一种基于GPS授时的高精度无线同步核相技术

陈兢　耿军　肖锋　房春雪

【摘要】由于传统无线同步核相技术在进行同步采样时存在时间延迟，同步核相精度较低，针对此问题，本文提出一种基于GPS授时的高精度无线同步核相技术，首先对GPS报文进行解析获取GPS时间，利用GPS时间和PPS脉冲信号准确控制同步采样时刻进行同步核相，然后基于此核相原理设计研制出基于GPS授时的无线同步核相仪，并对相距一定距离的多处电压、电流值进行无线同步核相，测量结果表明，在1000米范围内，基于GPS授时的无线同步核相仪能实现相位误差小于0.05的精度，满足电力系统二次核相的测量要求，克服了传统无线同步测量技术同步精度较差的问题，为提高电力系统同步核相精度和其他同步测量精度提供了新的解决思路。

【关键词】GPS授时；无线同步核相；GPS报文；PPS脉冲

引言

无线核相技术在电力系统在线监测技术中占有重要地位。在电力系统中，相序是反应电力系统稳定性的重要指标，交流电力系统ABC三相在正常情况下，三相电压、电流对称，相位相差120°，但在系统出现故障时，ABC三相不再对称，因此通过对ABC三相电压和电流进行核相可以提前预测和快速找到电力系统故障类型，及时做出应对措施，保障电力系统的安全稳定。

二次核相技术因其测量信号额定值较低、不直接对运行线路测试等因素成为广泛使用的核相技术。无线同步核相技术是对电力系统中相距一定距离的分布式电压电流信号进行同步测量的一种有效方法。目前电力系统中常用的无线同步核相技术是通过无线通讯模块发送同步采样信号实现异地同步采样核相，此种无线同步核相技术由于同步采样信号在无线传输时存在时间延迟造成核相精度较低，为了提高核相精度，一些专家和学者提出了时间延迟补偿算法，但无线信号传输过程中的时间延迟与传输距离、信号强度等因素有关，造成时间延迟补偿算法较为复杂，参数较难确定。

为了提高核相精度，本文提出一种基于GPS授时的高精度无线同步核相技术。基于GPS授时的高精度无线同步核相技术通过对GPS报文进行解析，获得准确的GPS时间，利用GPS时间和PPS脉冲信号准确控制同步采样时刻进行异地同步核相。本文第一节首先对GPS授时技术进行介绍，第二节对基于GPS授时的无线同步核相技术工作原理进行說明，第三节使用基于GPS授时的无线同步核相仪分别进行实验室测试和现场测试，并对测试结果进行分析，第四节为本文结论。

1、GPS授时技术

GPS卫星导航系统是现阶段技术最完善的全球卫星导航系统之一。

GPS系统分为三个基本部分 ：一是作为空间部分的GPS卫星星座；二是作为地面控制部分的地面监控系统；三是作为用户设备部分的GPS信号接收机。本文中主要对用户设备部分也就是GPS信号接收机进行研究和设计。

GPS接收机功能是接收卫星播发的信号，获取定位观测值，提取导航电文中的广播卫星、星历、卫星时钟、钟差及电离层延迟修正参数等，并经过数据处理，完成导航、定位和授时任务。

本文中设计的GPS接收机如图1所示。

图1中GPS接收机通过微处理器串口接受GPS报文并对其进行解析，解析出当前GPS时间、当前卫星状态、当前可视卫星个数、当前锁定卫星个数等有效信息，同时通过微处理器GPIO口获取PPS脉冲，获取其脉冲上升沿，为之后的异地同步核相做准备。

图2为用GPS定位成功时示波器捕获到的GPS报文和PPS脉冲。图2中PPS脉冲宽度为100ms，1秒内完整的GPS报文为600ms。GPS授时模块采用NMEA 0183协议。用串口捕捉到的1秒内完整的GPS报文如下表1所示。

表1中列出了每秒钟GPS授时模块发出的11条报文，报文中包括了时间信息、跟踪卫星信息、可视卫星信息、地理位置信息、速度信息等多种信息。

本文中主要对GPS时间信息、天线状态、可视卫星颗数和跟踪卫星颗数进行解析，具体的分别对$GNRMC，$GNGGA，$GPGSV，$GPGSV和$GNZDA报文进行解析。

2、基于GPS授时的无线同步核相技术

基于GPS授时的无线同步核相技术的工作原理图如图3所示。

图3中A、B机分别作为对分布式电压电流信号进行同步核相的主从机。

A机作为主机主要执行以下操作：

从GPS接收机接收到GPS报文和PPS脉冲信号发送给微处理器进行解析处理；

微处理器对GPS报文进行解析获得当前GPS时间，将当前GPS时间延迟2s后作为采样时间存入本机存储器，并通过无线通讯模块将采样时间和采样命令发送给B机；

继续接收和解析GPS报文，若当前GPS时间等于采样时间，等待PPS脉冲上升沿，AD采样模块在第一个PPS上升沿时刻执行采样命令，并将本机即A机采样数据发送给微处理器；

微处理器接收无线模块发送的B机采样数据；

微处理器将A机采样数据和B机采样数据发送给液晶显示屏进行显示。

至此A机（主机）完成一个同步采样流程。

B机作为从机主要执行以下操作：

通过无线通讯模块接收A机发送的采样时间和采样命令；

接收和解析GPS报文，若当前GPS时间等于采样时间，等待PPS脉冲上升沿，AD采样模块在第一个PPS上升沿时刻执行采样命令，并将本机即B机采样数据发送给微处理器；

微处理器通过无线模块将B机采样数据发送给A机进行处理和显示；

微处理器将B机采样数据发送给液晶显示屏进行显示。

至此B机（从机）完成一个同步采样流程。

从以上流程可以看出主从机均以GPS时间和PPS脉冲上升沿作为采样时刻，而PPS脉冲上升沿精确对应某一个UTC时刻，误差为几十ns，因此主从机的同步误差为几十ns。将100ns换算为工频交流信号的角度数为0.0018?，考虑到此设计中AD采样模块精度和主从机各个模块运算和传输速度差异，此设计中主从机核相的同步误差最大为0.05?。

传统的无线同步核相仪主机的AD采样模块在收到微处理器的同步采样命令之后开始采样，从机通过串口接收无线通讯模块发送的同步采样命令之后，再控制AD采样模块开始采样，两者的采样开始时刻时间差为主机的微处理器向无线通讯模块发送采样命令的时间、主机无线通讯模块发送采样命令时间、从机无线通讯模块收到采样命令向从机微处理器发送采样命令的时间三者之和，此时间约为几十到底几百us，所以传统无线同步核相仪同步误差至少为0.3?。

基于GPS授时的无线同步核相技术可以有效地提高同步核相精度，此技术不仅限于应用于有主从机两台机子的双机同步核相，也可用于多机同步核相。

3、测试结果及分析

在实验室中用继保之星输出固定交流电压电流值，继保之星输出的A、B、C各相交流电压电流值分别如表2所示。

表2 A、B、C各相交流电压电流值

A相 B相 C相

电压幅值（V） 57.70 57.70 57.70

电压相位（°） 0 240 120

电流幅值（A） 1.00 1.00 1.00

电流相位（°） 10 250 130

首先使用传统的无线同步核相仪主机和从机同时对表2所示的电压电流值进行测试，测试结果如表3所示。测试中，A、B、C三相交流信号的相位随具体测试时刻变化而变化，为了更好的对比测试结果，表3中A、B、C三相电压和电流相位均以主机测试数据中的A相电压相位为参考相进行计算和显示。

从表3中可以看出：传统的无线同步核相仪主机和从机在测试同一电压电流信号时，主从机测试数据中电压幅值和电流幅值最大差值为0.03，由于电压幅值和电流幅值为定值，测试中幅值差值不与采样时刻的同步性有关，而只与采样模块的精度及其他模块的精度、响应速度有关。表3测试数据中，主从机电压相位和电流相位差值最大值为0.66°，最小值为0.35°，此数据较能反映同步采样的同步精度。

然后使用本文设计的基于GPS授时的无线同步核相仪主机和从机同时对表2所示的电压电流值进行测试，测试结果如表4所示。表4中A、B、C三相电压和电流相位也均以主机测试数据中的A相电压相位为参考相进行计算和显示。

表3 传统无线同步核相仪测试结果

A相 B相 C相

主机 电压幅值（V） 57.72 57.65 57.68

电压相位（°） 0.00 240.53 119.79

从机 电压幅值（V） 57.69 57.67 57.69

电压相位（°） 0.38 239.87 120.14

差值 电压幅值（V） 0.03 0.02 0.01

电压相位（°） 0.38 0.66 0.35

主机 电流幅值（A） 0.97 0.99 0.98

电流相位（°） 10.54 250.36 130.57

从机 电流幅值（A） 0.99 0.98 0.99

电流相位（°） 10.12 249.87 130.22

差值 电流幅值（A） 0.02 0.01 0.01

电流相位（°） 0.42 0.49 0.35

表4 基于GPS授时的无线同步核相仪测试结果

A相 B相 C相

主机 电压幅值（V） 57.71 57.65 57.68

电压相位（°） 0.00 240.23 240.09

从机 电压幅值（V） 57.69 57.67 57.69

电压相位（°） 0.04 240.20 240.14

差值 电压幅值（V） 0.02 0.02 0.01

电压相位（°） 0.04 0.03 0.05

主机 电流幅值（A） 0.98 0.99 0.98

电流相位（°） 10.14 250.36 130.18

从机 电流幅值（A） 0.99 0.98 0.99

电流相位（°） 10.12 250.35 130.22

差值 电流幅值（A） 0.01 0.01 0.01

电流相位（°） 0.02 0.01 0.04

表5 基于GPS授时的无线同步核相仪测试结果

A相 B相 C相

主机 电压幅值（V） 57.38 56.82 57.25

电压相位（°） 12.62 253.01 132.15

从机 电压幅值（V） 57.36 56.90 57.22

电压相位（°） 12.60 253.03 132.12

差值 电压幅值（V） 0.02 -0.02 0.03

电压相位（°） 0.02 -0.04 -0.03

从表4中可以看出：传统的无线同步核相仪主机和从机在测试同一电压电流信号时，主从机测试数据中电压幅值和电流幅值最大差值为0.02，与表3中的幅值差值差别不大，而主从机的相位误差最大值为0.05°，最小值为0.01°，与表3中相比，同步精度大大提高，验证了本文提出的基于GPS授时的无线同步核相技术的高精度。

同时国网黄石供电公司检修分公司工作人员，利用本文设计的基于GPS授时的无线同步核相仪主机和从机在220KV智能变电站进行现场试验，两台仪器分别测量Ⅰ段母线和Ⅱ段母线端子箱电压，进行同步采样。其中一次同步采样结果如表5所示。

从表5可以看出， 两条母线测量幅值相差最大为0.03V，两条母线测量相位相差最大为0.04?。理论上两条母线的相位应该相等，说明测试设备的测试结果最多偏差了0.04?。进一步验证了本文中基于GPS授时的无线同步核相技术的精度。

4、结论

本文为解决传统无线同步核相技术同步精度较低的问题，在传统无线同步核相技术基础上引入GPS授时模块，提出基于GPS授时的高精度的无线同步核相技术，通过理论分析论证了基于GPS授时的无线同步核相技术的精度比传统无线同步核相技术的精度高，并设计同步核相仪进行了实验验证，实验结果进一步验证了理论分析的正确性，基于GPS授时的高精度无线同步核相技术为提高电力系统中同步核相和其他同步测量技术提供了新的解决思路和方法。

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作者简介：陈兢（1973-），男， 助理工程师，中专，从事继电保护工作；耿军（1973-），男，工程師，专科 ，从事继电保护工作；肖锋 （1978-），男，助理工程师，本科，从事继电保护工作；房春雪，（1993-），女，工程师，硕士研究生，从事电力电子技术研究和继电保护工作。