GPS衛星時鐘同步系統在電廠變電站中的應用

姬志民，宋 博，任煥龍，王 塹，姬廣素

(河北華電石家莊熱電有限公司，石家莊 050041)

這些年來，隨著自動化技術的不斷發展，電廠、變電站的電力自動化水平有很大提高，自動化系統中SCADA系統(或計算機監控系統簡稱NCS系統)、微型計算機保護裝置、微型計算機故障錄波裝置以及各類保護信息子站得到了廣泛的應用，而這些自動化裝置之間的配合工作需要有一個精確的時鐘。當電力系統發生故障及事故時，既可實現全網各系統在統一時間基準下的運行監視和控制以及對應事故的故障分析，也可以通過各種保護裝置、斷路器分合的先后順序按照標準時間來分析事故的原因及發展過程。隨著各地區智能電網的逐步建立，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。

1 變電站時鐘存在的問題

由于變電站采用不同廠家的NCS系統、線路微機保護裝置、故障錄波器、電能自動計費系統、同步相量測量裝置(PMU)等，因此變電站時間同步的方式均存在問題，具體表現在以下幾方面。

a.各設備生產商采用各自的時鐘，各時鐘在對時準確度上都有一定的差異，使全廠各設備不能在一個時間基準上進行數據分析，給事故的正確分析及判斷帶來很大困難。

b.通過自動化設備主站實現對時，調度中心主站通過通信通道下發對時命令從而使系統內各個變電站時鐘同步，這需要一個專用的通信通道，并且從自動化設備主站到達各個變電站子站設備的距離不同，通信延時也不同，所以這種方式對時系統時鐘的誤差在0.1 s左右。

c.采用一臺GPS專用接收機，提供多個RS232-485端口，用屏蔽雙絞線將所有計算機連接在一起，來實現所有設備的時間同步。但這種時鐘同步也存在弊病，首先使用的屏蔽雙絞線不易過長；其次對服務器及客戶機反應速度有較高的要求、如果出現反應延遲會直接影響時間同步的準確度。并且各自動化設備的接口形式不一，可能會造成衛星同步時鐘系統GPS與某些設備不能成功接口，從而不能向所有設備提供標準時間。

2 GPS衛星時鐘同步系統組成與對時方式

GPS系統每秒發送一次信號，每次發送信號的時間準確度在1 μs以內，并且在地球表面任一地點、任一時刻均能準確的接收到時間信號。由于衛星不間斷地發送自身的星歷參數和時間信息，GPS發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準確度(可達10量級)和時間精準度。在綜合自動化系統中采用GPS衛星時鐘同步系統有著明顯的優勢，可以實現全廠、站各設備在統一GPS時間基準下的運行和事故后的事故分析。變電站的所有自動化設備(如故障錄波裝置、微型計算機保護裝置、NCS系統等)，根據GPS提供的精確時鐘同步信號，同步調度中心與變電站的時間基準，在電力系統發生事故后，提高了事件順序記錄的時間準確性，為智能電網的建立和電網安全穩定運行及監控創造了有力的技術支持。

2.1 系統組成

GPS衛星時鐘同步系統是應用全球定位系統(GPS)技術的標準時間顯示和發送裝置。GPS由24顆在空間運行的GPS衛星和地面控制站組成，在地球表面任一地點、任一時刻GPS衛星信號接收器都可收到足夠多數量的GPS衛星信號，精確計算接收器所在當前空間位置和時間，其時間精確度可達納秒級。GPS衛星時鐘同步系統利用接收GPS衛星傳來的時間信號，經主中央處理單元的規約轉換成為當地時間，以滿足各種要求的接口時標(RS232/RS422/RS485等)和時間編碼輸出(IRIG-B 碼，ASCII等)。GPS衛星時鐘同步系統結構如圖1所示。

圖1 GPS衛星時鐘同步系統結構示意

主鐘信號輸入單元，即GPS衛星信號輸入單元為GPS接收模塊，用于接收GPS衛星發送的協調世界時(UTC)信號作為裝置的外部時間基準。輸出時間精度為150 ns的1PPS(即1Pulse Per Second)脈沖，通過RS232串行口輸出國際標準時間、日期和接收器所處地理位置(經緯度)等信息。并可輸出GPS失步報警信號，提供一路可編程的TTL脈沖信號供時鐘的準確度指標測試。顯示及鍵盤控制顯示時間信息及其它狀態信息，通過鍵盤接口進行人機交互、定值整定。中心處理單元對整個系統進行監控，處理。電源為整個裝置提供電源，并可輸出電源中斷報警信號。脈沖電路通過編程輸出秒(1PPS，即1Pulse Per Second)、分(1PPM，即1Pulse Per Minute)、時(1PPH，即1Pulse Per Hour)等可控制的同步脈沖信號。脈沖是光電隔離的TTL脈沖、差分脈沖或空接點脈沖。IRIG-B信號生成電路利用中心處理單元輸出的時間基準信號(1PPS和RS232串口信號)生成標準的IRIGB時間碼。IRIG-B輸出接口輸出正弦調制(AC)信號、TTL電平信號、RS232電平信號或RS422電平信號的IRIG-B碼。RS-232/RS422/RS485輸出接口輸出標準時間、日期等串行信息。DCF77信號輸出利用中心處理單元輸出的時間基準信號(1PPS和RS232串口信號)生成DCF77信號并輸出。NTP網絡時間輸出網絡對時信號，裝置通過NTP協議同步網絡中的計算機、CISCO的路由器和交換機等設備,實現網絡授時。

2.2 對時方式

GPS時鐘同步系統主要有脈沖同步輸出、串行同步時間信息輸出和IRIG-B碼輸出3種對時方式。

a.脈沖同步輸出方式，即同步時鐘每間隔一定的時間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校準對時，消除裝置內部時鐘走時偏差,缺點是無法直接提供時間信息。

b.串行同步時間信息輸出方式，是將時刻信息以認識碼、年、月、日、時、分、秒串行數據流的方式輸出，主要用于給事件加上時間標記，如果要提高對時準確度，現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準確度要求范圍之內。

c.IRIG-B碼輸出方式，IRIG組織發布的用于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碼每發出1幀為1秒包含有100個碼元，每一個碼元10 ms。脈沖寬度編碼，2 ms寬度表示二進制0、分割標志或未編碼位，5 ms寬度表示二進制1,8 ms寬度表示整100 ms基準標志。B碼信號一般有TTL方式、RS422方式、RS232方式、調制解調信號(AM)4種形式。

3 GPS衛星時鐘同步系統的應用

現行的GPS衛星時鐘同步系統支持硬對時(脈沖節點秒、分、時)、軟對時(串口報文)、編碼對時(IRIG-B、DCF77)和網絡NTP對時，以滿足國內外不同廠家、不同設備的對時接口要求，變電站內微機保護裝置、自動化測控裝置、故障錄波裝置、NCS系統站控層設備等均可聯接GPS時鐘同步系統。GPS對時接口一般有：RS232串口輸出、RS485串口輸出，非調制IRIG-B輸出信號，分脈沖輸出信號，秒脈沖輸出信號等。

發電廠、變電站的時鐘同步系統由主時鐘、時間信號傳輸通道、時間信號用戶設備接口(擴展裝置)組成。主時鐘一般設在發電廠或變電站的控制中心，包括接收天線、標準機箱、電源模塊、接收模塊、時間信號輸出模塊等，對變電站設備和間隔層IED設備(包括智能電能采集裝置等)按要求實現GPS對時，并含有時鐘同步網絡傳輸校正措施。

結合運行經驗和實際情況，以某電廠220 kV升壓站繼電器室和發變組繼電器室內各設一套GPS主時鐘，負責自身繼電器室設備的對時，包括硬對時(秒脈沖、分脈沖、交流差分信號)、軟對時、編碼對時(IRIG-B、DCF77)。保護繼電器室主時鐘的時間信號接收單元除了接收本繼電器室的GPS時間信號外，還接收另一繼電器室的GPS時間信號作為備用的標準時間源輸人(通過光纖以IRIG-B時碼方式輸入)，2臺主時鐘之間能夠互為備用,標準時鐘具有高可靠性時可采用2套標準時鐘互為備用，當有一臺標準時鐘收不到GPS信號時另一臺標準時鐘會自動提供GPS信號，并獲取標準時間信號，保證本繼電器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2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，經過擴展向其它裝置提供多路輸出接口。

這種由2臺主時鐘及若干臺擴展裝置可構成一個統一的時間同步系統，2臺GPS主時鐘布置在不同的地點，通過光纜連接，構成互備系統，可降低因雷擊而損壞主時鐘的概率，并且主備切換分散到各繼電器室，由各繼電器室時間信號接收單元來完成，一個繼電器室的切換單元故障，不影響其他繼電器室，采用這種方式系統可靠性更高。

4 GPS衛星時鐘同步系統應用中的注意事項

安裝時，先將天線頭安裝在天線支架(備選件)上，再將天線支架用膨脹螺栓固定在建筑物頂端，根據安裝條件需要時可以使用彎角支架(備選件)。天線頭要安裝在室外，安裝位置應視野開闊，盡可能安裝在屋頂，原則上是順著天線頭往上看能夠看到360°的天空。然后從上到下布置天線的電纜線。天線電纜鋪設轉彎半徑不易過小，穿孔時注意包好接頭。天線電纜長度是根據天線增益嚴格設計，不得剪斷、延長、縮短或加裝接頭，否則將影響接收效果甚至收不到信號。

天線應盡量避開山坡、樹林、高層建筑物、鐵塔、高壓輸電線等對天線波束的阻擋。天線主波束方向上應有足夠的視界，天線正前方應有盡可能寬的視角。一般要求以天線基點為參考，對障礙物最高點所成的夾角小于10°。

天線的架設位置應避開風口，以減小天線的風載。在多雷雨地區，天線的架設位置應避開雷擊多發地點，天線頭應放在電廠/變電站避雷針避雷范圍內。天線安裝在屋頂時，只要視野足夠，高出屋面距離越小越好。同時，天線應盡量安裝專用防雷器，在雷雨季節到來之前必須仔細檢查避雷接地系統是否良好(專用防雷器為選配器件)。

為保證GPS衛星同步時鐘系統的功能、準確度和效率，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面板上的天線信號是否正常，再檢查顯示面板上鎖定的衛星數量(一般應大于3)，以上兩項正常后再用顯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，以確認對時系統內所有參與對時設備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,運行狀態的告警接點輸出，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GPS運行情況。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。

5 結束語

GPS衛星時鐘同步系統在河北華電石家莊熱電有限公司變電站自動化設備中廣泛的應用，不但有效地減少檢修和運行人員的工作量，還使電廠變電站運行設備有了統一、標準的時間基準，方便對運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，為該公司安全生產提供了技術保障。

本文責任編輯：丁 力