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1、第 37卷第 4期2009年 4月Vo.l 37N o . 4A pr .2009北斗导航系统及其在电力系统中的应用姜彤, 艾琳 ,杨以涵(华北电力大学电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室, 北京102206)摘要:介绍了北斗导航系统的原理和基本功能, 并比较了北斗系统与目前广泛使用的 全球定位 系统 GPS之间的优缺点。针对电力系统的特点,具体 分析了北斗系统的在电力系统中应用的可行性,及其 应用的领域 , 可见北斗系统已经完全具备在电力系统中应用的条件。最后, 列举了目前北斗系统在电力系统中的应用实例。关键词 :北斗导航系统 ; GPS ; 电力系统 ;同步相量测量( PMU)作者简
2、介 :姜彤 (1970 ) ,男, 博士 ,教授 , 从 事电力系统分析和计算机应用方面的研究。中图分类号 : TM 73文献标志码 : B文章编号 : 1001 9529( 2009)04 0611 04Beidou satellite navigati on and position syste m and its applicationto power syste m sJIANG tong , AI L in, YAN G Yi han(K ey laboratoryof po w er systemprotection and dyna m ic securitymonitoring
3、 and control underM inistry ofEducation ,N orth ChinaE lectric PowerU niv . , Be ijing 102206 ,China)Ab stract : The theory andbasic functions of the Beidou satellite navigation and position systemw ere presented ,andthe advantag esanddisadvantagesof t he Beidou systemand theGPS syste m were compare
4、d . According to characteristics of the power system ,the application feasib ility and do main of Beidou syste m in the power systemwere discussed .Application exampleswere illu m inated .K eyw ords : Beidou satellite navigation and position syste m; GPS ;power syste m; phasemeasurem entunit ( P MU)
5、广域 测量 系统 ( W ide areameasure m ent syste m,简称 WAMS) 可在一定程度上缓解对大规模互联电力系统进行动态分析与控制的困难 1, 2 。目前, WAM S系统都是依靠美国的全球定位系统(GPS)提供的高精度授时信号保持同步, 而 GPS是由美国军方控制的, 在非常时期随时可能关闭其他国家用户的使用权, 这将会对我国电网造成灾难性的后果。2003年 5月, 我国成功地将3颗 北斗一号卫星送入太空 , 组成了完整的卫星导航定位系统使我国成为继美国全球卫星定位系统( GPS)和前苏联的全球导航卫星系统(GLONASS)之后 , 在世界上 第 三个 建 立了
6、 完 善的 卫 星导 航系 统 的国家 3, 4。北斗系统是中国自主知识产权的全天候全天时提供卫星导航定位信息的区域导航系统, 具有快速定位、 简短通信和精密授时三大主要功能。其中水平定位精度100 m, 差分定位精度小于20m 。简短通信功能有用户与用户、用户与地面控制中心之间双向报文通信能力,一次可传输36个汉字。精密授时有单向和双向两种功能, 时间同步精度分别为100 ns和 20 ns 1。北斗系统是由太空的导航通信卫星、地面控制中心和客户端3部分组成 : 太空部分有2颗地球同步轨道卫星, 执行地面控制中心与客户端的双向无线电信号的中继任务 ; 地面控制中心包括民用网管中心,主要负责无
7、线电信号的发送接收,及整个系统的监控管,其中 , 民用网管中心负责系统内民用用户的标记、识别和运行管理; 客户端是直接由用户使用的设备, 即用户机 , 主要用于接收地面控制中心经卫星转发的测距信号。1北斗系统与GPS 的比较北斗系统是我国独立自主建立的卫星导航系统, 它并不排斥国内 民用市场对 GPS的 广泛使用。与GPS系统相比 , 各有所长 5 。( 1) 覆盖范围北斗系统覆盖了中国及周边国家和地区, 不仅可 为中国、也可为周边国家服务 , 没有通讯盲区。 GPS是覆盖全球的全天候导航系统, 能够确名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - -
8、 - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 06122009 , 37( 4)保地球上任何地点、 任何时间能同时观测到411颗卫星。由于卫星信号和周围环境对GPS的使用影响较大 , 在某些地区 , 特别是市区内高楼密集地区 , GPS信号接收很差 ,有些根本没有信号。( 2) 授时脉冲的同步性能授时脉冲的同步性能体现在上升沿同步精度和上升沿斜率两方面。北斗系统的授时工作方式与 GPS不同 , GPS每 秒可获 得一 次卫星 星历电文, 秒脉冲的误差服从正态分布, 锁住的可用卫星达到四颗以上时, 授时脉冲的1精度在1
9、00 ns以内 ; 当锁住的可用卫星少于四颗时, 解算方程组的信息不够充分 , 授时精度将有所降低; 北斗系统单向无源授时只要锁住一颗可用卫星, 即可获得授时信息 , 北斗星历电文的更新率1次 /m in , 分脉冲的授时精度服从正态分布,授时脉冲的精度在100 ns以内 , 秒脉冲由授时卡根据星历信息再处理获得 , 精度在300 ns以内。( 3) 通讯功能北斗系统同时具备定位与双向通信能力,可以独立完成移动目标的定位与调度功能, 不需要其他通讯系统支持。而GPS只能定位。( 4) 用户容量北斗系统由于是主动双向测距的询问- 应答系统 , 用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统
10、的询问信号, 还要求用户设备向同步卫星发射应答信号, 这样 , 系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率。因此 , 北斗导航系统的用户设备容量是有限的。GPS是 单向测距系统, 用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位 , 因此 GPS的用户设备容量是无限的。( 5) 生存能力和所有导航定位卫星系统一样, 北斗系统对中心控制系统的依赖性明显要大, 因为定位解算在地面控制中心, 而不是由用户设备完成的。为了弥补这种系统易损性, GPS正在发展星际横向数据链技术 , 使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。而北斗系统从原理上排除了这种可能性, 一旦中心
11、控制系统受损, 系统就不能继续工作了。( 6) 数据的共享性由于北斗系统是双星系统,因此 , 用户接收器只能测得二维(平面 ) 的定位数据。地面中心控制系统根据地图数据库提供的高度数据解算, 供用户三维(平面和高度) 定位数据。若控制中心的数值地图数据库数据不够准确, 定位出的位置数据就会有问题。而GPS采用的是地心坐标系,数据的共享程度比较高。( 7) 自主性北斗导航系统由中国自主控制, 安全、 可靠、稳定 , 保密性强 , 适合关键部门应用。GPS系统则由美国军方控制。( 8) 性能价格比北斗系统使用的卫星是同步轨道卫星, 其落地信 号功率很小, 因此 , 用户机需要有较大天线(直径达20
12、 c m )才能 接收信号 , 而且因有源应答运作方式 , 所以 , 用户机还要包含发射机 , 因此在体积、重量、 耗电量 , 甚至价格都远比GPS接收机大。2北斗系统在电力系统中应用2. 1应用的可行性分析要在我国电力系统中应用北斗卫星系统, 首先要求其满足以下几个方面的要求 6, 7:( 1) 覆盖范围北斗系统首先要保证能够覆盖我国的国土,以适应我国电网全国联网的需要。同时, 为了实现我国电网和邻国的互联,还应该能够覆盖邻国的一部分领域。北斗系统提供定位和授时服务范围包括中国大陆及其相邻地区, 能够满足互联电网的要求。( 2) 同步授时精度同步时间信号的精度是保证P MU 进行同步采样的关
13、键。北斗卫星系统可向用户提供20100 ns时间同步精度。其中单向授时精度为100ns ,双向授时精度为20 ns 。 考虑到北斗卫星系统的用户容量和P MU 应用的广泛性 , 可以采用单向授时 , 虽然授时精度相对差了一些, 但是对于50H z的 工 频 量 来 说, 100 ns 产 生 的 相 角 误差 为0 001 8!, 已 经能 够满 足 P MU 对同 步信号 的要求。( 3) 通信功能北斗卫星系统具有转发和收发双向数字报文的通信能力, 而 GPS系统本身不具备通信能力。因此 , 北斗系统在数据测量点和主站的数据通信方面将会具有独特的优势。例如, 基于北斗卫星名师资料总结 - -
14、 -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 姜彤,等北斗导航 系统及其在电力系统中的应用0613系统的P MU 的通信模块可以提供多种通信接口,既可以经过光纤网与主站相连, 也可以通过无线传输与主站以及其他P MU 相互通信。( 4) 安全可靠性北斗卫星系统自从投入运行以来, 一直工作稳定可靠 , 目前已经具备了推广应用的条件。在航空、 航天、 航海、铁路、交通、海洋等领域都有成功的应用范例。最后,也是最重要的方面, 北斗卫星系统是我国自主开发
15、的, 不受他国的控制和限制, 可靠性和安全性较有保证。美国GPS目前虽然取消了SA( selective availability) 限制 , 但仍可随时掺人干扰信号降低定位精度, 甚至可能对其他国家用户关闭使用权。因此, 采用北斗卫星系统开发P MU 在保障我国互联电网安全方面具有主动权。由以上分析可见, 北斗系统在技术上已经完全满足电力系统使用的要求。2 . 2应用领域及研究对象目前 , 广域测量系统WAM S在国内外已经得到了广泛的应用, 在北美、日本、 韩国、 北欧、法国以及我国的一些系统都已装备了WAM S用于电网的动态监视 8 14。WAM S中的同步信号使用的是 GPS授时信号。
16、由于北斗系统已经完全具备在电力系统中应用的条件, 因此在使用GPS信号作为授时信号或定位的场合,原理上都可以使用北斗系统进行替代或者作为备用。北斗系统在电力系统中的应用领域主要有:稳态分析 ; 全网动态过程记录及事故分析; 电力系统动态模型辨识及模型校正;暂态稳定预测及控制; 电压、 频率稳定监视及控制; 低频振荡分析及抑制 ; 全局反馈控制 ; 故障定位及线路参数测量。北斗系统还具有GPS所没有的通信功能,因此在数据测量点和主站的数据通信方面将会具有独特的优势。例如, 基于北斗卫星系统的通信模块可以提供多种通信接口, 既可以经过光纤网与主站相连 , 也可以通过无线传输与主站以及其他通信模块相
17、互通信。需要引起重视的是信号的时滞问题。由于电力系统是一个大的互联电网,如果不考虑电磁波在长距离输电线上传输的延时, 将引起较大的误差, 从而导致所采集的系统信息失真。因此,需要重点研究远方信号的时滞问题及其修正方法。2 . 3目前北斗系统在电力系统中的应用实例( 1) 在农村电力系统中的信息化应用 15 随着农网改造和大规模建设, 农电使用电量逐年增加 , 为了尽量避免电力供应中断,农电公司必须依据各个变电所的电力使用情况, 及时进行合理调度。但是由于许多变电所处于偏远山区,数据通过有线电路传输非常不现实。中国卫通充分利用北斗卫星通信的优势, 进行了针对性电力系统数据传输特点, 经过兰州农电
18、公司运行, 目前利用北斗系统成功实现对电力系统变电站实时数据监控 , 而且数据传输稳定, 并通过了电力公司有关专家评估。根据行业特点和需求,系统总共分为3个分系统组成 : 变电所数据采集系统、通信传输系统、监控中心系统。电站系统采集到各种数据利用北斗卫星将信息转发到中国卫通IISP平台, 平台将信息送往应用数据中心, 中心对数据进行处理后可提供两个数据通路: 一路将信息经世广卫星转发到用户指挥机, 由指挥机将信息送到用户监控中心 ; 而另一路可通过Internet 经有线送到用户监控中心。用户监控中心对接收到的数据进行相应的存储、分析、 处理、 监控等 , 至此完成一次信息的上传工作。用户对变
19、电所的指令则以相反的路由下达给变电所,完成远程遥控功能。( 2) 基于北斗导航系统定位的P MU目前 , 应用于我国电网中的P MU 大都是基于GPS提供的授时信号来实现同步数据采集的, 电网的稳定运行对P MU 的依赖越来越强。将北斗卫星授时系统应用于电力系统同步相量测量技术中, 可弥补长久以来使用GPS作为唯一同步时钟源而存在的风险性和不可依赖性, 解决了将同步相量测量技术应用于广域监测的时钟源可靠性问题。山东电网广域实时动态监测系统, 从 2005年8月开始建设 , 它首次在国内使用国产北斗一号卫星导 航系统 为 P MU 提供备 用授时 信号。该系统采用北斗系统授时信号和GPS授时信号
20、构成互备授时方案, 能够保证在非常时期电网的安全性 , 意义至关重要 16。参考文献 : 1李丹, 韩福坤 , 郭子明 , 等. 华北电 网广域实时动态监测系统 J. 电网技术 , 2004, 28( 23):52 56 . 2张文涛 , 邱宇峰 , 郑旭军 . GPS及 其在 电力系 统中的 应用 J. 电网技术 , 1996 , 20( 5 ): 38 40 , 45 .名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 第 3
21、7卷第 4期2009年 4月Vo.l 37N o . 4A pr .2009基于 Matlab 的电力系统谐波电流实时检测方法仿真勇明1,段大鹏2(1. 无锡供电公司 ,江苏 无锡214061 ; 2 . 上海交通大学电气工程系 , 上海200240)摘要:讨论了2种基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法, 给出了检测系统的框图, 并应用 matlab仿真平台进行了仿真研究,给出了仿 真波形 , 验证了该方法的正确性。关键词 :谐波电流 ; 瞬时无功功率 ;实时检 测作者简介 :勇明 (1974 ) ,男, 工程 师,从事电力系统运行管理工作。中图分类号 : TM 714文献标志 码: B文章
22、编号 : 1001 9529( 2009) 04 0614 04M atlab based real tim e detection m ethods for harm onic current of power syste m sYONGM ing1, DUAN Da peng2( 1 . W uxi Power Supply Co mpany , W uxi 214061 ,China ;2 . D ept .ofE lectrical Engineering , Shanghai JiaotongUniv. ,Shanghai 200240 ,China)Ab stract : Base
23、d on the theory of instantaneousreactive power ,two har monic current detection methodsw ere d iscussed . Si mulation usingM atlab proved themet hods effective .K eyw ords : har monic current ;instantaneousreactive power ;real time detection 1 3刘传润 . 北斗卫星导航定位系统的功能原理与前景展望 J. 中国水运 , 2008, 8( 1): 165 1
24、66. 4周露, 刘宝忠 . 北斗卫星定位系统的技术特征分析与应用 J.GNSSW orld ofC hina , 2004 , 4: 12 16. 5李俊锋 .北斗卫星导航 定位系 统与全 球定 位系统 之比较分析 J. 北京测绘 , 2007, 1: 51 53. 6常乃超 , 兰洲, 甘德强 , 等. 广域测量系统在电力系统分析及控制中的应用综述 J. 电网技术 , 2005, 29( 10): 4650 . 7李建, 谢 小荣 , 韩英 铎, 等.北 斗卫 星导 航系统 与 GPS互备授时的分布式相量测量单元 J.电网技术 , 2005 , 29( 9): 1 4. 8Ji m Y C
25、a, i Zhenyu H uang , JohnH auer ,et a. lCurrent Statusand Experience ofW AM S Imp le m entation in North Am erica J.IEEE /PES T rans m ission and D istribution Conference ,2005: 1 7 . 9JF H auer , D J Trudnowsk,i J G DeStees e .A Pers pective onWAM SAnalys is Tools for T racking of Oscill atory Dyna
26、m ics J.2007 : 1 10 . 10M La Scala , M De Benedictis , SB runo , et a.lDevelopment ofapplications inWAM S andWACS an international cooperati onexperience J.2006 . 11S Bruno , M De B enedictis, MLa Scala .Integrating Dynam icOp ti m ization M ethodologies w ith W AM S technologies J.2007: 1 8 . 12Yut
27、aka Ota , T akuheiH ashiguch, i H iroyukiUka, i et a. l M onitoring of InterconnectedPower Syst e m Parameters using PMUbasedWAM S J .2007 : 1 8. 13E nriqueM art nezM art nez .W ide areameas ure m ent& controlsyste m inM exico J. DRPT, 2008: 156 161. 14A B Leirbukt , JO G jerde , P Korba, et a.l W i
28、de AreaM onitoring Experi ences inN orway J.PSCE,2006 : 353 360 . 15邸光宇 , 王彦宏 , 贾红军 . 北斗卫 星导航系统在农村 电力系统中的信息化应用 J. 卫星与网络, 2007( 3): 62 63 . 16尚力, 于占勋 , 荆铭, 等. 山东电网广域实时动态 监测系统 J. 山东电力技术, 2008( 1): 3 7 .收稿日期 : 2008 11 17本文编辑 : 王志胜近年来 , 学者们提出了众多的电网谐波电流检测方法 , 如: 基于傅利叶变换、 瞬时无功功率理论、 自适应滤波、 小波分析等的谐波电流检测方法, 其中研究和应用最为广泛的应属基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方法。1瞬时无功功率理论概述设三相电路的各相电压瞬时值和电流瞬时值名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -