淺談2006C電網(wǎng)GPS—B碼同步時鐘系統(tǒng)

摘 要：根據(jù)2006C電網(wǎng)GPS-B碼時間同步系統(tǒng)的工作原理，相較于傳統(tǒng)的對時方式，分析系統(tǒng)將GPS衛(wèi)星傳送的協(xié)調(diào)世界時間作為定時信號源穩(wěn)定的實現(xiàn)電網(wǎng)內(nèi)的變電站、電廠內(nèi)計算機監(jiān)控系統(tǒng)、保護裝置及故障錄波器等設(shè)備的時間同步。

關(guān)鍵詞：同步時鐘系統(tǒng)；同步鐘；擴展裝置；嵌入式計算機

1 概述

目前，電力系統(tǒng)中的時間同步處于變電站內(nèi)GPS統(tǒng)一的狀態(tài)，由于GPS設(shè)備品牌不同，性能不統(tǒng)一，造成站內(nèi)、站與站之間時間不統(tǒng)一。這些時間接收系統(tǒng)相互間不通用。無法互為備份，使得整個系統(tǒng)的可靠性無法保證。為了逐步實現(xiàn)全電網(wǎng)的同一時間，有必要在發(fā)電廠、變電站建立集中和統(tǒng)一的電力系統(tǒng)時間同步系統(tǒng)，而且該系統(tǒng)應(yīng)能基于不同的授時源建立時間同步并互為熱備用。

2 電力系統(tǒng)設(shè)備常用的對時方式

2.1 脈沖對時

也稱硬對時，是利用脈沖的準(zhǔn)時沿來校準(zhǔn)被授時設(shè)備。常用的脈沖對時信號有1PPS和分脈沖（1PPM），有些情況下也會用時脈沖（1PPH）。其優(yōu)點是授時精度高，使用被動點時，適應(yīng)性強；缺點是只能校準(zhǔn)到秒，其余數(shù)據(jù)需要人工預(yù)置。

2.2 串口報文對時

也稱軟對時，是利用一組時間數(shù)據(jù)按一定的格式通過串行通信接口發(fā)送給被授時裝置，被授時裝置利用這組數(shù)據(jù)預(yù)置其內(nèi)部時鐘。常用的串行通信接口為RS-232和RS-422/RS-485。其優(yōu)點是數(shù)據(jù)全面，不需要人工預(yù)置；缺點是授時精度低，報文的格式需要授時和被授時裝置雙方約定。

2.3 時間編碼方式對時

目前，很多場合采用以上2種方式的組合方式即串口+脈沖，從而可以充分利用兩者的優(yōu)點，克服兩者的缺點。其采用國際通用時間格式碼，將脈沖對時的準(zhǔn)時沿和串口報文對時的那組時間數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，構(gòu)成一個脈沖串，來傳輸時間信息。被授時設(shè)備可以從這個脈沖串中解析出準(zhǔn)時沿和一組時間數(shù)據(jù)。這就是目前常用的IRIG-B碼，簡稱B碼。其優(yōu)點是數(shù)據(jù)全面，對時精度高，不需要人工預(yù)置；缺點是編碼相對復(fù)雜。

2.4 網(wǎng)絡(luò)方式對時

網(wǎng)絡(luò)方式對時基于網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）、精確時間協(xié)議（PTP）。目前，簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（SNTP）應(yīng)用較多。網(wǎng)絡(luò)時鐘傳輸?shù)氖且?900年1月1日0時0分0秒算起時間戳的用戶數(shù)據(jù)協(xié)議（UDP）報文，用64位表示，前32位為秒，后32位為秒等分?jǐn)?shù)。網(wǎng)絡(luò)中報文往返時間是可以估算的，因而采用補償算法可以達到精確對時的目的。網(wǎng)絡(luò)授時方式可以為接入網(wǎng)絡(luò)的任何系統(tǒng)提供對時，其中NTP授時精度可達到50ms，PTP授時精度可達到1μs，SNTP授時精度可達到1s。

3 2006C電網(wǎng)GPS-B 碼同步時鐘對時系統(tǒng)

2006C電網(wǎng)GPS-B 碼同步時鐘系統(tǒng)可為電力系統(tǒng)時間同步網(wǎng)提供的高精度、高可靠性同步設(shè)備。它采用高精度的衛(wèi)星時間作為時間源，并采用先進的“時間馴服算法”完成衛(wèi)星時間的長穩(wěn)和晶振時間的短穩(wěn)完美結(jié)合；同時設(shè)計了簡便易用功能強大的人機界面、多種時間信號可選的接口插卡；并且具有遠程或本地的監(jiān)控的能力，提供完整的網(wǎng)絡(luò)管理能力。

3.1 系統(tǒng)的主要特性

3.1.1 雙同步時鐘獨立接受GPS衛(wèi)星時間及外部基準(zhǔn)時間主備用可選，實現(xiàn)基準(zhǔn)信號互為備用。

3.1.2 電源冗余供電保證授時系統(tǒng)可靠性。

3.1.3 支持NTP SNMP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，RJ接口，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對時。

3.1.4 標(biāo)準(zhǔn)時間碼傳輸可設(shè)定補償傳輸延時、使其時標(biāo)傳輸不受距離介質(zhì)限制。

3.1.5 輸出信號多樣化，可插卡式輸出1PPS、1PPM、1PPH、符合IEEE1344或NASA36 IRIG-B碼，DFC77，NTP（RCF1305），SNTP，ASCⅡ時間串口報文。

3.1.6 輸出的每種信號（網(wǎng)絡(luò)和報文除外）具有在線編程RS485或RS422、空接點、24V有源、TTL等多種電器接口形式選擇的功能。

3.1.7 內(nèi)置銣原子鐘或高溫恒溫OCXO，并采用先進的馴服算法，輸出高精度的本地授時時間。

3.2 系統(tǒng)框圖

2006C電網(wǎng)GPS-B碼同步時鐘系統(tǒng)（見上圖）可安裝在變電站、電廠的任何一個保護室，由GPS主屏與擴展屏構(gòu)成。主屏主要由同步鐘、信息擴展裝置、嵌入式計算機三大單元構(gòu)成，擴展屏內(nèi)一般只安裝時間同步信號擴展裝置，擴展屏里的擴展裝置通過光纜與主屏的GPS同步鐘互為通訊，接受時間主屏同步輸出的IRIG-B碼作為擴展屏輸出基準(zhǔn)信號，也可以接受其他外部基準(zhǔn)時間，通過擴展裝置處理輸出本室所需各類型時間同步信號。

（1）同步鐘

在2006C電網(wǎng)GPS-B碼同步時鐘系統(tǒng)中，設(shè)計配置了兩臺同步鐘互為冗余備用。正常情況下，兩臺同步鐘的時間信號接收單元獨立接收GPS衛(wèi)星發(fā)送的時間基準(zhǔn)信號；當(dāng)某一同步鐘的時間信號接收單元發(fā)生故障時，該同步鐘自動切換到另一臺同步鐘的時間信號接收單元接收時間基準(zhǔn)信號，實現(xiàn)時間基準(zhǔn)信號的互為備用。當(dāng)GPS與外部時間基準(zhǔn)都能同時正常接收時，優(yōu)選GPS時間源，外部時間基準(zhǔn)自動撤銷。當(dāng)GPS不能正常接收時，自動進入搜索接收外部時間基準(zhǔn)，提取外部時間基準(zhǔn)；當(dāng)GPS與外部時間基準(zhǔn)均不能正常時，由內(nèi)部時鐘授時，在內(nèi)部高精度溫度補償晶振頻率10-9量級上運行，使輸出的時間同步信號仍能保持一定的準(zhǔn)確度；當(dāng)外部時間基準(zhǔn)信號接收恢復(fù)時，自動切換到正常狀態(tài)工作，切換時間小于0.5S，內(nèi)部時鐘被外部時間基準(zhǔn)信號同步，如果系統(tǒng)掉電內(nèi)置的日歷時鐘依然能保持時間尺度不丟失。

（2）擴展裝置

信息擴展由輸入輸出冗余模塊、脈沖擴展模塊、B碼擴展模塊、報文信息擴展模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊等組成。其中輸入冗余模塊允許接收兩臺同步時鐘信號互為冗余，擴展裝置的模塊類型及模塊數(shù)量由需求配置。所有模塊的輸入輸出信號都采用電氣隔離技術(shù)，接口器件均使用抗雷擊、抗ESD元器件，保證系統(tǒng)可靠性。同步鐘與信息擴展裝置之間采用光纜或電纜通信，因此可分布式布置在變電站、電廠的任意位置。

（3）嵌入式計算機

2006C電網(wǎng)GPS-B碼同步時鐘系統(tǒng)內(nèi)置嵌入式計算機，主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)管理，實現(xiàn)本地或遠程在線監(jiān)控，由運行于WINDOWS操作系統(tǒng)的時間同步系統(tǒng)的后臺監(jiān)控遠程管理軟件實現(xiàn)。2006C電網(wǎng)GPS-B碼同步時鐘系統(tǒng)的嵌入式計算機通過網(wǎng)絡(luò)與擴展裝置通訊，在嵌入式計算機上運行時間同步系統(tǒng)的后臺監(jiān)控遠程管理軟件，可隨時查詢擴展裝置輸出的時間信號狀況、參數(shù)，也可以在線更改各種事件信息的形式和電氣性能。

4 結(jié)束語

2006C電網(wǎng)GPS-B碼同步時鐘系統(tǒng)采用多種時間基準(zhǔn)信號冗余、電源冗余保證了授時系統(tǒng)運行可靠性；采用硬件實時并行處理時標(biāo)保證了授時的準(zhǔn)確性；采用了模塊化輸出接口保證了授時的靈活性；可按實際需求擴展為多路時間信息，強大方便的遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能，基于WEB技術(shù)的管理軟件使得其易于管理，對于跨區(qū)域聯(lián)網(wǎng)的大電網(wǎng)非常適用，故本文推薦使用。

參考文獻

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[3]楊俊，武奇生，GPS基本原理及其Matlab仿真[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社2006.

作者簡介：路亞文（1985-），男，寧夏銀川人，寧夏電力公司檢修公司助理工程師，電氣工程及其自動化方向?qū)W士。

邵永浩（1984-），男，寧夏銀川人，寧夏電力公司檢修公司助理工程師，電氣工程及其自動化方向?qū)W士。