變電站自動化系統GPS對時技術分析

李小葉　史恒超

摘 要：隨著用電量不斷增加，變電站承擔的供電任務越來越重，傳統的控制與管理系統已無法滿足變電站的工作要求，因此，變電站也要向自動化方向轉變。而在自動化系統中，GPS對時技術是確保整個系統同時動作的必要措施，其對變電站升級改造的重要性不言而喻。文章闡述了變電站自動化系統中時間同步的重要意義，分析了自動化系統中GPS對時技術及應用。

關鍵詞：變電站；自動化系統；GPS對時技術

中圖分類號：TM761 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）09-0065-01

如今大部分電網均以超高壓輸電、自動化以及大機組成為主要特征的大電網，這種電網無論是規劃還是運行方式都日益復雜，因此提供標準時間的時鐘基準成為變電站甚至整個電力網絡中迫切所需。所以，怎樣實現時間同步，實現電網時間統一，是變電站追求的目標。

而GPS對時技術是一種精確時鐘源，引入該時鐘就是給各個自動化設備設置相同時鐘，從而實現各個變電站自動化的時鐘統一。

1 變電站自動化系統應用GPS對時技術的必要性

要分析GPS對時技術，就必須要掌握應用該技術的必要性，只有在分析必要性基礎上分析應用才具有現實價值。

1.1 統計時間基準分析數據

統一時間基準，就能夠監控與分析變電站中的運行故障情況。相對故障錄波來說，只要統一了兩端錄波數據時間基準，就能夠運用這個數據獲取故障測距，同時精確統一時間基準還能夠幫助控制電網管理負荷以及穩定區域。

1.2 校正裝置守時能力存在的差異

各種測控單元、保護裝置以及錄波裝置等各種設備上均安裝了內部時鐘，但是因為設備存在質量差異，對時的精度上具有一定偏差，時間一長這些小偏差必然就逐漸形成了誤時間。所以，如果只是依靠設備內部裝置的時間，極難確保站內系統對時的精度與準確性。

2 變電站自動化系統GPS對時技術

2.1 GPS對時技術

全球定位系統（GPS）是由美國軍方構建的全球衛星定位系統，系統中安裝了專門的接收器，用來接收衛星發射出來的信號，從而獲取時間、位置以及相關信息。而GPS系統每一秒均要發送一次信號，時間精度達到了1us，全球范圍中任何時刻、任何位置均能夠接收到可靠的衛星信號，不間斷發送衛星自身的時間信息及星歷參數。GPS對時系統所發送時間信息精確到了秒及標準秒（IPPS）信號，因此頻率及時間精度較高，精度最好可達到10～12量級。在變電站自動化系統中運用GPS對時技術具備明顯優勢，能夠確保全站各個系統具有統一的GPS時間基準，在該基準下有效監控運行及事故后分析故障，其GPS對時技術如圖1所示。

在變電站中各種自動化設備，比如微機保護裝置、故障錄波器以及監控系統等等，依據GPS所提供精確時鐘的同步信號，從而對變電站及調度中心時間基準進行統一，一旦電力系統出現故障就能夠提升時間的準確性，確保電力系統安全穩定，給分析斷路器動作先后順序以及電力故障情況提供證據。

2.2 GPS對時方式

對于基準時鐘源而言，GPS對時方法主要有三種方式對設備進行對時。

2.2.1 硬對時

①秒脈沖對時：這種方式就是運用GPS所輸出IPPS秒脈沖信號對時間進行同步校準，而IPPS秒脈沖新信號即把每一秒鐘內GPS所輸出脈沖校準信號，同時對IPPS秒脈沖時間進行協調時，時間具有較高準確性，其精度能夠達到了秒級。

②分脈沖對時：當運用GPS所輸出IPPS分脈沖信號同步對時之時，而IPPS秒脈沖新信號即把每一分鐘內GPS所輸出脈沖校準信號，當進行時間協調時具有較高的時間準確度，從實況來看脈沖上升時間的準確度低于3 us。

秒脈沖對時就是當脈沖上升沿到來之時對對時裝置設置秒一下的數進行清零；分脈沖對時就是當脈沖上升沿到來之時對對時裝置設置分以下的數進行清零。

2.2.2 軟對時

軟對時即稱之為串口校時；也是串行同步輸出方式，就是把時鐘信息按照串行數據流方式輸送出去，串口校時時間包含了年，月，日以及秒；當然還能夠容納一些特定內容。比如GPS的運行狀態以及接受GPS衛星數等等；軟對時報文主要格式采用了十六進制碼以及BCD碼等，如果傳輸速率選擇了合適校準信號，就能夠讓對時準確度實現毫秒級。而串口校時缺點在于要受到傳輸距離的限制，比如RS-232接口方式最大傳輸距離大約是30 m，一旦對時距離太長，就會造成時延，自然也就無法保證串口對時精度。當變電站自動化系統中利用GPS中軟對時大多選用網絡對時，也就是將通訊接口機串口連接到GPS串口上，通訊接口機串口連接到網絡上，就能夠執行具有通訊功能的廣播對時命令。

2.2.3 編碼對時

編碼對時就是將標準時間信息與同步信號編成需要的時間序列碼，之后從對時總線上輸出，和接收裝置所解析時間信息實現同步。編碼的時間信息具有多種格式，如今變電站中應用最多的是IRIG-B碼。IRIG-B碼是美國的IRIG委員會制定B標準，屬于一種針對時傳輸所用的時鐘碼。

IRIG-B碼對時主要特征為，這種碼制兼顧了軟對時與硬對時兩者優點，時間信息標準、精度高；接口具有標準化及易接入；對時環節比較簡化，傳輸的距離比較遠等。

2.3 變電站自動化系統對GPS對時技術的應用

如今的GPS對時系統支持硬對時、軟對時以及編碼對時，能夠滿足國內外各種設備對時接口所需，同時也能夠滿足變電站中測控裝置、微機保護裝置、自動化系統等各種設備所需，這些設備均能接入GPS時鐘同步系統。在應用中比較常用的GPS對時接口主要有：RS-485串口輸出、RS-232串口輸出以及非調制IRIG-B輸出信號，還有秒脈沖IPPS輸出信號、分脈沖IPPS輸出信號等等；在變電站中使用了各種新老裝置設備，就要接收到同步的時鐘信號，并且設備存在各種差異，接口的類型繁多，因此在實際應用中幾乎都是將幾種對時方法有機結合起來共同使用，但是采用這種方法就要增加硬接點或者網絡對時統一時間。如果系統中所用智能裝置具備B碼對時功能，一般情況下是無法再連接串行通信報文對時，如果連接就可能發生時間跳變，如果智能裝置比較先進就是在通信程序中增加一個判斷，只要對時功能出現故障，就能夠接收串行口輸送進來的對時信號。

變電站中的GPS對時系統主要是由時間信號傳輸通道、主時鐘以及時間信號用戶接口共同組成。在這些組成部分中主時鐘大都設置在變電站控制中心上，包含了標準機箱、接收天線、接收模塊、時間信號輸出模塊以及電源模塊等等，而變電站中各種設備及間隔層的IED設備均依照要求進行GPS對時，同時具備校正時鐘同步網絡傳輸的功能。

3 結 語

提高變電站自動化應用水平，通過GPS對時技術的引入，必然優化了變電站電網接口，提高了供電的可靠性。引入GPS對時系統，能夠快速查找及排除電力故障，短時間內恢復供電，實現優質服務。因此就需要掌握GPS對時技術的定義，了解其工作原理，以及在電力系統中的應用，確保變電站可靠的、穩定的供電。

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