125、基于GPS的差动保护同步采样误差解决方案

基于GPS的差动保护同步采样误差解决方案 苏 理1 唐凯2 （1 南瑞集团继电保护技术分公司，江苏 南京，210003 2 南瑞科技股份有限公司，江苏 南京，210003） 摘要：文章分析了基于GPS进行数据同步采样的方法在同步过程中可能产生的误差，并给出了减小误差的方法，使得基于GPS的同步采样方法的精度得到了很大的提高，该方法在数字式电流差动保护中得到了典型的应用。 关键字：同步脉冲；UCT时间基准；高稳晶振； 0. 引言 光纤技术的快速发展，为继电保护开辟了良好的通信通道。数字式电流差动保护判据已被广泛地应用于电力系统的发电机、变压器、母线等诸多重要电气设备的保护之中。分相电流差动保护原理仅需测量被保护线路的各端电流，不需要测量电压量，测量简单方便，不受TV断线影响；消除了被保护线路的非故障状态下的电流，能适应电力系统的振荡及线路的非全相运行等各种复杂的运行状态，可以非常容易地完成同杆并架双回线路，发生跨异名单相跨线故障时，所要求的选相跳闸任务；以及多端线路中保护配置困难和短距离线路保护中整定困难等问题；还能较好的适应架空线路与地下电缆混合输电系统等，这对提高电力系统稳定性和提高输配电系统的运行灵活性有重要的意义。GPS的定时和授时系统具有精确[1]、快速、可靠、共享等优点，为电力系统精确时钟的统一提供了可靠的手段，基于GPS进行数据同步采样在数字式电流差动保护中到了典型的应用。 1.基于GPS的同步采样方案 线路各端系统的晶振能产生满足一定频率要求的采样脉冲信号，该信号每过1s被GPS输出的1PPS信号同步一次，使采样脉冲同步到UCT时间基准[2]。基于GPS实现同步采样的过程如图1所示。晶振输出的振荡信号经整形、电平转换后变为适合TTL电路的电平信号，在经过计数器分频后的到满足采样要求的时钟信号。该时钟信号每隔1s被1PPS信号的上升沿同步一次，使之运行在GPS时间基准上。当线路各端都配置上同样的同步电路后，各端得到的采样时钟信号将具有与1PPS同样的高精度，这个过程称之为同步采样脉冲。以这样的脉冲作为保护CPU的告诉输入捕捉中断采样交流信号就能实现多端同步采样。 图1 GPS同步采样控制单元硬件构成框图 2.基于GPS同步方式的误差分析 基于GPS的同步方法，不需要借助通道传递任何用于采样同步处理的信息，不受电网频率变化的影响，能完善地解决多端线路的同步采样问题。但该方法由于GPS本身的精度和晶振的选择，在进行同步采样调整时会产生以下误差：a) 绝对时间与GPS接收到的1PPS的误差；b) 保护装置本身使用晶振的精度和晶振受温度影响产生的误差；c) 使用1PPS和晶振调整同步采样脉冲的过程产生的误差。 2.1 1PPS与绝对时间的误差分析 系统使用的GPS装置产生的1PPS脉冲和绝对时间之间必然存在误差。这个时间差值的大小有两个因数决定：其一是GPS装置内部使用的GPS模块（均为国外产品）自己的误差；其二是GPS装置把GPS模块上的脉冲送到输出口过程中产生的误差。第一个误差的大小由GPS模块本身决定，第二个误差由GPS装置的软硬件决定。一般的GPS装置的说明中会写出它本身的精度误差。系统使用的GPS装置的1PPS脉冲精度为1us,所以1PPS与绝对时间的误差是1us。 2.2 由使用的晶振引起的误差 由晶振引起的误差包含三个方面。首先从GPS的秒脉冲到来，到晶振开始触发计数，这个过程的最大误差是当晶振的上升沿才过，1PPS上升沿才到来，那么就要等到晶振的下一个上升沿到来时再开始触发计数，如图2所示，这个误差不会每个周期累计，其大小与1PPS同步脉冲和晶振上升沿的相对位置有关，系统使用的晶振频率为25MHz，因此这个最大误差为： （1） 图2 秒脉冲与晶振触发计数的误差 其二是晶振受温度影响产生的误差。这个误差是个累计误差，误差的最大点应该在下一次1PPS脉冲来之前的采样点处（考虑在一个温度范围内的误差应该是同向的）。系统使用的晶振受温度影响产生的误差为50PPM(50*10-6)。因系统晶振为25MHz时，因此其振荡一次产生的最大误差时间为： （2） 那么在1s中的最大可能误差为： （3） 如果使用高稳晶振，其受温度影响较小，一般参数为2PPM(2*10-6)，使用高稳晶振在1s内产生的最大可能误差为： （4） 其三是晶振频率值引起的误差，若系统使用的晶振值与系统的采样频率不能整除时，就会产生误差，这个误差也会累计，误差的最大点在下一次1PPS脉冲到来之前的采样点处。系统的采样频率为24点/周，使用25MHz晶振时，因此每采样一次晶振计数值应为： 次 （5） 但真正的计数值必然是个整数20833，因此采样一次产生的误差为： （6） 因此1s内产生的误差最大为下一秒到来前的最后一个计数点处，该误差为： （7） 综上所述：使用普通晶振时，由晶振引起的误差最大可能为64.44us；而使用高稳晶振时，由晶振引起的误差最大可能为16.44us。 2.3 1PPS和晶振调整同步采样脉冲的过程产生的误差分析 使用1PPS和晶振调整不同系统进行同步采样，若用硬件方法实现，误差由硬件电路(CPLD)输入到输出的延时产生，其大小可由编程CPLD的软件仿真出来，约为50ns；若用软件方法实现，误差由CPU执行指令所需的时间产生，大约为200ns，软件实现的误差要大于硬件实现的误差。 3 基于GPS同步方式的误差补偿 GPS装置产生的1PPS脉冲和绝对时间之间的误差，由选用的GPS装置的精度产生，无法避免。而用软件方式还是硬件方式实现同步采样调整，可成本角度根据设计需要的实际做取舍。对于晶振选取的不同而引起的误差可进行一定的补偿，从而尽可能减小误差。 GPS的秒脉与晶振开始触发计数过程产生的误差与晶振的频率有关。减小误差的方法是提高晶振的频率，若使用1MHz的晶振，最大误差是1us；而使用25MHz的晶振，误差为40ns。 晶振受温度影响产生的误差，经过2.2节的分析可知，使用高稳晶振，可大大减小该项误差。 晶振频率值引起的误差，若可以更换晶振，如采用2.4576MHz的晶振，它产生一次采样脉冲的计数为2048次，为一个整数，那么误差自然就消除了。若系统晶振不能更换，那么采用灵活的计数逻辑，可以尽量减小误差。系统采用25MHz的晶振分频做采样频率，其采样计数为20833.3333次，在做计数逻辑时，可以考虑以下方法，如图3所示： 图3 计数逻辑示意图 将3n处的采样点计数变为20834次(其中n=1、2、3…..400)。计算出来的理论采样点（采样计数为20833.3333次）为图中的长虚线位置 、 、 、 、 、 、 ；未调整过的实际采样点（采样计数为20833次）为图中的实线位置 、 、 、 、 、 、 ；调整后的采样点（3n处的采样点计数变为20834次，其余为20833次）为图中短虚线位置 、 、 、 、 、 、 ；如果1PPS脉冲到来就产生第1个采样点，那么这个点不存在计数误差，所以这一点采样位置相同 ；第2个采样点计数次数调整前后均为20833，说明采样点 、 均超前 采样点 到来；第3个采样点调整前计数为20833，说明采样点 超前 采样点 到来，而调整后的第3个采样点 的计数为20834，说明它滞后 采样点 到来；第4点调整前后采样点 和 的计数均为20833，说明采样点 超前 采样点 到来，而调整后的 采样点刚好与理论采样点 重合，误差为0。由此我们可得到一个结论，采用以上方法虽然不能真正的消除误差，但这个误差已不再累计，而是一个不随计数次数增加的恒定误差，最大误差就是 。 经过上述方法补偿后由晶振选取的不同而引起的误差已大大减小，其值为： （8） 4 总结 文中分析了在使用GPS进行同步采样的差动保护中存在的各种同步采样误差的来源，并提出了相应的误差解决方案，在工程中得到了很好的应用，确保了两端同步采样的精度。 参考文献： 1. 曾祥君，尹项根，林干，等.晶振信号同步GPS信号产生高精度时钟的方法及实现.电力系统自动化，2003，27(8)，49～53. 2. 高厚磊，贺家李，江世芳.基于GPS的同步采样及在保护与控制中的应用.电网技术，1995，19(7)，30～32. 作者简介： 苏 理（1978-），女，硕士，工程师，研究方向为电力系统继电保护。suli@sgepri.sgcc.com.cn 唐 凯（1978-），男，助工，研究方向为电力系统继电保护。 The errors of A GPS-based synchronous sampling method SU Li (RELAY PROTECTION COMPANY, NARI GROUP CORPORATION, Jiangsu Nanjing, 210003) Abstract: A GPS-based synchronous sampling method applies in digital current differential protection. This paper analyzes the synchronization process errors that may arise, and gives ways to reduce errors, the synchronous sampling method based on GPS accuracy has been greatly improved. Keywords: Synchronous pulse; UCT time standard; HS-OSC; - 5 - _1302005573.unknown _1302005974.unknown _1302005981.unknown _1302006020.unknown _1302006033.unknown _1302006904.unknown _1302007295.unknown _1302006632.unknown _1302006077.unknown _1302006548.unknown _1302006028.unknown _1302006000.unknown _1302006008.unknown _1302006014.unknown _1302005994.unknown _1302005987.unknown _1302005704.unknown _1302005730.unknown _1302005950.unknown _1302005960.unknown _1302005967.unknown _1302005943.unknown _1302005715.unknown _1302005684.unknown _1302005694.unknown _1302005671.unknown _1301989290.unknown _1301990162.unknown _1301991086.unknown _1301990151.unknown _1301987867.unknown _1301987881.unknown _1301918613.vsd 晶振 整形电路 电平转换 计数分频 GPS接收机 1PPS脉冲 同步采样脉冲 _1301987429.unknown