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

前言
近幾年來，隨著變電站自動化水平的提高，在綜自變電站中計算機監(jiān)控系統(tǒng)、微機保護裝置、微機故障錄波裝置以及各類數(shù)據(jù)管理機得到了廣泛的應(yīng)用，而這些自動裝置的配合工作需要有一個精確統(tǒng)一的時間。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，既可實現(xiàn)全站各系統(tǒng)在統(tǒng)一時間基準(zhǔn)下的運行監(jiān)控和事故后故障分析，也可以通過各保護動作、開關(guān)分合的先后順序及準(zhǔn)確時間來分析事故的原因及過程。隨著電網(wǎng)的日益復(fù)雜、裝機容量的提高和電網(wǎng)的擴大，提供標(biāo)準(zhǔn)時間的時鐘基準(zhǔn)成為電廠、變電站乃至整個電力系統(tǒng)的迫切需要，時鐘的統(tǒng)一是保證電力系統(tǒng)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(tǒng)的最基本要求之一。
一、GPS時鐘衛(wèi)星同步系統(tǒng)的優(yōu)越性
　　變電站采用不同廠家的計算機監(jiān)控系統(tǒng)、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(tǒng)、SCADA系統(tǒng)等，變電站時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立的時鐘，而各時鐘因產(chǎn)品質(zhì)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(tǒng)不能在統(tǒng)一時間基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進行數(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）通過主站對時方式實現(xiàn)對時，調(diào)度中心主站通過通信通道下發(fā)對時命令同步系統(tǒng)內(nèi)各個電站的時鐘，這種方式需要專用的通信通道，由于從調(diào)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(tǒng)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(xiàn)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(wù)器的反應(yīng)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(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，需要增加一臺甚至數(shù)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(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)對時。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，可以獲得位置、時間和其它相關(guān)信息。GPS系統(tǒng)每秒發(fā)送一次信號，其時間精度在1μs以內(nèi)，在任何時刻、在全球任何位置均能可靠接收到信號，衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時間信息，GPS發(fā)送的時間信息包含年、月、日、時、分、秒以及IPPS（標(biāo)準(zhǔn)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(wèi)星同步時鐘系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)全站各系統(tǒng)在統(tǒng)一GPS時間基準(zhǔn)下的運行監(jiān)控和事故后的故障分析。變電站的各種自動化設(shè)備（如故障錄波器、微機保護裝置、監(jiān)控系統(tǒng)等），根據(jù)GPS提供的精確時鐘同步信號，統(tǒng)一變電站、調(diào)度中心的時間基準(zhǔn)，在電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，提高了SOE的時間準(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)星時鐘同步系統(tǒng)很好地解決變電站統(tǒng)一時間基準(zhǔn)的問題，實現(xiàn)站內(nèi)甚至站間的準(zhǔn)確對時，目前已經(jīng)成為最佳的對時方案，也是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。根據(jù)《廣東電網(wǎng)110～220kV變電站自動化系統(tǒng)技術(shù)規(guī)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(tǒng)對變電站裝置進行校時。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時間同步系統(tǒng)的管理、設(shè)計、安裝、測試和運行均按該技術(shù)規(guī)范要求實施。
二、GPS衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)的簡介及工作原理
　　GPS衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)利用RS232接口接收GPS衛(wèi)星傳來的信號，然后經(jīng)主CPU中央處理單元的規(guī)約轉(zhuǎn)換、當(dāng)?shù)貢r間轉(zhuǎn)換成滿足各種要求的接口標(biāo)（RS232/RS422/RS485等）和時間編碼輸出（IRIG_B 碼，ASCII 碼等）。GPS衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)一般由GPS衛(wèi)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(tǒng)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(nèi)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(shù)據(jù)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(nèi)，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(fù)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(biāo)記，如果要提高對時精度，現(xiàn)場應(yīng)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(xiàn)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(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)時間同步的時間碼標(biāo)準(zhǔn),其中應(yīng)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(nèi)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(diào)制信號（AM）四種形式。脈沖對時和串行口對時各有優(yōu)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(jiān)控系統(tǒng)中有多個管理機、多個子系統(tǒng)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(yōu)點，是一種精度很高并且又含有標(biāo)準(zhǔn)的時間信息的對時方式，當(dāng)變電站的智能設(shè)備采用B碼對時，就不再需要現(xiàn)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(shù)規(guī)范規(guī)定凡新投運的需授時變電站自動化系統(tǒng)間隔層設(shè)備，原則上應(yīng)采用IRIG-B碼（DC）時鐘同步信號。
三、GPS衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)在綜自變電站中的接入與應(yīng)用
　　現(xiàn)行的GPS衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)支持硬對時（脈沖節(jié)點PPS、PPM、PPH）、軟對時（串口報文）、編碼對時（IRIG-B、DCF77）和網(wǎng)絡(luò)NTP對時，滿足國內(nèi)外不同設(shè)備的對時接口要求，變電站內(nèi)微機保護裝置、測控裝置、故障錄波器、自動化系統(tǒng)站控層設(shè)備等均可接入GPS時鐘同步系統(tǒng)。GPS對時接口一般有：RS232串口輸出、RS485串口輸出，非調(diào)制IRIG-B輸出信號，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(yīng)用中往往是幾種對時方式結(jié)合在一起使用的，這樣就需要增加硬接點或網(wǎng)絡(luò)對時來統(tǒng)一時間。比如變電站自動化系統(tǒng)中有很多設(shè)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(jié)合的對時方式，串行口對時將智能設(shè)備的時間基準(zhǔn)精確到毫秒級，而1PPM每整分鐘發(fā)一個脈沖作用于智能裝置的時鐘清零線,從而實現(xiàn)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(xiàn)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(jù)，當(dāng)B碼對時功能發(fā)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(tǒng)由主時鐘、時間信號傳輸通道、時間信號用戶設(shè)備接口（擴展裝置）組成。主時鐘一般設(shè)在變電站的控制中心，包括標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備和間隔層IED設(shè)備（包括智能電能表等）按要求實現(xiàn)GPS對時，并具有時鐘同步網(wǎng)絡(luò)傳輸校正措施。
　　結(jié)合實際的運行經(jīng)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(tǒng)屏，配置一臺標(biāo)準(zhǔn)同步鐘本體，主時鐘完成GPS衛(wèi)星信號的接收、處理，及向信號擴展裝置提供標(biāo)準(zhǔn)同步時間信號（RS422電平方式IRIG-B）；并且每臺主時鐘具有內(nèi)部守時功能。各標(biāo)準(zhǔn)同步鐘本體應(yīng)能接收兩路IRIG-B（DC）時碼時間信息功能。主時鐘內(nèi)部的時鐘當(dāng)接收到外部時間基準(zhǔn)信號時，被外部時間基準(zhǔn)信號同步，當(dāng)接收不到外部時間基準(zhǔn)信號恢復(fù)時，保持一定的走時準(zhǔn)確度，直到外部時間基準(zhǔn)信號恢復(fù)時自動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(biāo)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(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)B碼對時，和當(dāng)?shù)乇O(jiān)控后臺也只能通過遠動主機實現(xiàn)綜自網(wǎng)絡(luò)對時。
　　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套主時鐘，負(fù)責(zé)本小室二次設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)一個小室的時間信號接受單元出現(xiàn)問題時（例如跟蹤不到衛(wèi)星、天線受損等），自動切換到另一小室GPS上，獲取標(biāo)準(zhǔn)時間信號，保證本小室對時信號正常輸出。另外，在主控室設(shè)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(shè)備的對時，擴展裝置接受主時鐘提供的時間信息，經(jīng)過擴展向其它裝置提供多路輸出接口。

為保證GPS衛(wèi)星同步時鐘系統(tǒng)的功能、精度和效率，應(yīng)做好日常的保養(yǎng)和維護工作，應(yīng)定時對GPS對時系統(tǒng)各個部件進行檢查，首先應(yīng)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(wèi)星數(shù)量（一般應(yīng)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(shè)備上所顯示或打印的時間進行比對，以確認(rèn)對時系統(tǒng)內(nèi)所有參與對時的設(shè)備的對時單元工作正常，定時對系統(tǒng)內(nèi)的各個部件進行巡檢以保證整個系統(tǒng)的可靠性。
在GPS屏內(nèi)還應(yīng)加裝監(jiān)視裝置,運行狀態(tài)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(yīng)GPS運行情況。正常工作時，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信號消失告警”表示本機未正確收到IRIG-B的輸入信號，應(yīng)做進一步檢查。
四、結(jié)束語
GPS衛(wèi)星同步時鐘系統(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行人員的工作量，還使我們變電站內(nèi)大多數(shù)的運行設(shè)備有了統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的時間基準(zhǔn)，方便對運行中出現(xiàn)的各種事件的分析和追溯，提高了電力系統(tǒng)的自動化水平，為變電站乃至整個電網(wǎng)向更高管理層次邁進提供強有力的技術(shù)保障。