GPS衛(wèi)星同步時(shí)鐘系統(tǒng)在綜自變電站中的應(yīng)用

前言
近幾年來,，隨著變電站自動(dòng)化水平的提高，在綜自變電站中計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),、微機(jī)保護(hù)裝置,、微機(jī)故障錄波裝置以及各類數(shù)據(jù)管理機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用，而這些自動(dòng)裝置的配合工作需要有一個(gè)精確統(tǒng)一的時(shí)間,。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),，既可實(shí)現(xiàn)全站各系統(tǒng)在統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)下的運(yùn)行監(jiān)控和事故后故障分析，也可以通過各保護(hù)動(dòng)作,、開關(guān)分合的先后順序及準(zhǔn)確時(shí)間來分析事故的原因及過程,。隨著電網(wǎng)的日益復(fù)雜,、裝機(jī)容量的提高和電網(wǎng)的擴(kuò)大，提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)鐘基準(zhǔn)成為電廠,、變電站乃至整個(gè)電力系統(tǒng)的迫切需要,，時(shí)鐘的統(tǒng)一是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，提高運(yùn)行水平的一個(gè)重要措施,，是綜自變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的最基本要求之一,。
一、GPS時(shí)鐘衛(wèi)星同步系統(tǒng)的優(yōu)越性
　　變電站采用不同廠家的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),、自動(dòng)化及線路微機(jī)保護(hù)裝置,、故障錄波裝置、電能量計(jì)費(fèi)系統(tǒng),、SCADA系統(tǒng)等,，變電站時(shí)間同步形式主要有以下幾種：
　　（1）各設(shè)備提供商采用各自獨(dú)立的時(shí)鐘,，而各時(shí)鐘因產(chǎn)品質(zhì)量的差異,，在對(duì)時(shí)精度上都有一定的偏差，從而使全廠各系統(tǒng)不能在統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與比較,，給事后正確的故障分析判斷帶來很大隱患,。
　　（2）通過主站對(duì)時(shí)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí),，調(diào)度中心主站通過通信通道下發(fā)對(duì)時(shí)命令同步系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)電站的時(shí)鐘,，這種方式需要專用的通信通道，由于從調(diào)度中心到達(dá)各個(gè)變電站的距離不一樣,，通信延時(shí)也不一樣,，因此只能保證系統(tǒng)時(shí)鐘在100毫秒級(jí)誤差的水平。
　?。?）采用一臺(tái)小型GPS接收機(jī),，提供多個(gè)RS232端口，用串口電纜逐一連接到各個(gè)計(jì)算機(jī),，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步,。但事實(shí)上這種同步方式也存在缺點(diǎn)，使用的電纜長(zhǎng)度不能過長(zhǎng),；服務(wù)器的反應(yīng)速度,、客戶機(jī)的延遲都直接影響對(duì)時(shí)精度。而且各站往往有不同的裝置需要接收時(shí)鐘同步信號(hào),，接口不一,，如RS-232/422/485串行口、脈沖,、IRIG-B碼,、DCF77格式接口等,；裝置的數(shù)量也不等，造成GPS裝置的某些類型接口數(shù)量不夠或缺少某種類型的接口,，需要增加一臺(tái)甚至數(shù)臺(tái)GPS接收機(jī)，而這往往受到資金不足或沒有安裝位置等限制,。
（4）用GPS衛(wèi)星時(shí)鐘同步系統(tǒng)對(duì)時(shí),。GPS（全球定位系統(tǒng)Global Positioning System），美國軍方建立的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),，由專門的接收器接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào),，可以獲得位置、時(shí)間和其它相關(guān)信息,。GPS系統(tǒng)每秒發(fā)送一次信號(hào),，其時(shí)間精度在1μs以內(nèi)，在任何時(shí)刻,、在全球任何位置均能可靠接收到信號(hào),，衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時(shí)間信息，GPS發(fā)送的時(shí)間信息包含年,、月,、日、時(shí),、分,、秒以及IPPS（標(biāo)準(zhǔn)秒）信號(hào)，因而具有很高的頻率精度（可達(dá)l0-12量級(jí)）和時(shí)間精度,。在綜自變電站中采用GPS衛(wèi)星同步時(shí)鐘系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)勢(shì),，可以實(shí)現(xiàn)全站各系統(tǒng)在統(tǒng)一GPS時(shí)間基準(zhǔn)下的運(yùn)行監(jiān)控和事故后的故障分析。變電站的各種自動(dòng)化設(shè)備（如故障錄波器,、微機(jī)保護(hù)裝置,、監(jiān)控系統(tǒng)等），根據(jù)GPS提供的精確時(shí)鐘同步信號(hào),，統(tǒng)一變電站,、調(diào)度中心的時(shí)間基準(zhǔn)，在電力系統(tǒng)發(fā)生故障后,，提高了SOE的時(shí)間準(zhǔn)確性,，大大提高了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，為分析故障的情況及斷路器動(dòng)作的先后順序提供有力的證據(jù),，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定監(jiān)視和控制系統(tǒng)創(chuàng)造了良好的技術(shù)條件,。
GPS衛(wèi)星時(shí)鐘同步系統(tǒng)很好地解決變電站統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)的問題，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)甚至站間的準(zhǔn)確對(duì)時(shí),，目前已經(jīng)成為最佳的對(duì)時(shí)方案,，也是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì),。根據(jù)《廣東電網(wǎng)110～220kV變電站自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》要求，我們?cè)诮甑男陆ㄕ净蚓C自改造站中均采用時(shí)間同步系統(tǒng)對(duì)變電站裝置進(jìn)行校時(shí),。在05年9月份廣東電網(wǎng)公司發(fā)布了《廣東電網(wǎng)變電站GPS時(shí)間同步系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》,，而此后的新建站或改造站GPS時(shí)間同步系統(tǒng)的管理、設(shè)計(jì),、安裝,、測(cè)試和運(yùn)行均按該技術(shù)規(guī)范要求實(shí)施。
二,、GPS衛(wèi)星時(shí)鐘同步系統(tǒng)的簡(jiǎn)介及工作原理
　　GPS衛(wèi)星時(shí)鐘同步系統(tǒng)利用RS232接口接收GPS衛(wèi)星傳來的信號(hào),，然后經(jīng)主CPU中央處理單元的規(guī)約轉(zhuǎn)換、當(dāng)?shù)貢r(shí)間轉(zhuǎn)換成滿足各種要求的接口標(biāo)（RS232/RS422/RS485等）和時(shí)間編碼輸出（IRIG_B 碼,，ASCII 碼等）,。GPS衛(wèi)星時(shí)鐘同步系統(tǒng)一般由GPS衛(wèi)星信號(hào)接收部分、CPU部分,、輸出或擴(kuò)展部分,、電源部分、人機(jī)交互模塊部分組成,。
　　GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)主要有同步脈沖輸出,、串行時(shí)間信息輸出和IRIG-B碼輸出三種對(duì)時(shí)方式。脈沖同步輸出方式,，即同步時(shí)鐘每隔一定的時(shí)間間隔輸出一個(gè)精確的同步脈沖,。被授時(shí)裝置在接收到同步脈沖后進(jìn)行對(duì)時(shí)，消除裝置內(nèi)部時(shí)鐘的走時(shí)誤差,。脈沖同步的缺點(diǎn)是無法直接提供時(shí)間信息,，被授時(shí)裝置如果時(shí)間源就出錯(cuò)，會(huì)一直錯(cuò)誤走下去,。串行同步輸出方式,，是將時(shí)刻信息以串行數(shù)據(jù)流的方式輸出。各種被授時(shí)裝置接收每秒一次的串行時(shí)間信息獲得時(shí)間同步,，在未接收到廣播對(duì)時(shí)令的這段時(shí)間間隔內(nèi),，裝置時(shí)鐘存在自身走時(shí)誤差問題，使用串行方式對(duì)時(shí)比脈沖對(duì)時(shí)方式復(fù)雜,，另外在接收過程中,，信息處理耗費(fèi)的時(shí)間也會(huì)影響對(duì)時(shí)精度，所以主要用于給事件加上時(shí)間標(biāo)記,，如果要提高對(duì)時(shí)精度,，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)還需要再給出秒對(duì)時(shí)脈沖信號(hào)。利用1PPS（秒脈沖）信號(hào)的上升沿來實(shí)現(xiàn)外部時(shí)鐘與GPS時(shí)鐘的同步以及將同步誤差抑制在滿足系統(tǒng)精度要求范圍之內(nèi),。
　　IRIG-B碼輸出方式,，IRIG組織發(fā)布的用于各系統(tǒng)時(shí)間同步的時(shí)間碼標(biāo)準(zhǔn),其中應(yīng)用最廣泛的是IRIG-B版本,，簡(jiǎn)稱B碼。B碼以BCD碼方式輸出,，每秒輸出一次,，內(nèi)含100個(gè)脈沖，輸出的時(shí)間信息為：秒,、分,、時(shí)，日期順序排列,。B碼信號(hào)一般有（TTL）電平方式、RS422電平方式,、RS232電平方式,、調(diào)制信號(hào)（AM）四種形式。脈沖對(duì)時(shí)和串行口對(duì)時(shí)各有優(yōu)缺點(diǎn),，前者精度高但是無法直接提供時(shí)間信息,；而后者對(duì)時(shí)精度比較低，尤其是多小室模式或者監(jiān)控系統(tǒng)中有多個(gè)管理機(jī),、多個(gè)子系統(tǒng)的時(shí)候時(shí)間精度受串口通信時(shí)延的影響尤為突出,。B碼對(duì)時(shí)兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn)，是一種精度很高并且又含有標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信息的對(duì)時(shí)方式,，當(dāng)變電站的智能設(shè)備采用B碼對(duì)時(shí),，就不再需要現(xiàn)場(chǎng)總線的通信報(bào)文對(duì)時(shí),也不再需要GPS輸出大量脈沖接點(diǎn)信號(hào)。按技術(shù)規(guī)范規(guī)定凡新投運(yùn)的需授時(shí)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)間隔層設(shè)備,，原則上應(yīng)采用IRIG-B碼（DC）時(shí)鐘同步信號(hào),。
三、GPS衛(wèi)星時(shí)鐘同步系統(tǒng)在綜自變電站中的接入與應(yīng)用
　　現(xiàn)行的GPS衛(wèi)星時(shí)鐘同步系統(tǒng)支持硬對(duì)時(shí)（脈沖節(jié)點(diǎn)PPS,、PPM,、PPH）、軟對(duì)時(shí)（串口報(bào)文）,、編碼對(duì)時(shí)（IRIG-B,、DCF77）和網(wǎng)絡(luò)NTP對(duì)時(shí)，滿足國內(nèi)外不同設(shè)備的對(duì)時(shí)接口要求,，變電站內(nèi)微機(jī)保護(hù)裝置,、測(cè)控裝置、故障錄波器,、自動(dòng)化系統(tǒng)站控層設(shè)備等均可接入GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng),。GPS對(duì)時(shí)接口一般有：RS232串口輸出、RS485串口輸出,，非調(diào)制IRIG-B輸出信號(hào),，分脈沖1PPM輸出信號(hào),，秒脈沖1PPS輸出信號(hào)等。綜自變電站中往往有許多不同的新老裝置需要接收時(shí)鐘同步信號(hào),，其接口類型繁多,，在實(shí)際的工程應(yīng)用中往往是幾種對(duì)時(shí)方式結(jié)合在一起使用的，這樣就需要增加硬接點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)來統(tǒng)一時(shí)間,。比如變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中有很多設(shè)備不支持B碼對(duì)時(shí),，則多采用串行口對(duì)時(shí)和1PPM脈沖對(duì)時(shí)相結(jié)合的對(duì)時(shí)方式，串行口對(duì)時(shí)將智能設(shè)備的時(shí)間基準(zhǔn)精確到毫秒級(jí),，而1PPM每整分鐘發(fā)一個(gè)脈沖作用于智能裝置的時(shí)鐘清零線,從而實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的精確同步,。具有B碼對(duì)時(shí)功能的智能裝置，原則上是不能再接受串行通信報(bào)文對(duì)時(shí)的,，否則會(huì)出現(xiàn)時(shí)間跳變,，而比較先進(jìn)的智能裝置會(huì)在通信程序里增加一個(gè)判據(jù)，當(dāng)B碼對(duì)時(shí)功能發(fā)生故障時(shí)才接受串行口的對(duì)時(shí)報(bào)文進(jìn)行對(duì)時(shí),。
變電站的時(shí)鐘同步系統(tǒng)由主時(shí)鐘,、時(shí)間信號(hào)傳輸通道、時(shí)間信號(hào)用戶設(shè)備接口（擴(kuò)展裝置）組成,。主時(shí)鐘一般設(shè)在變電站的控制中心,，包括標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱、接收模塊,、接收天線,、電源模塊、時(shí)間信號(hào)輸出模塊等,，對(duì)變電站設(shè)備和間隔層IED設(shè)備（包括智能電能表等）按要求實(shí)現(xiàn)GPS對(duì)時(shí),，并具有時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)傳輸校正措施。
　　結(jié)合實(shí)際的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況,，以110kV中星站的綜自改造為例,。在變電站保護(hù)室和高壓室各安裝一面GPS時(shí)間同步系統(tǒng)屏，配置一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)同步鐘本體,，主時(shí)鐘完成GPS衛(wèi)星信號(hào)的接收,、處理，及向信號(hào)擴(kuò)展裝置提供標(biāo)準(zhǔn)同步時(shí)間信號(hào)（RS422電平方式IRIG-B）,；并且每臺(tái)主時(shí)鐘具有內(nèi)部守時(shí)功能,。各標(biāo)準(zhǔn)同步鐘本體應(yīng)能接收兩路IRIG-B（DC）時(shí)碼時(shí)間信息功能。主時(shí)鐘內(nèi)部的時(shí)鐘當(dāng)接收到外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)時(shí),，被外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)同步,，當(dāng)接收不到外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)恢復(fù)時(shí)，保持一定的走時(shí)準(zhǔn)確度，直到外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)恢復(fù)時(shí)自動(dòng)切換到正常工作狀態(tài),。綜自改造的中星變電站是采用以太網(wǎng)方式組網(wǎng),，存在有些廠家的舊設(shè)備只存在RS232串口或RS485接口。新安裝的主變線路測(cè)控裝置,、#1主變保護(hù),、#2主變保護(hù)及10kV高壓室的所有線路保護(hù)等都有B碼的接口，采用了422B碼對(duì)時(shí),，選用了RVVP兩芯的屏蔽通訊電纜,，1為+，2為—,，依次將各裝置接入GPS同步時(shí)鐘裝置的B碼輸出標(biāo)號(hào)段,。110kV故障錄波器沒有B碼接口，空接點(diǎn)接入分脈沖和秒脈沖,，實(shí)現(xiàn)硬接點(diǎn)對(duì)時(shí),。兩臺(tái)遠(yuǎn)動(dòng)主機(jī)的RS232串口分別接入GPS時(shí)間同步系統(tǒng)對(duì)時(shí)，#3主變壓器保護(hù)及110kV線路保護(hù)裝置為老型號(hào),，無法實(shí)現(xiàn)B碼對(duì)時(shí)，和當(dāng)?shù)乇O(jiān)控后臺(tái)也只能通過遠(yuǎn)動(dòng)主機(jī)實(shí)現(xiàn)綜自網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí),。
　　在500kV博羅站,，如圖1所示，500kV繼保小室和220kV繼保小室內(nèi)各設(shè)1套主時(shí)鐘,，負(fù)責(zé)本小室二次設(shè)備的對(duì)時(shí),，包括軟對(duì)時(shí)、硬對(duì)時(shí)（1PPS,、1PPM,、差分信號(hào)）、編碼對(duì)時(shí)（IRIG－B,、DCF77）,。保護(hù)小室主時(shí)鐘的時(shí)間信號(hào)接收單元除了接收本小室的GPS時(shí)間信號(hào)外，還接收另一小室的GPS時(shí)間信號(hào)作為備用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源輸人（通過光纖以IRIG－B時(shí)碼方式輸入）,，兩臺(tái)主時(shí)鐘之間能夠互為備用,當(dāng)一個(gè)小室的時(shí)間信號(hào)接受單元出現(xiàn)問題時(shí)（例如跟蹤不到衛(wèi)星,、天線受損等），自動(dòng)切換到另一小室GPS上,，獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào),，保證本小室對(duì)時(shí)信號(hào)正常輸出。另外,，在主控室設(shè)一套擴(kuò)展時(shí)鐘,，主時(shí)鐘和時(shí)間擴(kuò)展裝置之間通過光纖連接，時(shí)間信號(hào)接收單元分別從兩臺(tái)主時(shí)鐘獲取時(shí)間信號(hào)，互為備用,，自動(dòng)切換,，完成對(duì)本室設(shè)備的對(duì)時(shí)，擴(kuò)展裝置接受主時(shí)鐘提供的時(shí)間信息,，經(jīng)過擴(kuò)展向其它裝置提供多路輸出接口,。

為保證GPS衛(wèi)星同步時(shí)鐘系統(tǒng)的功能、精度和效率,，應(yīng)做好日常的保養(yǎng)和維護(hù)工作,，應(yīng)定時(shí)對(duì)GPS對(duì)時(shí)系統(tǒng)各個(gè)部件進(jìn)行檢查，首先應(yīng)檢查裝置顯示面板上的天線信號(hào)是否正常,，再檢查顯示面板上鎖定的衛(wèi)星數(shù)量（一般應(yīng)大于3）,，以上兩項(xiàng)正常后再用顯示面板上所顯示的時(shí)間與各個(gè)對(duì)時(shí)設(shè)備上所顯示或打印的時(shí)間進(jìn)行比對(duì)，以確認(rèn)對(duì)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)所有參與對(duì)時(shí)的設(shè)備的對(duì)時(shí)單元工作正常,，定時(shí)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)部件進(jìn)行巡檢以保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性,。
在GPS屏內(nèi)還應(yīng)加裝監(jiān)視裝置,運(yùn)行狀態(tài)的告警接點(diǎn)輸出，包括電源消失告警,、IRIG-B信號(hào)消失告警以及本裝置自檢異常告警以便及時(shí)反應(yīng)GPS運(yùn)行情況,。正常工作時(shí)，電源指示應(yīng)該正常,，“1PPS”脈沖指示燈每秒閃爍一次,，當(dāng)發(fā)出“IRIG-B信號(hào)消失告警”表示本機(jī)未正確收到IRIG-B的輸入信號(hào)，應(yīng)做進(jìn)一步檢查,。
四,、結(jié)束語
GPS衛(wèi)星同步時(shí)鐘系統(tǒng)在綜自改造站中和新建站中廣泛應(yīng)用，它不但能有效地減少檢修和運(yùn)行人員的工作量,，還使我們變電站內(nèi)大多數(shù)的運(yùn)行設(shè)備有了統(tǒng)一,、標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間基準(zhǔn)，方便對(duì)運(yùn)行中出現(xiàn)的各種事件的分析和追溯,，提高了電力系統(tǒng)的自動(dòng)化水平,，為變電站乃至整個(gè)電網(wǎng)向更高管理層次邁進(jìn)提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。