GPS衛星同步時鐘系統在綜自變電站中的應用

前言
近幾年來，隨著變電站自動化水平的提高，在綜自變電站中計算機監控系統、微機保護裝置、微機故障錄波裝置以及各類數據管理機得到了廣泛的應用，而這些自動裝置的配合工作需要有一個精確統一的時間。當電力系統發生故障時，既可實現全站各系統在統一時間基準下的運行監控和事故后故障分析，也可以通過各保護動作、開關分合的先后順序及準確時間來分析事故的原因及過程。隨著電網的日益復雜、裝機容量的提高和電網的擴大，提供標準時間的時鐘基準成為電廠、變電站乃至整個電力系統的迫切需要，時鐘的統一是保證電力系統安全運行，提高運行水平的一個重要措施，是綜自變電站自動化系統的最基本要求之一。
一、GPS時鐘衛星同步系統的優越性
　　變電站采用不同廠家的計算機監控系統、自動化及線路微機保護裝置、故障錄波裝置、電能量計費系統、SCADA系統等，變電站時間同步形式主要有以下幾種：
　　（1）各設備提供商采用各自獨立的時鐘，而各時鐘因產品質量的差異，在對時精度上都有一定的偏差，從而使全廠各系統不能在統一時間基準的基礎上進行數據分析與比較，給事后正確的故障分析判斷帶來很大隱患。
　　（2）通過主站對時方式實現對時，調度中心主站通過通信通道下發對時命令同步系統內各個電站的時鐘，這種方式需要專用的通信通道，由于從調度中心到達各個變電站的距離不一樣，通信延時也不一樣，因此只能保證系統時鐘在100毫秒級誤差的水平。
　　（3）采用一臺小型GPS接收機，提供多個RS232端口，用串口電纜逐一連接到各個計算機，實現時間同步。但事實上這種同步方式也存在缺點，使用的電纜長度不能過長；服務器的反應速度、客戶機的延遲都直接影響對時精度。而且各站往往有不同的裝置需要接收時鐘同步信號，接口不一，如RS-232/422/485串行口、脈沖、IRIG-B碼、DCF77格式接口等；裝置的數量也不等，造成GPS裝置的某些類型接口數量不夠或缺少某種類型的接口，需要增加一臺甚至數臺GPS接收機，而這往往受到資金不足或沒有安裝位置等限制。
（4）用GPS衛星時鐘同步系統對時。GPS（全球定位系統Global Positioning System），美國軍方建立的全球衛星導航定位系統，由專門的接收器接收衛星發射的信號，可以獲得位置、時間和其它相關信息。GPS系統每秒發送一次信號，其時間精度在1μs以內，在任何時刻、在全球任何位置均能可靠接收到信號，衛星不間斷地發送自身的星歷參數和時間信息，GPS發送的時間信息包含年、月、日、時、分、秒以及IPPS（標準秒）信號，因而具有很高的頻率精度（可達l0-12量級）和時間精度。在綜自變電站中采用GPS衛星同步時鐘系統有著明顯的優勢，可以實現全站各系統在統一GPS時間基準下的運行監控和事故后的故障分析。變電站的各種自動化設備（如故障錄波器、微機保護裝置、監控系統等），根據GPS提供的精確時鐘同步信號，統一變電站、調度中心的時間基準，在電力系統發生故障后，提高了SOE的時間準確性，大大提高了電力系統的安全穩定性，為分析故障的情況及斷路器動作的先后順序提供有力的證據，為電網安全穩定監視和控制系統創造了良好的技術條件。
GPS衛星時鐘同步系統很好地解決變電站統一時間基準的問題，實現站內甚至站間的準確對時，目前已經成為最佳的對時方案，也是技術發展的必然趨勢。根據《廣東電網110～220kV變電站自動化系統技術規范》要求，我們在近年的新建站或綜自改造站中均采用時間同步系統對變電站裝置進行校時。在05年9月份廣東電網公司發布了《廣東電網變電站GPS時間同步系統技術規范》，而此后的新建站或改造站GPS時間同步系統的管理、設計、安裝、測試和運行均按該技術規范要求實施。
二、GPS衛星時鐘同步系統的簡介及工作原理
　　GPS衛星時鐘同步系統利用RS232接口接收GPS衛星傳來的信號，然后經主CPU中央處理單元的規約轉換、當地時間轉換成滿足各種要求的接口標（RS232/RS422/RS485等）和時間編碼輸出（IRIG_B 碼，ASCII 碼等）。GPS衛星時鐘同步系統一般由GPS衛星信號接收部分、CPU部分、輸出或擴展部分、電源部分、人機交互模塊部分組成。
　　GPS時鐘同步系統主要有同步脈沖輸出、串行時間信息輸出和IRIG-B碼輸出三種對時方式。脈沖同步輸出方式，即同步時鐘每隔一定的時間間隔輸出一個精確的同步脈沖。被授時裝置在接收到同步脈沖后進行對時，消除裝置內部時鐘的走時誤差。脈沖同步的缺點是無法直接提供時間信息，被授時裝置如果時間源就出錯，會一直錯誤走下去。串行同步輸出方式，是將時刻信息以串行數據流的方式輸出。各種被授時裝置接收每秒一次的串行時間信息獲得時間同步，在未接收到廣播對時令的這段時間間隔內，裝置時鐘存在自身走時誤差問題，使用串行方式對時比脈沖對時方式復雜，另外在接收過程中，信息處理耗費的時間也會影響對時精度，所以主要用于給事件加上時間標記，如果要提高對時精度，現場應用時還需要再給出秒對時脈沖信號。利用1PPS（秒脈沖）信號的上升沿來實現外部時鐘與GPS時鐘的同步以及將同步誤差抑制在滿足系統精度要求范圍之內。
　　IRIG-B碼輸出方式，IRIG組織發布的用于各系統時間同步的時間碼標準,其中應用最廣泛的是IRIG-B版本，簡稱B碼。B碼以BCD碼方式輸出，每秒輸出一次，內含100個脈沖，輸出的時間信息為：秒、分、時，日期順序排列。B碼信號一般有（TTL）電平方式、RS422電平方式、RS232電平方式、調制信號（AM）四種形式。脈沖對時和串行口對時各有優缺點，前者精度高但是無法直接提供時間信息；而后者對時精度比較低，尤其是多小室模式或者監控系統中有多個管理機、多個子系統的時候時間精度受串口通信時延的影響尤為突出。B碼對時兼顧了兩者的優點，是一種精度很高并且又含有標準的時間信息的對時方式，當變電站的智能設備采用B碼對時，就不再需要現場總線的通信報文對時,也不再需要GPS輸出大量脈沖接點信號。按技術規范規定凡新投運的需授時變電站自動化系統間隔層設備，原則上應采用IRIG-B碼（DC）時鐘同步信號。
三、GPS衛星時鐘同步系統在綜自變電站中的接入與應用
　　現行的GPS衛星時鐘同步系統支持硬對時（脈沖節點PPS、PPM、PPH）、軟對時（串口報文）、編碼對時（IRIG-B、DCF77）和網絡NTP對時，滿足國內外不同設備的對時接口要求，變電站內微機保護裝置、測控裝置、故障錄波器、自動化系統站控層設備等均可接入GPS時鐘同步系統。GPS對時接口一般有：RS232串口輸出、RS485串口輸出，非調制IRIG-B輸出信號，分脈沖1PPM輸出信號，秒脈沖1PPS輸出信號等。綜自變電站中往往有許多不同的新老裝置需要接收時鐘同步信號，其接口類型繁多，在實際的工程應用中往往是幾種對時方式結合在一起使用的，這樣就需要增加硬接點或網絡對時來統一時間。比如變電站自動化系統中有很多設備不支持B碼對時，則多采用串行口對時和1PPM脈沖對時相結合的對時方式，串行口對時將智能設備的時間基準精確到毫秒級，而1PPM每整分鐘發一個脈沖作用于智能裝置的時鐘清零線,從而實現時鐘的精確同步。具有B碼對時功能的智能裝置，原則上是不能再接受串行通信報文對時的，否則會出現時間跳變，而比較先進的智能裝置會在通信程序里增加一個判據，當B碼對時功能發生故障時才接受串行口的對時報文進行對時。
變電站的時鐘同步系統由主時鐘、時間信號傳輸通道、時間信號用戶設備接口（擴展裝置）組成。主時鐘一般設在變電站的控制中心，包括標準機箱、接收模塊、接收天線、電源模塊、時間信號輸出模塊等，對變電站設備和間隔層IED設備（包括智能電能表等）按要求實現GPS對時，并具有時鐘同步網絡傳輸校正措施。
　　結合實際的運行經驗和實際情況，以110kV中星站的綜自改造為例。在變電站保護室和高壓室各安裝一面GPS時間同步系統屏，配置一臺標準同步鐘本體，主時鐘完成GPS衛星信號的接收、處理，及向信號擴展裝置提供標準同步時間信號（RS422電平方式IRIG-B）；并且每臺主時鐘具有內部守時功能。各標準同步鐘本體應能接收兩路IRIG-B（DC）時碼時間信息功能。主時鐘內部的時鐘當接收到外部時間基準信號時，被外部時間基準信號同步，當接收不到外部時間基準信號恢復時，保持一定的走時準確度，直到外部時間基準信號恢復時自動切換到正常工作狀態。綜自改造的中星變電站是采用以太網方式組網，存在有些廠家的舊設備只存在RS232串口或RS485接口。新安裝的主變線路測控裝置、#1主變保護、#2主變保護及10kV高壓室的所有線路保護等都有B碼的接口，采用了422B碼對時，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同步時鐘裝置的B碼輸出標號段。110kV故障錄波器沒有B碼接口，空接點接入分脈沖和秒脈沖，實現硬接點對時。兩臺遠動主機的RS232串口分別接入GPS時間同步系統對時，#3主變壓器保護及110kV線路保護裝置為老型號，無法實現B碼對時，和當地監控后臺也只能通過遠動主機實現綜自網絡對時。
　　在500kV博羅站，如圖1所示，500kV繼保小室和220kV繼保小室內各設1套主時鐘，負責本小室二次設備的對時，包括軟對時、硬對時（1PPS、1PPM、差分信號）、編碼對時（IRIG－B、DCF77）。保護小室主時鐘的時間信號接收單元除了接收本小室的GPS時間信號外，還接收另一小室的GPS時間信號作為備用的標準時間源輸人（通過光纖以IRIG－B時碼方式輸入），兩臺主時鐘之間能夠互為備用,當一個小室的時間信號接受單元出現問題時（例如跟蹤不到衛星、天線受損等），自動切換到另一小室GPS上，獲取標準時間信號，保證本小室對時信號正常輸出。另外，在主控室設一套擴展時鐘，主時鐘和時間擴展裝置之間通過光纖連接，時間信號接收單元分別從兩臺主時鐘獲取時間信號，互為備用，自動切換，完成對本室設備的對時，擴展裝置接受主時鐘提供的時間信息，經過擴展向其它裝置提供多路輸出接口。

為保證GPS衛星同步時鐘系統的功能、精度和效率，應做好日常的保養和維護工作，應定時對GPS對時系統各個部件進行檢查，首先應檢查裝置顯示面板上的天線信號是否正常，再檢查顯示面板上鎖定的衛星數量（一般應大于3），以上兩項正常后再用顯示面板上所顯示的時間與各個對時設備上所顯示或打印的時間進行比對，以確認對時系統內所有參與對時的設備的對時單元工作正常，定時對系統內的各個部件進行巡檢以保證整個系統的可靠性。
在GPS屏內還應加裝監視裝置,運行狀態的告警接點輸出，包括電源消失告警、IRIG-B信號消失告警以及本裝置自檢異常告警以便及時反應GPS運行情況。正常工作時，電源指示應該正常，“1PPS”脈沖指示燈每秒閃爍一次，當發出“IRIG-B信號消失告警”表示本機未正確收到IRIG-B的輸入信號，應做進一步檢查。
四、結束語
GPS衛星同步時鐘系統在綜自改造站中和新建站中廣泛應用，它不但能有效地減少檢修和運行人員的工作量，還使我們變電站內大多數的運行設備有了統一、標準的時間基準，方便對運行中出現的各種事件的分析和追溯，提高了電力系統的自動化水平，為變電站乃至整個電網向更高管理層次邁進提供強有力的技術保障。