電力北斗導航系統設計

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1.系統主要任務

基于北斗導航系統的電力管理系統的主要任務可以歸納如下：

1.1實現電力管理系統的動態監測

實時動態監測電網全部信息，監測數據反映系統動態行為特征。主要應用領域如下：穩態分析、全網動態過程記錄及事故分析、電力系統動態模型辨識及模型校正、暫態穩定預測及控制、電壓及頻率穩定監視及控制、低頻振蕩分析及抑制、全局反饋控制、故障定位及線路參數測量等。

1.2實現整個區域電網的調度管理

使得設備滿足負荷的需要；使整個電網安全可靠運行和連續供電；保證電能的質量；經濟合理利用能源。

1.3實現電力管理系統的精確授時

系統依靠北斗衛星導航定位系統提供高精度時間基準，實現電力系統的同步相量測量。由于電廠大多采用不同廠家的設備、系統，而其大多采用各自獨立的時鐘，存在較大的時間偏差，因沒有統一的時間基準，不利于運行維護和數據分析。通過北斗衛星導航定位系統的高精度基準，建立統一的時間同步系統，統一所有設備、系統時間，可較好地滿足運行監控和事故后故障分析的需要。且采用北斗系統進行授時，擺脫了GPS束縛，不受制于人，精度可達小于1us。

1.4電網事故與緊急事件處理及報警

基于北斗導航系統的電力管理系統具備事故與緊急事件處理和報警的功能。當某個區域發生的輸電線路發生異常狀況是，管理系統能夠迅速識別和報警，定位異常區域地點并采取相應的處理措施。

1.5電網數據傳輸的實時有效傳輸

電力管理系統可以利用北斗衛星通信鏈路實現各個子發電站和變電站間到監控系統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的數據網絡SPDnet網，實現各個分系統與中心站的通信，從而保證系統數據的實時傳輸。

2.系統總體設計

2.1研制思路和關鍵問題

2.1.1研制思路基于北斗導航系統的電力管理系統解決了電網的同步相量測量技術應用于電網監測的時鐘源可靠性的問題。系統的電網廣域實時動態監測系統(WAMS)使用國產北斗衛星導航定位系統為主，GPS系統為輔的方式為電網的同步相量測量單元(PMU)提供精確的授時信號，并采用可觀性分析和同調性分析相結合的方法，對電網進行了布點規劃。基于北斗的電網監測管理系統為雙機雙網結構，采用Unix服務器，給出了拓撲結構圖。建設電力系統的同步相量測量技術和現代高速數字化通信網絡，為電網動態過程和在線監測提供了技術的支持和保證。電力管理采用電網廣域實時動態監測技術實現準確捕捉電力系統在線故障擾動、低頻振蕩以及人工試驗等情況下電網動態過程的技術手段。電力系統的各個分PMU站為系統提供全網采樣和計算的相量數據，通過北斗衛星通信和電力調度數據網實時傳送到監控系統中心站，使調度員能在調度中心及時了解電網的動態信息，在滿足電力管理系統的整體性能指標的前提下，突出可靠性、實用性、標準性、先進性和低成本的設計指導思想。2.1.2關鍵問題（1）電力管理系統的高精度時間同步基準：為保證數據測量的高度同步性，便于數據在統一時間基準下比較。基于北斗導航系統的電力管理系統中的同步相量測量技術可以較好的解決這個問題。（2）電力管理系統的實時通信機制：為保證數據傳輸的高可靠性和高實時性，便于監控中心對各分站PMU系統進行實時監控。這個問題的解決依賴于當前電力系統通訊技術的發展情況，基于北斗的通信功能是實現電力管理系統的實時通信提供了一個有效的辦法。

2.2系統組成結構

系統網絡拓撲結構。基于北斗導航系統的電力管理系統結構由安裝在各個發電站和變電所端的測量裝置———PMU分站和電力管理系統的監控系統中心站組成。根據電力管理系統的特點和需求，系統總共分為3個分系統組成：監控系統中心站，電站的數據采集系統（PMU分站）、通信傳輸系統。電力管理系統通過北斗授時終端提供的精確授時信號對各個分電站進行統一授時，并且在各個區域的變電站和發電站采集到各種電力方面的數據，然后利用通信傳輸系統將信息轉發到地面的運營平臺。地面運營平臺將信息送往一個集中的應用數據中心，中心對數據進行處理后可提供兩個數據通路：一路將信息經過衛星轉發到用戶指揮機，由指揮機將信息送到監控系統中心站；而另一路可通過INTERNET網經有線送到監控系統中心站。監控系統中心站對接收到的數據進行相應的存儲、分析、處理、監控等，至此完成一次信息的上傳作用。監控系統中心站對變電所和發電站的的指令操作信號則已相反的路經方式下達，可以對其完成電力調度，動態調控以及遠程遙控功能，從而實現控制功能。

3．北斗在系統中的主要應用

3.1高精度授時應用

北斗／GPS時間同步系統，是針對電力系統基于衛星授時的高精度、高可靠性的綜合時頻應用系統，采用北斗／GPS雙衛星系統互為備用工作模式，可完全替代GPS授時產品，滿足電力系統的電廠、變電站、自動化等領域的時間和時鐘同步需要。系統采用模塊化設計，可較好地滿足電力系統未來發展和系統擴容的需要。電力北斗／GPS時間同步系統采用我國自主的北斗及GPS雙衛星系統互為備用授時機制，同時接收北斗與GPS衛星發送的時間同步信號，獲得外部時間基準信號；利用本地恒溫晶體鐘的短穩特性及衛星授時信號的長穩特性，輸出高精度的時問同步信號，脈沖信號授時精度優于100ns。時間同步系統主要由衛星接收天線、北斗高精度授時接收板、GPS接收模塊，時頻標數據處理單元、各應用處理單元和接口模塊，系統應用軟件等組成。北斗接收單元主要由北斗天線，高頻、中頻數據處理、多普勒校正與秒脈沖合成等模塊組成，主要完成衛星信號的接收與放大、濾波、信號的下變頻，解擴解調、時間信息合成輸出等功能。采用天線一體化設計、高精度時頻時間合成技術、北斗衛星軌道預測等技術。GPS接收單元接收GPS衛星信號，產生時間信息和時頻標信號。與北斗接收單元互為備用。恒溫高穩鐘提供高精度頻率信號。時間處理單元是設備的重要組成部分。衛星信號正常時，依據衛星接收模塊根據提供的授時信息，維持高精度的時間信息，輸出到應用接口單元產生時間同步信號等。衛星信號異常時，利用恒溫晶鐘提供的頻率信號，在一定時間段內維持一個高精度的時問信號輸出。為滿足不同設備對各種時間同步信號的需求，IRIG_B碼生成單元合成IRIG_BDC碼和AC碼時間同步信號；脈沖生成單元生成不同接口類型的1PPS、1PPM、1PPH時間同步信號，NTP網絡授時單元通過網口利用NTP協議對外授時，實現計算機網絡高精確度對時；人機交互單元觀測設備工作狀態，設置設備工作方式、外部時間基準信號、輸出接口類型等，告警及檢測單元對系統的異常情況進行告警提示，監測時間同步信號的接口。

3．2基于北斗在輸電線路故障定位中應用

在電力系統中，輸電線路經常發生各種故障，由于線路很長，并且很多線路地形復雜，要尋找故障地點就非常費時費力又耗資。傳統的故障測距方法利用電壓除以電流得到阻抗，然后根據線路參數估計故障距離，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，對電力系統輸電線路進行快速準確的故障定位是保證系統安全穩定運行的有效途徑之一。隨著電力系統調度自動化的迅速發展和微處理機式故障錄波器的開發應用，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：在任何采樣時刻，不同裝置的電壓、電流基波相量采樣估計值具有統一的參考基準，相互之間可以直接進行比較。采用行波法實現雙端測距裝置，在故障線路兩端分設檢測元件，用以檢測到達兩個母線的初始行波而構成兩端測距，若能在同一時間基準下測量出兩端首次接受到行波浪涌的時間，則能容易地計算出故障的距離。由于光速為3×105km/s,當兩端時間測量上有lμs的誤差時，即可產生150m的測距誤差。因此，要想獲得高精度測距結果，兩端計時系統必須保持微妙級同步，這是解決雙端行波測距應用的關鍵問題。用行波法實現測距裝置，在故障線路兩側分設檢測元件，用以檢測到達兩個母線的初始行波而構成兩端測距。為了準確標定故障初始行波浪涌到達兩端母線的時刻，線路兩端必須配備高精度和高穩定度的實時時鐘，而且兩端時鐘必須保持精確同步。

3．3基于北斗衛星導航定位系統的通信

3．3．1基本功能

數據通信模塊控制子系統是主要功能是保證北斗通信和電力管理系統運營服務通信的暢通。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，獲得由總站轉發來的所有運營中心下屬北斗終端發射的數據通訊信息，將獲得的數據信息交由處理通信、應用服務及管理模塊處理。（2）發射北斗通信：通過北斗指揮機群將運營中心的控制指令信息、短信通信信息和其他增值服務信息發射到北斗衛星，從而送達目標運營中心下屬北斗終端。（3）移動通信服務：通過和移動通信網關的連接實現管理平臺的北斗通信與移動通信的互聯互通。（4）增值服務：通過和外部增值服務系統的連接實現管理平臺的增值服務，增值服務的內容包括天氣預報、新聞、商情、保險等等。（5）系統運行：通信、應用服務及管理模塊負責聯接系統內各個模塊和子系統，包括向服務坐席管理子系統提供管理平臺狀態信息、控制指令接口等，向連接管理平臺的各應用服務系統用戶提供所需的數據信息，連接數據存儲、處理及備份子系統等，這些系統運行功能保證整個運營系統的通信和服務的正常運行。（6）運營服務計費：根據運營計費模式，對管理平臺下屬用戶訂購使用的服務進行自動計費。

3．3．2組成結構

數據通信模塊控制子系統主要由北斗信號接收模塊，北斗信號發射模塊，移動通訊模塊，增值服務模塊，和通信、應用服務及管理模塊等五大模塊組成。數據通信模塊控制子系統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據。2）輸出：對VPN控制提令、狀態信息、傳給各外部節點數據。3）一路網絡接口，通過站內局域網連接：RJ45以太網接口，滿足TCP/IP傳輸協議，連接運營中心內部局域網。（2）發射北斗通信接口。1）標準外設輸出RS232數據（收Rx、發Tx、信號地GND）。2）交流220V電壓輸入。3）冗余備份檢測端口（監測入Inx、監測出Outx、信號地XND）。4）天線連接混裝端子接口（射頻收、射頻發、接收電源5V、發射電源12V、電源地）。（3）運營信息通信接口。1）輸入：各內部模塊、子系統，以及外部系統用戶節點的狀態信息、控制指令。2）信息查詢和請求等；輸出：外部系統用戶信息查詢和請求的數據，增值服務數據等。3）多路網絡接口，通過站內局域網連接：RJ45以太網接口，滿足TCP/IP傳輸協議，連接運營中心內部局域網。北斗信號接收模塊，北斗信號發射模塊，移動通訊模塊，增值服務模塊等四個模塊分別負責和北斗衛星地面總站，北斗指揮機群，移動通信網關和外部增值服務系統的通信功能。這些通信信息在通過相應模塊的處理解碼后，都將匯總到通信、應用服務及管理模塊進一步處理、存儲及分發。

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3.國防科技大學