電力北斗導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1.系統(tǒng)主要任務(wù)

基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的電力管理系統(tǒng)的主要任務(wù)可以歸納如下：

1.1實(shí)現(xiàn)電力管理系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)測

實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測電網(wǎng)全部信息，監(jiān)測數(shù)據(jù)反映系統(tǒng)動態(tài)行為特征。主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：穩(wěn)態(tài)分析、全網(wǎng)動態(tài)過程記錄及事故分析、電力系統(tǒng)動態(tài)模型辨識及模型校正、暫態(tài)穩(wěn)定預(yù)測及控制、電壓及頻率穩(wěn)定監(jiān)視及控制、低頻振蕩分析及抑制、全局反饋控制、故障定位及線路參數(shù)測量等。

1.2實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域電網(wǎng)的調(diào)度管理

使得設(shè)備滿足負(fù)荷的需要；使整個(gè)電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行和連續(xù)供電；保證電能的質(zhì)量；經(jīng)濟(jì)合理利用能源。

1.3實(shí)現(xiàn)電力管理系統(tǒng)的精確授時(shí)

系統(tǒng)依靠北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)提供高精度時(shí)間基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的同步相量測量。由于電廠大多采用不同廠家的設(shè)備、系統(tǒng)，而其大多采用各自獨(dú)立的時(shí)鐘，存在較大的時(shí)間偏差，因沒有統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，不利于運(yùn)行維護(hù)和數(shù)據(jù)分析。通過北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的高精度基準(zhǔn)，建立統(tǒng)一的時(shí)間同步系統(tǒng)，統(tǒng)一所有設(shè)備、系統(tǒng)時(shí)間，可較好地滿足運(yùn)行監(jiān)控和事故后故障分析的需要。且采用北斗系統(tǒng)進(jìn)行授時(shí)，擺脫了GPS束縛，不受制于人，精度可達(dá)小于1us。

1.4電網(wǎng)事故與緊急事件處理及報(bào)警

基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的電力管理系統(tǒng)具備事故與緊急事件處理和報(bào)警的功能。當(dāng)某個(gè)區(qū)域發(fā)生的輸電線路發(fā)生異常狀況是，管理系統(tǒng)能夠迅速識別和報(bào)警，定位異常區(qū)域地點(diǎn)并采取相應(yīng)的處理措施。

1.5電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)有效傳輸

電力管理系統(tǒng)可以利用北斗衛(wèi)星通信鏈路實(shí)現(xiàn)各個(gè)子發(fā)電站和變電站間到監(jiān)控系統(tǒng)中心站之間或者其自身之間的通信能力，也可以通過電力管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)SPDnet網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)分系統(tǒng)與中心站的通信，從而保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1研制思路和關(guān)鍵問題

2.1.1研制思路基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的電力管理系統(tǒng)解決了電網(wǎng)的同步相量測量技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)監(jiān)測的時(shí)鐘源可靠性的問題。系統(tǒng)的電網(wǎng)廣域?qū)崟r(shí)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)(WAMS)使用國產(chǎn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)為主，GPS系統(tǒng)為輔的方式為電網(wǎng)的同步相量測量單元(PMU)提供精確的授時(shí)信號，并采用可觀性分析和同調(diào)性分析相結(jié)合的方法，對電網(wǎng)進(jìn)行了布點(diǎn)規(guī)劃。基于北斗的電網(wǎng)監(jiān)測管理系統(tǒng)為雙機(jī)雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，采用Unix服務(wù)器，給出了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。建設(shè)電力系統(tǒng)的同步相量測量技術(shù)和現(xiàn)代高速數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，為電網(wǎng)動態(tài)過程和在線監(jiān)測提供了技術(shù)的支持和保證。電力管理采用電網(wǎng)廣域?qū)崟r(shí)動態(tài)監(jiān)測技術(shù)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確捕捉電力系統(tǒng)在線故障擾動、低頻振蕩以及人工試驗(yàn)等情況下電網(wǎng)動態(tài)過程的技術(shù)手段。電力系統(tǒng)的各個(gè)分PMU站為系統(tǒng)提供全網(wǎng)采樣和計(jì)算的相量數(shù)據(jù)，通過北斗衛(wèi)星通信和電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)控系統(tǒng)中心站，使調(diào)度員能在調(diào)度中心及時(shí)了解電網(wǎng)的動態(tài)信息，在滿足電力管理系統(tǒng)的整體性能指標(biāo)的前提下，突出可靠性、實(shí)用性、標(biāo)準(zhǔn)性、先進(jìn)性和低成本的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想。2.1.2關(guān)鍵問題（1）電力管理系統(tǒng)的高精度時(shí)間同步基準(zhǔn)：為保證數(shù)據(jù)測量的高度同步性，便于數(shù)據(jù)在統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)下比較。基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的電力管理系統(tǒng)中的同步相量測量技術(shù)可以較好的解決這個(gè)問題。（2）電力管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信機(jī)制：為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃院透邔?shí)時(shí)性，便于監(jiān)控中心對各分站PMU系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。這個(gè)問題的解決依賴于當(dāng)前電力系統(tǒng)通訊技術(shù)的發(fā)展情況，基于北斗的通信功能是實(shí)現(xiàn)電力管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信提供了一個(gè)有效的辦法。

2.2系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的電力管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由安裝在各個(gè)發(fā)電站和變電所端的測量裝置———PMU分站和電力管理系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)中心站組成。根據(jù)電力管理系統(tǒng)的特點(diǎn)和需求，系統(tǒng)總共分為3個(gè)分系統(tǒng)組成：監(jiān)控系統(tǒng)中心站，電站的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（PMU分站）、通信傳輸系統(tǒng)。電力管理系統(tǒng)通過北斗授時(shí)終端提供的精確授時(shí)信號對各個(gè)分電站進(jìn)行統(tǒng)一授時(shí)，并且在各個(gè)區(qū)域的變電站和發(fā)電站采集到各種電力方面的數(shù)據(jù)，然后利用通信傳輸系統(tǒng)將信息轉(zhuǎn)發(fā)到地面的運(yùn)營平臺。地面運(yùn)營平臺將信息送往一個(gè)集中的應(yīng)用數(shù)據(jù)中心，中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后可提供兩個(gè)數(shù)據(jù)通路：一路將信息經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到用戶指揮機(jī)，由指揮機(jī)將信息送到監(jiān)控系統(tǒng)中心站；而另一路可通過INTERNET網(wǎng)經(jīng)有線送到監(jiān)控系統(tǒng)中心站。監(jiān)控系統(tǒng)中心站對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的存儲、分析、處理、監(jiān)控等，至此完成一次信息的上傳作用。監(jiān)控系統(tǒng)中心站對變電所和發(fā)電站的的指令操作信號則已相反的路經(jīng)方式下達(dá)，可以對其完成電力調(diào)度，動態(tài)調(diào)控以及遠(yuǎn)程遙控功能，從而實(shí)現(xiàn)控制功能。

3．北斗在系統(tǒng)中的主要應(yīng)用

3.1高精度授時(shí)應(yīng)用

北斗／GPS時(shí)間同步系統(tǒng)，是針對電力系統(tǒng)基于衛(wèi)星授時(shí)的高精度、高可靠性的綜合時(shí)頻應(yīng)用系統(tǒng)，采用北斗／GPS雙衛(wèi)星系統(tǒng)互為備用工作模式，可完全替代GPS授時(shí)產(chǎn)品，滿足電力系統(tǒng)的電廠、變電站、自動化等領(lǐng)域的時(shí)間和時(shí)鐘同步需要。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可較好地滿足電力系統(tǒng)未來發(fā)展和系統(tǒng)擴(kuò)容的需要。電力北斗／GPS時(shí)間同步系統(tǒng)采用我國自主的北斗及GPS雙衛(wèi)星系統(tǒng)互為備用授時(shí)機(jī)制，同時(shí)接收北斗與GPS衛(wèi)星發(fā)送的時(shí)間同步信號，獲得外部時(shí)間基準(zhǔn)信號；利用本地恒溫晶體鐘的短穩(wěn)特性及衛(wèi)星授時(shí)信號的長穩(wěn)特性，輸出高精度的時(shí)問同步信號，脈沖信號授時(shí)精度優(yōu)于100ns。時(shí)間同步系統(tǒng)主要由衛(wèi)星接收天線、北斗高精度授時(shí)接收板、GPS接收模塊，時(shí)頻標(biāo)數(shù)據(jù)處理單元、各應(yīng)用處理單元和接口模塊，系統(tǒng)應(yīng)用軟件等組成。北斗接收單元主要由北斗天線，高頻、中頻數(shù)據(jù)處理、多普勒校正與秒脈沖合成等模塊組成，主要完成衛(wèi)星信號的接收與放大、濾波、信號的下變頻，解擴(kuò)解調(diào)、時(shí)間信息合成輸出等功能。采用天線一體化設(shè)計(jì)、高精度時(shí)頻時(shí)間合成技術(shù)、北斗衛(wèi)星軌道預(yù)測等技術(shù)。GPS接收單元接收GPS衛(wèi)星信號，產(chǎn)生時(shí)間信息和時(shí)頻標(biāo)信號。與北斗接收單元互為備用。恒溫高穩(wěn)鐘提供高精度頻率信號。時(shí)間處理單元是設(shè)備的重要組成部分。衛(wèi)星信號正常時(shí)，依據(jù)衛(wèi)星接收模塊根據(jù)提供的授時(shí)信息，維持高精度的時(shí)間信息，輸出到應(yīng)用接口單元產(chǎn)生時(shí)間同步信號等。衛(wèi)星信號異常時(shí)，利用恒溫晶鐘提供的頻率信號，在一定時(shí)間段內(nèi)維持一個(gè)高精度的時(shí)問信號輸出。為滿足不同設(shè)備對各種時(shí)間同步信號的需求，IRIG_B碼生成單元合成IRIG_BDC碼和AC碼時(shí)間同步信號；脈沖生成單元生成不同接口類型的1PPS、1PPM、1PPH時(shí)間同步信號，NTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)單元通過網(wǎng)口利用NTP協(xié)議對外授時(shí)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)高精確度對時(shí)；人機(jī)交互單元觀測設(shè)備工作狀態(tài)，設(shè)置設(shè)備工作方式、外部時(shí)間基準(zhǔn)信號、輸出接口類型等，告警及檢測單元對系統(tǒng)的異常情況進(jìn)行告警提示，監(jiān)測時(shí)間同步信號的接口。

3．2基于北斗在輸電線路故障定位中應(yīng)用

在電力系統(tǒng)中，輸電線路經(jīng)常發(fā)生各種故障，由于線路很長，并且很多線路地形復(fù)雜，要尋找故障地點(diǎn)就非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力又耗資。傳統(tǒng)的故障測距方法利用電壓除以電流得到阻抗，然后根據(jù)線路參數(shù)估計(jì)故障距離，由于線路故障大多為非金屬短接，過渡阻抗無法確定，造成誤差很大。因此，對電力系統(tǒng)輸電線路進(jìn)行快速準(zhǔn)確的故障定位是保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的有效途徑之一。隨著電力系統(tǒng)調(diào)度自動化的迅速發(fā)展和微處理機(jī)式故障錄波器的開發(fā)應(yīng)用，故障分析測距的全過程可以自動完成，而線路兩端的電氣量的應(yīng)用又將使故障測距的精度大為提高。用雙端信息的故障測距算法的核心問題就是雙端信息采樣是否同步。所謂同步采樣是指：在任何采樣時(shí)刻，不同裝置的電壓、電流基波相量采樣估計(jì)值具有統(tǒng)一的參考基準(zhǔn)，相互之間可以直接進(jìn)行比較。采用行波法實(shí)現(xiàn)雙端測距裝置，在故障線路兩端分設(shè)檢測元件，用以檢測到達(dá)兩個(gè)母線的初始行波而構(gòu)成兩端測距，若能在同一時(shí)間基準(zhǔn)下測量出兩端首次接受到行波浪涌的時(shí)間，則能容易地計(jì)算出故障的距離。由于光速為3×105km/s,當(dāng)兩端時(shí)間測量上有l(wèi)μs的誤差時(shí)，即可產(chǎn)生150m的測距誤差。因此，要想獲得高精度測距結(jié)果，兩端計(jì)時(shí)系統(tǒng)必須保持微妙級同步，這是解決雙端行波測距應(yīng)用的關(guān)鍵問題。用行波法實(shí)現(xiàn)測距裝置，在故障線路兩側(cè)分設(shè)檢測元件，用以檢測到達(dá)兩個(gè)母線的初始行波而構(gòu)成兩端測距。為了準(zhǔn)確標(biāo)定故障初始行波浪涌到達(dá)兩端母線的時(shí)刻，線路兩端必須配備高精度和高穩(wěn)定度的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，而且兩端時(shí)鐘必須保持精確同步。

3．3基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的通信

3．3．1基本功能

數(shù)據(jù)通信模塊控制子系統(tǒng)是主要功能是保證北斗通信和電力管理系統(tǒng)運(yùn)營服務(wù)通信的暢通。其基本功能包括：（1）接收北斗通信：通過VPN連接北斗地面總站，獲得由總站轉(zhuǎn)發(fā)來的所有運(yùn)營中心下屬北斗終端發(fā)射的數(shù)據(jù)通訊信息，將獲得的數(shù)據(jù)信息交由處理通信、應(yīng)用服務(wù)及管理模塊處理。（2）發(fā)射北斗通信：通過北斗指揮機(jī)群將運(yùn)營中心的控制指令信息、短信通信信息和其他增值服務(wù)信息發(fā)射到北斗衛(wèi)星，從而送達(dá)目標(biāo)運(yùn)營中心下屬北斗終端。（3）移動通信服務(wù)：通過和移動通信網(wǎng)關(guān)的連接實(shí)現(xiàn)管理平臺的北斗通信與移動通信的互聯(lián)互通。（4）增值服務(wù)：通過和外部增值服務(wù)系統(tǒng)的連接實(shí)現(xiàn)管理平臺的增值服務(wù)，增值服務(wù)的內(nèi)容包括天氣預(yù)報(bào)、新聞、商情、保險(xiǎn)等等。（5）系統(tǒng)運(yùn)行：通信、應(yīng)用服務(wù)及管理模塊負(fù)責(zé)聯(lián)接系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)模塊和子系統(tǒng)，包括向服務(wù)坐席管理子系統(tǒng)提供管理平臺狀態(tài)信息、控制指令接口等，向連接管理平臺的各應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)用戶提供所需的數(shù)據(jù)信息，連接數(shù)據(jù)存儲、處理及備份子系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)運(yùn)行功能保證整個(gè)運(yùn)營系統(tǒng)的通信和服務(wù)的正常運(yùn)行。（6）運(yùn)營服務(wù)計(jì)費(fèi)：根據(jù)運(yùn)營計(jì)費(fèi)模式，對管理平臺下屬用戶訂購使用的服務(wù)進(jìn)行自動計(jì)費(fèi)。

3．3．2組成結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)通信模塊控制子系統(tǒng)主要由北斗信號接收模塊，北斗信號發(fā)射模塊，移動通訊模塊，增值服務(wù)模塊，和通信、應(yīng)用服務(wù)及管理模塊等五大模塊組成。數(shù)據(jù)通信模塊控制子系統(tǒng)有以下主要硬件接口。（1）接收北斗終端通信接口。1）輸入：北斗地面總站推送的北斗終端通信數(shù)據(jù)。2）輸出：對VPN控制提令、狀態(tài)信息、傳給各外部節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。3）一路網(wǎng)絡(luò)接口，通過站內(nèi)局域網(wǎng)連接：RJ45以太網(wǎng)接口，滿足TCP/IP傳輸協(xié)議，連接運(yùn)營中心內(nèi)部局域網(wǎng)。（2）發(fā)射北斗通信接口。1）標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)輸出RS232數(shù)據(jù)（收Rx、發(fā)Tx、信號地GND）。2）交流220V電壓輸入。3）冗余備份檢測端口（監(jiān)測入Inx、監(jiān)測出Outx、信號地XND）。4）天線連接混裝端子接口（射頻收、射頻發(fā)、接收電源5V、發(fā)射電源12V、電源地）。（3）運(yùn)營信息通信接口。1）輸入：各內(nèi)部模塊、子系統(tǒng)，以及外部系統(tǒng)用戶節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息、控制指令。2）信息查詢和請求等；輸出：外部系統(tǒng)用戶信息查詢和請求的數(shù)據(jù)，增值服務(wù)數(shù)據(jù)等。3）多路網(wǎng)絡(luò)接口，通過站內(nèi)局域網(wǎng)連接：RJ45以太網(wǎng)接口，滿足TCP/IP傳輸協(xié)議，連接運(yùn)營中心內(nèi)部局域網(wǎng)。北斗信號接收模塊，北斗信號發(fā)射模塊，移動通訊模塊，增值服務(wù)模塊等四個(gè)模塊分別負(fù)責(zé)和北斗衛(wèi)星地面總站，北斗指揮機(jī)群，移動通信網(wǎng)關(guān)和外部增值服務(wù)系統(tǒng)的通信功能。這些通信信息在通過相應(yīng)模塊的處理解碼后，都將匯總到通信、應(yīng)用服務(wù)及管理模塊進(jìn)一步處理、存儲及分發(fā)。

作者：楊小梅1王浩2李鑒海3工作單位：1.甘肅省電力公司檢修公司蘭州檢修分部2.中南大學(xué)3.國防科技大學(xué)