?cè)从谝粋€(gè)基準(zhǔn)信號(hào) 其頻率為1 0 2 3 g h z 所以只需啟用一臺(tái)原子鐘 其余作為備用 衛(wèi)星鐘由地面站檢驗(yàn) 其鐘差 鐘速連同其 他信息由地面站注入衛(wèi)星后 再轉(zhuǎn)發(fā)給用戶設(shè)備 2 6 1 衛(wèi)星上均有遙測(cè)遙感天線 用于與地面監(jiān)控網(wǎng)通訊 每顆g p s 衛(wèi)星都帶有小型銫 或氫原子鐘 微型計(jì)算機(jī) 電文存儲(chǔ)器和信號(hào)接收與發(fā)射設(shè)備 并由太陽(yáng)能電池及后備 鎘鎳電池提供電源 衛(wèi)星上還備有少量燃料 用于調(diào)整衛(wèi)星的狀態(tài) 如某顆衛(wèi)星發(fā)生故 障 備用衛(wèi)星可根據(jù)地面控制站的指令 立即飛往指定軌道進(jìn)入工作狀態(tài) 原子鐘的穩(wěn) 定度達(dá) i 2 1 0 1 3 1 1 0 4 4 這使所有衛(wèi)星在1 個(gè)月或者更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不依靠地面 站的修正而完全獨(dú)立工作 2 1 2 地面監(jiān)控系統(tǒng) g p s 系統(tǒng)的地面監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)區(qū)段目前由5 個(gè)地面站組成 其中包括主控站 m c s 地面天線站和監(jiān)測(cè)站 主控站 m c s 設(shè)在美國(guó)本土c o l o r a d os p r i n g s 的聯(lián)合空間執(zhí)行中心 c s o c 主 控站協(xié)調(diào) 管理所有地面監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的工作 主要任務(wù)有四項(xiàng) 1 據(jù)各監(jiān)測(cè)站提供的觀測(cè)資料推算編制各顆衛(wèi)星的星歷 衛(wèi)星鐘差和大氣層修正 參數(shù)等 并把這些數(shù)據(jù)傳送到注入站 2 提供全球定位系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn) 各監(jiān)測(cè)站和g p s 衛(wèi)星的原子鐘均應(yīng)與主控站的 原子鐘同步或測(cè)出其闖的鐘差 并將鐘差信息編入導(dǎo)航電文送到注入站 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星 使之沿預(yù)定的軌道運(yùn)行 4 啟用備用衛(wèi)星以取代失效的工作衛(wèi)星 地面天線站現(xiàn)有3 個(gè) 分別設(shè)在印度洋的迪戈加西亞 d i e g og a r e i a 南大西洋的 阿森松島 a s c e n c i o n 和南太平洋的卡瓦加蘭 k w a j i a l e i n 地面天線站的主要設(shè)備 包括一臺(tái)直徑為3 6 m 的天線 一臺(tái)c 波段發(fā)射機(jī)和一臺(tái)計(jì)算機(jī) 其主要作用是在m c s 的 控制下 將由m c s 推算和編制的衛(wèi)星星歷 鐘差 導(dǎo)航電文和其他控制指令等注入到相 應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)系統(tǒng) 并監(jiān)測(cè)注入信息的正確性 監(jiān)測(cè)站的主要任務(wù)是為m c s 編算導(dǎo)航電文提供觀測(cè)數(shù)據(jù) 監(jiān)測(cè)站現(xiàn)有5 個(gè) 其中4 個(gè)和m c s 及地面天線站重疊 另外1 個(gè)設(shè)在夏威夷 h a w a i i 每個(gè)監(jiān)測(cè)站均用雙頻g p s 信號(hào)接收機(jī) 對(duì)每顆可見(jiàn)衛(wèi)星每6 秒鐘進(jìn)行一次偽距測(cè)量和積分多普勒觀測(cè) 并采集氣 象要素等數(shù)據(jù) 整個(gè)g p s 的地面監(jiān)控網(wǎng)絡(luò) 除m c s b 均無(wú)人值守 各站間用現(xiàn)代化的通 訊系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái) 在原子鐘和計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)和精確控制下 各項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了高度的自動(dòng) 化和標(biāo)準(zhǔn)化弘 2 1 3g p s 信號(hào)接收機(jī) g p s 信號(hào)接收機(jī)的任務(wù)是 能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星 的信號(hào) 并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行 它接收多顆g p s 衛(wèi)星發(fā)播的信號(hào) 經(jīng)過(guò)一系列處理 后輸出3 維定位信息 時(shí)間信息以及g p s 衛(wèi)星狀態(tài)信息等 一般情況下 用普通的 商用g p s 接收器就能方便地獲得g p s 提供的時(shí)間信息 位置信息 速度信息等等 g p s 接收機(jī)輸出的時(shí)間信息包括串行口輸出的年 月 日 時(shí) 分 秒和頻率為1 h z 的 秒脈沖 1 p p s 1 8 1 其中 普通接收機(jī)收到1 p p s 的上升沿與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間 u t c 的統(tǒng)計(jì)誤差為l l a s 靜態(tài)定位中 g p s 接收機(jī)在捕獲和跟蹤g p s 衛(wèi)星的過(guò)程中固定不變 接收機(jī)高精 度的測(cè)量g p s 信號(hào)的傳播時(shí)間 利用g p 衛(wèi)星在軌的已知位置 解算出接收機(jī)天線 所在位置的三維坐標(biāo) 而動(dòng)態(tài)定位則是用g p s 接收機(jī)測(cè)定一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡 g p s 信號(hào)接收機(jī)所位于的運(yùn)動(dòng)物體叫做載體 如航行中的船艦 空中的飛機(jī) 行走的 車輛 載體上的g p s 接收機(jī)天線在跟蹤g p s 衛(wèi)星的過(guò)程中相對(duì)地球而運(yùn)動(dòng) 接收 機(jī)用g p s 信號(hào)實(shí)時(shí)地測(cè)得運(yùn)動(dòng)載體的狀態(tài)參數(shù) 瞬閫三維位置和三維速度 2 7 g p s 接收機(jī)一般用蓄電池作為電源 同時(shí)采用機(jī)內(nèi)機(jī)外兩種直流電源 設(shè)景機(jī)內(nèi) 電源的目的是更換外電源時(shí)不中斷連續(xù)觀測(cè) 在用機(jī)外電池的過(guò)程中機(jī)內(nèi)電池自動(dòng)充 電 關(guān)機(jī)后 機(jī)內(nèi)電池為r a m 存儲(chǔ)器充電 以防止丟失數(shù)據(jù) 電子式互感器合并單元同步時(shí)鐘模塊的設(shè)計(jì) 2 2g p s 定位與授時(shí) g p s 衛(wèi)星作為一個(gè)高空動(dòng)態(tài)已知點(diǎn) 其位置是隨時(shí)間不斷變化的 因此 在給出衛(wèi) 星運(yùn)行位置的同時(shí) 必須給出相應(yīng)的瞬間時(shí)刻 并且 衛(wèi)星位置的精度和時(shí)鐘的精度密 切相關(guān) 例如 當(dāng)要求g p s 衛(wèi)星的位置誤差小于1 c m 時(shí) 相應(yīng)的時(shí)刻誤差應(yīng)小于2 6 1 0 6 s o p s 測(cè)量是通過(guò)接收和處理g p s 衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線電信號(hào) 來(lái)確定用戶接收機(jī) 觀測(cè)