一种北斗授时模块在配电网故障测距时误差的修正方法 |
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申请号 | CN202111309704.3 | 申请日 | 2021-11-06 | 公开(公告)号 | CN113985213B | 公开(公告)日 | 2024-02-23 |
申请人 | 威胜能源技术股份有限公司; | 发明人 | 杨志祥; 冯喜军; 单庆晓; 孙勇卫; 卓猛; 曹奇; 向文峰; | ||||
摘要 | |||||||
权利要求 | 1.一种北斗授时模块在配电网故障测距时误差的修正方法,其特征在于,包括如下步骤: |
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说明书全文 | 一种北斗授时模块在配电网故障测距时误差的修正方法技术领域[0001] 本发明属于通信技术领域,尤其涉及一种北斗授时模块在配电网故障测距时误差的修正方法。 背景技术[0002] 配电网由于线路短、分支多、存在架空线路和电缆线路混合铺设现象、沿线分布有各种负荷等因素,实现故障测距比较困难;特别是小电流接地系统,故障电流微弱,故障点过渡电阻和测量误差影响特别大,利用传统的阻抗测距原理误打应用;针对线路较长、分支较少的中压配网线路则可以采用行波测量小电流接地故障的距离。 [0003] 目前基于GPS对时的双端行波测距方法,双端装置的时间同步精度在1μs左右,产生的实际测距误差在300m左右,而对配网线路点多面广,地域复杂,现场故障定位要求能尽可能准备,精确到两个电杆之间(30m以内),即是要求双端装置的对时误差在100ns以内(1μs=1000ns),对同步对时模块的要求其授时精度要保持在100ns以内,其中产生的误差包括卫星授时误差和对时模块硬件误差,硬件误差需控制在50ns以内。 发明内容[0004] 为解决上述问题本发明提供了一种北斗授时模块在配电网故障测距时误差的修正方法;利用获得的钟差等参数进行钟差效应修正;利用获取的对流层修正参数进行对流层效应修正;利用获取的电离层参数进行电离层效应修正;得到修正后的伪距,利用多个修正后的伪距,建立定位方程,测得接收机与四颗卫星的距离即可定位,得到GPS系统时。 [0005] 利用修正后的伪距进行接收机时延计算,利用接收机时延对原始的1PPS进行时延修正,得到精确的授时。 [0007] 为实现上述目的本发明的技术方案如下: [0008] 一种北斗授时模块在配电网故障测距时误差的修正方法,包括如下步骤: [0009] 步骤一、接收机接收卫星发射的射频信号,通过下变频得到数字基带信号,基带对数字基带信号进行捕获和跟踪,再进行数据译码,得到两方面的数据:一方面为导航电文,所述导航电文中包含了钟差参数、电离层延迟参数、对流层延迟参数;另一方面在跟踪过程中得到伪距,所述伪距为卫星与接收机的距离; [0010] 步骤二、将所述钟差参数进行钟差效应修正,得到钟差修正值;将所述对流层延迟参数进行对流层效应修正,得到对流层修正值;将所述电离层延迟参数进行电离层效应修正,得到电离层修正值; [0011] 步骤三、将所述钟差修正值、对流层修正值、电离层修正值与伪距,代入到伪距修正计算式中,得到修正后的伪距; [0012] 步骤四、重复步骤一到步骤三,得到4个修正后的伪距,利用修正后的伪距建立定位方程组,得到接收机与卫星的钟差;通过接收机与卫星的钟差对本地时钟进行修正,得到卫星系统时; [0013] 步骤五、所述基带捕获跟踪后,遇到整秒的同步头则产生原始的1PPS,将原始的1PPS产生的信号传输时延进行扣除,所述信号传输时延的计算过程为:将修正后的伪距除以光速,得到信号空间传输的时延;进行接收机时延计算,所述接收机时延通过测试得到; 将所述原始的1PPS产生的信号传输时延进行扣除后,再将接收机时延进行扣除,最终得到真实的1PPS; [0014] 步骤六、当配网线路内部故障时产生的故障暂态电流行波信号由故障测距定位装置进行接收,所述故障测距定位装置包括北斗授时模块、暂态电压行波波头测量传感器模块、主MCU;所述暂态电压行波波头测量传感器模块用于接收故障暂态电流行波信号;所述北斗授时模块内部设有与真实的1PPS脉冲同步的高稳定度晶振构成的时钟;所述主MCU精确记录下故障暂态电流行波信号的到达时刻;故障测距定位装置的定位原理如下: [0015] 配网线路内部故障时产生的故障暂态电流行波信号以相同的传播速度v到达线路两端的母线,线路两端的母校分别为M端和N端,故障暂态电流行波信号到达M端和N端母线的时刻分别为TM和TN,M端和N端母线到故障点的距离的精准计算公式为: [0016] [0017] [0018] 式中:DMK是M端母线到故障点的距离、DNK是N端母线到故障点的距离,L为线路MN的长度,所述线路为架空线路或电缆线路。 [0019] 进一步的,所述步骤二的具体步骤如下: [0020] S1.所述钟差效应修正的方式为: [0021] 钟差效应修正采用GNSS时差监测接收机钟差修正方法,得到钟差修正值; [0022] S2.所述电离层效应修正的方式为: [0023] 建立电离层延迟单频改正模型,所述电离层延迟单频改正模型为: [0024] 式中:D=5ns,为电离层延迟的夜间值、P为周期、A为振幅、t为地方时、初始相位Tp=50400s、Δt3为电离层修正值、MF为投影函数;所述投影函数将刺穿点天顶方向电离层延迟变换成信号传播方向的电离层延迟;所述投影函数的计算公式为: [0025] 式中:Z为接收机天顶距、RE为地球平均半径、一般取为6371km、hion为电离层平均高度、一般取为350km、SinZ是Z的三角函数; [0026] 振幅A和周期P的计算公式为: [0028] 所述电离层延迟单频改正模型也可写为实用公式: [0029] 式中: [0030] S3.所述对流层效应修正的方式为:建立总大气延迟计算模型: [0031] [0032] 式中:HT=40136+148.72(T0‑273.15)、HW=11000; [0033] 其中:HT为干大气层顶高单位为m、HW为湿大气层顶高单位为m、P0为地面气压单位为mbar、T0为地面湿度单位为T、e0为地面水气压单位为mbar、h为相对大地水准面的高度单2 2 5 2 位为米、参数k1=77.6K/mbar、k2=71.6K/mbar、k3=3.747×10K/mbar。 [0034] 进一步的,所述步骤三的具体步骤如下: [0035] 所述伪距修正计算式为:ρn=ρ′n‑c·(Δt1+Δt2+Δt3) [0036] 式中:Δt1为钟差修正值、Δt2为对流层修正值、ρ′n为测得第n颗卫星伪距、c为光速。 [0037] 进一步的,所述步骤四的具体步骤如下: [0038] 所述定位方程组为: [0039] [0040] 式中:(xu,yu,zu)为接收机的位置;(xu,yu,zu)(n=1,2,…)为已知卫星的位置;ρn为修正后的第n颗卫星伪距;Δtu为接收机与卫星的钟差;若已知接收机的确切位置,则有: [0041] [0042] 即接收1颗卫星的数据即可计算出Δtu,得到GPS系统时。 [0044] 进一步的,所述北斗授时模块由行波检测模块、受时对时模块、北斗模块组成。 [0045] 相对现有技术,本发明的技术方案的优点在于: [0046] 信号捕获成功后,经译码等数据处理,获得电文信号,利用电文信号中的参数进行钟差效应修正、对流层效应修正、电离层效应修正,利用修正后的参数得到修正后的伪距,利用多个修正后的伪距,得到GPS系统时;利用修正后的伪距进行接收机时延计算,利用接收机时延对原始的1PPS进行时延修正,得到精确的授时,可以提高定时的可靠性和准确性;在配电网故障暂态电流行波信号出现时,利用故障测距定位装置对故障点进行精准定位,实现线路两端的装置的时间同步误差平均不超过100ns,而由此产生的绝对测距误差不超过30m。 附图说明 [0047] 图1为时延计算与修正流程图; [0048] 图2为故障线路模型示意图; [0049] 图3为秒信号与消息的时序关系图; [0050] 图4为天线和馈线的延时示意图; [0051] 图5为射频通道和信号处理的时延示意图; [0052] 图6为北斗授时模块框图。具体实施方式: [0053] 以下结合附图及较佳实例对本发明做进一步说明。 [0054] 实施例1 [0055] 本发明实施提供一种北斗授时模块在配电网故障测距时误差的修正方法,具体实施方式如下: [0056] 如图1所示,导航卫星信号经天线接收,下变频和A/D采样后得到数字基带信号;本地接收机的码发生器产生与卫星C/A码一致的码片,对数字基带信号进行相关处理;当捕获和跟踪实现后,本地将产生相关峰值脉冲;设检测到子帧1的遥测字TLW的同步码时刻为tacq;假设天线及射频通道延迟固定,由于接收机的流水作业处理流程,tacq时刻与含同步码卫星信号进入天线时刻tant之间的延迟是固定的;利用电文信号中的钟差等参数进行钟差效应修正;利用获取的对流层修正参数进行对流层效应修正;利用获取的电离层参数进行电离层效应修正;最终得到修正后的伪距。 [0057] 接收机可同时接收多颗卫星信号,得到多个修正后的伪距,建立定位方程;对定位方程进行求解可获得自身位置,同时定位方程还可解算出本地钟差;由于导航电文中具有星历参数,可计算出卫星位置,因此可获得卫星与接收机的精确距离,进而计算出信号传播距离的时间修正值,对本地时间进行修正,即可恢复出GPS系统时。 [0058] 在遮挡环境固定点授时模式下,用户可以精度定位后人工输入位置坐标,接收机根据该坐标进行授时解算,就不再进行定位了;接收机也可自动定位,根据PDOP因子对定位结果进行优化,采用优化后的结果作为授时算法的依据;因此定位成功后,就不再进行定位解算,仅进行时延修正;可减少由于遮挡环境卫星数量不足导致定位位置的大幅变化,提高定时的可靠性和准确性。 [0059] 利用故障测距定位装置对配电网中的故障点进行精确定位,故障测距定位装置由暂态电压行波波头测量传感器模块、北斗授时模块、主MCU组成;北斗授时模块由行波检测模块、受时对时模块、北斗模块组成;北斗授时模块通过内部高稳定度晶振构成的时钟,由来自北斗授时模块接收到的1PPS脉冲同步,使其走时误差控制在在1us以内;在配电网故障暂态电流行波信号出现时,信号触发主MCU精确记录行波脉冲信号到达时刻。 [0060] 暂态电压行波波头测量传感器模块的响应速度可在10ns以内,能快速捕捉行波波头的暂态突变信号,测距误差在50m,暂态电压行波波头测量传感器模块可广泛应用于配电网故障处理终端(如站所终端DTU、馈线终端FTU、配变监测终端TTU); [0061] 如图2所示,设故障初始行波浪涌以相同的传播速度v(架空线路接近光速,约294km/ms左右,电缆线路约160km/ms)到达M端和N端母线(形成各端第一个反向行波浪涌)的时刻(时间标签)分别为TM和TN,M端和N端母线到故障点的距离的精准计算公式为: [0062] [0063] [0064] 式中,DMK和DNK分别是M端和N端母线到故障点的距离,L为线路MN的长度,线路为架空线路或电缆线路。 [0065] 北斗授时模块引脚定义如表1所示。 [0066] 表1 [0067]引脚 信号定义 功能 1 天线电源 +5.0V直流电源 2 +3.3V DC +3.3V直流电源 3 TXD 发送,LVCMOS逻辑电平 4 Reserved 保留 5 RXD 接收,LVCMOS逻辑电平 6 TIMEPULSE 秒脉冲,LVCMOS逻辑电平 7 Reserved 保留 8 GND 地 [0068] 北斗授时模块的第6脚为定时脉冲输出,和消息的时序关系如图3;消息采用异步串口传输,波特率9600bps,1个起始位,1个停止位,无奇偶校验位。 [0069] 实施例2 [0070] 结合实施例1对接收机延时计算作进一步说明。 [0071] 接收机从接收到卫星信号到恢复出系统时间,这期间存在一个延时;该延时主要可分为两方面:一是天线和馈线的延时;二是信号进入射频通道后,经下变频,信号处理后,恢复出1PPS的延时。由图4所示,天线和馈线的延时包括天线头的延时△t4和馈线的延时△t5;天线头内部的处理流程包括放大和滤波,放大器的延时通过计算信号传输的长度可获得,滤波器的延时通过计算信号传输的长度和滤波器的相移即可获得;馈线的传输通过精确计算信号传输的长度。 [0072] 信号通过天线和馈线的传输,到达设备射频通道的入口,通过混频、滤波和自动增益调节,转为模拟中频;这段延时通常称为射频通道延时△t6;射频通道由频率综合、下变频处理、数控衰减器控制组成;频率综合完成基准频率的锁相倍频,提供下变频处理的本振频率综合;下变频处理采用两级变频方案,完成输入射频信号到中频变换,数控衰减根据输入信号功率实现中频信号的可变增益控制,保证中频信号在A/D采样处理有效量化范围。 [0073] 如图5所示,射频模块输出的模拟中频经A/D转换后变为数字中频,在信号处理单元主要完成载波同步、伪码捕获和跟踪,解调、解扩,帧同步。一旦帧同步后则会产生时标,该时标通常为恢复出的1PPS;信号处理部分的延时定义为△t7;因此该1PPS与卫星信号的溯源原始1PPS相比,除了经历上述延时外,还包括了信号从中心站传输到卫星、再从卫星传输到地面的时间延时;该段延时需要将卫星的位置计算出来,进而得到信号传输的延时;将信号传输的延时扣除,即可恢复出原始的1PPS。 [0074] 以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明做任何形式上的限制,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内,依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。 |