1 GPS全球定位系統(tǒng)簡介 　　1973年美國發(fā)射了第1顆NAVSTAR衛(wèi)星，開始了世界首套全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Posi－tioning System，簡稱為GPS）的建設(shè)。該定位系統(tǒng)的最終配置是由24顆NAVSTAR衛(wèi)星構(gòu)成，其信號有效地覆蓋著整個地球。 　　GPS系統(tǒng)每秒向地球發(fā)送一次信號，其內(nèi)容為精度達1μs的時間信息。該信號在全球任何位置均可以收到。為了正確地接收上述信號，GPS接收機分兩部分內(nèi)容接收。首先接收到的是每秒開始時間精度為1μs的1PPS選通脈沖（Impulseproduced every second），第二部分接收到的是一串信息，包括國際標準時UTC（Universal Co－ordi－nate Time）的時間、日期及接收機本身所在方位。 　　GPS系統(tǒng)采用了特殊的信號調(diào)制技術(shù)，接收機將接收到的信號解碼后可以將本身時鐘與衛(wèi)星時鐘對準，同時測出它與衛(wèi)星之間的距離，算出本身所處的位置（經(jīng)、緯度）。接收器能補償信號在衛(wèi)星與接收器之間的傳輸延時，輸出與國際標準時（UTC）誤差為1μs的秒脈沖選通信號，并通過串行口輸出國際標準時間、日期、所處方位等信息。 2 衛(wèi)星同步時鐘簡介 　　目前，基于微機型的故障錄波裝置、事件記錄裝置、安全自動裝置、遠動裝置等在電網(wǎng)中已經(jīng)得到了越來越多的運用。對于時鐘的同步也提出了嚴格的要求，希望能夠達到1 ms甚至μs級的精度。GPS系統(tǒng)的出現(xiàn)正好滿足了這一要求。 　　GPS接收器能夠送出非常精確的時間信息，但該信息是固定不變的。它必須經(jīng)過轉(zhuǎn)換后才能滿足系統(tǒng)內(nèi)已經(jīng)使用或?qū)⒁褂玫母鞣N裝置對同步源的要求。 　　各個制造廠商以及用戶對同步的要求是各不相同的，有些使用不同幅值、不同頻率、不同時延的脈沖同步方式，而有些使用標準的串行編碼方式，比如MSF格式或IRIG－B格式，用戶大多喜歡使用當?shù)貢r鐘格式（比如北京時間）而不喜歡使用UTC時鐘格式。于是就必然地出現(xiàn)了一種規(guī)約轉(zhuǎn)換器。將GPS接收器送出的固定信息轉(zhuǎn)換成各種不同的格式輸出，以滿足各種裝置及用戶的要求。該規(guī)約轉(zhuǎn)換器就俗稱為GPS同步時鐘，其原理框圖如圖1所示。 　?。?）GPS信號接收器：用于接收GPS衛(wèi)星信號，輸出時間精度為1μs的1PPS脈沖，并經(jīng)RS－232口輸出UTC標準時間、日期及接收器所處位置等信息，接收器天線裝在1個直經(jīng)約3cm、高約8 cm的塑料圓棒內(nèi)，天線一般應安裝在房頂上，以便有開闊的視野； 　?。?）脈沖電路：輸出秒（1 PPS）、分（1 PPM）、時（1 PPH）同步脈沖信號輸出格式可以是電平輸出或靜態(tài)空接點輸出； 　　（3）中央處理單元：將來自GPS的UTC標準時間信息換算成當?shù)貢r間，送液晶顯示器顯示，并按照一定的格式經(jīng)串行口輸出； 　?。?）RS－232／485接口：輸出每秒一次的當?shù)貢r間、日期等信息、波特率可選； 　?。?）MSF、IRIG－B、BCD接口：按照各自的標準格式輸出時間、日期碼。 3 GPS衛(wèi)星同步時鐘的應用 　　由于GPS的定位和授時系統(tǒng)的準確性和開放性，因此在電力系統(tǒng)中的應用非常廣泛，可以用于故障定位、故障錄波、狀態(tài)確定、電機勵磁和調(diào)速、功角測量等。在保護方面已用于電力系統(tǒng)的失步保護、線路的電流縱差保護等，還用于電網(wǎng)的綜合自動化系統(tǒng)、繼電保護裝置的同步精確對時。 　　3．1標準的時鐘同步源 　　利用同1個信號對電網(wǎng)內(nèi)的所有時鐘進行實時或定期同步對時，可以達到統(tǒng)一時鐘的目的。目前大致有3種對時方式： 　?。?）電網(wǎng)中心調(diào)度所通過通訊通道同步系統(tǒng)中各時鐘； 　?。?）利用廣播電臺、電視臺、天文臺的無線報時信號； 　?。?）利用GPS全球定位系統(tǒng)的時鐘信號。 　　第一種同步方式是目前遠動系統(tǒng)普遍采用的方式，該同步方式需要占用通道時間。由于信號通過通道傳送到不同廠，站的延時不相同，所以只能保證時間的誤差在ms級以上的水平，并且對通道的要求高。 　　第二種同步方式受氣候影響比較大，與廠、站所在地理位置也有很大關(guān)系，并且容易受到電磁波的干擾，丟失信號。 　　第三種同步方式是目前最理想的同步方式，即GPS時鐘同步方式。GPS系統(tǒng)每秒發(fā)送一次信號，其時間精度在1μs以內(nèi)，在全球任何位置均能可靠接收到信號，是理想的同步時鐘源。 　　GPS衛(wèi)星同步時鐘有多種接口輸出方式，如脈沖同步方式、串行口同步方式、編碼同步方式等，完全可以滿足各類裝置的同步要求。目前在華東電網(wǎng)中，已對微機型故障錄波器（HATHWAY公司的DFR16／32、ABB公司的INDACTIC650、METHA公司的THRANSCAN），微機型線路保護裝置（LFP－900系列、WXB－11系列）等設(shè)備進行了同步對時，運行情況良好。 　　3．2相位測量 　　為了保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，需要控制系統(tǒng)中關(guān)鍵點位間的電壓相位差。 　　在系統(tǒng)的時鐘統(tǒng)一后，就可以做到輸入信號的采樣脈沖同步，通過軟件方法就可以很容易地測出各電站間電壓的相位關(guān)系。 　　要保證相位測量的準確性，采樣脈沖的同步誤差就要求非常小，必須嚴格控制在幾個μs之內(nèi)。對50 Hz系統(tǒng)來說1度對應于55μs。而利用廣播電臺或類似手段的對時方式顯然是不適合的，它們的對時誤差是毫秒級的，而1 ms對于50Hz系統(tǒng)來說就是18度的相位差，是絕對不能接受的。唯有GPS衛(wèi)星時鐘才能滿足這一要求，利用GPS衛(wèi)星時種的1 PPS脈沖同步方式，可以使整個系統(tǒng)的采樣脈沖時間誤差保持在幾個μs以內(nèi)，對應的相角測量誤差也就不大于0．5度，完全滿足了系統(tǒng)的要求。 　　3．3故障測距 　　GPS衛(wèi)星時鐘的出現(xiàn)，給研制雙端行波測距原理的裝置創(chuàng)造了有利條件。線路故障后，正常的負荷電流躍變?yōu)槎搪冯娏?。由此產(chǎn)生由故障點向線路兩端運動的電流行波浪涌，假設(shè)線路全長為L，行波的傳播速度為V，故障后在線路兩端M、N接收到故障初始行波浪涌的時間分別為Tm、Tn。線路兩側(cè)通過通訊網(wǎng)絡(luò)交換信息后，就可以計算出故障點到M、N兩端的距離分別為： 　　Xm＝L／2＋（Tm－Tn）×V／2 　　Xn＝L／2＋（Tn－Tm）×V／2 　　行波測距原理的關(guān)鍵是準確地記錄下故障初始行波到達線路兩端的時間，誤差應嚴格控制在幾個μs以內(nèi)。因為對架空線而言，1個μs的時間誤差對應于約150 m的測距誤差。對電力電纜而言，1個ms的時間誤差對應于約70～100 m的測距誤差。利用GPS衛(wèi)星時鐘的1 PPS秒脈沖與串行口時間信息，就可以很容易地滿足誤差要求?；谠撛淼男胁y距裝置已在東北電網(wǎng)中試運行。 　　對于常規(guī)的阻抗原理的測距裝置，在時鐘統(tǒng)一后，可以精確地計算線路兩端故障電源的相位關(guān)系。補償由故障時過渡電阻帶來的計算誤差。 　　3．4完善繼電器保護試驗裝置 　　線路的縱聯(lián)保護裝置安裝在線路兩側(cè)，常規(guī)的聯(lián)調(diào)試驗方法費時費力。且只能利用單端法進行，利用GPS衛(wèi)星同步時鐘，可以使兩端的測試裝置按照預先約定的時間順序啟動，同時將故障量施加于兩側(cè)的保護裝置，可以更為全面地檢驗保護裝置的動作行為。目前DOUBLE公司的F2000系列、OMICRON公司的CMC系列、PRO－GRAMMA公司的FREJA300系列繼電保護綜合測試儀均具備GPS同步時鐘接口，實現(xiàn)End－Endtest mode，在500 kV天瓶線的調(diào)試中，用F2253繼電保護綜合測試儀對GEC公司的LFCB－102分相電流差動保護裝置實現(xiàn)了End－End testmode，確保了保護裝置的穩(wěn)定運行。 [b]4 結(jié)論 [/b]　　隨著對電力系統(tǒng)運行要求的提高和自動化技術(shù)的發(fā)展，對同步時鐘的要求愈來愈嚴格。GPS衛(wèi)星信號的同步時鐘，能很好地滿足電力系統(tǒng)同步時間的要求，為電力系統(tǒng)事故分析、故障測距、穩(wěn)定判斷與控制技術(shù)方面的發(fā)展提供了極大的方便。