基于GPS的測(cè)量遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)傳輸延時(shí)方法

岑宗浩

（國(guó)家電力公司華東電力調(diào)度通信中心，上海 200002）


　　摘 要：在調(diào)度實(shí)用化驗(yàn)收和新建廠站的遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備投產(chǎn)驗(yàn)收工作中，均需要測(cè)試廠站的模擬量變化和狀態(tài)量變位至調(diào)度端的信息傳輸延時(shí)，用以檢查該裝置或系統(tǒng)是否達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的人工電話同步測(cè)量方法已較落后，且缺乏科學(xué)性。文中介紹了一種利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）接收裝置和信號(hào)發(fā)生器組成的，并在主站端實(shí)施GPS同步的同步延時(shí)測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有實(shí)用性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)，可用于遠(yuǎn)動(dòng)專項(xiàng)測(cè)試工作。


　　關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)方終端裝置；監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；延時(shí)；測(cè)試；全球定位系統(tǒng)





1 引言


　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)動(dòng)裝置由原先的集中式遠(yuǎn)方終端裝置（Remote Terminal Unit，RTU）發(fā)展到后來(lái)的分布式RTU。近年來(lái)，大型變電站和發(fā)電廠的監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)已取代了傳統(tǒng)的RTU裝置，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之復(fù)雜和信息傳輸接口之多，使得人們?cè)絹?lái)越重視其信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。但在工程驗(yàn)收或進(jìn)行實(shí)用化驗(yàn)收時(shí)，由于缺乏必要的設(shè)備和理想的方法，使得遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)的測(cè)試難以取得準(zhǔn)確的實(shí)際數(shù)據(jù)。


2 現(xiàn)有系統(tǒng)延時(shí)的測(cè)量方法


　　從20世紀(jì)90年代初的實(shí)用化驗(yàn)收工作開(kāi)展到現(xiàn)今的工程驗(yàn)收，基本上都是沿襲依靠傳統(tǒng)的電話傳話來(lái)進(jìn)行同步測(cè)量。其實(shí)現(xiàn)方式是廠站測(cè)試人員根據(jù)另一名打電話的測(cè)試人員的口令來(lái)同步現(xiàn)場(chǎng)的遙信變位和大數(shù)據(jù)變化，而主站測(cè)試人員則根據(jù)其口令，用秒表記錄下此時(shí)畫(huà)面數(shù)據(jù)刷新的時(shí)間，以此作為傳輸延時(shí)的時(shí)間。
　　這種方法有很大的隨意性，由此測(cè)出的數(shù)據(jù)也往往會(huì)引起爭(zhēng)議。


3 基于GPS技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)延時(shí)的方法


　　全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）的應(yīng)用為大系統(tǒng)同步測(cè)量提供了技術(shù)條件，其精度優(yōu)于1ms[1]。20世紀(jì)80年代中期，GPS開(kāi)始應(yīng)用于電力系統(tǒng)，并得到推廣。


　�。�1）測(cè)試原理和系統(tǒng)示意圖


　　模擬量變化延時(shí)測(cè)試是利用信號(hào)發(fā)生器模擬變送器的輸出并且接入輸入模塊，利用方斜波信號(hào)的下跳階躍（相鄰2波形的下跳階躍間隔時(shí)間應(yīng)足以避開(kāi)系統(tǒng)的傳輸延時(shí)），記錄監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）庫(kù)中發(fā)生的大數(shù)據(jù)跳變的時(shí)刻，即系統(tǒng)的模擬量變化傳輸?shù)难舆t時(shí)間。GPS接收裝置的同步輸出信號(hào)和信號(hào)發(fā)生器的同步輸出信號(hào)同時(shí)接入雙蹤示波器，用以計(jì)算信號(hào)發(fā)生器方斜波信號(hào)下跳階躍的絕對(duì)時(shí)間，經(jīng)GPS對(duì)時(shí)的SCADA庫(kù)中記錄下的發(fā)生大數(shù)據(jù)跳變的絕對(duì)時(shí)間，二者的差值就是所要測(cè)的延遲時(shí)間。為確保在正常通信方式下模擬量變化的傳輸，在此測(cè)試過(guò)程中不能發(fā)生狀態(tài)量變位事件，否則應(yīng)重新測(cè)試。圖1為信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)和同步信號(hào)。A通道顯示的是方斜波信號(hào)，B通道顯示的是同步輸出信號(hào)。圖2為測(cè)試系統(tǒng)中信號(hào)發(fā)生器的同步輸出信號(hào)（A通道）和GPS接收器的分時(shí)鐘同步輸出信號(hào)（B通道）。圖中信號(hào)發(fā)生器的大數(shù)據(jù)跳變時(shí)刻發(fā)生在整分（分同步信號(hào)的上跳）前2.4 s。










　　狀態(tài)量變位延時(shí)測(cè)試是利用GPS接收裝置的分鐘同步輸出信號(hào)觸發(fā)模擬狀態(tài)量變位并經(jīng)過(guò)一繼電器的輸出節(jié)點(diǎn)接入輸入模塊。該繼電器受GPS接收器的分鐘同步信號(hào)的控制。該回路的電壓信號(hào)接入示波器的1個(gè)通道，示波器的另1個(gè)通道接入GPS的同步信號(hào)，用以精確計(jì)算在裝置側(cè)發(fā)生狀態(tài)變化的絕對(duì)時(shí)間（示波器上可以精確地讀出繼電器的執(zhí)行時(shí)間）。經(jīng)GPS對(duì)時(shí)的SCADA庫(kù)中記錄下發(fā)生的狀態(tài)量變位的絕對(duì)時(shí)間，二絕對(duì)時(shí)間的差值就是狀態(tài)量變位傳輸?shù)难舆t時(shí)間。


　　圖3為測(cè)試系統(tǒng)示意圖。





　　（2）測(cè)試設(shè)備


　　實(shí)現(xiàn)本測(cè)試方案至少需要下列設(shè)備和儀表：


· 帶有同步信號(hào)輸出的GPS接收裝置（對(duì)時(shí)精度優(yōu)于1ms）1套


· 具有方斜波輸出功能的信號(hào)發(fā)生器1臺(tái)


· 具有記錄功能的雙蹤示波器1臺(tái)


4 有關(guān)問(wèn)題


4.1 通用性問(wèn)題


　�。�1）監(jiān)控系統(tǒng)和各類RTU均可使用


　　由上可見(jiàn)，廠站的SCADA系統(tǒng)無(wú)論是采用監(jiān)控系統(tǒng)組建還是采用RTU組建，均可以采用本文方法測(cè)試傳輸延時(shí)。


　　（2）變送器輸入和交流采樣均適用


　　上面的模擬量變化傳輸延時(shí)測(cè)試的廠站端原理描述，主要是針對(duì)采用變送器輸入模式的監(jiān)控系統(tǒng)或RTU裝置。該方法稍作調(diào)整即可用于交流采樣輸入的系統(tǒng)，進(jìn)行模擬量變化傳輸延時(shí)測(cè)試。


　　具體方法是：將高精度的三相測(cè)試電源接入交流采樣裝置的輸入模塊，并以恒定功率送出，其中1相電壓經(jīng)過(guò)1個(gè)繼電器的輸出節(jié)點(diǎn)接入輸入模塊，使該繼電器受GPS接收器的分鐘同步信號(hào)的控制。該電壓回路信號(hào)接入示波器的1個(gè)通道，另1個(gè)通道仍接入GPS的同步信號(hào)，用以精確計(jì)算在裝置側(cè)發(fā)生大負(fù)荷變化的絕對(duì)時(shí)間。
4.2 主站查詢頻度


　　廠站變化數(shù)據(jù)的傳遞是依靠主站的通信規(guī)約來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通常有2種方式：CDT方式和POLLING方式。在采用CDT方式時(shí)，廠站遠(yuǎn)動(dòng)裝置的變化數(shù)據(jù)的傳輸不依賴于主站的控制，而采用POLLING方式時(shí)，主站對(duì)廠站的模擬量變化的查詢頻度和通信報(bào)文收、發(fā)的間隙長(zhǎng)短，成為影響數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)的一個(gè)因素。


　　一般來(lái)講，主站對(duì)模擬量數(shù)據(jù)的查詢頻度和報(bào)文的收、發(fā)間隙是趨于合理的常數(shù)，是調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的固有參數(shù)，整個(gè)廠站至主站的傳輸延時(shí)不應(yīng)把它排除在外。


4.3 測(cè)試點(diǎn)


　　從廠站的輸入模塊至調(diào)度端的畫(huà)面顯示，整個(gè)系統(tǒng)的接口較多，容易造成系統(tǒng)延遲時(shí)間超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，利用GPS對(duì)時(shí)的方便性，可根據(jù)系統(tǒng)的具體情況和測(cè)試目的，靈活地設(shè)置測(cè)試點(diǎn)。


　�。�1）在監(jiān)控系統(tǒng)或RTU的主單元內(nèi)


　　在一些大型變電站或發(fā)電廠的監(jiān)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、接口繁多，主單元控制器功能較強(qiáng)，能進(jìn)行GPS對(duì)時(shí)，并且在控制器內(nèi)部有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，有的還帶有精確的時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)t2（見(jiàn)圖4），可方便地測(cè)出設(shè)備層至站控層之間的傳輸延時(shí)。







　�。�2）在通道上偵聽(tīng)報(bào)文


　　對(duì)于在主站端的系統(tǒng)較復(fù)雜且系統(tǒng)性能不佳的情況下，可在調(diào)制解調(diào)器（MODEM）端通過(guò)和GPS對(duì)時(shí)的PC機(jī)，直接捕捉該測(cè)點(diǎn)的上傳變化數(shù)據(jù)報(bào)文，并記錄它的絕對(duì)時(shí)間t4（見(jiàn)圖4），通過(guò)和在主站數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)記錄的時(shí)間t6（見(jiàn)圖4）的對(duì)比，可分析出主站端的數(shù)據(jù)處理對(duì)系統(tǒng)傳輸延時(shí)的影響。


　�。�3）在主站的數(shù)據(jù)庫(kù)


　　主站端的設(shè)備通常能和GPS對(duì)時(shí)，而且主站的數(shù)據(jù)庫(kù)一般能精確地記錄數(shù)據(jù)入庫(kù)的時(shí)標(biāo)t6（見(jiàn)圖4），它也是模擬量發(fā)生變化從廠站輸入模塊開(kāi)始至主站人機(jī)界面（Human Machine Interface，HMI）工作站的畫(huà)面刷新的最后能自動(dòng)記錄時(shí)間的地方。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)更新至該點(diǎn)數(shù)據(jù)在畫(huà)面刷新的時(shí)間基本可以忽略不計(jì)。


　　常規(guī)的SCADA功能中應(yīng)具備記錄數(shù)據(jù)異常變化事件的能力，即通常所說(shuō)的變化數(shù)據(jù)越上限、越下限、越上上限和越下下限的事件記錄，這些記錄在異常事件記錄庫(kù)/表中均輔以時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)，且由于信號(hào)發(fā)生器的方斜波輸出信號(hào)幅度可調(diào)，在主站系統(tǒng)可方便地得到這些記錄數(shù)據(jù)，而這些時(shí)標(biāo)記錄數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器必須和GPS保持時(shí)鐘同步）在測(cè)試中也能等同視為該變化數(shù)據(jù)在HMI工作站畫(huà)面刷新的時(shí)間。


　　靈活地應(yīng)用這3 種方法，可方便地計(jì)算出整個(gè)系統(tǒng)中各部分的傳輸延時(shí)，這對(duì)于分析系統(tǒng)的整體性能、改善傳輸時(shí)間大有幫助。


5 基于GPS的系統(tǒng)傳輸延時(shí)測(cè)量方法的意義


　�。�1）實(shí)用性方面。本文方法具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性。隨著GPS對(duì)時(shí)技術(shù)的日益普及，我國(guó)有多家制造廠家能提供價(jià)格便宜、對(duì)時(shí)精度高的便攜式接收器。選用合適的信號(hào)發(fā)生器、GPS接收器及控制繼電器可方便地構(gòu)成廠站測(cè)試系統(tǒng)。同時(shí)隨著IEC60870-5-101規(guī)約的應(yīng)用，對(duì)于主站通信報(bào)文偵聽(tīng)軟件的開(kāi)發(fā)更為容易，因而，本測(cè)試方法具有較強(qiáng)的可操作性。


　�。�2）準(zhǔn)確性方面。利用本方法測(cè)量系統(tǒng)延時(shí)，可避免應(yīng)用傳統(tǒng)測(cè)量方法中由于人為因素造成的測(cè)量誤差。其測(cè)量準(zhǔn)確度取決于主站與廠站的GPS對(duì)時(shí)精度。一般而言，若主站的計(jì)算機(jī)與GPS接具有一定的優(yōu)勢(shì)，但單純使用灰色模型預(yù)測(cè)電力負(fù)荷，結(jié)果仍不能令人滿意。這是因?yàn)殡娏ω?fù)荷收器通過(guò)串口的通信報(bào)文實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，則它能保證到s級(jí)對(duì)時(shí)精度；若主站的計(jì)算機(jī)與GPS接收器通過(guò)IRIG-B編碼接口實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，則它能保證到ms級(jí)對(duì)時(shí)精度[2]。廠站的便攜式GPS接收器能保證ms級(jí)的對(duì)時(shí)精度，這樣，測(cè)量結(jié)果的時(shí)間準(zhǔn)確度至少能保證到s級(jí)。這樣的準(zhǔn)確度能滿足實(shí)際工程測(cè)量的需要。


　�。�3）可比性方面。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，除了需測(cè)試廠站裝置或系統(tǒng)至主站的真實(shí)延時(shí)數(shù)據(jù)外，往往還需要對(duì)不同廠站裝置或不同主站的測(cè)試結(jié)果作比對(duì)分析，因此需要根據(jù)實(shí)際情況加以區(qū)分：如在同一主站系統(tǒng)下（采用同種規(guī)約），測(cè)試2種遠(yuǎn)動(dòng)裝置或系統(tǒng)的不同傳輸延時(shí)；或用同種遠(yuǎn)動(dòng)裝置，測(cè)試2個(gè)不同主站對(duì)變化量的響應(yīng)時(shí)間。這2種方法作出的延時(shí)比對(duì)結(jié)果是可信的。但對(duì)于在不同主站用不同的遠(yuǎn)動(dòng)裝置測(cè)的延時(shí)作對(duì)比時(shí)，需根據(jù)所采用的通信規(guī)約，適當(dāng)調(diào)整數(shù)據(jù)的查詢頻度。


6 結(jié)束語(yǔ)


　　在江蘇省連云港核電站網(wǎng)控SCADA系統(tǒng)的驗(yàn)收工作中，筆者運(yùn)用本文方法對(duì)該系統(tǒng)的信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性進(jìn)行了測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中采用的設(shè)備有GPS-I型接收器、FLUKE 199 scopemeter和Agilent 33120A信號(hào)發(fā)生器。由這3臺(tái)儀器組合的測(cè)試系統(tǒng)使用極為方便，測(cè)試也非常成功，文中圖2就是其中的測(cè)試記錄。因此，本文測(cè)試方法可在遠(yuǎn)動(dòng)專項(xiàng)測(cè)試工作中推廣使用。



參考文獻(xiàn)



[1] 周忠謨，易杰軍．GPS衛(wèi)星測(cè)量原理與應(yīng)用[M]． 北京：測(cè)繪出版社，1992．


[2] 國(guó)家電力公司華東公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)．華東電網(wǎng)時(shí)間同步系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范[S]．2002．



摘自　北極星電技術(shù)網(wǎng)