1 GPS全球定位系統簡介 　　1973年美國發射了第1顆NAVSTAR衛星，開始了世界首套全球衛星定位系統（Global Posi－tioning System，簡稱為GPS）的建設。該定位系統的最終配置是由24顆NAVSTAR衛星構成，其信號有效地覆蓋著整個地球。 　　GPS系統每秒向地球發送一次信號，其內容為精度達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系統采用了特殊的信號調制技術，接收機將接收到的信號解碼后可以將本身時鐘與衛星時鐘對準，同時測出它與衛星之間的距離，算出本身所處的位置（經、緯度）。接收器能補償信號在衛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、遠動裝置等在電網中已經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系統的出現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。它必須經過轉換后才能滿足系統內已經使用或將要使用的各種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地時鐘格式（比如北京時間）而不喜歡使用UTC時鐘格式。于是就必然地出現了一種規約轉換器。將GPS接收器送出的固定信息轉換成各種不同的格式輸出，以滿足各種裝置及用戶的要求。該規約轉換器就俗稱為GPS同步時鐘，其原理框圖如圖1所示。 　　（1）GPS信號接收器：用于接收GPS衛星信號，輸出時間精度為1μs的1PPS脈沖，并經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個直經約3cm、高約8 cm的塑料圓棒內，天線一般應安裝在房頂上，以便有開闊的視野； 　　（2）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地時間，送液晶顯示器顯示，并按照一定的格式經串行口輸出； 　　（4）RS－232／485接口：輸出每秒一次的當地時間、日期等信息、波特率可選； 　　（5）MSF、IRIG－B、BCD接口：按照各自的標準格式輸出時間、日期碼。 3 GPS衛星同步時鐘的應用 　　由于GPS的定位和授時系統的準確性和開放性，因此在電力系統中的應用非常廣泛，可以用于故障定位、故障錄波、狀態確定、電機勵磁和調速、功角測量等。在保護方面已用于電力系統的失步保護、線路的電流縱差保護等，還用于電網的綜合自動化系統、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個信號對電網內的所有時鐘進行實時或定期同步對時，可以達到統一時鐘的目的。目前大致有3種對時方式： 　　（1）電網中心調度所通過通訊通道同步系統中各時鐘； 　　（2）利用廣播電臺、電視臺、天文臺的無線報時信號； 　　（3）利用GPS全球定位系統的時鐘信號。 　　第一種同步方式是目前遠動系統普遍采用的方式，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系統每秒發送一次信號，其時間精度在1μs以內，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 　　為了保證電力系統的穩定運行，需要控制系統中關鍵點位間的電壓相位差。 　　在系統的時鐘統一后，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。對50 Hz系統來說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系統來說就是18度的相位差，是絕對不能接受的。唯有GPS衛星時鐘才能滿足這一要求，利用GPS衛星時種的1 PPS脈沖同步方式，可以使整個系統的采樣脈沖時間誤差保持在幾個μs以內，對應的相角測量誤差也就不大于0．5度，完全滿足了系統的要求。 　　3．3故障測距 　　GPS衛星時鐘的出現，給研制雙端行波測距原理的裝置創造了有利條件。線路故障后，正常的負荷電流躍變為短路電流。由此產生由故障點向線路兩端運動的電流行波浪涌，假設線路全長為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。線路兩側通過通訊網絡交換信息后，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。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。基于該原理的行波測距裝置已在東北電網中試運行。 　　對于常規的阻抗原理的測距裝置，在時鐘統一后，可以精確地計算線路兩端故障電源的相位關系。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 　　線路的縱聯保護裝置安裝在線路兩側，常規的聯調試驗方法費時費力。且只能利用單端法進行，利用GPS衛星同步時鐘，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End－Endtest mode，在500 kV天瓶線的調試中，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了End－End testmode，確保了保護裝置的穩定運行。 [b]4 結論 [/b]　　隨著對電力系統運行要求的提高和自動化技術的發展，對同步時鐘的要求愈來愈嚴格。GPS衛星信號的同步時鐘，能很好地滿足電力系統同步時間的要求，為電力系統事故分析、故障測距、穩定判斷與控制技術方面的發展提供了極大的方便。