同步采样、同步相量形成与信息传输优化方法

为了实时监测广域电力系统中不同地域电力设备运行工况和实现运行工况精确、有效、快速地调控，首先应对不同地域的电力设备的运行工况和运行参数进行同步采样，检测时间的偏差应维持在微秒级。在f=50Hz的交流系统中，检测δ时，若要求δ的偏差不超过0.1°，由于半个周期10ms对应180°，则检测不同地域运行参数的时间相差不应超过5.5μs。利用全球定位系统GPS提供的标准时间信息可以较简单而精确地实现电力系统广域信息监测的同步问题。现在已广泛应用的GPS是早期美国开发的卫星导航系统，该系统由距地球约2万千米，分布在6条近圆形轨道上的24颗卫星构成，能覆盖全球、全天候24h连续实时地向地面发送高精度导航、定位和标准时间信息。GPS卫星传递的时间信号能在全球范围内与国际标准时间（UTC）保持高度同步，这使它成为目前世界上传播范围最广、精度最高的时间发布系统。通过在电力系统各地安装专用的接收器，在世界上任何地方都可以接收到GPS时间信息。由此可实现高精度的时钟同步。图7-26给出了利用GPS时间信号实现电力系统广域信息监测、同步采样和电力设备运行节点电压、支路电流同步相量（幅值和相位角）和发电机功角，相对速度Δω，加速度等运行参数形成的示意图。

图7-26 同步采样时钟及同步相量形成示意图

图7-26中，GPS接收器能从接到的信息中提取并输出两种时间信号：一是秒脉冲信号1pps，其脉冲前沿与国际标准时间的同步误差为仅为1μs；二是经串口输出的与每个秒脉冲1pps前沿对应的日期和时间代码（年、月、日、时、分、秒），即1pps的时间标记。采样时钟一般由高稳定度晶体振荡器构成，振荡信号每一秒被1pps同步一次，使其相位锁定在GPS时间基准上。与GSP发送的国际标准时间同步后的晶体振荡器信号按采样率要求经分频后用作采样脉冲。由于任何地方接到的1pps信号都具有同时性，因此能保证各地域发电厂、变电所电力设备运行工况和运行参数同步采样。这种时钟同步方法与传统方法相比，具有精度高（微秒级）、工作可靠、省力、不受地理及气候条件限制等优点，是迄今为止最为理想的时钟同步方法。(www.xing528.com)

图7-26中的数字信号处理器DSP的输入有：①经电流、电压传感器检测到的节点母线电压和线路电流，发电机转子位置运行参数等数字信息；②同步采样时钟脉冲；③时间代码（即每个秒脉冲的时间标记）。DSP高速完成采集到的电压、电流相量求解（获得电压电流相量的幅值和相位角）以及获得的发电机运行工况（功率角δ、相对速度Δω，加速度）的计算。将这些运行参数数据“贴上”时间标签（时间码）后，发送至电网中央调度中心。由于GPS时钟时间精确、统一，电网中央调度中心主站计算机接收到的是全网同一时刻的运行状态信息（带有时间标签），根据这些信息的集合、处理，即可实时分析系统运行状态、失稳预测、自适应保护并决策控制对策。由中央决策管理调度中心向各地域的监测子站发送控制指令，可使电力系统的电力设备受到快速有效地调控，在安全、经济、高效、优质工况下稳定运行。

近年来，基于GPS的电力系统广域相量测量技术迅速发展，相当多的相量测量单元（PMU）已经投入现场运行，一些包括系统功角监测在内的综合电网状态实时同步监测系统也已进入实际工程应用阶段。通过远程强实时数据交换和通信系统，把广域测量得到的数据实时地传输到控制中心，对测量数据进行分析处理后，生成控制指令并即时发送到执行端，完成全部控制的时间严格限制在3～5个周期以内。

目前电力线通信，特别是光纤网络的发展已经为广域监测系统的构建提供了良好的通信基础，速率可达2Mbit/s。为满足实时性的要求，克服数据传输的延时和拥塞问题，可利用计算机网络传输的高波特率特性，采用以太网和异步传输模式（ATM）相结合的方式，通过全光纤通道构建一套实时性非常好的全网信息（含相角）实时传输系统。这种通信系统可使测量子站每个电源周期（20ms）发送一次数据到达中心站，并能解决多点对一点的通信问题。在主站的服务器与交换机之间进行全双工接口，实现一个周期内传输一次数据，这种通信系统不仅可以满足电力系统广域动态监测的要求，而且可以满足电力系统快速动态控制的要求，使电力设备（发电机、输配电设备和电力电子补偿器）的实时调控得以实现。