GPS時鐘同步系統在變電站自動化系統中的應用

黃睦奇

摘 要：近年來，科技與信息產業的迅速發展有效促進了變電站綜合自動化水平的顯著提高。計算監控系統、測控裝置、微機保護裝置、故障錄波器以及變電站內其他相關設備的應用與配合均需要變電站為其提供精確統一的時間。因此，變電站電力系統的運行與控制需要有一套精確的時間同步系統。該文引入GPS時鐘同步系統，通過對時鐘同步系統的概念及其在變電站自動化系統中的常用結構模式進行了分析，在結合其相關對時方式的基礎上，對GPS時鐘同步系統在變電站自動化系統中的實現與應用展開了深入研究。

關鍵詞：GPS時鐘同步系統 變電站自動化系統 IRIG-B對時碼

中圖分類號：TM63 文獻標識碼：A ` 文章編號：1672-3791（2014）12（b）-0098-02

電力系統是一個實時系統，當變電站中的電力系統發生故障時，需要對站內的各個系統在統一的時間基準下進行全面的運行監控和故障分析，從而提高電力系統事故分析和穩定控制的水平，并進一步確保電網運行的穩定性與高效性。因此，該文以GPS時鐘同步系統在變電站自動化系統中的應用作為研究對象，通過對時鐘同步系統的概念和常用結構模式進行闡述，并結合其在變電站自動化系統中的三種對時方式，進而為GPS時鐘同步系統在變電站自動化系統中的實現與應用提出了合理的意見和建議。

1 時鐘同步系統簡述

1.1 時鐘同步系統概念

所謂電力時鐘同步系統即變電站時鐘同步系統，其通過使用兩路外部的B碼基準，為變電站提供安全、可靠且具有高冗余度的時間基準信號，并采用先進的時間頻率測控技術馴服晶振，使守時電路所輸出的時間同步信號精密同步在變電站GPS或外部B碼的時間基準上，從而為變電站自動化系統輸出高穩定度與高精度的同步信號。

1.2 時鐘同步系統的常用結構模式

常用的時鐘同步系統主要包括了基本式時鐘同步系統、主從式時鐘同步系統以及主備式時鐘同步系統。基本式時鐘同步系統主要由一臺主時鐘及其相應的信號傳輸介質共同組成，根據變電站自動化系統對時鐘同步系統的需要和技術要求，主時鐘可以留有接口，用來接收上一級時鐘同步系統下發的有線時間基準信號。主從式時鐘同步系統除了具備主時鐘和信號傳輸介質外，還包括了多臺從時鐘，進而對被授時設備或相關的自動化系統對時[1]。同樣地，根據系統的需要和相關技術要求，主時鐘仍可接收上一級時鐘同步系統下發的有線時間基準信號。主備式時鐘同步系統與主從式和基本式時鐘同步系統均具有較大區別，其是由兩臺主時鐘以及多臺從時鐘和信號傳輸介質共同組成。由于此系統采用雙主鐘構成冗余模式，具有較高的運行可靠性，一般應用于500kV及以上變電站監控系統。

2 變電站GPS時鐘同步系統的對時方式及工作原理

GPS時鐘同步系統主要利用RS232接口對GPS衛星所傳來的信號予以接收，系統接收到GPS衛星傳輸的信號后，其CPU中央處理單元便開始對信號進行規約轉換和當地時間轉換，從而使信號滿足RS232、RS422和RS485等接口標準的相關要求[2]。GPS時鐘同步系統主要由GPS衛星信號接收部分、輸出/擴展部分、CPU部分以及電源部分和人機交互模塊共同構成。就現階段而言，GPS時鐘同步系統的常用對時方式主要有三種，分別為脈沖對時、串口對時和編碼對時。

2.1 脈沖對時

脈沖對時的過程為：GPS同步時鐘每隔一定的時間間隔便會向系統輸出一個精確的同步脈沖，系統被授時裝置在接收到同步時鐘所發出的同步脈沖后便進行對時，從而消除當前裝置內部時鐘走時的誤差。脈沖對時的優點是通過使各類被授時裝置進行同步對時，進而使得系統裝置具有很高的對時精度[3]；其缺點為：只提供秒同步的信息，而具體的日期時間值無法傳遞，一般需要和其他對時方式配合使用。

2.2 串口對時

串口對時就是將時刻信息以串行數據流的形式進行輸出。串口對時的具體過程為：被授時裝置接收每秒一次的串行時間信息來獲取時間同步[4]。在裝置未接收到廣播對時令的該段時間內，裝置時鐘通常存在著自身誤差問題。同脈沖對時相比，基于串行數據流的串口對時要較為復雜。此外，在此接收過程中，對相關信息處理所消耗的時間也會對時間同步的對時精度產生較大影響。因此，串口對時主要用于對事件添加相應的時間標記。而要想使串口對時的對時精度得以提升，還需為系統提供秒對時脈沖信號。串口對時的優點為：具有接口適應性強的特點；缺點為：對時距離較短。

2.3 編碼對時

編碼對時采用的對時碼有多種格式，目前國內常用的是IRIG-B對時碼。IRIG-B對時碼的輸出信息每秒一幀，每幀有100個碼元，包含了秒段、分段、小時段和日期段等信號。上面介紹的脈沖對時與串口對時均存在著自身的優缺點，前者對時精度高但卻無法直接傳遞時間信息；后者的對時精度較低，對時距離較短，而IRIG-B碼對時則兼顧了這兩種對時方式的優點。作為現今廣泛應用的時間碼，IRIG-B對時碼具有如下主要特點：對時精度高，攜帶信息量大；調制后的B碼適用于遠距離傳輸；接口標準化，國際通用。當變電站的智能設備采用IRIG-B碼進行對時時，就不再需要現場總線的通信報文對時，同時也不再需要GPS輸出大量脈沖接點信號。

3 GPS時鐘同步系統在變電站自動化系統中的實現與應用

3.1 通訊報文與脈沖對時

通訊報文與脈沖對時是GPS時鐘同步系統在變電站自動化系統中得以應用的主要方式。首先，在變電站配置GPS時鐘同步裝置，通過串行接口對處理單元和站內數據進行時鐘同步。其次，將經同步后的處理單元作為變電站自動化系統的時間源，通過將間隔層測控和其他智能設備數據相結合的方式來對基于現場總線的通信報文進行對時。值得注意的是，由于存在通信傳輸延遲，系統間隔層時鐘對時的精準度最高只能達到毫秒級[5]。此外，再利用GPS時鐘同步系統裝置中的1pps（或者1ppm、1pph）脈沖上升沿對時鐘的秒位進行清零，從而實現系統中各設備時鐘的精確對時。該種應用對時方式對于變電站自動化系統中的各間隔設備來說，其時鐘同步主要是依靠通訊報文與脈沖對時相結合的方式來共同完成的。由于不同設備的對時接點方式存在著較大差異（數量多，不夠統一），因此該種實現方式的結構不夠簡潔。endprint

3.2 全系統NTP協議時鐘源對時

對基于全系統NTP協議時鐘源對時的GPS時鐘同步系統來說，首先，需要在自動化系統中架設具備NTP協議的GPS同步時鐘裝置。其次，通過電力調度四、五級數據網網絡，對網絡中具備接受NTP協議的各個變電站數據通信以及系統處理單元進行時鐘同步，并再以經時鐘同步后的處理單元作為時間源，通過與間隔層測控及變電站自動化系統中的其他智能設備數據通信，進而下發基于現場總線的通信對時報文，以此來實現站內各項設備的時鐘同步。NTP協議接口成熟規范，對時精度較高，傳輸基于數據網網路。在整個自動化系統中只需要配置一套具備NTP協議的GPS時鐘同步裝置就能實現其功能。因此，全系統NTP協議時鐘源對時的實現方式相對簡單，投資成本較低，但需要站內數據通信與處理單元支持NTP協議對時。

3.3 主站規約時鐘報文對時

主站規約時鐘報文對時的方法比較特殊，該種方式主要用于變電站內無GPS時鐘同步裝置或者GPS時鐘同步裝置的后備方式。該對時方式通過主站對時方式實現其對時功能。主站規約時鐘報文對時以主站SCADA系統中已由GPS時鐘同步裝置同步的前置機作為其時間源，通過通信通道下發對時指令，進而對系統內各變電站的處理單元及數據通信進行時鐘同步。再以上述經時鐘同步后的處理單元作為時間源，通過與間隔層測控及變電站自動化系統中的其他智能設備數據通信，進而下發基于現場總線的通信對時報文，以此來實現站內各項設備的時鐘同步。主站規約時鐘報文對時需要專用統一的通信通道才能達到比較理想的對時效果。而在實際應用中，各種不同的傳輸通道的通信方式與通信延遲均存在較大差異，從而最終影響了系統的對時精度。

3.4 GPS系統應用的注意事項

GPS系統應用中的使用環境與使用方式對其最終的對時精度有著很大的影響。為了確保GPS的對時精度達到設計中的要求，在實際應用中需要注意以下幾點要求。

（1）在正常情況下，GPS定位至少需要接收到4顆衛星信號，故而GPS天線最好應該安裝在開闊的房頂位置，且四周沒有很高的建筑物遮擋并影響其信號的正常接收。

（2）由于GPS天線安裝在比較高的房頂位置，容易受到雷擊的影響，因此天線饋線外殼應可靠接地。此外，GPS裝置天線輸入處最好安裝信號防雷模塊。

（3）GPS系統輸出信號的對時精度與相關傳輸介質的長度有關，隨著介質長度的增加，其對時精度也會相應的下降。在實際安裝中，應盡量控制傳輸介質的長度并注意最大允許傳輸距離。

（4）為了進一步加強電網運行中的監控巡視質量，需要將GPS裝置故障、GPS失步告警等GPS異常信號接入計算機監控系統。

4 結語

該文通過對時鐘同步系統的概念及其在變電站自動化系統應用中的常用結構模式進行分析，在結合其三種常用對時方式的基礎上，又從四個方面對GPS時鐘同步系統在變電站自動化系統中的應用與實現方式展開了深入研究。通過分析研究，我們不難發現GPS時鐘同步系統在變電站中的大量部署使得站內的相關設備有了統一、標準的時間基準。以此為基礎，對于運行中出現的各類事件可以更為方便的進行追溯、比較和分析，并最終顯著提高了電力系統的自動化水平，為國家電網監管水平的邁進提供了強有力的技術保障。

參考文獻

[1] 吳培濤.基于GPS衛星時鐘同步系統在變電站中的應用[J].科技創新與應用，2012（11Z）：56.

[2] 陳丕龍.分布式測試系統中的GPS時鐘同步系統設計[D].太原：中北大學，2011.

[3] 蘭惠.時鐘同步系統在寧夏電力的推廣應用[J].電力系統通信，2011，32（1）：62-65.

[4] 郭威.GPS時鐘同步技術在變電站電力自動化中的應用[J].黑龍江科技信息，2014（8）：89.

[5] 吳瓊.大集控模式下中心站自動化系統的技術研究與應用[D].上海：上海交通大學，2012.endprint