基于GPS的电压向量测量的新方法及其应用

其中，C1、C2为两端计数器的读数，f0为电网频率。

显然，这种方法所得的结构与电网频率无关，也不必靠高稳定度的高频恒温晶振获取纳秒级时标。得到的相位值不会受到电网频率波动的影响，得出的数据准确度高，而且采用的器件对环境适应能力强，有较高的性价比，非常适合在各种工业环境下推广使用。

3 GPS测量电压向量的工作程序

GPS接收机至少提供两种形式的时间信号，即1PPS（每秒输出1个脉冲）信号和串口时间代码。1PPS的脉冲时间与世界协调时间（Universal Coordinated Time，缩写为UCT）的秒的同步误差不超过1μs；串口信息在1PPS脉冲之间给出，其中包括的时间信息用来说明前一个1PPS脉冲对应的UCT时间（年、月、日、时、分、秒）。许多接收机产品还能提供100PPS（每秒输出100个脉冲）信号，其时钟精度可达纳秒级。在本装置中采用这三种信号同步测量电压向量。

本装置可以对每一周期的相差进行采集。为了方便计算，方案采用主从机预约时间每次采样1秒或几秒的方式测量电压向量（本文以采样1秒为例进行说明）。参见图2，主从机预约时间GPS的1PPS信号为准，单片机控制与门的开关，从而对计数器采样1秒钟（同时也对电压幅值采样1秒钟）。在单片机输出高电平的1秒钟内，100PPS信号作为于锁存器，同时单片机内部对每一个100PPS脉冲信号进行中断处理，读取计数器的锁存器锁存的值及电压幅值，送入内存中依次排列起来。等待1秒钟后，从机将采样的数据发送到主机，主机再依次对数据进行计算处理，得出这1秒钟内的二次压降值及其补偿值，分别送到上位机和补偿模块。

图3为采样子程序流程图。当单片机主程序调用它时，子程序首先读取主从机预约的采样起始时间，在约定起始时间到来时打开与门（单片机输出高电平），同时打开100PPS的中断响应，开始等待下一秒钟GPS的1PPS脉冲信号。其间，系统每个周期采样一次电压幅值和计数器值。在下一秒钟的1PPS脉冲到来时，禁止响应100PPS中断，关闭与门（单片机输出低电平），返回主程序。在不需要采样的时段里，单片机一直输出低电平。其中，Ti是主从机预约的第i个电压向量采集时间。

图4

    图4为GPS信号及电网信号的时序图。由于电网频率是变化的，电压过零脉冲相对GPS的100PPS时钟的位置也是随机变化的，如图5所示。在计算相位差δ时，当100PPS脉冲发生在δ之外，就是前面已经介绍过的（如图4所示），此时|ΔC|<15°，δ=C1-C2。当100PPS脉冲发生在δ之间需要注意以下情况（相位差值正常情况下不会大于15°）;

第一种情况，首端电压相位超前，此时ΔC<-15°，δ=φ1+φ2=C1-C2+360°；

第二种情况，末端电压相位超前，此时ΔC>15°，δ=-(φ1+φ2)=C1-C2+360°。

综合上述三种情况，相位差为：

式中，ΔC=C1-C2。

本文在过去工作的基础上，对基于GPS的电压向量测量进行了改进，得出了一种适应性更广、精确度更高的测量方法，并在电压互感器二次线路压降补偿中进行了初步应用。该方法保证了电压测量具有方便、实时、功耗低、性价比高的特点。