GPS時(shí)鐘系統(tǒng)在綜自變電站中的應(yīng)用

近幾年來(lái)，隨著變電站自動(dòng)化水平的提高，在綜自變電站中計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、微機(jī)保護(hù)裝置、微機(jī)故障錄波裝置以及各類數(shù)據(jù)管理機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用，而這些自動(dòng)裝置的配合工作需要有一個(gè)精確統(tǒng)一的時(shí)間。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，既可實(shí)現(xiàn)全站各系統(tǒng)在統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)下的運(yùn)行監(jiān)控和事故后故障分析，也可以通過(guò)各保護(hù)動(dòng)作、開(kāi)關(guān)分合的先后順序及準(zhǔn)確時(shí)間來(lái)分析事故的原因及過(guò)程。隨著電網(wǎng)的日益復(fù)雜、裝機(jī)容量的提高和電網(wǎng)的擴(kuò)大，提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)鐘基準(zhǔn)成為電廠、變電站乃至整個(gè)電力系統(tǒng)的迫切需要，時(shí)鐘的統(tǒng)一是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，提高運(yùn)行水平的一個(gè)重要措施，是綜自變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的最基本要求之一。

　　一．GPS時(shí)鐘系統(tǒng)的優(yōu)越性

　　變電站采用不同廠家的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)化及線路微機(jī)保護(hù)裝置、故障錄波裝置、電能量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)等，變電站時(shí)間同步形式主要有以下幾種：

　?。?）各設(shè)備提供商采用各自獨(dú)立的時(shí)鐘，而各時(shí)鐘因產(chǎn)品質(zhì)量的差異，在對(duì)時(shí)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(shí)間基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)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(duì)時(shí)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)，調(diào)度中心主站通過(guò)通信通道下發(fā)對(duì)時(shí)命令同步系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)電站的時(shí)鐘，這種方式需要專用的通信通道，由于從調(diào)度中心到達(dá)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(tǒng)時(shí)鐘在100毫秒級(jí)誤差的水平。

　?。?）采用一臺(tái)小型GPS接收機(jī)，提供多個(gè)RS232端口，用串口電纜逐一連接到各個(gè)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)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(zhǎng)度不能過(guò)長(zhǎng)；服務(wù)器的反應(yīng)速度、客戶機(jī)的延遲都直接影響對(duì)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(hào)，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(tái)甚至數(shù)臺(tái)GPS接收機(jī)，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(tǒng)對(duì)時(shí)。GPS（全球定位系統(tǒng)Global Positioning System），美國(guó)軍方建立的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，由專門(mén)的接收器接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，可以獲得位置、時(shí)間和其它相關(guān)信息。GPS系統(tǒng)每秒發(fā)送一次信號(hào)，其時(shí)間精度在1μs以內(nèi)，在任何時(shí)刻、在全球任何位置均能可靠接收到信號(hào)，衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)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(biāo)準(zhǔn)秒）信號(hào)，因而具有很高的頻率精度（可達(dá)l0-12量級(jí)）和時(shí)間精度。在綜自變電站中采用GPS衛(wèi)星同步時(shí)鐘系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)全站各系統(tǒng)在統(tǒng)一GPS時(shí)間基準(zhǔn)下的運(yùn)行監(jiān)控和事故后的故障分析。變電站的各種自動(dòng)化設(shè)備（如故障錄波器、微機(jī)保護(hù)裝置、監(jiān)控系統(tǒng)等），根據(jù)GPS提供的精確時(shí)鐘同步信號(hào)，統(tǒng)一變電站、調(diào)度中心的時(shí)間基準(zhǔn)，在電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，提高了SOE的時(shí)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(dòng)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時(shí)鐘系統(tǒng)很好地解決變電站統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)甚至站間的準(zhǔn)確對(duì)時(shí)，目前已經(jīng)成為最佳的對(duì)時(shí)方案，也是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。根據(jù)《廣東電網(wǎng)110～220kV變電站自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》要求，我們?cè)诮甑男陆ㄕ净蚓C自改造站中均采用時(shí)間同步系統(tǒng)對(duì)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(tǒng)技術(shù)規(guī)范》，而此后的新建站或改造站GPS時(shí)間同步系統(tǒng)的管理、設(shè)計(jì)、安裝、測(cè)試和運(yùn)行均按該技術(shù)規(guī)范要求實(shí)施。

　　二．GPS時(shí)鐘系統(tǒng)的簡(jiǎn)介及工作原理

　　GPS時(shí)鐘系統(tǒng)利用RS232接口接收GPS衛(wèi)星傳來(lái)的信號(hào)，然后經(jīng)主CPU中央處理單元的規(guī)約轉(zhuǎn)換、當(dāng)?shù)貢r(shí)間轉(zhuǎn)換成滿足各種要求的接口標(biāo)（RS232/RS422/RS485等）和時(shí)間編碼輸出（IRIG_B 碼，ASCII 碼等）。GPS時(shí)鐘系統(tǒng)一般由GPS衛(wèi)星信號(hào)接收部分、CPU部分、輸出或擴(kuò)展部分、電源部分、人機(jī)交互模塊部分組成。

　　GPS時(shí)鐘系統(tǒng)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(duì)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(duì)時(shí)，消除裝置內(nèi)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(cuò)，會(huì)一直錯(cuò)誤走下去。串行同步輸出方式，是將時(shí)刻信息以串行數(shù)據(jù)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(duì)時(shí)令的這段時(shí)間間隔內(nèi)，裝置時(shí)鐘存在自身走時(shí)誤差問(wèn)題，使用串行方式對(duì)時(shí)比脈沖對(duì)時(shí)方式復(fù)雜，另外在接收過(guò)程中，信息處理耗費(fèi)的時(shí)間也會(huì)影響對(duì)時(shí)精度，所以主要用于給事件加上時(shí)間標(biāo)記，如果要提高對(duì)時(shí)精度，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)還需要再給出秒對(duì)時(shí)脈沖信號(hào)。利用1PPS（秒脈沖）信號(hào)的上升沿來(lái)實(shí)現(xiàn)外部時(shí)鐘與GPS時(shí)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(shí)間同步的時(shí)間碼標(biāo)準(zhǔn),其中應(yīng)用最廣泛的是IRIG-B版本，簡(jiǎn)稱B碼。B碼以BCD碼方式輸出，每秒輸出一次，內(nèi)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(hào)一般有（TTL）電平方式、RS422電平方式、RS232電平方式、調(diào)制信號(hào)（AM）四種形式。脈沖對(duì)時(shí)和串行口對(duì)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(duì)時(shí)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(gè)管理機(jī)、多個(gè)子系統(tǒng)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信息的對(duì)時(shí)方式，當(dāng)變電站的智能設(shè)備采用B碼對(duì)時(shí)，就不再需要現(xiàn)場(chǎng)總線的通信報(bào)文對(duì)時(shí),也不再需要GPS輸出大量脈沖接點(diǎn)信號(hào)。按技術(shù)規(guī)范規(guī)定凡新投運(yùn)的需授時(shí)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)間隔層設(shè)備，原則上應(yīng)采用IRIG-B碼（DC）時(shí)鐘同步信號(hào)。