變電站GPS在線監測系統及其在電力系統中的應用

何澤家，朱足君，陳志兵，朱浩，徐敏銳

（1.江蘇省電力試驗研究院有限公司，江蘇南京210036；2.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京211102）

目前，變電站GPS衛星時間同步時鐘在電力系統正得到廣泛的應用[1]，但國內對站端GPS衛星時鐘設備的運行情況缺乏有效監視，有人監控變電站主要依靠人工巡視，而無人監控變電站時鐘設備監測手段更是空白。運行人員無法及時發現廠站內時鐘設備發生了失步或故障，僅能觀察判斷裝置是否鎖星，全網時間同步精度與準確性更無從準確知曉。因此，需要建立一套GPS在線監測系統，實現對全網GPS運行情況的實時監測。

1 系統結構及原理

時間同步監測裝置通過串口規約加脈沖方式或IRIG-B（DC）碼通信接口獲得GPS的時間與運行狀態信息，各地區當地調度中心后臺系統作為NTP協議的客戶端，周期性詢問現場監測裝置所監測當前GPS的時間，監測裝置作為一個NTP服務器，通過NTP協議將現場GPS時間發給客戶端。后臺獲得被監視GPS的當前時間后與中心站GPS基準時間源進行比較得出各個GPS的相對時間偏差，并從監測裝置獲得GPS運行信息。后臺可以標準規約或文本方式輸出GPS的相關運行信息，主站監測系統可提供WEB方式查詢。監測實施后，便于對GPS信息進行分層管理，在各個地區調度中心監控本地區GPS運行信息，省調度中心對全省各個地區GPS信息進行統一管理，如圖1所示。

2 系統組成

2.1 GPS衛星同步時鐘

GPS衛星同步時鐘系統由主時鐘、時間信號傳輸通道、時間信號用戶設備接口組成[2]，安裝在調度中心和廠站的二次設備室內。GPS衛星同步時鐘利用RS232接口接收GPS衛星傳來的信號，然后經主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接口標（RS232/RS422/RS485等）和時間編碼輸出（IRIG-B碼、ASCII碼等）[3]，實現對站內各種保護、測控以及其他智能單元的對時。同時，中心站高精度的GPS衛星時鐘可作為NTP標準源，用于比較被監視GPS與GPS標準源間的相對時間偏差。

2.2 GPS監測裝置

時間同步監測裝置通過串口規約加脈沖方式或IRIG-B（DC）碼通信接口獲得GPS的時間與運行狀態信息，并將GPS的運行狀態信息即時反映給調度。

2.2.1 GPS監測裝置結構

GPS監測裝置主要由電源輸入口、信號輸入口、網絡口、調試串口以及信號指示燈等五部分組成。由于目前全網GPS廠家眾多、型號各異，監測系統應同時具備串口、分/秒脈沖、IRIG-B碼輸入接口。同時由于涉及到的串口通信規約可能各不相同，脈沖信號電壓存在5V、24V、110V或空接點等情況,監測裝置應具有一定的靈活性，以滿足現場的實際需要。

2.2.2 配置工具軟件

為便于工程調試及遠程更新升級，開發了遠程監視管理軟件工具。裝置通過10/100M以太網接口與外界進行信息交流。固件升級通過以太網口進行程序更新、裝置IP修改及GPS通信參數接口配置。

2.2.3 GPS監測方式

經過對現場GPS運行情況的充分調研，GPS監測系統對GPS的監測需要考慮有3種接入系統方式：（1）串口加脈沖方式（分、秒脈沖），即GPS將串口+分/秒脈沖信號送至監測裝置，然后通過監測裝置NTP口接入GPS監測系統，如圖2所示；（2）IRIG-B(DC)接口方式，即GPS將IRIG-B信號送至監測裝置，然后通過監測裝置NTP口接入GPS監測系統，如圖3所示；（3）NTP直接上傳方式（不經過監測裝置），即GPS通過NTP口直接接入GPS監測系統，此方式要求GPS自帶NTP接口，見圖4。

2.3 GPS監測系統后臺

時鐘設備監測后臺軟件作為一個獨立運行的用戶軟件，運行于各個地區供電局調度中心與省調中心。通過監測后臺，可實時查看所有GPS的運行情況，包括電壓等級、廠站名稱、裝置信號、裝置狀態、GPS鎖星狀態、時差狀態、與基準源時差、采集間隔、與GPS通信時間、脈沖/IRIG-B方式、IP地址、補償與否等。

3 運行效果

變電站GPS在線監測系統自2007年8月在江蘇省電力公司調度通信中心上線運行至今已有2年多的時間，目前系統運行情況良好，成效顯著。

3.1 監測站點不斷增加

目前，各供電公司新上或改造GPS站點在不斷接入省調GPS監測系統。除此之外，各發電廠GPS系統也已開始逐步接入省調GPS監測系統。截至2009年12月8日，已接入監測系統內的站點總數達334個（包括3個電廠側監測點）。監測裝置分布于全省13個地級市、縣公司的220kV、500kV變電站、省調度中心與各地區調度中心，安裝了后臺監測軟件14套，建立了江蘇省電網時鐘設備時間同步監測網絡。

3.2 運行維護方面快捷

現在，通過GPS在線監測系統和監測裝置配置工具軟件，可便捷地對異常站點故障原因進行遠程分析診斷，大大縮短了工作周期，提高了工作效率。監測系統監測到昆山變出現較大偏差。通過GPS監測裝置配置工具軟件查看，時/分脈沖狀態顯示為丟失。經現場查看，發現GPS監測裝置分/秒脈信號燈停止閃爍。通過處理，監測站點恢復正常。

4 監測站點異常原因分析

4.1 異常原因統計

由2.2.3 GPS監測方式可知，導致監測站點出現異常的原因主要集中在GPS裝置本身和網絡通信兩方面，主要有：裝置失星、分/秒脈沖丟失、串口通信中斷、GPS自身偏差大、網絡中斷、IRIG-B碼異常等。圖5為GPS監測異常原因統計情況。

4.2 異常原因分析及處理

4.2.1 GPS裝置失星

GPS裝置失星在監測異常中比較常見，主要原因是由于原有GPS天線損壞，使得GPS失去同步而只能以守時狀態運行，導致GPS輸出時間信號有偏差。GPS監測系統顯示該站點時間偏差較大，通過監測裝置軟件遠程監測，顯示串口通信、時分脈沖、通信狀態均為正常；經現場查看，GPS裝置失星。通過更換GPS天線，站點恢復正常。

4.2.2 串口/脈沖信號丟失

導致監測裝置串口/脈沖信號丟失的主要原因是部分變電站GPS由于運行年限較長，其串口/脈沖信號輸出端口損壞，從而導致GPS輸出時間信號有偏差。GPS監測系統顯示該站點時間偏差較大，通過監測裝置軟件遠程監測，顯示串口通信中斷或時分脈沖丟失。現場查看，發現GPS監測裝置串口信號燈或脈沖信號燈停止閃爍。通過更換串口或脈沖輸出端口（模塊），站點恢復正常。

4.2.3 GPS自身偏差大

在異常站點中，有一部分站點是由于GPS自身的輸出精度不夠，GPS監測系統顯示該站點時間偏差較大，通過更換GPS插件，站點恢復正常。

4.2.4 網絡中斷

出現網絡中斷的主要原因是部分站點網絡防火墻或路由器的設置存在問題，如端口未開放，導致監測站點退出。GPS監測系統顯示該站點通信狀態退出，通過監測裝置軟件遠程連接，顯示連接不成功。

通過對網絡設置的檢查，站點恢復正常。

4.2.5 IRIG-B碼異常（舊IRIG-B規約）

雖然IRIG-B是國際通用標準[4]，但是時鐘設備制造廠商理解并不一致，部分站點GPS輸出B碼與監測裝置B碼規約不一致，導致部分站點監測結果出現超前或滯后1s、1天、時序不正確的情況。通過將原來的IRIG-B碼監測方式改為串口+脈沖監測方式，站點恢復正常。

4.2.6 GPS運行不穩定

還有極少數站點GPS由于運行年限較久，出現運行年限較久，出現運行不穩定情況，GPS監測系統顯示該站點一段時間偏差正常，一段時間偏差異常。通過GPS廠家處理或重新更換GPS，站點恢復正常。

5 結束語

變電站GPS在線監測系統在不改變當前GPS運行的情況下，充分有效利用現有設備，實現了全網GPS的在線監測。該項研究填補了傳統對變電站內GPS監測的技術空白，大大提高了生產管理水平，對電力系統經濟與穩定運行具有重要的意義。

[1] 高厚磊,歷吉文,文鋒,等.GPS及其在電力系統中的應用[J].電力系統自動化,1995,19(9).

[2] 申曉留,周長玉,雷瓊.全球定位系統（GPS）在電力系統中的應用[J].現代電力,2003,20（6）：74-78.

[3] 張麗伊.GPS衛星時鐘同步系統在綜自變電站中的應用[J].科技信息,2008,17.

[4] 熊志昂,李紅瑞,賴順香.GPS技術與工程應用[M].北京:國防工業大學出版社,2005.

[5] 王元虎,周東明.衛星時鐘在電網應用中的若干技術問題[J].中國電力,1998,31(2)：10-13.

[6] 郭振坤.GPS高精度時間/頻率同步設備設計和實現[J].全球定位系統,2009,(2).

[7] MOORE P,CROSSLEY P.GPS Applications in Power Systems I.Introduction to GPS[J].Power Engineering Journal,1999,13(1)：33-39.

[8] 劉基余.GPS衛星導航定位原理與方法[M].北京:科學出版社，2003.

[9] 金剛平,徐欣圻.基于GPS的控制系統時間同步[J].安徽大學學報（自然科學版）,2002,26（4）:30-34.

[10] 楊光.GPS和偽衛星組合定位技術及其在形變監測中的應用研究[D].河海大學博士論文,2004.

[11] 陳飛,孫云.500kV變電站時間同步系統設計[J].電力系統自動化,2004（22）.

[12] 王付衛,王元冬.GPS時間同步系統在變電站的應用[J].云南電力技術2008（5）.

[13] 鄒瑄,張曦.330kV變電站GPS時間同步系統優化設計[J].陜西電力,2009（1）.

[14] 陳宏,丁凱.變電站GPS授時裝置實時定時標檢測方法探討[J].電力系統自動化,2009（7）.

[15] 郭一夫,郜洪亮.新型變電站時鐘同步系統的研制及應用經驗探討[J].繼電器,2007（13）.

[16] 董劍利,周丹.通用GPS授時同步監控系統的設計與實現[J].計算機工程與設計,2007（12）.

[17] 鄒紅艷,鄭建勇.基于GPS同步時鐘的統一校時方案[J].電力自動化設備,2004（12）.

[18] 周斌,黃國方.在變電站智能設備中實現B碼對時[J].電力自動化設備,2005（9）.

[19] 王崢,胡敏強,鄭建勇.基于GPS的變電站內部時間同步方法[J].電力系統自動化,2002,26(4).

[20] 李建,謝小榮.北斗衛星導航系統與GPS互備授時的分布式相量測量單元[J].電網技術,2005,29(9).

[21] 凌志勇.220kV變電站GPS對時的改造[J].大眾用電,2008（12）.