杜 娟

（山西大学，山西 太原030013）

0 引 言

近年来，随着电力系统自动化水平不断提高，电网容量日益增大，对电力系统的稳定运行、监控及保护提出了更高的要求。全球定位系统（GPS－Global Positioning System）因其授时和测量的高精度，在电力系统中的应用日趋广泛、深入与成熟，促进了电力系统自动化技术的变革性发展，对电力系统的安全与稳定运行发挥着重要作用［1］。

GPS在输变电线路工程勘测中可完成线路的测图、定位、定线等多种工作。与传统的测量工作相比，GPS具有工作效率高、操作简单、工作时间不间断、定位精度高等众多优点。传统的用于输配电线路测量工作的设备如经纬仪、花杆以及卷尺等设备，测量精度低，不能满足现代架空输配电线路的设计需要。

相对于GPS的定位功能来说，GPS的定时功能在电力系统中的应用更加重要和普遍。系统的故障定位、继电保护系统动作的先后顺序、事件顺序记录、分析电网事故的原因等需要有精确统一的时间；电网自动化、系统稳定性判别等要求电力系统具有统一的时钟。因此，时间的精确和统一，在电力系统中是非常重要的。GPS系统的定时和授时系统具有精确、快速、可靠、共偿等优点，为电力系统的时钟统一提供了技术手段。

1 GPS定位功能在电力系统中的应用

在电力系统勘测设计中，GPS广泛应用于发电厂、变电站、送电线路等工程测量中，特别是送电线路工程的测量［2，3］，包括航外控制及 GPS选线、定线，到施工现场利用GPS测出经纬度，对输电线路进行初步规划，在地形图上确定线路大致位置，从而进行精确定位。因此，GPS为电力工程设计的方案论证和优化提供了强有力的技术手段，不仅提高了工作效率，也为工程建设的技术经济指标创造了客观条件。

为了进一步提高工作效率和勘测精度，将RTK技术与GPS相结合，就可以对高压线路进行大规模的实路径测量及实时动态测量，并且在勘测过程中勘测工序简化，节省了大量的人力物力，避免了对地物的拆除及树木的砍伐，有效保护了生态平衡。目前，GPSRTK已经广泛地应用到高压输电线路的测量工作中［4，5］。

2 GPS同步时钟在电力系统中的应用

2.1 输电线路故障定位

对输电线路进行快速准确的故障定位，是保护输电线路的一个重要组成部分，同时也是线路检修人员快速查找故障点，并及时予以排除的重要依据。

2.1.1 基于GPS的双端行波原理故障定位

行波测距的基本原理是，当输电线路发生故障时，故障点将产生向线路两端以光速传播的行波，若能在同一时间基准下记录两端首次接收到行波浪涌的时刻，就能计算出故障点的位置。基于双端同步采样的行波法是目前故障定位中应用较为广泛，取得效果较好的一种方法［6－9］，这要求线路两端的采样装置能够依据统一的时间基准进行同步采样。

文献［8］利用GPS同步采集输电线路双端故障前后一段时间的电流数据，对其进行经验模态分解，将高频模态分量进行Hilbert变换，得到相应的时间－－频率谱图。时频图上的频率突变时刻即为行波波头的到达时刻，从而实现故障定位。

文献［9］采用嵌入式技术，将输电线路的行波检测原理与双端行波故障定位方法相结合，设计了一套融入现代数据采集系统、数字信号处理技术、现代通信技术GPRS、全球定位系统GPS和GIS技术的输电线路双端行波故障定位系统。

2.1.2 基于GPS的双端同步数据故障定位

同步数据测量是指两端用于测距的电压电流基波向量具备同一参考基准，可不经转换直接参加测距运算，算法简单，测距精度高。文献［10］借助GPS技术同步采集线路两端的电压和电流数据，采用分布参数线路模型，精确考虑分布电容对输电线路的影响，求解非线性方程，实现故障定位。文献［11］提出的故障定位算法则无需线路参数，利用故障时正、负序网络中各自电压、电流间的关系，导出了故障定位方程，只需借助GPS实现同步采集线路两端的电压、电流数据。与传统方法相比，该算法不受线路参数变化、故障发生地点环境以及故障过度电阻等的干扰，实现简单、灵活，实用性更强。

2.1.3在线故障定位

电力系统发生单相接地故障占到电网故障总数的80%以上，当发生单相接地故障时，由于架空线路大都采用小电流接地方式，因此故障电流很小，定位故障区段就比较困难。随着用户对供电质量要求的不断提高，迫切需要开发一种在线故障定位装置，该装置能在故障发生后，迅速对故障点进行检测和定位［12，13］。文献［12］提出了基于零序功率方向的在线故障定位方法，判断故障和非故障路径上零序电压和零序电流的相位差，利用GPS的秒脉冲为相位获取提供基准，借助通用分组无线业务（GPRS）传送相位信息，实现配电网在线故障定位。文献［13］研究基于零序功率方向和五次谐波分量法的在线定位方法，利用GPS技术和软件跟频技术实现了配电网广域零序相量的获取，并通过CSD通信网络进行远程无线数据传输。在线路的零序电流测量节点处，将变电站测量的零序电压与线路节点的零序电流相位进行比较，依据零序功率方向法和五次谐波分量法，准确判断故障点的位置，仿真实验结果表明该装置能较好完成信号同步测量与传输，可以实现小电流接地系统单相接地故障的检测与定位。

2.2 电网调度自动化的同步时间

随着电网自动化微机化水平的不断提高，电力系统对高精度时钟的要求也越来越迫切。基于GPS对时技术［14－18］，可实现高精度的时间基准，保证系统的时间精度和时间同步。

文献［14，15］中的电厂统一采用GPS卫星同步时钟，各种保护、控制、通讯设备将以GPS卫星同步时钟作为基准，定时、实时发送校时信号，保证了电厂各种设备时钟的准确度。当电厂、系统设备出现异常，电网发生故障时，各种设备动作时序清晰明了，对分析电厂、电网复杂事件极为有利。

文献［16，17］中的变电站时间同步系统是在站内配置一套GPS对时标准时间主钟装置与时钟扩展装置，通过输出各种类型的对时信号将站内所有微机设备的时间与国际标准时间同步，为系统故障的处理和分析提供了准确的时间依据，同时也是提高电网运行管理水平的必要技术手段。

2.3 稳定性判别

基于GPS的电力系统暂态稳定预测方法是先利用 GPS同步时钟构成的相量测量单元［19，20］（PMU）采集各发电机的角速度、功角、发电磁输出功率、机械输入功率，然后再根据发电机单元模型和系统拓扑结构来预测各发电机未来的行为，并由此判断系统的暂态稳定性。

国外曾成功地进行了利用GPS同步时钟构成PMU测量系统在暂态过程中各节点电压相角的现场试验［21］。法国研制出同样的相角测量装置，安装于法国的西南部电网。美国IEEE H7专门委员会研制的PMU可进行10回出线的测量，测量精度为2°，主要用于电力系统稳定控制、分析及故障录波等［22］，在美国西部几大州电网推广使用。

我国也已开展相关的研究［23－27］，并取得了一定进展。

文献［23］利用GPS同步时钟获得系统各机组的功角或系统内最大摇摆角，然后通过模糊神经网络进行暂态稳定性预测。

文献［24］［25］主要是利用基于GPS同步时钟的PMU来获得暂态过程中各节点电压相位或各发电机的转子角度，进而预测系统的未来摇摆情况，并施加相应的控制措施。

文献［26］利用GPS相量测量单元采集所得的各发电机功角及角速度等变量，根据发电机单元模型预测发电机未来的行为，并由预测结果来判别系统的稳定性。

文献［27］利用GPS同步时钟获得系统各机组的功角，然后由时间序列法进行预测，并通过模糊控制器实行在线实时修正，进而确定电力系统暂态稳定性。由于所有参数都是根据实时采样数据计算的，所以能更准确地反映网络结构、负载变化等真实情况。

2.4 电力设备智能巡检

电力行业的首要任务是保证电力系统的安全运行，对设备进行定期检查是有效管理电力设备的手段之一。传统的设备巡检方法普遍采用手工纸介质记录、人工巡视等方式，存在很多人为因素，缺少科学有效的监督机制，易造成隐患或引发事故，无法满足信息管理的需要。为消除传统设备巡检的缺陷，建设GPS智能巡检系统［28，29］，在线路巡检过程中引入现代化的科技手段［30－32］，如应用 GIS嵌入式技术、射频识别技术（即RFID技术）、手机或掌上电脑进行巡检管理，加快巡检管理向现代化、信息化、标准化、规范化、智能化靠拢，从而在巡检中及时发现问题，预防各类故障，不仅提高了巡检的效率和准确度，减轻了巡视人员和管理人员的工作量，还能有效监督和考核巡检人员的工作。

文献［30］采用RFID和GPS相结合的技术，设计了一套适合电力系统输电线路和变电站的巡检系统。该系统提供客观、规范、科学的管理与监督手段，对设备维护、巡检、检测等工作品质进行严格控制，为管理者提供了有效的管理手段和监督依据，提高了电力系统的设备管理水平，实现了数据采集的无纸化和自动化，以及对应用结果和存储数据方便、高效地查询。

文献［31］北京超高压公司结合华北电网输电线路运行的特点，设计开发了基于GPS的“输电线路GPS巡检管理系统”，创造性地运用了GPS、计算机网络通信技术和掌上电脑的最新成果，实现了输电线路巡检管理的信息化、电子化和智能化，最大限度地减少了错检、漏检，保障了电力线路的长期高效稳定运行。

2.5 继电保护

GPS在电力系统继电保护中的典型应用主要在以下几个方面：

2.5.1 线路差动保护

差动保护由于其快速、简单和可靠等特点，已经作为主保护广泛应用在发电机、变压器和母线等设备上［33］。电流差动保护的基本原理即基尔霍夫电流定理：同一时刻流入某个节点或广义节点的电流代数和为零。所以，关键问题就在“同一时刻”上。传统的定时方式很难保证线路两端设备采样时间的统一，GPS的出现为线路差动保护的发展和应用带来了新的契机。文献［34］通过在线路两端同时向各自的保护加入模拟区内或区外的各种类型故障量，采用GPS光纤差动保护的试验方法，实现了对线路光纤差动保护两侧装置动作正确性的同时性校验。该试验方案已成功运用于咸宁电网110 kV塘浮I回、塘浮II回两条线路的光纤差动保护联调中。文献［35］利用双套电流差动保护配置及回路接线的调整实现500 kV同塔线路保护及按相重合闸，并通过RTDS系统仿真和现场GPS同步故障回放实现了双端同时跨线故障校验，验证了保护逻辑和回路接线的正确性，使福建第一条500 kV同塔线路自适应重合闸成功投入运行。

2.5.2 线路纵联保护试验

带有通道的输电线路纵联保护在超高压输电线路中进行保护试验时，为了分析保护的效果，记录下来的两端电压电流波形必须有一个共同的时间标准，以保证试验的同步性。运用GPS卫星同步时钟，将线路两端的继电保护试验装置同步［38］，使两端的测试装置按预先约定的时间顺序启动，产生模拟线路故障的电压电流信号，可以准确、全面地检验线路两端的线路纵联保护装置的动作行为。

基于GPS的纵联保护端对端试验已成功应用于电力系统中［36－38］。

2.6 动态安全监测

电网的动态安全监测系统利用GPS实现同步相量测量技术［39］，采用相量方式记录并监视系统状态的相量，电力系统中任一变电站都可接收GPS发来的准确时间脉冲给当地测量电压波形以时间标记，测量单元可以兼顾电力系统稳态、暂态的过程测量要求，再利用光纤通信系统将各变电站的测量收集汇总处理后，就可得到各变电站之间相量的动态变化，并据此实施相量控制，实现电力系统的动态安全监测。

电力系统新一代动态安全监测系统，主要包括动态相量系统、同步定时系统、通信系统和中央信号处理机4部份。相角测量装置设置于发电厂或变电站，参考站设置在系统的主力发电厂或枢纽变电站，中央信号处理机设置于调度中心，分散于各地的相角测量装置和中央信号处理机通过电力通信网相连。分布在各个电站的PMU测量到的有功无功、电压电流相量、发电机的功角等信号传送到调度中心，由中央处理单元对这些信号进行处理，以便对电力系统进行动态行为监测、稳态检测、故障分析等，有利于值班员判别系统稳定性，防止事故扩大。

2.7 电能质量监测

利用GPS的授时功能对电能质量参数进行高精度监测［40］，不仅有电压、频率、谐波等各种稳态指标，还可提供更为直观的分析结果，以利于对电能质量问题做出决策，如要求系统进行故障预测、故障识别、干扰源识别、信息共享等。文献［40］提出了一种基于GPRS无线通信和GPS同步采样的低成本电能质量监测装置，GPS对时技术的引入既提高了系统同步采样精度，又为故障识别、谐波源源定位及谐波状态估计提供了重要的前提条件。

2.8 事故分析

电力系统发生事故后，能准确地分析事故原因是非常重要的。但不同地点的保护动作与故障录波器记录的时间不同步，使一些事故分析不清。只有借助于精确统一的时间才能根据各套保护的先后顺序，正确分析电网发生事故的原因。利用GPS同步时钟系统，当电网继电保护动作时，给保护动作和录波器一个精准的同步时间，分辨率达到微秒级，自动记录事件状态变化的时间，实现事件顺序记录［41］，清楚地显示故障暂态过程的行为顺序，给事故分析带来准确的信息。

2.9 失步保护

当系统发生失步振荡时，系统失步的判据是发电机的功角。由于功角不能直接测量，而安全自动装置的研究和实现难度较大，既要考虑各种变化着的运行方式，又要考虑各种故障类型，即使通过非线性仿真得到功角，也只是一个近似值。而借助于GPS实现功角实时测量［42，43］，就可以简化分析，易于实现。

2.10 雷电定位

雷电破坏是电力系统故障的主要因素之一，雷电定位系统对电力系统的规划和设计，减少雷害损失有着重要的意义［44－46］。

雷电定位系统由中心主站和分布在不同位置的基站组成，雷闪时产生的电磁波往空间的各个方向传播，各个基站测量电磁波的幅值和接收到电磁波的时间，并传送到中心主站，中心主站根据这些信息就可以计算出，雷闪的位置及雷电流的大小。与故障定位一样，雷电监测的精度主要取决于时间的精度，GPS的使用就是为了保证各个基站和中心主站有一个共同的时间标准。文献［45］介绍的雷电定位系统，采用GPS实现时钟的精度和统一，应用时差定位理论进行雷击探测定位分析，及时、准确、直观地检测到故障点，可靠地对雷电进行定性和定量分析，为及时排除输电线路雷击故障提供了有效的依据。

3 结束语

GPS系统精确的定位和授时功能，为电力系统中的电力勘测、故障定位、继电保护、事故分析、稳定性判别和自动化调度等带来了新的技术突破。GPS系统将极大地提高整个电力系统的工作效率，推动电力系统自动化技术的发展。特别在发展智能电网的今天，GPS系统将不断增强电网的安全稳定性，为电网的稳定运行和监测保驾护航，为打造坚强的智能电网提供重要的保障。

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