GPS技术在断路器控制器中的应用

王承宇 陈宇晨 侯 昀 陈卫兰

(1.上海工程技术大学电子电气工程学院，上海 201620；2.上海市电力公司，上海 200122； 3.南方电网乐昌供电局，广东 乐昌 512200)

随着对电力系统运行要求的提高和自动化技术的发展，对控制的响应提出了更高的要求。GPS的高精度定位功能，为电力系统的事故分析、故障测距、稳定判断与控制技术的发展提供了极大方便[1，2]。GPS是以全球24颗定位人造卫星为基础，向全球提供三维位置及速度等信息。只要有GPS接收机，就能在任何地点和时间进行测试和定位。各行业都开展了广泛的应用研究。GPS导航系统由地面控制部分，空间部分和用户装置3部分组成。地面控制部分又由主控站、地面天线、监测站及其通信辅助系统构成；空间部分由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面；用户装置部分则由GPS接收机和卫星天线组成。

电力行业应用GPS的研究已逐步到达实用阶段。笔者基于ARM技术和GPS技术，设计断路器控制器的快速定位终端，为实现对配电网中故障断路器的快速抢修提供精确的位置信息。

1 控制器主框架①

断路器控制器具有电流保护、距离保护、零序保护、环网常闭、环网常开、自动重合、故障录波及故障测距等功能。线上电压、电流经互感器转变为小信号，再经外部处理电路(如滤波及采样保持等)后在STM32F103VET6控制芯片里进行A/D转换与计算，然后通过主控制芯片进行通信和输出/输入控制。控制器与开关本体通过控制电缆和航空插件进行电气连接，实现保护与自动监控。本控制器还配有GPS卫星定位模块和GPRS通信模块，实现了定位和无线通信功能，当用户负荷侧发生相间短路故障或单相接地故障，控制器在执行保护动作的同时，向监控中心自动上传故障和开关信息，在后台软件地图上可标识出开关具体的地理位置，实现了故障点快速定位。笔者设计的断路器控制器主框架如图1所示。

图1 断路器控制器主框架

断路器控制器可配合10kV真空断路器，用于10kV线路及电器设备等的保护和控制。控制器集保护与控制单元于一体。

2 GPS模块

2.1 GPS定位原理

测量学中的交会法测量里有一种测距交会确定点位的方法。与其相似，GPS的定位原理就是利用空间分布的卫星和卫星与地面点的距离交会得出了地面点位置。设卫星已知坐标(ai，bi，ci)，接收机的位置为(ak，bk，ck)，近似值为(ak0，bk0，ck0)，改正数为(δa，δb，δc)，则有：

(1)

将式(1)展开为泰勒级数可取至一次项，并令：

则观测方程可表示为：

ρ′=ρ+cδt

考虑到电离层改正与对流层改正，并取：

则有：

(2)

式(2)中有4个未知数，至少需要4个卫星才可以求解。

设观察卫星数m≥4，则：

用矩阵表示为：

V=Xka+Lk

2.2 GPS模块的选择

笔者选用的GPS模块的核心为NEO-6模组，有50个通道，追踪灵敏度高达-161dBm，测量输出频率最高可达5Hz。GPS模块自带高性能无源陶瓷天线，兼容3.3V和5.0V单片机系统，并自带可充电后备电池(支持温启动或热启动)。GPS模块总共有4个管脚，具体为：RXD，模块接收脚(TTL电平)，接ARM的TXD；TXD，模块发送脚(TTL电平)，接ARM的RXD；GND，接地；VCC，电源，2.7～5.0V)。

通过GPS模块，单片机都可以很方便地实现GPS定位，GPS模块的电路如图2所示。

图2 GPS模块电路

2.3 GPS定位信息

U-blox的输出语句有十余种，其主要语句有GPALM(历书数据)、GPGGA(GPS标准数据，定位数据)、GPGSV(卫星状态)、GPGSA、GPRMC、GPVTG、PGRME、PGRMF、PGRMT、PGRMV(GARMIN定义的语句，3D速度信息)、LCGLL及LCVTG(NMEA标准语句)等。笔者选用GPGGA语句编写的GPS定位信息的程序为：

void NMEA_GPRMC_Analysis(nmea_msg*gpsx,u8*buf)

{

u8*p1,dx;

u8 posx;

u32 temp;

float rs;

p1=(u8*)

strstr((const char*)buf,"S|GPRMC");

if(posx!=0XFF)得到纬度

{

temp=NMEA_Str2num(p1+posx,&dx);

gpsx->latitude=temp/NMEA_Pow(10,dx+2);

rs=temp%NMEA_Pow(10,dx+2);gpsx->latitude=gpsx->latitude*NMEA_Pow(10,5)+(rs*NMEA_Pow(10,5-dx))/60;/

}

posx=NMEA_Comma_Pos(p1,4);if(posx!=0XFF)gpsx->nshemi=*(p1+posx);

posx=NMEA_Comma_Pos(p1,5);if(posx!=0XFF)得到经度

{ temp=NMEA_Str2num(p1+posx,&dx);

gpsx->longitude=temp/NMEA_Pow(10,dx+2);rs=temp%NMEA_Pow(10,dx+2);

gpsx->longitude=gpsx->longitude*NMEA_Pow(10,5)+(rs*NMEA_Pow(10,5-dx))/60;

}

posx=NMEA_Comma_Pos(p1,6);if(posx!=0XFF)gpsx->posslnum=NMEA_Str2num(p1+posx,&dx);得到高度

{

posx=NMEA_Comma_Pos(p1,9);}

}

3 GPS电子地图的设计与实现

控制器配有GPS定位模块和GPRS通信模块，当用户负荷侧故障时，控制器在执行保护动作的同时，向监控中心自动上传故障位置信息，然后上位机的GPS电子地图上可标识出故障断路器的地理位置，可为故障点快速定位。

GPS电子地图的数字地图库是以地图数字化数据为基础的数据库，是存储在计算机中的地图内容各要素(如断路器位置、输配电线路、地貌及居民地等)的数字信息文件、数据库管理系统及其他软件和硬件集合。通过数字地图库，可以迅速确定故障点，从而采取进一步的措施。

4 结束语

实际应用结果表明，笔者基于ARM技术和GPS技术，设计的电力行业断路器控制器的快速定位终端，在对配电网中故障断路器进行快速抢修时，提供了精确的位置信息。这为GPS在电力行业的实际应用开辟了新思路。