課件--基于GPS的輸電線行波故障定位系統(tǒng)(修改版)

1、專題一.基于GPS的輸電線行波故障定位系統(tǒng)術(shù)語：1 GPS:全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Positioning System)2 行波:Travelling Wave(輸電線上傳輸?shù)姆欠€(wěn)態(tài)量)3 故障定位/故障測距:Fault Locating4 電壓等級：10kV/35kV/110kV/220kV/500kV一、 課題的來源二、 目的和意義三、 行波測距的基本原理4.1 單端行波故障測距原理4.2 雙端行波故障測距原理四、 課題研究的內(nèi)容及技術(shù)關(guān)鍵五、 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航全球定位系統(tǒng)簡介 5.1 GPS系統(tǒng) 5.2 GPS接收機(jī)及天線 5.3 GPS接收機(jī)輸出的信號六、 異地高精度同步數(shù)據(jù)采

2、集系統(tǒng)七、 行波信號的數(shù)據(jù)處理小波分析法一.課題的來源本項目由華中科技大學(xué)提出，由華中網(wǎng)局出資研究。二.課題的意義超高壓輸電線路輸送距離長，暴露在曠野，且多為山區(qū)丘陵地形，其復(fù)雜故障的快速、精確定位，一直是尚未解決的難題，對系統(tǒng)的安全運行構(gòu)成較大威脅，也給線路維護(hù)人員帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。本項研究，將開發(fā)研制一種具有九十年代中期國際先進(jìn)水平的新型復(fù)雜故障定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于GPS行波定位原理，能快速、準(zhǔn)確地對雷擊閃絡(luò)、斷線、碰線、高阻接地、污閃等復(fù)雜故障定位，定位精度在300m以內(nèi)。該系統(tǒng)的投入，將有助于運行人員快速排除故障，形成線路故障的歷史資料，為確保安全供電，提高系統(tǒng)運行水平，以及減輕線路維

3、護(hù)人員的繁重勞動，提供有力的檢測手段，將給電力系統(tǒng)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)的開發(fā)研究還將形成具有九十年代中期國際先進(jìn)水平的高科技產(chǎn)品，考慮到全國電力網(wǎng)正在形成，該產(chǎn)品具有很大的市場容量及推廣前景。三.行波測距的基本原理高壓電力線發(fā)生故障時，會產(chǎn)生幅值很大的非穩(wěn)態(tài)量，并從故障點向兩端傳播，稱為行波。為行波傳播速度接近光速，約為3.0108米/秒。根據(jù)行波到達(dá)兩端變電站的時刻來確定故障點的位置稱為：行波發(fā)故障定位。行波定位可分為單端定位和雙端定位。3.1 單端行波故障測距原理單端測距基本原理:在被監(jiān)視線路發(fā)生故障時，故障產(chǎn)生的電流行波會在故障點及母線之間來回反射。裝設(shè)于母線處的測距裝置接入來自電

4、流互感器二次側(cè)的暫態(tài)行波信號，使用模擬高通濾波器過濾出行波波頭脈沖，形成如圖1-1所示的電流行波波形。由于母線阻抗一般低于線路波阻抗，電流行波在母線與故障點都是產(chǎn)生正反射，所以故障點反射波與故障初始行波同極性，而故障初始行波脈沖與由故障點反射回來的行波脈沖之間的時間差t對應(yīng)行波在母線與故障點之間往返一趟的時間，可以用來計算故障距離。單端定位是利用故障點傳向母線第一行波與故障點的反射行波之間的時間差計算故障位置。由于行波在各個一次設(shè)備、各條線路的連接處的反射、折射和衰減，使得故障點反射行波波頭的辨識變得復(fù)雜。優(yōu)點：不需要GPS等雙端同步對時系統(tǒng)。3.2 雙端行波故障測距原理雙端定位則只利用行波第

5、一波頭到達(dá)線路兩端的時刻進(jìn)行計算,只需捕捉行波第一個波頭,不用考慮行波的反射與折射,行波幅值大,易于辨識。同時由于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)的出現(xiàn),把時間的測量精度提高到納秒級, 從而提高了雙端定位的精度(可達(dá)150米)。因此,國內(nèi)外普遍采用GPS雙端定位系統(tǒng)。但在現(xiàn)場運行中，GPS雙端定位系統(tǒng)也存在一些不足:1 采樣頻率較高:1MHz5MHz,故障信息存儲量太大。2 受采樣頻率的限制，無法辨識近距離故障行波。即故障靠近某一端時，另一端接收不到行波波頭。3.無法檢測發(fā)生在電壓過零附近時刻接地的故障。4.由于GPS 短時失步、衛(wèi)星信號調(diào)整、天線干擾等導(dǎo)致時鐘信號失真,可導(dǎo)致定位失敗。四.課題研究

6、的內(nèi)容及技術(shù)關(guān)鍵本課題研制開發(fā)一套輸電線路復(fù)雜故障GPS行波定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)線路故障點電壓、電流突然變化所產(chǎn)生的行波到達(dá)兩端的時差，確定故障點的位置。該系統(tǒng)可對雷擊閃絡(luò)、斷線、碰線、高阻接地、污閃等復(fù)雜故障定位，定位精度在300m以內(nèi)，該系統(tǒng)的投入運行，還可為系統(tǒng)積累大量線路故障歷史資料，為故障預(yù)測、防護(hù)提供可靠依據(jù)。本項研究以一條500kV線路及其相連的兩個變電站為目標(biāo)，建立子系統(tǒng)，投入試運行。軟件具有可擴(kuò)展能力，以便將來實現(xiàn)多站分布式智能診斷系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖：關(guān)鍵技術(shù)：1.行波信號的無畸變提取和可靠啟動記錄技術(shù)2.兩個變電站兩端高速數(shù)據(jù)采集和大容量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)(10Msps)3.兩個變電

7、站兩端高精度時鐘同步技術(shù)(GPS)4.數(shù)據(jù)處理交換技術(shù)五.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航全球定位系統(tǒng)簡介1.GPS系統(tǒng)概述n 全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System - GPS）是美國從本世紀(jì)70年代開始研制，歷時20年，耗資300億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)是繼阿波羅登月計劃和航天飛機(jī)計劃之后的美國政府有史以來投資建設(shè)的第三大航空航天項目。n 經(jīng)近10年我國測繪等部門的使用表明，GPS以全天候、高精度、 自動化、高效益等顯著特點，贏得廣大測繪工作者的信賴，并成功地應(yīng)用于大地測量、工程測量、航空攝

8、影測量、運載工具導(dǎo)航和管制、地殼運動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學(xué)等多種學(xué)科，從而給測繪領(lǐng)域帶來一場深刻的技術(shù)革命。n GPS系統(tǒng)構(gòu)成：由空間部分(GPS衛(wèi)星星座)、 地面監(jiān)控部分和用戶接收機(jī)三大部分組成。GPS衛(wèi)星星座:GPS工作衛(wèi)星及其星座 由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座，記作（21+3）GPS星座。 24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，軌道傾角為55度，各個軌道平面之間相距60度， 即軌道的升交點赤經(jīng)各相差60度。每個軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差90度， 一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30度。在兩萬公里（20200km平均高度

9、）高空的GPS衛(wèi)星，當(dāng)?shù)厍驅(qū)阈莵碚f自轉(zhuǎn)一周時，它們繞地球運行二周，即繞地球一周的時間約為12恒星時。這樣，對于地面觀測者來說，每天將提前4分鐘見到同一顆GPS 衛(wèi)星。位于地平線以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時間和地點的不同而不同，最少可見到4顆，最多可見到11顆。在用GPS信號導(dǎo)航定位時，為了結(jié)算測站的三維坐標(biāo)，必須觀測4顆 GPS衛(wèi)星，稱為定位星座。這4顆衛(wèi)星在觀測過程中的幾何位置分布對定位精度有一定的影響。地面監(jiān)控部分：對于導(dǎo)航定位來說，GPS衛(wèi)星是一動態(tài)已知點。星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷描述衛(wèi)星運動及其軌道的 的參數(shù)算得的。每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷，是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否

10、正常 工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運行，都要由地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和控制。地面監(jiān)控系統(tǒng) 另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時間標(biāo)準(zhǔn)GPS時間系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測 各顆衛(wèi)星的時間，求出鐘差。然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星，衛(wèi)星再由導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備。GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站。u 1個主控站:Colorado springs(科羅拉多.斯平士)。u 3個注入站:Ascencion(阿森松群島)、 Diego Garcia(迭哥伽西亞)、kwajalein(卡瓦加蘭)。u 5個監(jiān)控站： 以上主控站、注入站及Hawaii(夏威夷)。Colorado spri

11、ngs55HawaiiAscencionDiego Garciakwajalein用戶接收機(jī)部分（GPS信號接收機(jī)）：GPS接收機(jī)的基本類型分導(dǎo)航型, 大地型和授時型。單頻型和雙頻型。手持導(dǎo)航型GPS機(jī)車載導(dǎo)航型GPS機(jī)大地性單頻GPS授時型GPS接收機(jī)(OEM板)GPS信號接收機(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衛(wèi)星的信號， 并跟蹤這些衛(wèi)星的運行，對所接收到的GPS信號進(jìn)行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星 到接收機(jī)天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實時地計算出測站的三維位置， 位置，甚至三維速度和時間。靜態(tài)定位中，GPS接收機(jī)在捕獲和跟蹤GPS衛(wèi)

12、星的過程中固定不變，接收機(jī)高精度 地測量GPS信號的傳播時間，利用GPS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)。而動態(tài)定位則是用GPS接收機(jī)測定一個運動物體的運行軌跡。GPS信號接收機(jī) 所位于的運動物體叫做載體（如航行中的船艦，空中的飛機(jī)，行走的車輛等）。載體上 的GPS接收機(jī)天線在跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中相對地球而運動，接收機(jī)用GPS信號實時地 測得運動載體的狀態(tài)參數(shù)（瞬間三維位置和三維速度）。接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包，構(gòu)成完整的GPS用戶設(shè)備。GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu) 分為天線單元和接收單元兩大部分。對于測地型接收機(jī)來說，兩個單元一般分成 兩個獨立的部件，

13、觀測時將天線單元安置在測站上，接收單元置于測站附近的適當(dāng)?shù)胤剑?用電纜線將兩者連接成一個整機(jī)。也有的將天線單元和接收單元制作成一個整體，觀測時將其 安置在測站點上。GPS接收機(jī)一般用蓄電池做電源。同時采用機(jī)內(nèi)機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電池的目的 在于更換外電池時不中斷連續(xù)觀測。在用機(jī)外電池的過程中，機(jī)內(nèi)電池自動充電。 關(guān)機(jī)后，機(jī)內(nèi)電池為RAM存儲器供電，以防止丟失數(shù)據(jù)。近幾年，國內(nèi)引進(jìn)了許多種類型的GPS測地型接收機(jī)。各種類型的GPS測地型接收機(jī)用于 精密相對定位時，其雙頻接收機(jī)精度可達(dá)5mm+1PPM.D，單頻接收機(jī)在一定距離內(nèi)精度可達(dá) 10mm+2PPM.D。用于差分定位其精度可達(dá)亞米級至

14、厘米級。 目前，各種類型的GPS接收機(jī)體積越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測。GPS和GLONASS 兼容的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)接收機(jī)已經(jīng)問世。2.標(biāo)準(zhǔn)定位(C碼)服務(wù)，精確定位服務(wù)(P碼)和美國的SA政策美國國防部在GPS的最初設(shè)計方案中，計劃為用戶提供兩種服務(wù)即：標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)和精確定位服務(wù)。標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)：精度100米，民用。精確定位服務(wù)：精度10米，軍用。3.無線電定位的基本原理結(jié)論：接收機(jī)最少鎖定4個星才能定位!一個已知點 求距離(前提：時鐘同步):1個未知數(shù)兩個已知點 求距離（兩個已知點時鐘同步，距離已知）:2個未知數(shù)（距離和時間）結(jié)論及推廣：2維定位3維定位4.DGPS差分定位DGPS

15、是英文Differential Global Positioning System的縮寫，即差分全球定位系統(tǒng)，方法是在一個精確的已知位置（基準(zhǔn)站）上安裝GPS監(jiān)測接收機(jī)，計算得到基準(zhǔn)站與GPS衛(wèi)星的距離改正數(shù)。該差值通常稱為PRC（偽距離修正值），基準(zhǔn)站此無線電信道將數(shù)據(jù)傳送給用戶接收機(jī)作誤差修正，從而提高了定位精度。DGPS是克服SA的不利影響，提高GPS定位精度的有效手段。DGPS一般可分為單基站DGPS、多基準(zhǔn)站區(qū)域DGPS、廣域DGPS和全球DGPS，全球DGPS正在醞釀中。這種系統(tǒng)常用于飛機(jī)場飛機(jī)的自動降落。在機(jī)場設(shè)置基準(zhǔn)站（已知精確的經(jīng)緯度），計算基站內(nèi)的GPS接收機(jī)定位產(chǎn)生的經(jīng)緯

16、度與已知經(jīng)緯度的偏差（存在隨機(jī)誤差）。將這個誤差發(fā)給正在降落的飛機(jī)，機(jī)載GPS接收機(jī)也會存在同樣的誤差，差去誤差大大提高定位精度。5一個實際的GPS接收機(jī)（10年前的產(chǎn)品）ROCKWELL JUPITER GPS接收板 Jupiter是Rockwell公司在劃時代的晶片Zodial chipset 基礎(chǔ)上研制開發(fā)出的高性能的GPS接收板。12個并行通道和高靈敏度RF部分，使Jupiter具備快速捕捉和重捕衛(wèi)星的能力，航跡平滑和高效率導(dǎo)航等，使Jupiter在城市和樹林也能定位自如。 并行12通道 小于1米差分精度 抗多路徑抑制 WAAS相容 高性價比 超低功耗卓越的性能使Jupiter廣泛應(yīng)用

17、于航海、航空、車載、導(dǎo)航、手持GPS網(wǎng)絡(luò)同步和移動電話等。高級特性：l 并行12通道，可以快速捕獲衛(wèi)星l 無靜態(tài)漂移l 提供載波相位輸出l 提供兩個串口。主串口傳送定位數(shù)據(jù)。 輔助串口接收 RTCM SC104差分?jǐn)?shù)據(jù) l 自動檢測天線狀態(tài) l 提供1PPS標(biāo)準(zhǔn)時鐘、10KHZ頻率輸出l 體積最小（714111毫米）一般特性：l 首次定位時間（TTFF）短 l 動態(tài)性能好l 低功耗，3V（RTC）實時時鐘保持l 從三維到二維定位，自動高度保持l 可人工選擇衛(wèi)星，設(shè)置可見星屏蔽角l 二進(jìn)制及標(biāo)準(zhǔn)NMEA0183協(xié)議l 可進(jìn)行多種設(shè)置，得到多種數(shù)據(jù)l 可配用有源或無源天線l 工作和存放溫度范圍寬（

18、4085）技術(shù)指標(biāo)：結(jié)構(gòu) 并行12通道，L1波段（1575.42MHz），C/A碼（1.023MHz碼片速率）載波跟蹤（載波輔助跟蹤）跟蹤能力同時跟蹤12顆衛(wèi)星動態(tài)性能速度515米/秒，加速度6g捕獲時間TTFF典型重捕獲時間2.0秒，TTFF典型溫啟動15秒，典型初始化啟動45秒；TTFF典型冷啟動120秒。（測試溫度3085攝氏度）定位精度小于25米（無SA時），小于100米2dRMS (有SA時)。時間精度1PPS秒脈沖輸出，精度1us。頻率輸出10KHz頻率輸出，與1PPS信號同步，精度1us。輸出信息經(jīng)度、緯度、高度、速度、航向、時間、載波相位、自檢等幾十個數(shù)據(jù)的十幾條組合輸出信息（

19、Rockwell二進(jìn)制格式），輸出間隔可調(diào)，NMEA0183，TTL接口差分GPSRTCM SC104（ROCKWELL二進(jìn)制和NMEA兩種格式）高度100060000英尺基準(zhǔn)面189種標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)面，5種用戶自定義基準(zhǔn)面，缺省為WGS84天線可配有源微帶扁片天線模塊，接收板提供電源（25mA,5V），或配無源天線（電纜損耗無衛(wèi)星;$GPZDA,120528.00,01,05,2007,*6B;$GPGGA,120513.0,0,00,*7C：七個逗號后，是衛(wèi)星個數(shù)！;$GPZDA,120529.00,01,05,2007,*6A;$GPGGA,120513.0,0,00,*7C;-;2007.0

20、5.01 20時12分記錄 第1次上電，未經(jīng)初始化！ 無衛(wèi)星,無時間;$GPZDA,*48;$GPGGA,0,00,*66：七個逗號后，是衛(wèi)星個數(shù)！;$GPZDA,*48;$GPGGA,0,00,*667.GPS系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)的應(yīng)用從技術(shù)指標(biāo)上來分類，分為定位應(yīng)用和授時應(yīng)用。定位應(yīng)用最廣泛，其次是授時應(yīng)用。我們實驗室研究高精度授時系統(tǒng)。從行業(yè)上來說，成功應(yīng)用于測繪、電信、水利、漁業(yè)、交通運輸、森林防火、減災(zāi)救災(zāi)和公共安全等諸多領(lǐng)域。8. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。是繼美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）之后第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）和美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO，是聯(lián)合國衛(wèi)星導(dǎo)航委員會已認(rèn)定的供應(yīng)商。北斗的“三步走”發(fā)展規(guī)劃：2000年建成了衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)，即“北斗一代”；2012年底，“二代”系統(tǒng)覆蓋了亞太地區(qū)；根據(jù)規(guī)劃，第三步是在2020年左