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电网中影响天基授时的因素分析
2017-01-06 09:07:02  作者:李为 王学强 张道农  来源:中国设计师网  
  •   电力系统对工作于电网中的自动化设备间的时间同步要求越来越严格,电力时间同步系统授时的最首要的时间基准信号便是卫星授时信号。本文从卫星授时系统的构成及各部分的功能出发,结合其在电力系统应用中的周边环境和使用经验出发,分析影响电力系统天基授时的主要因素,探索提高时间同步系统稳定性和可靠性的方法。
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李为
  1 引言

  当前电力系统对时间同步系统的时钟源提出了更多的要求,如多时钟源输入、多时钟源智能切换、平滑跟踪处理等等。电力系统时间同步装置对多个时钟源的时间质量、时间连续性等指标进行综合评估后,选出最为优质的时钟源作为授时输出的时间基准。经过装置内部核心处理单元对内置高稳晶振或原子频标进行驯服,使得即使在所有外部时钟源都丢失的情况下,装置仍能按照内部高稳晶振或原子频标的节拍输出准确的无跳变的时间信息,实现时间保持功能。此处的多时钟源一般包含两种天基授时源GPS和北斗,若干种地基授时源IRIG-B码、IEEE1588、地面有线等。而天基授时源可以说是所有其他时钟源的源,所以其稳定性、可靠性尤为重要。对时间同步系统厂家来说,有时候,排除时间同步装置本身问题的情况下,卫星迟迟无法锁定,让人倍感无力,有没有办法改善此类状况是我们一直在思考和研究的问题。对电力系统时间同步装置来说,卫星授时信号接收系统(卫星授时信号接收机及天馈线系统)的性能直接决定了卫星锁定的速度、质量及稳定性。而电力系统因其自身周边环境条件等的原因,对天馈线系统也有着不同程度的影响,这也是不容忽视的事实。

  2 卫星授时信号接收系统

  目前电力系统中使用最为广泛的有GPS卫星授时接收系统和北斗卫星授时接收系统。

  GPS卫星信号接收系统由天线、信号处理器、微处理器、用户信息传输、振荡器、电源等部分构成,其基本结构图如图1。

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  图1 GPS卫星信号接收系统基本结构图

  天线单元,用于卫星载波信号接收、滤波、放大、传输;信号处理器,用于卫星信号识别和处理;微处理器,用于卫星接收机的控制、数据采集和计算;用户信息传输,包括操作板、显示板和数据存储器;精密振荡器,用于产生标准频率;数据存储与数据传输,用于存储星历、系统状态等参数,并输出授时信号。

  目前电力系统使用的北斗卫星授时系统又分为两种,即单北斗卫星授时系统和北斗/GPS双模授时系统。顾名思义,单北斗卫星授时系统只接受北斗卫星信号,而北斗/GPS双模授时系统可以同时接受GPS和北斗的卫星信号,达到GPS和北斗互为备用的效果。其中,北斗/GPS双模授时系统的基本组成如图2。

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  图2  北斗/GPS双模授时系统组成

  2.1 卫星授时信号接收机

  目前民用卫星信号接收机,按用途可分为导航型、测地型和授时型等三种。广泛应用于航空、航海、交通、通信等领域。在电力系统的时间同步系统中,使用的是卫星授时信号接收机,也就是我们常说的GPS OEM板、北斗OEM板。OEM板为时间同步装置厂家提供了硬件的输入输出接口,并制定了通信数据格式及内容。

  时间同步系统厂家最为关心的参数如动态、静态定位、授时时间,授时精度,接收机灵敏度等,则由接收机内部的软件算法和硬件设计共同实现,是影响接收机综合性能的最主要因素,是保证卫星锁定速度、授时精度、PPS稳定性、系统可靠性的核心。

  除接收机自身的因素外,天馈系统的设计及其匹配设计是影响接收机能否长时间、连续、稳定的接收卫星信号的重要因素。

  2.2 天线

  天线,实现电磁波和电信号的相互转换,接收或向外辐射电磁波。与卫星信号接收机匹配的,现有的民用导航卫星天线根据其使用功能也可以分为三类:导航型天线、测量型天线和授时型天线,不同的应用场合和领域选用不同的天线类型。

  在电力系统的时间同步装置中,与卫星授时接收机相匹配的正是授时型天线。电力系统中的授时天线主要用于为电力系统时间同步装置提供基准时间信号,安装于电厂、变电站、控制及调度中心等的设备间、机房等楼房的房顶,通过馈线线缆传输到卫星信号接收机上进行数据处理。与其他类天线相比,授时型天线需要经受长时间的、连续的、稳定的、可靠的工作,而且其处在室外,环境更复杂。所以为减少环境的影响,授时型天线的防雷、抗干扰、稳定性等方面的设计尤为重要。

  GPS授时型天线是一个有优越性能的、牢固的 L1天线,有高稳定度的相位中心。目前市场上的北斗授时型天线多是B1/L1双模天线,具有较高的可靠性、灵敏度和抗干扰能力。但根据实际应用验证,不同厂家的授时天线以及GPS天线和北斗天线之间在应用效果上还存在着一定的差异。天线的设计是一项复杂的技术,除了实现基本的卫星信号接收功能外,其收星稳定性、优良的信噪比、电磁兼容性、抵抗外界环境侵袭的可靠性等方面也不断考验着天线设计技术的先进性和质量。另外,在具体的天线选型时,天线的增益是量化天线性能的一个重要指标,选择适宜增益的天线,能在保证信号强度的情况下,降低部分成本。当然,成本降低不能无原则。一味地为降低生产成本而使性能指标缩水的做法不可取,表面上看生产成本降低了,实际上运行成本却增加了,显而易见,总体成本并没有降低[1]

  2.3 馈线

  馈线是连接天线和卫星信号接收机的桥梁,将经天线转换后的高频电流信号传输到卫星信号接收机,用于有效无误、低损耗地传输天线接收的信号。电力系统中,常用的天线馈线通常是特性阻抗为50Ohm的带金属屏蔽层的同轴电缆。根据应用现场的实际需求,天线馈线的长度通常有30m,50m,100m,120m不等。而根据应用现场馈线长度需求的区别,天线的增益和防雷设计需要重新考虑。另外,馈线的抗氧化能力的强弱也是影响信号传输的重要因素。

  天线及馈线并成为天馈线系统,二者的综合驻波比、回波损耗和馈线插损等参数是判断天馈系统工作是否良好的三大指标。

  对时间同步装置来说,卫星信号接收机、馈线、天线是卫星信号接收系统的三大重要环节。因各个厂家的卫星信号接收机灵敏度等参数的差异,天线设计方案及技术实现带来的差异,馈线参数指标参差不齐。所以,任何一个环节的普遍适用性取决于它们的设计余量。

  3 工程应用影响分析

  3.1 环境对天馈线系统的影响

  第一,虽然大多天线在生产设计时都考虑到了防潮、防盐雾、防霉菌等三防设计。但对于电厂等应用环境复杂的区域,烟囱等产生的烟雾颗粒常常覆盖在天线外罩,日积月累,导致天线的覆盖范围缩小,直接影响着卫星信号的接收。天线上午日常维护也应收到重视。

  第二,因不同地域的温湿度的不同,昼夜温差大小的区别,对天线的老化有着不同程度的影响。室外的风吹日晒,对于温湿度大,昼夜温差大的地域,天线的老化速度更快。天线的老化导致相位中心的偏移,使得天线性能降低,导致接收的信号质量不佳或接收不到卫星信号[2][3]。选用更加优质的,如机械强度更高,耐候性好,防紫外线,使用寿命长的材料制作天线外罩,或许对缓解天线的老化,增长天线的使用寿命及性能,是一个不错的选择。

  第三,电磁环境的影响。高压线、各种电磁辐射源等充斥在电厂、变电站,是天馈线系统正常工作的一大威胁。天线架设时,远离基站射频天线近距离辐射区、微波天线周围、高压线缆附近等才是上策。

  3.2 天线的安装及使用

  虽然天线出厂前都会经过检验,但在应用现场安装天线前,仍然强烈建议在客户现场首先进行天线测试,在确保获取正确的信号后,确定天线无任何问题的情况下,再顺线安装。天线的安装位置对保证卫星信号强度及质量起着关键性的作用。天线周围应无高大建筑物阻挡,并尽量避开高压线、大功率电磁辐射源等。安装注意事项。

  (1)检查天线及馈线外观有无问题,接口是否牢固。

  (2)馈线铺设时,注意沿途应无尖锐或可剧烈撞击的物体。

  (3)安装过程,严禁拉拽接头部分,容易导致插针回缩,接触不良。

  (4)天线蘑菇头竖向朝上安装,视野要开阔,以便接收足够多的卫星信号。

  4 总结

  天基授时是电力系统时间同步系统中首要的时钟源,其性能对整个时间同步系统可以说起着至关重要的作用。在复杂的工程应用环境中,我们一直致力于消除或减少卫星接收系统在使用过程中的不利因素。本文通过对卫星接收系统的各个环节进行梳理,结合工程应用经验,分析了影响天基授时的因素,并提出了一些应对措施,为进一步提高电力系统时间同步系统的可靠性和稳定性提供参考。

  参考文献

  [1] 张继龙,GPS授时天线的设计与应用原则[C],北京,2005.

  [2] 郭际明,史俊波.天线相位中心偏移和变化对高精度GPS数据处理的影响[C].武汉,2006.

  [3] 杨伟.天线偏移、馈线老化是收不到信号的原因[J].河南,2005.

  作者简介

  李为(1985- )女,硕士,产品经理,主要从事电力系统时间同步系统研发与应用。

  王学强(1982- ),男,本科,高级工程师,主要从事电力系统时间同步、辅控系统等的研究及应用。

  张道农(1961- ),男,教授级高级工程师/设计总工程师,全国时间频率计量技术委员会委员、中国电工技术学会电力系统控制与保护专业委员会委员、全国电力系统管理及其信息交换标准化委员会委员、WAMS及时间同步工作组组长,主要从事继电保护及安全自动装置的设计与研究,以及大型工程项目的项目管理工作。

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