GPS時(shí)鐘系統在綜自變電站中的應用

近幾年來(lái)，隨著(zhù)變電站自動(dòng)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(lèi)數據管理機得到了廣泛的應用，而這些自動(dòng)裝置的配合工作需要有一個(gè)精確統一的時(shí)間。當電力系統發(fā)生故障時(shí)，既可實(shí)現全站各系統在統一時(shí)間基準下的運行監控和事故后故障分析，也可以通過(guò)各保護動(dòng)作、開(kāi)關(guān)分合的先后順序及準確時(shí)間來(lái)分析事故的原因及過(guò)程。隨著(zhù)電網(wǎng)的日益復雜、裝機容量的提高和電網(wǎng)的擴大，提供標準時(shí)間的時(shí)鐘基準成為電廠(chǎng)、變電站乃至整個(gè)電力系統的迫切需要，時(shí)鐘的統一是保證電力系統安全運行，提高運行水平的一個(gè)重要措施，是綜自變電站自動(dòng)化系統的最基本要求之一。

　　一．GPS時(shí)鐘系統的優(yōu)越性

　　變電站采用不同廠(chǎng)家的計算機監控系統、自動(dòng)化及線(xiàn)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(shí)間同步形式主要有以下幾種：

　?。?）各設備提供商采用各自獨立的時(shí)鐘，而各時(shí)鐘因產(chǎn)品質(zhì)量的差異，在對時(shí)精度上都有一定的偏差，從而使全廠(chǎng)各系統不能在統一時(shí)間基準的基礎上進(jìn)行數據分析與比較，給事后正確的故障分析判斷帶來(lái)很大隱患。

　?。?）通過(guò)主站對時(shí)方式實(shí)現對時(shí)，調度中心主站通過(guò)通信通道下發(fā)對時(shí)命令同步系統內各個(gè)電站的時(shí)鐘，這種方式需要專(zhuān)用的通信通道，由于從調度中心到達各個(gè)變電站的距離不一樣，通信延時(shí)也不一樣，因此只能保證系統時(shí)鐘在100毫秒級誤差的水平。

　?。?）采用一臺小型GPS接收機，提供多個(gè)RS232端口，用串口電纜逐一連接到各個(gè)計算機，實(shí)現時(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(cháng)度不能過(guò)長(cháng)；服務(wù)器的反應速度、客戶(hù)機的延遲都直接影響對時(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，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(lèi)型接口數量不夠或缺少某種類(lèi)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(méi)有安裝位置等限制。

　?。?）用GPS時(shí)鐘系統對時(shí)。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(zhuān)門(mén)的接收器接收衛星發(fā)射的信號，可以獲得位置、時(shí)間和其它相關(guān)信息。GPS系統每秒發(fā)送一次信號，其時(shí)間精度在1μs以?xún)?，在任何時(shí)刻、在全球任何位置均能可靠接收到信號，衛星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數和時(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（標準秒）信號，因而具有很高的頻率精度（可達l0-12量級）和時(shí)間精度。在綜自變電站中采用GPS衛星同步時(shí)鐘系統有著(zhù)明顯的優(yōu)勢，可以實(shí)現全站各系統在統一GPS時(shí)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(dòng)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(shí)鐘同步信號，統一變電站、調度中心的時(shí)間基準，在電力系統發(fā)生故障后，提高了SOE的時(shí)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(dòng)作的先后順序提供有力的證據，為電網(wǎng)安全穩定監視和控制系統創(chuàng )造了良好的技術(shù)條件。

　　GPS時(shí)鐘系統很好地解決變電站統一時(shí)間基準的問(wèn)題，實(shí)現站內甚至站間的準確對時(shí)，目前已經(jīng)成為最佳的對時(shí)方案，也是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。根據《廣東電網(wǎng)110～220kV變電站自動(dòng)化系統技術(shù)規范》要求，我們在近年的新建站或綜自改造站中均采用時(shí)間同步系統對變電站裝置進(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)間同步系統技術(shù)規范》，而此后的新建站或改造站GPS時(shí)間同步系統的管理、設計、安裝、測試和運行均按該技術(shù)規范要求實(shí)施。

　　二．GPS時(shí)鐘系統的簡(jiǎn)介及工作原理

　　GPS時(shí)鐘系統利用RS232接口接收GPS衛星傳來(lái)的信號，然后經(jīng)主CPU中央處理單元的規約轉換、當地時(shí)間轉換成滿(mǎn)足各種要求的接口標（RS232/RS422/RS485等）和時(shí)間編碼輸出（IRIG_B 碼，ASCII 碼等）。GPS時(shí)鐘系統一般由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(shí)鐘系統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)行對時(shí)，消除裝置內部時(shí)鐘的走時(shí)誤差。脈沖同步的缺點(diǎn)是無(wú)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，會(huì )一直錯誤走下去。串行同步輸出方式，是將時(shí)刻信息以串行數據流的方式輸出。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，在未接收到廣播對時(shí)令的這段時(shí)間間隔內，裝置時(shí)鐘存在自身走時(shí)誤差問(wèn)題，使用串行方式對時(shí)比脈沖對時(shí)方式復雜，另外在接收過(guò)程中，信息處理耗費的時(shí)間也會(huì )影響對時(shí)精度，所以主要用于給事件加上時(shí)間標記，如果要提高對時(shí)精度，現場(chǎng)應用時(shí)還需要再給出秒對時(shí)脈沖信號。利用1PPS（秒脈沖）信號的上升沿來(lái)實(shí)現外部時(shí)鐘與GPS時(shí)鐘的同步以及將同步誤差抑制在滿(mǎn)足系統精度要求范圍之內。

　　IRIG-B碼輸出方式，IRIG組織發(fā)布的用于各系統時(shí)間同步的時(shí)間碼標準,其中應用最廣泛的是IRIG-B版本，簡(jiǎn)稱(chēng)B碼。B碼以BCD碼方式輸出，每秒輸出一次，內含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(shí)和串行口對時(shí)各有優(yōu)缺點(diǎn)，前者精度高但是無(wú)法直接提供時(shí)間信息；而后者對時(shí)精度比較低，尤其是多小室模式或者監控系統中有多個(gè)管理機、多個(gè)子系統的時(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準的時(shí)間信息的對時(shí)方式，當變電站的智能設備采用B碼對時(shí)，就不再需要現場(chǎng)總線(xiàn)的通信報文對時(shí),也不再需要GPS輸出大量脈沖接點(diǎn)信號。按技術(shù)規范規定凡新投運的需授時(shí)變電站自動(dòng)化系統間隔層設備，原則上應采用IRIG-B碼（DC）時(shí)鐘同步信號。