GPS及其在电力系统的应用前景张炳惠　　［摘　要］　介绍了全球定位系统(GPS)的发展过程及其特点和功用，并对电力系统目前应用GPS的现状和前景进行了描述，尤其是对利用GPS在电力系统中的故障测距、系统运行功角实时监测、电网调度自动化同步时间、故障录波器时间同步等方面应用的可行性进行了探讨，旨在促进电力系统广泛应用GPS和促进科技进步。
　　［关键词］　全球定位系统；　电网调度自动化；　应用研究
　　［中图分类号］　V474．25；TM76　［文献标识码］　C　［文章编号］　1006-3986（1999）03-0060-02

　　全球定位系统(GPS)是导航卫星测时、测距、定位和导航系统。它由导航卫星、地面控制站和用户接收机三部分组成，它的最大优点之一是：用户只要有GPS接收机，就能自主地在任何地点，任何时间进行测时和定位。导航卫星是一组下发信号可覆盖全球，不受行政境界限制，连续可用，时间精确的导航系统。各行业均对GPS的定位及精确时间特点，开展广泛的应用研究。电力行业应用GPS的研究已逐步到达实用阶段。

1　三种卫星定位系统
　　目前用于全球定位的卫星系统有3种，即美国的GPS、俄罗斯的GLONASS和国际民航组织正在发展的GNSS。
1.1　GPS
　　GPS是美国国防部(DOD)为军事目的而设计的。为此美国(DOD)推出2种精确度，并设法进行以安全为目的的干扰和限制，并使用SA和AS技术政策。
　　SA政策：亦称为选择性政策，其中采用ε技术，使卫星的轨道参数有意识地增加一个慢变偏移，把广播星历精度从原来的25m降到100m。采用δ技术是对卫星的基准频率(10.23MHz)施加高频抖动，有短周期和长周期变化，使所有信号都出现高频抖动，造成测距和测速误差，使单点定位精度(C／A码)从15m降低到100m。在1994年实施的标准定位服务(SPS，民用)中采用。
　　AS政策：亦称反电子欺骗技术，将原来的P码和机密W码模拟成为更保密的Y码，实时定位精度在1995年之后提高到1m。
　　为安全目的，美国防部将开发一种系统，它能在特定时间和有限区域内(比如在一场战争中)保护GPS信号，使敌方无法采用它。
1.2　GLONASS
　　GLONASS是前苏联1978年开始研究建立并与美国抗衡的全球卫星定位系统，于1996年初投入运行使用。这个系统有24＋1颗卫星，采用频分多星制，用粗码、精码2种伪码测距，并有铯钟作为标准时，其精度为水平误差20m、垂直误差36m，不限制民用。
1.3　GNSS
　　GNSS是国际民航组织联合世界各国推出的全球性的位置和时间测定系统。其前身是1992年投入的4颗覆盖全球的卫星组成的通讯和定位导航系统INMARSAT。
　　GNSS包括一个或几个卫星星座、机载接收机和系统完好性监视系统。2000年以前建立混合系统，其构成GNSS＝GPS＋GLONSS＋INMARSAT＋GAIT＋RAIM，其中GAIT为地面增强和完好性监视系统，RAIM为机载独立完善监控系统。2000年以后将建立GNSS纯民间系统，此时GNSS＝30颗中高圆轨道卫星(ICD)＋（6－8）颗商用静止卫星。目的是GNSS可打破一、二个国家独霸的局面，供全球定位导航和移动通讯使用。

2　GPS系统的构成
　　GPS由空间和地面2大部份组成。空间部份有24颗卫星，在高度20183km处组成星座。星座由6个等间隔，倾角为55°近似圆形轨道平面上的24颗卫星构成，运行周期为717.98min，以载波扩频信号1575.42MHz和1227.6MHz发送导航电文，其中包括卫星星历(即时间和卫星空间坐标)、钟参数等。
　　地面部份由主控站、监测站、地面控制站和GPS接收机组成。主控站接收5个卫星监测站发送的数据，计算卫星的轨迹和钟参数，然后将这些结果送到3个地面控制站，以便向卫星加载数据。由主控站传来的卫星星历和钟参数，经S波段射频链上行注入到各卫星。这套系统可完成跟踪所有的卫星，以便进行轨道和钟测定、预测修正模型参数、星钟同步和为卫星加载数据电文等，以保证GPS和星历和钟参数精确度(如图1所示)。
图1　GPS系统示意图　　①—传送导航电文（包括卫星星历、钟参数）；
　　②—用电离层和气象数据对所测伪距每15min产生一次平滑数据，传输给主控站；
　　③—传输经计算后的卫星星历和钟参数；
　　④—将各卫星星历和钟参数用S波段射频链上行注入各卫星；
　　⑤—接收多个卫星信号；
　　⑥—输入电离层及气象参数。
　　GPS接收机同时观测多颗卫星，测量多个已知空间坐标的卫星到GPS用户接收机之间的距离，求得这些距离的几何交点就能确定GPS接收机的位置。这些距离是通过测量卫星信号到达接收机所需的传输时间表确定，而传输时间是用码恢复技术来测定。

3　电力企业如何应用GPS技术
　　由于GPS具有精确定位和精确的钟参数，已有10多个行业兴起应用GPS热潮。目前应用较多的是GPS标准钟、GPS故障定位、雷电观测定位等。现对这些应用情况作一个简单介绍。
3.1　故障测距
　　目前世界各国的故障测距技术均以发展测量故障行波到达母线观察点之间的时间，利用两端母线测量行波到达时间之差，或测量行波往返一次所需时间来测量距离。早期的行波测距装置有A、B、C型3种型式，可靠性均不甚理想。现代微电子技术的发展已提供许多可靠手段，其中精确时间源可以由GPS来提供。最简单的表示是故障点到测量点之间的距离，用行波传输到两端测得的时间差可直接算出。
3.2　系统运行功角实时监测
　　若能实时同步测得系统两端电压之间相位差，则可监视二端运行电气相角，对系统稳定运行有现实意义。GPS接收机每台之间时间误差1μs(电气角度为0.018°，50Hz)，完全可满足电力工业控制调节应用。利用通讯手段将两端测量结果传送到调度控制中心，则可作为运行判据和以此建立调节控制手段。
3.3　电网调度自动化同步时间
　　电网调度自动化要求主站端与远方终端(RTU)的时间同步。当前大多数系统仍采用硬件通过信道对时，主站发校时命令给远方终端对时硬件来完成对时功能。若采用软件对时，由于软件对时具有不确定性，故不能满足开关动作时间分辨率小于10ms的要求。用硬件对时，可达到分辨率小于10ms，但对时硬件复杂，并且对时期间(每10min要对一次)完全占用信道。当发生YX变位时，主站主机CPU还要做变位时间计算，占用CPU的开销。利用GPS的定时信号可克服上述缺点，GPS接收机的时间码输出接口为RS232C及并行口，用户可任选串行或并行方式，还有一个秒脉冲输出接口(1PPS)，输出接口可根据需要选用。
3.4　故障录波器时间同步
　　目前，微机故障录波器均有机内标准时间环节。由于时间元件自身误差和不同型号的录波器时间元件差异，往往造成各站故障录波器在故障时记录时间差异较大，对分析系统事故带来不便。而GPS技术可以获得高可靠性及高精度的秒脉冲(1PPS)及通过串口输出时间。在SA生效时，定时精度实用上可达0.5μs。用GPS来不断修正原来录波器时间元件，可使全系统故障录波器时间同步。
3.5　雷电定位系统
　　大地落雷是可以探测到的，利用设置不同地理位置的探测站，测量探测站获得雷电信号的时间差。由于每个站只能确定雷电信号源的方位，因此用3个以上站的测量结果就可以计算出落雷位置。当然，必须知道探测站的地理位置精确的经、纬度和电力杆塔或设备的地理位置，而且要有同一的精确时间源。各探测站信息传到处理中心进行雷电定位，精度可达≤1km。
3.6　自动控制与调节的标准时间
　　利用GPS技术可提供自动化中需要的精确同步时间，可制作出精确的守时钟，GPS守时钟综合精度可优于0.5μs。
　　随着导航定位、军事、测绘、车船定位及应急引导等领域GPS的成功应用，以及GPS在电力工业中的应用，推广此项技术，发展我们的自动化系统，其前景十分广阔。作者单位:湖北省电力试验研究所，　湖北　武汉　430077收稿日期：1999－03－15