大型电力系统中功角稳定性、电压稳定性、频率动态变化及其稳定性都不是一个孤立的现象，而是相互诱发、相互关联的统一物理现象的不同侧面，其间的关联又会受到网络结构及运行状态的影响。其中母线电压相量和功角状况是系统运行的主要状态变量，是系统能否稳定运行的标志，必须进行精确监测。由于电力系统地域广阔、设备众多，其运行变量变化也十分迅速，获取系统关键点的运行状态信息必须依赖于统一的、高精度的时间基准，这在过去是完全不可能的。全球定位系统(GPS)的出现和计算机、通信技术的迅速发展，为实现全电网运行状态的实时监测提供了坚实的基础。本文将重点介绍基于GPS的湖南电网状态监测系统的方案设计及实现方法。该系统已通过动模试验，各项技术指标已达到运行要求，且部分功能模块已在现场试运行。

1．基于GPS的电网状态监测系统结构

系统结构如图1所示。

图1中，主站位于湖南省电力调度中心，子站暂时选取了2个有代表性的重要站点，子站暂是湖南凤滩水电厂，子站2是云田500kV变电站，它们分别由相角及功角测量装置、时间同步装置、通信系统及工控机组成。为了保证实时性，主站与各子站之间的通信信道采用专用微波信道。

2．基于GPS的高精度时间同步装置

基于GPS的高精度时间同步装置是整个监测系统的基础部件，它办全系统提供高精度的时间基准。GPS接收机输出信号通过解码后，一个通道输出1个秒脉冲(PPS)信号，其脉冲前沿与国际标准时间(UTC)的同步误差不超过1μs；另一通道为串口输出，在每个秒脉冲发出后，广播绝对时间，即年、月、日、时、分、秒，并由显示部件显示。其时间同步装置的系统结构如图2所示。

在图2中，8254-1的作用有2个：一是提供2个秒脉冲之间（即1s内）的脉冲计数；另一个是将GPS-20的PPS（其脉宽为10%，即100ms）信号转变为脉宽为1ms的窄脉冲信号，以提供给8254-2。对于8254-2，它将8254-1测得1s之内的计数值作为基值，将其进行80等分，以获得8OHz信号，并将其余数部分进行分摊处理(因8254晶振频率选为8MHz，不会对每一方波产生较大误差)，以防误差积累，从而可得8254-2的时间常数，每当新的PPSF到来时，使8254-2输出脉冲与其同步一次，即可得到精确的与PPS高度同步的时间同步信号，即80Hz的标准方波信号。需要指出的是，该同步装置既考虑了GPS由于外界干扰可能造成同步脉冲消失，又防止了突变干扰信号被误认为同步信号现象的发生。

3、状态监测子站的设计

状态监测子站分为两大类型：一类为发电厂子站，另一类为变电站子站。

3.1发电厂子站

图3为单机无穷大系统的功角测量系统图。发电机G的功角为空载电势Eq与无穷大系统母线Us之间的夹角，记为δ。

要完成功角测量，必须解决2个问题：一是由于无穷大系统母线一般离发电机很远，因此要解决2个异地相量的相位比较问题；另一个是发电机并网运行时，主q是不可测的，因此必须找到一个与它具有恒定相位关系的量来替代[飞利用将电压互感器(TV)输出电压进行整形，与80Hz的标准方波信号进行比相即可得到US与1〉G之间的相位差，从而解决了第1个问题；解决第2个问题的方法是，利用转子位置与空载电势在相位上的对应关系，用转子位置信号代替空载电势参与相应比较(转子位置信号靠装设在转子上的位置传感器获得)，通过推导可以获得发电机功角，其值等于发电机空载时的转子位置信号与发电机端电压的相位差。

除此之外，发电厂子站还将有关P，Q，U，I，f等实时信息送往电网调度中心。

3.2变电站子站

变电站子站主要监测高压母线三相电压相量及频率，其原理框图如图4所示。高压母线经TV和电压变换器后，进行低通滤波，一方面经整形，另一方面经A/D变换送工控机，整形后得到的电压方波信号与80Hz的标准方波信号进行比相，即可得到电压相角，经A/D变换送人工控机后可得到电压幅值。变电站将数据处理结果“贴上”时间标签后，通过Modem送往调度中心。

4、状态监测子站及实时通信系统

主站的任务是收集处理各子站传送来的信息，并直观地显示其结果，以便运行人员实时了解全网的运行情况，除此之外，还具有相量和功角的数据记录、报表及打印功能。

主站与远方子站的数据交换问题是实现系统实时监测的关键之一。我们采用了主一从机结构(即主站或从站的计算机与含有双口RAM的通信板构成的主一从结构)，如图5所示。子站PC机(工控机)负责采集电厂(变电站)的各种数据，并存入双口RAM中；中心站PC机(工控机)负责收集各子站的运行状态信息并进行快速判断推理，给出系统运行的稳定性情况。工作过程如下：当工作节拍(即脉冲，由时间同步装置产生)上升沿到来时，PC机中断，进入处理程序，将各种采样参数进行快速计算并放入双口RAM的特定区域，由89C51将其数据通过串行口8251经微波信道送往电网调度中心。由于GPS时钟的统一性，中心站计算机接收到的是全电网同一时刻的运行状态信息(并带有时间标签)，根据此信息即可判断系统在此刻的稳定性情况并提示相应的控制策略。工作节拍的时间间隔一般可取0.25s，0.125s等，视微波信道与通信数据的长短而定。必须指出，电网的状态监测要求数据具有较高的实时性和同步性，工作节拍在这里具有特别的意义，它是指其上升沿送到PC机时，PC机要立即进入中断，然后由89C51单片机完成通信工作，整个过程必须在一个工作节拍内完成，下一工作节拍上升沿到来时，就意味着要进行新一轮状态信息的处理和传送。

5、结语

基于GPS的湖南电网状态监测系统是一个可靠的、高性能的实时状态监测系统，它能实时地反映全网关键点的母线电压相量和主要发电机的功角，为调度中心的正确决策提供可靠依据，并可为电力系统暂态稳定控制奠定基础。