GPS時鐘在電力行業(yè)的應用

1、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確時間來分析事故的原因及過程。隨著電網(wǎng)的日益復雜、裝機容量的提高和電網(wǎng)的擴大，提供標準時間的時鐘基準成為電廠、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Ie網(wǎng)絡校時示意

2、峰提供勿轉(zhuǎn)載辛:am受醫(yī)/ixii-LTiyRM三性網(wǎng)絡校時系統(tǒng)I服務器、工作站校時用戶一、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)一時間基準的基礎上進行數(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

3、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，用用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信號， 接口不一， 如 RS-232/422/485 用行口、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

4、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)GlobalPositioningSystem）,美國軍方建立的全球衛(wèi)星導航定位系統(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 1ps 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（標準秒）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)

5、在統(tǒng)一 GPS 時間基準下的運行監(jiān)控和事故后的故障分析。變電站的各種自動化設備（如故障錄波器、微機保護裝置、監(jiān)控系統(tǒng)等），根據(jù) GPSGPS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，在電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，提高了 SOESOE 的時間準確性，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。GPSGPS 衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)很好地解決變電站統(tǒng)一時間基準的問題，實現(xiàn)站內(nèi)甚至站間的準確對時，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) 110110220kV220kV 變電站自動化系統(tǒng)

6、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 0505 年 9 9 月份廣東電網(wǎng)公司發(fā)布了廣東電網(wǎng)變電站 GPSGPS 時間同步系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范，而此后的新建站或改造站 GPSGPS 時間同步系統(tǒng)的管理、設計、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?shù)貢r間轉(zhuǎn)換成滿足各種要求的接口標（RS232/RS422/RS485）和時間編碼輸出（IRIG_B 碼,ASCII 碼等）。GPS 衛(wèi)星時鐘同

7、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、蟲行時間信息輸出和 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問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，被授時裝置如果時問源就出錯， 會一直錯誤走下去。 串行同步輸出方式， 是將時刻信息以申行數(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問隔內(nèi)， 裝置時鐘存在自身走時誤差問

8、題，使用串行方式對時比脈沖對時方式復雜， 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記，如果要提高對時精度，現(xiàn)場應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(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、RS

9、422 電平方式、RS232 電平方式、調(diào)制信號（AM）四種形式。脈沖對時和用行口對時各有優(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)的時候時間精度受用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準的時間信息的對時方式，當變電站的智能設備采用 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)間隔層設備，原則上應采用 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

10、入與應用現(xiàn)行的 GPS 衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)支持硬對時（脈沖節(jié)點 PPSPPM、PPH）、軟對時（申口報文）、編碼對時（IRIG-B、DCF77）和網(wǎng)絡 NTP 對時，滿足國內(nèi)外不同設備的對時接口要求，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

11、點或網(wǎng)絡對時來統(tǒng)一時間。比如變電站自動化系統(tǒng)中有很多設備不支持 B 碼對時，則多采用由行對時和 1PPM 脈沖對時相結(jié)合的對時方式，申行對時將智能設備的時間基準精確到毫秒級，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 B 碼對時功能發(fā)生故障時才接受串行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、時間信號用戶設備接口（擴展裝置）組成。主時鐘一般設在變電站的控制中心，包括標準機箱、接收模塊、接收天

12、線、電源模塊、時間信號輸出模塊等，對變電站設備和間隔層 IED設備（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，配置一臺標準同步鐘本體，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準同步時間信號（RS422 電平方式 IRIG-B）;并且每臺主時鐘具有內(nèi)部守時功能。各標準同步鐘本體應能接收兩路 IRIG-B（DC）時碼時間信息功能。主時鐘內(nèi)部的時鐘當接收到外部時間基準信號時， 被外部時間基準信號同步，當接收不到外部時間

13、基準信號恢復時， 保持一定的走時準確度， 直到外部時間基準信號恢復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 為一,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 由口分別接入 GPS 時間同步系統(tǒng)對時

14、， #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?shù)乇O(jiān)控后臺也只能通過遠動主機實現(xiàn)綜自網(wǎng)絡對時。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 1套主時鐘，負責本小室二次設備的對時，包括軟對時、硬對時（1PPS1PPM、差分信號）、編碼對時（IRIGB、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 GPGPS S寸間信號外， 還接收另一小室的 GPSGPS 寸間信號作為備用的標準時間源輸人 （通過光纖以 IRIGIRIGB B 時碼方式輸入） ，兩臺主時鐘之間能夠互為備用，當一個小室的時間信號接

15、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 GPSk,GPSk,獲取標準時間信號，保證本小室對時信號正常輸出。另外，在主控室設一套擴展時鐘，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，應做好日常的保養(yǎng)和維護工作，應定時對 GPS 對時系統(tǒng)各個部件進行檢查，首先應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（一般應大于 3）,以上兩項正常后再用顯

16、示面板上所顯示的時間與各個對時設備上所顯示或打印的時間進行比對，以確認對時系統(tǒng)內(nèi)所有參與對時的設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 GPSW 內(nèi)還應加裝監(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 GPSg 行情況。正常工作時，電源指示應該正常，“1PPS 脈沖指示燈每秒閃爍一次，當發(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，應做進一步檢查。四、結(jié)束語GPSGPS 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用，它不但能有效地減少檢修和運行人員的

17、工作量，還使我們變電站內(nèi)大多數(shù)的運行設備有了統(tǒng)一、標準的時間基準，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。GPSGPS 時鐘服務器在電力電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的應用近年來，隨著電網(wǎng)運行水平的提高，一大部分變電站采用綜合自動化方案,一遠方集中控制、一操作，既提高了勞動生產(chǎn)率，又減少了人為誤操作的可能。采用變電站自動化技術(shù)是變電站計算機應用的方向，也是電網(wǎng)發(fā)展的趨勢。由于自動化系統(tǒng)（設備）內(nèi)部的實時時鐘的工作建立在脈沖計數(shù)的原理上，因而，自動化系統(tǒng)實時時鐘的時間同步要求是變電站自動化系統(tǒng)的最基本要求。目前山西電網(wǎng)已經(jīng)建

18、立了同步時鐘系統(tǒng)，并預留了同步時間接口，為全省的通信設備提供同步信號（頻率），如果能夠利用該系統(tǒng)為全網(wǎng)提供時間同步信號，將會大大提高全網(wǎng)的可靠性，并帶來一定的經(jīng)濟效益。1 1、電網(wǎng)實現(xiàn)時間同步的必要性隨著時代的進步，電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，人們對電網(wǎng)的穩(wěn)定、安全、高效提出了更高的要求。而作為電網(wǎng)基本單位的變電站、發(fā)電廠和調(diào)度所內(nèi)部均有眾多的計算機監(jiān)控系統(tǒng)、保護裝置、故障錄波器、故障信息管理系統(tǒng)、安全自動裝置、遠動 RTURTU、DCSDCS 系統(tǒng)及能量計費系統(tǒng)等自動化設備，其中大部分設備的運行變量可謂瞬息萬變，對時間精度要求很高，如果設備之間沒有同步到高精度的時間基準，大家各自為政，就不能保證實時

19、系統(tǒng)等重要信息的準確性。另外，各管理監(jiān)控裝置對時間同步的精度要求應與所連接的自動化裝置保持同一水平，以便于故障的分析、定位，鑒定不同專業(yè)設備的責任。例如通過故障錄波、保護信息管理系統(tǒng)等設備記錄事件的時間、事件發(fā)生的先后次序等，對事故進行分析。這對于查找事故的原因、分析事故發(fā)生過程，從而減少事故隱患有著至關(guān)重要的作用，同時也利于明確責任，加強管理。在通信信息網(wǎng)絡中，隨著網(wǎng)絡規(guī)模的擴大，網(wǎng)絡的系統(tǒng)安全日益顯得重要，口令保護、加密、電子認證等安全措施越來越多，而許多安全措施也都需要時間同步信號。另外，隨著 GPSGPS 系統(tǒng)的全面民用化，國內(nèi)外在基于 GPSGPS 的同步相量測量單元（PMPMU U）方面已經(jīng)開展研究，尤其在硬件性能方面取得了很大進展，已經(jīng)開始裝備于電力系統(tǒng)。這些裝置可以直接測量節(jié)點電壓的幅值和相角，并經(jīng)由通信傳輸網(wǎng)絡傳到調(diào)度中心，以對電力系統(tǒng)實時動態(tài)過程進行檢測和分析。相量測量裝置是電力系統(tǒng)實時動態(tài)檢測系統(tǒng)的基本核心組成部分，必須具備高