GPS卫星同步时钟系统在综自变电站中的应用

前言
近几年来，随着变电站自动化水平的提高，在综自变电站中计算机监控系统、微机保护装置、微机故障录波装置以及各类数据管理机得到了广泛的应用，而这些自动装置的配合工作需要有一个精确统一的时间。当电力系统发生故障时，既可实现全站各系统在统一时间基准下的运行监控和事故后故障分析，也可以通过各保护动作、开关分合的先后顺序及准确时间来分析事故的原因及过程。随着电网的日益复杂、装机容量的提高和电网的扩大，提供标准时间的时钟基准成为电厂、变电站乃至整个电力系统的迫切需要，时钟的统一是保证电力系统安全运行，提高运行水平的一个重要措施，是综自变电站自动化系统的最基本要求之一。
一、GPS时钟卫星同步系统的优越性
　　变电站采用不同厂家的计算机监控系统、自动化及线路微机保护装置、故障录波装置、电能量计费系统、SCADA系统等，变电站时间同步形式主要有以下几种：
　　（1）各设备提供商采用各自独立的时钟，而各时钟因产品质量的差异，在对时精度上都有一定的偏差，从而使全厂各系统不能在统一时间基准的基础上进行数据分析与比较，给事后正确的故障分析判断带来很大隐患。
　　（2）通过主站对时方式实现对时，调度中心主站通过通信通道下发对时命令同步系统内各个电站的时钟，这种方式需要专用的通信通道，由于从调度中心到达各个变电站的距离不一样，通信延时也不一样，因此只能保证系统时钟在100毫秒级误差的水平。
　　（3）采用一台小型GPS接收机，提供多个RS232端口，用串口电缆逐一连接到各个计算机，实现时间同步。但事实上这种同步方式也存在缺点，使用的电缆长度不能过长；服务器的反应速度、客户机的延迟都直接影响对时精度。而且各站往往有不同的装置需要接收时钟同步信号，接口不一，如RS-232/422/485串行口、脉冲、IRIG-B码、DCF77格式接口等；装置的数量也不等，造成GPS装置的某些类型接口数量不够或缺少某种类型的接口，需要增加一台甚至数台GPS接收机，而这往往受到资金不足或没有安装位置等限制。
（4）用GPS卫星时钟同步系统对时。GPS（全球定位系统Global Positioning System），美国军方建立的全球卫星导航定位系统，由专门的接收器接收卫星发射的信号，可以获得位置、时间和其它相关信息。GPS系统每秒发送一次信号，其时间精度在1μs以内，在任何时刻、在全球任何位置均能可靠接收到信号，卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，GPS发送的时间信息包含年、月、日、时、分、秒以及IPPS（标准秒）信号，因而具有很高的频率精度（可达l0-12量级）和时间精度。在综自变电站中采用GPS卫星同步时钟系统有着明显的优势，可以实现全站各系统在统一GPS时间基准下的运行监控和事故后的故障分析。变电站的各种自动化设备（如故障录波器、微机保护装置、监控系统等），根据GPS提供的精确时钟同步信号，统一变电站、调度中心的时间基准，在电力系统发生故障后，提高了SOE的时间准确性，大大提高了电力系统的安全稳定性，为分析故障的情况及断路器动作的先后顺序提供有力的证据，为电网安全稳定监视和控制系统创造了良好的技术条件。
GPS卫星时钟同步系统很好地解决变电站统一时间基准的问题，实现站内甚至站间的准确对时，目前已经成为最佳的对时方案，也是技术发展的必然趋势。根据《广东电网110～220kV变电站自动化系统技术规范》要求，我们在近年的新建站或综自改造站中均采用时间同步系统对变电站装置进行校时。在05年9月份广东电网公司发布了《广东电网变电站GPS时间同步系统技术规范》，而此后的新建站或改造站GPS时间同步系统的管理、设计、安装、测试和运行均按该技术规范要求实施。
二、GPS卫星时钟同步系统的简介及工作原理
　　GPS卫星时钟同步系统利用RS232接口接收GPS卫星传来的信号，然后经主CPU中央处理单元的规约转换、当地时间转换成满足各种要求的接口标（RS232/RS422/RS485等）和时间编码输出（IRIG_B 码，ASCII 码等）。GPS卫星时钟同步系统一般由GPS卫星信号接收部分、CPU部分、输出或扩展部分、电源部分、人机交互模块部分组成。
　　GPS时钟同步系统主要有同步脉冲输出、串行时间信息输出和IRIG-B码输出三种对时方式。脉冲同步输出方式，即同步时钟每隔一定的时间间隔输出一个精确的同步脉冲。被授时装置在接收到同步脉冲后进行对时，消除装置内部时钟的走时误差。脉冲同步的缺点是无法直接提供时间信息，被授时装置如果时间源就出错，会一直错误走下去。串行同步输出方式，是将时刻信息以串行数据流的方式输出。各种被授时装置接收每秒一次的串行时间信息获得时间同步，在未接收到广播对时令的这段时间间隔内，装置时钟存在自身走时误差问题，使用串行方式对时比脉冲对时方式复杂，另外在接收过程中，信息处理耗费的时间也会影响对时精度，所以主要用于给事件加上时间标记，如果要提高对时精度，现场应用时还需要再给出秒对时脉冲信号。利用1PPS（秒脉冲）信号的上升沿来实现外部时钟与GPS时钟的同步以及将同步误差抑制在满足系统精度要求范围之内。
　　IRIG-B码输出方式，IRIG组织发布的用于各系统时间同步的时间码标准,其中应用最广泛的是IRIG-B版本，简称B码。B码以BCD码方式输出，每秒输出一次，内含100个脉冲，输出的时间信息为：秒、分、时，日期顺序排列。B码信号一般有（TTL）电平方式、RS422电平方式、RS232电平方式、调制信号（AM）四种形式。脉冲对时和串行口对时各有优缺点，前者精度高但是无法直接提供时间信息；而后者对时精度比较低，尤其是多小室模式或者监控系统中有多个管理机、多个子系统的时候时间精度受串口通信时延的影响尤为突出。B码对时兼顾了两者的优点，是一种精度很高并且又含有标准的时间信息的对时方式，当变电站的智能设备采用B码对时，就不再需要现场总线的通信报文对时,也不再需要GPS输出大量脉冲接点信号。按技术规范规定凡新投运的需授时变电站自动化系统间隔层设备，原则上应采用IRIG-B码（DC）时钟同步信号。
三、GPS卫星时钟同步系统在综自变电站中的接入与应用
　　现行的GPS卫星时钟同步系统支持硬对时（脉冲节点PPS、PPM、PPH）、软对时（串口报文）、编码对时（IRIG-B、DCF77）和网络NTP对时，满足国内外不同设备的对时接口要求，变电站内微机保护装置、测控装置、故障录波器、自动化系统站控层设备等均可接入GPS时钟同步系统。GPS对时接口一般有：RS232串口输出、RS485串口输出，非调制IRIG-B输出信号，分脉冲1PPM输出信号，秒脉冲1PPS输出信号等。综自变电站中往往有许多不同的新老装置需要接收时钟同步信号，其接口类型繁多，在实际的工程应用中往往是几种对时方式结合在一起使用的，这样就需要增加硬接点或网络对时来统一时间。比如变电站自动化系统中有很多设备不支持B码对时，则多采用串行口对时和1PPM脉冲对时相结合的对时方式，串行口对时将智能设备的时间基准精确到毫秒级，而1PPM每整分钟发一个脉冲作用于智能装置的时钟清零线,从而实现时钟的精确同步。具有B码对时功能的智能装置，原则上是不能再接受串行通信报文对时的，否则会出现时间跳变，而比较先进的智能装置会在通信程序里增加一个判据，当B码对时功能发生故障时才接受串行口的对时报文进行对时。
变电站的时钟同步系统由主时钟、时间信号传输通道、时间信号用户设备接口（扩展装置）组成。主时钟一般设在变电站的控制中心，包括标准机箱、接收模块、接收天线、电源模块、时间信号输出模块等，对变电站设备和间隔层IED设备（包括智能电能表等）按要求实现GPS对时，并具有时钟同步网络传输校正措施。
　　结合实际的运行经验和实际情况，以110kV中星站的综自改造为例。在变电站保护室和高压室各安装一面GPS时间同步系统屏，配置一台标准同步钟本体，主时钟完成GPS卫星信号的接收、处理，及向信号扩展装置提供标准同步时间信号（RS422电平方式IRIG-B）；并且每台主时钟具有内部守时功能。各标准同步钟本体应能接收两路IRIG-B（DC）时码时间信息功能。主时钟内部的时钟当接收到外部时间基准信号时，被外部时间基准信号同步，当接收不到外部时间基准信号恢复时，保持一定的走时准确度，直到外部时间基准信号恢复时自动切换到正常工作状态。综自改造的中星变电站是采用以太网方式组网，存在有些厂家的旧设备只存在RS232串口或RS485接口。新安装的主变线路测控装置、#1主变保护、#2主变保护及10kV高压室的所有线路保护等都有B码的接口，采用了422B码对时，选用了RVVP两芯的屏蔽通讯电缆，1为+，2为—，依次将各装置接入GPS同步时钟装置的B码输出标号段。110kV故障录波器没有B码接口，空接点接入分脉冲和秒脉冲，实现硬接点对时。两台远动主机的RS232串口分别接入GPS时间同步系统对时，#3主变压器保护及110kV线路保护装置为老型号，无法实现B码对时，和当地监控后台也只能通过远动主机实现综自网络对时。
　　在500kV博罗站，如图1所示，500kV继保小室和220kV继保小室内各设1套主时钟，负责本小室二次设备的对时，包括软对时、硬对时（1PPS、1PPM、差分信号）、编码对时（IRIG－B、DCF77）。保护小室主时钟的时间信号接收单元除了接收本小室的GPS时间信号外，还接收另一小室的GPS时间信号作为备用的标准时间源输人（通过光纤以IRIG－B时码方式输入），两台主时钟之间能够互为备用,当一个小室的时间信号接受单元出现问题时（例如跟踪不到卫星、天线受损等），自动切换到另一小室GPS上，获取标准时间信号，保证本小室对时信号正常输出。另外，在主控室设一套扩展时钟，主时钟和时间扩展装置之间通过光纤连接，时间信号接收单元分别从两台主时钟获取时间信号，互为备用，自动切换，完成对本室设备的对时，扩展装置接受主时钟提供的时间信息，经过扩展向其它装置提供多路输出接口。
 

为保证GPS卫星同步时钟系统的功能、精度和效率，应做好日常的保养和维护工作，应定时对GPS对时系统各个部件进行检查，首先应检查装置显示面板上的天线信号是否正常，再检查显示面板上锁定的卫星数量（一般应大于3），以上两项正常后再用显示面板上所显示的时间与各个对时设备上所显示或打印的时间进行比对，以确认对时系统内所有参与对时的设备的对时单元工作正常，定时对系统内的各个部件进行巡检以保证整个系统的可靠性。
在GPS屏内还应加装监视装置,运行状态的告警接点输出，包括电源消失告警、IRIG-B信号消失告警以及本装置自检异常告警以便及时反应GPS运行情况。正常工作时，电源指示应该正常，“1PPS”脉冲指示灯每秒闪烁一次，当发出“IRIG-B信号消失告警”表示本机未正确收到IRIG-B的输入信号，应做进一步检查。
四、结束语
GPS卫星同步时钟系统在综自改造站中和新建站中广泛应用，它不但能有效地减少检修和运行人员的工作量，还使我们变电站内大多数的运行设备有了统一、标准的时间基准，方便对运行中出现的各种事件的分析和追溯，提高了电力系统的自动化水平，为变电站乃至整个电网向更高管理层次迈进提供强有力的技术保障。