為何說北斗GPS時間同步裝置是電力系統的必備品

為何說北斗GPS時間同步裝置是電力系統的必備品

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資料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執行監控和事故後故障分析，也可以透過各保護動作、開關分合的先後順序及準確時間來分析事故的原因及過程。隨著電網的日益複雜、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執行，提高執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。

1、GPS 時鐘衛星時間同步系統的優越性

　　變電站採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 ）各裝置提供商採用各自獨立的時鐘，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資料分析與比較，給事後正確的故障分析判斷帶來很大隱患。

　　（2 ）透過主站對時方式實現對時，排程中心主站透過通訊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訊通道，由於從排程中心到達各個變電站的距離不一樣，通訊延時也不一樣，因此只能保證系統時鐘在100 毫秒級誤差的水平。

　　（3 ）採用一臺小型GPS 接收機，提供多個RS232 埠，用串列埠電纜逐一連線到各個計算機，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；伺服器的反應速度、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訊號，介面不一，如RS-232/422/485 序列口、脈衝、IRIG-B 碼、DCF77 格式介面等；裝置的數量也不等，造成GPS 裝置的某些型別介面數量不夠或缺少某種型別的介面，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訊號，可以獲得位置、時間和其它相關資訊。GPS 系統每秒傳送一次訊號，其時間精度在1 μs 以內，在任何時刻、在全球任何位置均能可靠接收到訊號，衛星不間斷地傳送自身的星曆引數和時間資訊，GPS 傳送的時間資訊包含年、月、日、時、分、秒以及IPPS （標準秒）訊號，因而具有很高的頻率精度（可達l0-12 量級）和時間精度。在綜自變電站中採用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 時間基準下的執行監控和事故後的故障分析。 變電站的各種自動化裝置（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訊號，統一變電站、排程中心的時間基準，在電力系統發生故障後，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後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範》要求，我們在近年的新建站或綜自改造站中均採用時間同步系統對變電站裝置進行校時。在 05 年 9 月份廣東電網公司釋出了《廣東電網變電站 GPS 時間同步系統技術規範》，而此後的新建站或改造站 GPS 時間同步系統的管理、設計、安裝、測試和執行均按該技術規範要求實施。

2、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 介面接收GPS 衛星傳來的訊號，然後經主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介面標（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 衛星訊號接收部分、CPU 部分、輸出或擴充套件部分、電源部分、人機互動模組部分組成。

　　GPS 時鐘同步系統主要有同步脈衝輸出、序列時間資訊輸出和IRIG-B 碼輸出三種對時方式。脈衝同步輸出方式，即同步時鐘每隔一定的時間間隔輸出一個精確的同步脈衝。被授時裝置在接收到同步脈衝後進行對時，消除裝置內部時鐘的走時誤差。脈衝同步的缺點是無法直接提供時間資訊，被授時裝置如果時間源就出錯，會一直錯誤走下去。序列同步輸出方式，是將時刻資訊以序列資料流的方式輸出。各種被授時裝置接收每秒一次的序列時間資訊獲得時間同步，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，使用序列方式對時比脈衝對時方式複雜，另外在接收過程中，資訊處理耗費的時間也會影響對時精度，所以主要用於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衝訊號。利用1PPS （秒脈衝）訊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範圍之內。

　　IRIG-B 碼輸出方式，IRIG 組織釋出的用於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 個脈衝，輸出的時間資訊為：秒、分、時，日期順序排列。B 碼訊號一般有（TTL ）電平方式、RS422 電平方式、RS232 電平方式、調製訊號（AM ）四種形式。脈衝對時和序列口對時各有優缺點，前者精度高但是無法直接提供時間資訊；而後者對時精度比較低，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列埠通訊時延的影響尤為突出。B 碼對時兼顧了兩者的優點，是一種精度很高並且又含有標準的時間資訊的對時方式，當變電站的智慧裝置採用B 碼對時，就不再需要現場匯流排的通訊報文對時, 也不再需要GPS 輸出大量脈衝接點訊號。按技術規範規定凡新投運的需授時變電站自動化系統間隔層裝置，原則上應採用IRIG-B 碼（DC ）時鐘同步訊號。

3、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援硬對時（脈衝節點PPS 、PPM 、PPH ）、軟對時（串列埠報文）、編碼對時（IRIG-B 、DCF77 ）和網路NTP 對時，滿足國內外不同裝置的對時介面要求，變電站內微機保護裝置、測控裝置、故障錄波器、自動化系統站控層裝置等均可接入GPS 時鐘同步系統。GPS 對時介面一般有：RS232 串列埠輸出、RS485 串列埠輸出，非調製IRIG-B 輸出訊號，分脈衝1PPM 輸出訊號，秒脈衝1PPS 輸出訊號等。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訊號，其介面型別繁多，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路對時來統一時間。比如變電站自動化系統中有很多裝置不支援B 碼對時，則多采用序列口對時和1PPM 脈衝對時相結合的對時方式，序列口對時將智慧裝置的時間基準精確到毫秒級，而1PPM 每整分鐘發一個脈衝作用於智慧裝置的時鐘清零線, 從而實現時鐘的精確同步。具有B 碼對時功能的智慧裝置，原則上是不能再接受序列通訊報文對時的，否則會出現時間跳變，而比較先進的智慧裝置會在通訊程式裡增加一個判據，當B 碼對時功能發生故障 時才接受序列口的對時報文進行對時。

變電站的時鐘同步系統由主時鐘、時間訊號傳輸通道、時間訊號使用者裝置介面（擴充套件裝置）組成。主時鐘一般設在變電站的控制中心，包括標準機箱、接收模組、接收天線、電源模組、時間訊號輸出模組等，對變電站裝置和間隔層IED 裝置（包括智慧電能表等）按要求實現GPS 對時，並具有時鐘同步網路傳輸校正措施。

　　結合實際的執行經驗和實際情況，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，配置一臺標準同步鍾本體，主時鐘完成GPS 衛星訊號的接收、處理，及向訊號擴充套件裝置提供標準同步時間訊號（RS422 電平方式IRIG-B ）；並且每臺主時鐘具有內部守時功能。各標準同步鍾本體應能接收兩路IRIG-B （DC ）時碼時間資訊功能。主時鐘內部的時鐘當接收到外部時間基準訊號時，被外部時間基準訊號同步，當接收不到外部時間基準訊號恢復時，保持一定的走時準確度，直到外部時間基準訊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採用乙太網方式組網，存在有些廠家的舊裝置只存在RS232 串列埠或RS485 介面。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 碼的介面，採用了422B 碼對時，選用了RVVP 兩芯的遮蔽通訊電纜，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 碼介面，空接點接入分脈衝和秒脈衝，實現硬接點對時。兩臺遠動主機的RS232 串列埠分別接入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，和當地監控後臺也只能透過遠動主機實現綜自網路對時。

　　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，負責本小室二次裝置的對時，包括軟對時、硬對時（1PPS 、1PPM 、差分訊號）、編碼對時（IRIG －B 、DCF77 ）。 保護小室主時鐘的時間訊號接收單元除了接收本小室的 GPS 時間訊號外，還接收另一小室的 GPS 時間訊號作為備用的標準時間源輸人（透過光纖以 IRIG － B 時碼方式輸入），兩臺主時鐘之間能夠互為備用 , 當一個小室的時間訊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，獲取標準時間訊號，保證本小室對時訊號正常輸出。另外，在主控室設一套擴充套件時鐘，主時鐘和時間擴充套件裝置之間透過光纖連線，時間訊號接收單元分別從兩臺主時鐘獲取時間訊號，互為備用，自動切換，完成對本室裝置的對時，擴充套件裝置接受主時鐘提供的時間資訊，經過擴充套件向其它裝置提供多路輸出介面。  

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皮膚上的天線訊號是否正常，再檢查顯示皮膚上鎖定的衛星數量（一般應大於3 ），以上兩項正常後再用顯示皮膚上所顯示的時間與各個對時裝置上所顯示或列印的時間進行比對，以確認對時系統內所有參與對時的裝置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,執行狀態的告警接點輸出，包括電源消失告警、IRIG-B訊號消失告警以及本裝置自檢異常告警以便及時反應GPS執行情況。正常工作時，電源指示應該正常，“1PPS”脈衝指示燈每秒閃爍一次，當發出“IRIG-B訊號消失告警”表示本機未正確收到IRIG-B的輸入訊號，應做進一步檢查。

4、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執行人員的工作量，還使我們變電站內大多數的執行裝置有了統一、標準的時間基準，方便對執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。