陈文进江道灼
（浙江大学电气工程学院，浙江省 杭州市310027） 摘 要：电力系统相量（包括电流、电压等）的同步采样对于电力系统继电保护、故障判断、系统稳定分析等都具有重要意义，其中如何获得同步脉冲也就是说如何实现同步采样一直是个关键问题。本文例举了几种同步实现方法：主站广播对时法，基于通信信道的采样时间补偿法以及卫星授时法等,最后指出利用GPS卫星授时与锁相技术相结合的方法是一种切实可行的方法。
关键词：电力系统；同步采样；全球定位系统（GPS）
0引言
目前电力系统中各种测控与保护装置普遍要求交流数据量的同步采样，这对于电力系统继电保护、故障判断、系统稳定分析等都具有重要意义。一般，采样脉冲都是在装置内部时钟的控制下产生的。对于需要异地同步采样的装置来说，由于装置内部晶振频率有误差，采样难以同步。而且随着电力系统的发展，对系统监控的要求越来越高，迫切要求能够实现交流数据量的异地同步采样。所以，早先在国外运用了一种无线电波广播对时的方法，还有一种方法是基于通信信道的采样时间补偿法来实现同步采样。但是这两种方法都有自身所不可克服的弱点。随着卫星与通信技术的发展，卫星授时法已经由军用逐渐转为民用。其中基于全球定位系统（GPS）的同步采样方法已经得到了广泛的应用，并获得了良好的效果。本文提出的GPS与锁相技术相结合的方法，不但能够保证异地同步采样，而且还能够在系统频率变化情况下，较好地实现其交流量的同步采样，并能保证全网的同步测量。
1主站广播对时法
为实现同步采样，主站在同一时刻给系统中所有的测控装置一个同步时钟脉冲。按照传输的媒介不同，主站广播对时法可以有以下三种形式：AM调幅广播、微波传输系统和光纤传输系统[1]。
1．1AM调幅广播
AM调幅广播主要有五种调幅方法：WWV、WWVB、OMEGA、MSF/DCF、Loran-C等。它们的调幅频率、时间代码格式、主要用途、时间精度、费用以及使用地点都不一样，表1作了详细的比较。
在北美最普遍的广播方式是WWV，与之配套的商用接收器和同步系统都已经比较成型。如果信号传输延时时间恒定或者这一时间可以预测，那么这套系统就可以达到±100μs的精度[2]。但是这个假设很难成立，所以在实际运行中只能达到几毫秒的精度。
WWVB（美国科罗拉多州的FortCollins）广播是一种连续的时间基准信息通过60kHz的载波信号传输的方式。这种方式的主要优点是信号传输延时时间相对比较恒定而且可以事先预测。从理论上讲时间精度可以达到±50μs，但是由于信号受噪声和幅度波动的影响，它的精度也只能达到几毫秒[2]。
OMEGA使用的是很低的传输频率，一般是10-14kHz，它的信号遍布全球范围。由于它使用的是最长的无线电波而使信号可以传输几千公里且传输时间误差只有几微秒。美国海军电子实验室（USNEL）和美国海军研究所（USNRL）已经通过实验证明了无论通过什么路径传输，其延时时间预测精度可以达到2至5μs[3]。
MSF是英国国家物理实验所为了使本国的时间和UTC（UniversalTimeCoordinated）时间保持一致而建立的广播系统，由英国电信以60kHz的频率向全国范围内发送英国标准时间。而DCF是由德国建立的，它的目的也是向全国范围内发送德国标准时间，发送频率是77kHz。
Loran-C传输的是脉冲信号，而且只通过地波传播信号[1]。因此它很好的解决了WWV、WWVB等方式由于信号可以从地波传播也可以从天空电波传播而使得传输延时无法确定的问题。它的时间由原子钟控制，精度最高可以达到100ns[4]。另外Loran-C信号还能产生1PPS秒脉冲信号，并以UTC时间为基准。但是由于它本身固有的频率为100kHz，这就注定它很容易受到同频率的载波信号的干扰，使得其性能受到很大影响。1．2微波传输系统
在很多应用场合，希望通过微波从含有基准频率和时钟源的主站向需要同步的远方子站传送时间信号。除非传输过程中有特殊装置，这种微波传输系统的最高时间精度也只能达到1μs。它有两种形式：模拟微波和数字微波。模拟微波传输系统是直接通过对连续波的移相调制，使用最好的微波设备才能获得1μs精度。而数字微波传输系统更是由于数据打包延时和数据包传送延时使得其精度只能达到70μs[2]。
1．3光纤传输系统
光纤传输系统和微波传输系统很相似，只是它是通过光纤来传送同步时间信号的。微波传输系统由于单边传输和导频锁相而使信号失真和抖动，光纤传输系统很好地解决了这些问题，因而输出信号更稳定更可靠，同步精度可以达到0.5μs[2]。
由此可见，AM调幅广播的几种方法在时间精度上普遍都比较低，而且只适用于局部地区，而微波传输系统的精度也不高，至于光纤传输系统虽精度高，但需花巨大成本建设光纤系统。因此，这些方法都不是最佳选择。
2 基于通信信道的采样时间补偿法
电力系统为了使两个或多个变电站之间保持时间同步，可以从一个站（主站）向另外一个站（子站）发送一个时间信号。这个信号包含同步时间基准信号和启动采样的信号等信息。传输过程中产生了一个延时时间。为了消除这个延时时间，也就是使子站的采样时间基准与时间信号传输延时无关，就必须在两个变电站的采样时间基准之间进行补偿。总体上基于通信信道的采样时间补偿法必须执行以下四个步骤：
（1）发送一个带同步时间基准的脉冲信号。
（2）收回这个信号，测量传输延时间。
（3）将传输延时时间传给子站。
（4）对子站进行时间补偿。
脉冲，假设主站和子站都是同频率等间隔采样。在开始同步采样以前，由主站向子站发送一帧计算信号传输延时时间td的命令信息，子站收到后将命令码和子站处理延时时间tm一起传送回主站。假设从主站到子站的延时时间td1与子站到主站的延时时间td2相等，tr1为主站收回信号的时刻，那么就可以计算出传输延时时间：
假设主站在tmi时刻将包含传输延时时间td和进行采样时间补偿的命令信息发给子站，子站收到信息的时刻是trk，那么就可以计算出子站与主站之间采样脉冲的时间差：
如果△t>0，表示子站采样超前主站；如果△t<0，表示子站采样置后主站。于是我们可以对子站的下一采样脉冲进行调整，其采样时刻为ts(j 1)=(tsj T)-△t,，从而实现了同步采样。
在这里，我们假设的是在信号传输过程中，同一线路不同方向的传输延时时间相等，但是实际上是不可能的，而且随着通信信道结构的不同而有差异。表2列出了几种信道结构的组成、影响不同方向传输延时时间差的主要误差因素和期望误差[6]。类型1利用了两条光缆，如果两条光缆安装在同一套管里，那么在传输2500km时绝对时间误差小于200ns[7]。这个误差主要是由光缆长度不对称、传输特性不同和波长不同等原因引起。类型2和类型3利用了波长分隔多路复用（WavelengthDivisionMultiplex，WDM）技术，因此共用单条光缆克服了光缆长度不对称这一主要误差因素。类型2的传输延时时间差主要由波长不同引起，利用波长分别为1.3μm和1.5μm传输40km时绝对时间误差小于100ns[8]。类型3采用了传输延时矫正的方法，因此绝对时间误差可以小于1ns[8]。
基于通信信道的采样时间补偿法已经在现场中得到了应用，如南瑞公司的LFP-931A型光纤电流差动保护中。但是这种方法太依赖于通信信道，如果在代码传输过程中出现错误或者是通信信道中断，都将造成不良后果。另一方面还要花巨资建设通信信道，购买通信终端设备。3 卫星授时法
在IEEEStd1344-1995中对同步时钟源提出了要求[1]：“同步时钟信号必须在任何测量装置所在位置保持不间断，可靠性要高于99.87（每月间断时间小于1小时），同步时钟信号必须使同步采样装置和UTC时钟保持精度在1μs的同步范围内。”按照这个标准，前面叙述的两种同步方法似乎很难满足要求，因此人们利用了高精度高可靠性的卫星授时法来实现电力系统的同步采样。可以采用的同步卫星系统有两种：GOES（GeostationaryOperationalEnvironmentalSatellite）卫星和GPS（GlobalPositionSystem）卫星。
GOES卫星的主要任务是进行气象预测，特别是预测西半球的龙卷风，其次才是同步时间传送。如果GOES接收器所在位[1][2][3]下一页
