电力北斗导航系统设计

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1.系统主要任务

基于北斗导航系统的电力管理系统的主要任务可以归纳如下：

1.1实现电力管理系统的动态监测

实时动态监测电网全部信息，监测数据反映系统动态行为特征。主要应用领域如下：稳态分析、全网动态过程记录及事故分析、电力系统动态模型辨识及模型校正、暂态稳定预测及控制、电压及频率稳定监视及控制、低频振荡分析及抑制、全局反馈控制、故障定位及线路参数测量等。

1.2实现整个区域电网的调度管理

使得设备满足负荷的需要；使整个电网安全可靠运行和连续供电；保证电能的质量；经济合理利用能源。

1.3实现电力管理系统的精确授时

系统依靠北斗卫星导航定位系统提供高精度时间基准，实现电力系统的同步相量测量。由于电厂大多采用不同厂家的设备、系统，而其大多采用各自独立的时钟，存在较大的时间偏差，因没有统一的时间基准，不利于运行维护和数据分析。通过北斗卫星导航定位系统的高精度基准，建立统一的时间同步系统，统一所有设备、系统时间，可较好地满足运行监控和事故后故障分析的需要。且采用北斗系统进行授时，摆脱了GPS束缚，不受制于人，精度可达小于1us。

1.4电网事故与紧急事件处理及报警

基于北斗导航系统的电力管理系统具备事故与紧急事件处理和报警的功能。当某个区域发生的输电线路发生异常状况是，管理系统能够迅速识别和报警，定位异常区域地点并采取相应的处理措施。

1.5电网数据传输的实时有效传输

电力管理系统可以利用北斗卫星通信链路实现各个子发电站和变电站间到监控系统中心站之间或者其自身之间的通信能力，也可以通过电力管理系统的数据网络SPDnet网，实现各个分系统与中心站的通信，从而保证系统数据的实时传输。

2.系统总体设计

2.1研制思路和关键问题

2.1.1研制思路基于北斗导航系统的电力管理系统解决了电网的同步相量测量技术应用于电网监测的时钟源可靠性的问题。系统的电网广域实时动态监测系统(WAMS)使用国产北斗卫星导航定位系统为主，GPS系统为辅的方式为电网的同步相量测量单元(PMU)提供精确的授时信号，并采用可观性分析和同调性分析相结合的方法，对电网进行了布点规划。基于北斗的电网监测管理系统为双机双网结构，采用Unix服务器，给出了拓扑结构图。建设电力系统的同步相量测量技术和现代高速数字化通信网络，为电网动态过程和在线监测提供了技术的支持和保证。电力管理采用电网广域实时动态监测技术实现准确捕捉电力系统在线故障扰动、低频振荡以及人工试验等情况下电网动态过程的技术手段。电力系统的各个分PMU站为系统提供全网采样和计算的相量数据，通过北斗卫星通信和电力调度数据网实时传送到监控系统中心站，使调度员能在调度中心及时了解电网的动态信息，在满足电力管理系统的整体性能指标的前提下，突出可靠性、实用性、标准性、先进性和低成本的设计指导思想。2.1.2关键问题（1）电力管理系统的高精度时间同步基准：为保证数据测量的高度同步性，便于数据在统一时间基准下比较。基于北斗导航系统的电力管理系统中的同步相量测量技术可以较好的解决这个问题。（2）电力管理系统的实时通信机制：为保证数据传输的高可靠性和高实时性，便于监控中心对各分站PMU系统进行实时监控。这个问题的解决依赖于当前电力系统通讯技术的发展情况，基于北斗的通信功能是实现电力管理系统的实时通信提供了一个有效的办法。

2.2系统组成结构

系统网络拓扑结构。基于北斗导航系统的电力管理系统结构由安装在各个发电站和变电所端的测量装置———PMU分站和电力管理系统的监控系统中心站组成。根据电力管理系统的特点和需求，系统总共分为3个分系统组成：监控系统中心站，电站的数据采集系统（PMU分站）、通信传输系统。电力管理系统通过北斗授时终端提供的精确授时信号对各个分电站进行统一授时，并且在各个区域的变电站和发电站采集到各种电力方面的数据，然后利用通信传输系统将信息转发到地面的运营平台。地面运营平台将信息送往一个集中的应用数据中心，中心对数据进行处理后可提供两个数据通路：一路将信息经过卫星转发到用户指挥机，由指挥机将信息送到监控系统中心站；而另一路可通过INTERNET网经有线送到监控系统中心站。监控系统中心站对接收到的数据进行相应的存储、分析、处理、监控等，至此完成一次信息的上传作用。监控系统中心站对变电所和发电站的的指令操作信号则已相反的路经方式下达，可以对其完成电力调度，动态调控以及远程遥控功能，从而实现控制功能。

3．北斗在系统中的主要应用

3.1高精度授时应用

北斗／GPS时间同步系统，是针对电力系统基于卫星授时的高精度、高可靠性的综合时频应用系统，采用北斗／GPS双卫星系统互为备用工作模式，可完全替代GPS授时产品，满足电力系统的电厂、变电站、自动化等领域的时间和时钟同步需要。系统采用模块化设计，可较好地满足电力系统未来发展和系统扩容的需要。电力北斗／GPS时间同步系统采用我国自主的北斗及GPS双卫星系统互为备用授时机制，同时接收北斗与GPS卫星发送的时间同步信号，获得外部时间基准信号；利用本地恒温晶体钟的短稳特性及卫星授时信号的长稳特性，输出高精度的时问同步信号，脉冲信号授时精度优于100ns。时间同步系统主要由卫星接收天线、北斗高精度授时接收板、GPS接收模块，时频标数据处理单元、各应用处理单元和接口模块，系统应用软件等组成。北斗接收单元主要由北斗天线，高频、中频数据处理、多普勒校正与秒脉冲合成等模块组成，主要完成卫星信号的接收与放大、滤波、信号的下变频，解扩解调、时间信息合成输出等功能。采用天线一体化设计、高精度时频时间合成技术、北斗卫星轨道预测等技术。GPS接收单元接收GPS卫星信号，产生时间信息和时频标信号。与北斗接收单元互为备用。恒温高稳钟提供高精度频率信号。时间处理单元是设备的重要组成部分。卫星信号正常时，依据卫星接收模块根据提供的授时信息，维持高精度的时间信息，输出到应用接口单元产生时间同步信号等。卫星信号异常时，利用恒温晶钟提供的频率信号，在一定时间段内维持一个高精度的时问信号输出。为满足不同设备对各种时间同步信号的需求，IRIG_B码生成单元合成IRIG_BDC码和AC码时间同步信号；脉冲生成单元生成不同接口类型的1PPS、1PPM、1PPH时间同步信号，NTP网络授时单元通过网口利用NTP协议对外授时，实现计算机网络高精确度对时；人机交互单元观测设备工作状态，设置设备工作方式、外部时间基准信号、输出接口类型等，告警及检测单元对系统的异常情况进行告警提示，监测时间同步信号的接口。

3．2基于北斗在输电线路故障定位中应用

在电力系统中，输电线路经常发生各种故障，由于线路很长，并且很多线路地形复杂，要寻找故障地点就非常费时费力又耗资。传统的故障测距方法利用电压除以电流得到阻抗，然后根据线路参数估计故障距离，由于线路故障大多为非金属短接，过渡阻抗无法确定，造成误差很大。因此，对电力系统输电线路进行快速准确的故障定位是保证系统安全稳定运行的有效途径之一。随着电力系统调度自动化的迅速发展和微处理机式故障录波器的开发应用，故障分析测距的全过程可以自动完成，而线路两端的电气量的应用又将使故障测距的精度大为提高。用双端信息的故障测距算法的核心问题就是双端信息采样是否同步。所谓同步采样是指：在任何采样时刻，不同装置的电压、电流基波相量采样估计值具有统一的参考基准，相互之间可以直接进行比较。采用行波法实现双端测距装置，在故障线路两端分设检测元件，用以检测到达两个母线的初始行波而构成两端测距，若能在同一时间基准下测量出两端首次接受到行波浪涌的时间，则能容易地计算出故障的距离。由于光速为3×105km/s,当两端时间测量上有lμs的误差时，即可产生150m的测距误差。因此，要想获得高精度测距结果，两端计时系统必须保持微妙级同步，这是解决双端行波测距应用的关键问题。用行波法实现测距装置，在故障线路两侧分设检测元件，用以检测到达两个母线的初始行波而构成两端测距。为了准确标定故障初始行波浪涌到达两端母线的时刻，线路两端必须配备高精度和高稳定度的实时时钟，而且两端时钟必须保持精确同步。

3．3基于北斗卫星导航定位系统的通信

3．3．1基本功能

数据通信模块控制子系统是主要功能是保证北斗通信和电力管理系统运营服务通信的畅通。其基本功能包括：（1）接收北斗通信：通过VPN连接北斗地面总站，获得由总站转发来的所有运营中心下属北斗终端发射的数据通讯信息，将获得的数据信息交由处理通信、应用服务及管理模块处理。（2）发射北斗通信：通过北斗指挥机群将运营中心的控制指令信息、短信通信信息和其他增值服务信息发射到北斗卫星，从而送达目标运营中心下属北斗终端。（3）移动通信服务：通过和移动通信网关的连接实现管理平台的北斗通信与移动通信的互联互通。（4）增值服务：通过和外部增值服务系统的连接实现管理平台的增值服务，增值服务的内容包括天气预报、新闻、商情、保险等等。（5）系统运行：通信、应用服务及管理模块负责联接系统内各个模块和子系统，包括向服务坐席管理子系统提供管理平台状态信息、控制指令接口等，向连接管理平台的各应用服务系统用户提供所需的数据信息，连接数据存储、处理及备份子系统等，这些系统运行功能保证整个运营系统的通信和服务的正常运行。（6）运营服务计费：根据运营计费模式，对管理平台下属用户订购使用的服务进行自动计费。

3．3．2组成结构

数据通信模块控制子系统主要由北斗信号接收模块，北斗信号发射模块，移动通讯模块，增值服务模块，和通信、应用服务及管理模块等五大模块组成。数据通信模块控制子系统有以下主要硬件接口。（1）接收北斗终端通信接口。1）输入：北斗地面总站推送的北斗终端通信数据。2）输出：对VPN控制提令、状态信息、传给各外部节点数据。3）一路网络接口，通过站内局域网连接：RJ45以太网接口，满足TCP/IP传输协议，连接运营中心内部局域网。（2）发射北斗通信接口。1）标准外设输出RS232数据（收Rx、发Tx、信号地GND）。2）交流220V电压输入。3）冗余备份检测端口（监测入Inx、监测出Outx、信号地XND）。4）天线连接混装端子接口（射频收、射频发、接收电源5V、发射电源12V、电源地）。（3）运营信息通信接口。1）输入：各内部模块、子系统，以及外部系统用户节点的状态信息、控制指令。2）信息查询和请求等；输出：外部系统用户信息查询和请求的数据，增值服务数据等。3）多路网络接口，通过站内局域网连接：RJ45以太网接口，满足TCP/IP传输协议，连接运营中心内部局域网。北斗信号接收模块，北斗信号发射模块，移动通讯模块，增值服务模块等四个模块分别负责和北斗卫星地面总站，北斗指挥机群，移动通信网关和外部增值服务系统的通信功能。这些通信信息在通过相应模块的处理解码后，都将汇总到通信、应用服务及管理模块进一步处理、存储及分发。

作者：杨小梅1王浩2李鉴海3工作单位：1.甘肃省电力公司检修公司兰州检修分部2.中南大学3.国防科技大学