电力系统数据采样的几种同步方法
陈文进江道灼
(浙江大学电气工程学院,浙江省 杭州市310027) 摘要:电力系统相量(包括电流、电压等)的同步采样对于电力系统继电保护、故障判断、系统稳定分析等都具有重要意义,其中如何获得同步脉冲也就是说如何实现同步采样一直是个关键问题。本文例举了几种同步实现方法:主站广播对时法,基于通信信道的采样时间补偿法以及卫星授时法等,最后指出利用GPS卫星授时与锁相技术相结合的方法是一种切实可行的方法。
关键词:电力系统;同步采样;全球定位系统(GPS)
0引言
目前电力系统中各种测控与保护装置普遍要求交流数据量的同步采样,这对于电力系统继电保护、故障判断、系统稳定分析等都具有重要意义。一般,采样脉冲都是在装置内部时钟的控制下产生的。对于需要异地同步采样的装置来说,由于装置内部晶振频率有误差,采样难以同步。而且随着电力系统的发展,对系统监控的要求越来越高,迫切要求能够实现交流数据量的异地同步采样。所以,早先在国外运用了一种无线电波广播对时的方法,还有一种方法是基于通信信道的采样时间补偿法来实现同步采样。但是这两种方法都有自身所不可克服的弱点。随着卫星与通信技术的发展,卫星授时法已经由军用逐渐转为民用。其中基于全球定位系统(GPS)的同步采样方法已经得到了广泛的应用,并获得了良好的效果。本文提出的GPS与锁相技术相结合的方法,不但能够保证异地同步采样,而且还能够在系统频率变化情况下,较好地实现其交流量的同步采样,并能保证全网的同步测量。
1主站广播对时法
为实现同步采样,主站在同一时刻给系统中所有的测控装置一个同步时钟脉冲。按照传输的媒介不同,主站广播对时法可以有以下三种形式:AM调幅广播、微波传输系统和光纤传输系统[1]。
1.1AM调幅广播
AM调幅广播主要有五种调幅方法:WWV、WWVB、OMEGA、MSF/DCF、Loran-C等。它们的调幅频率、时间代码格式、主要用途、时间精度、费用以及使用地点都不一样,表1作了详细的比较。
在北美最普遍的广播方式是WWV,与之配套的商用接收器和同步系统都已经比较成型。如果信号传输延时时间恒定或者这一时间可以预测,那么这套系统就可以达到±100μs的精度[2]。但是这个假设很难成立,所以在实际运行中只能达到几毫秒的精度。
WWVB(美国科罗拉多州的FortCollins)广播是一种连续的时间基准信息通过60kHz的载波信号传输的方式。这种方式的主要优点是信号传输延时时间相对比较恒定而且可以事先预测。从理论上讲时间精度可以达到±50μs,但是由于信号受噪声和幅度波动的影响,它的精度也只能达到几毫秒[2]。
OMEGA使用的是很低的传输频率,一般是10-14kHz,它的信号遍布全球范围。由于它使用的是最长的无线电波而使信号可以传输几千公里且传输时间误差只有几微秒。美国海军电子实验室(USNEL)和美国海军研究所(USNRL)已经通过实验证明了无论通过什么路径传输,其延时时间预测精度可以达到2至5μs[3]。
MSF是英国国家物理实验所为了使本国的时间和UTC(UniversalTimeCoordinated)时间保持一致而建立的广播系统,由英国电信以60kHz的频率向全国范围内发送英国标准时间。而DCF是由德国建立的,它的目的也是向全国范围内发送德国标准时间,发送频率是77kHz。
Loran-C传输的是脉冲信号,而且只通过地波传播信号[1]。因此它很好的解决了WWV、WWVB等方式由于信号可以从地波传播也可以从天空电波传播而使得传输延时无法确定的问题。它的时间由原子钟控制,精度最高可以达到100ns[4]。另外Loran-C信号还能产生1PPS秒脉冲信号,并以UTC时间为基准。但是由于它本身固有的频率为100kHz,这就注定它很容易受到同频率的载波信号的干扰,使得其性能受到很大影响。