變電站手持式時間同步裝置的研制

廣東電網有限責任公司珠海供電局 張 睿 王力偉 王建勇 吳碧海

對于電力系統二次設備測試而言，部分測試要求測試儀器與被測二次設備之間的時間同步或多個二次設備之間的時間同步，如光纖差動保護裝置線路兩端聯調測試、PMU測試、合并單元測試等[1]。為了實現測試儀器、二次設備的時間同步，電力系統二次設備中采用時間同步裝置，時間同步裝置通過天饋線獲取衛星導航系統的無線信號以同步自身時間與衛星導航系統提供的時間信號同步[2]。時間同步裝置同時向測試儀器及二次設備輸出統一的時間同步信號，測試儀器及二次設備在收到時間同步裝置輸出的時間同步信號后，調整自身時鐘與時間同步信號的時間一致，從而實現測試儀器與二次設備之間的時間同步。由于各個變電站的時間同步裝置都是采用天饋線接收的衛星導航系統的無線信號，因此各個時間同步裝置的時間都是同步的，相應的接收時間同步裝置授時的二次設備和測試儀的時間也都是同步的[3]。

根據國家電網公司2013年出臺的《國調中心關于加強電力系統時間同步運行管理工作的通知》，需要提升時間同步在運行管理和測試環節的工作。為解決二次設備測試環節時間同步同問，各網省公司應因地制宜，建立起有效的時間同步監測管理系統，已實現二次設備與測試儀器之間的時間同步。目前已有較多單位對變電站時間同步問題進行了研究[4]，沈健等人設計了二次設備時間同步監測方案，并說明了此方法的詳細流程，在時間同步方面又做了安全性設計；雷霆等人研究提出了三層架構的時間同步手段，闡述了方法的框架及使用的技術手段；彭志強的等人通過調研當前主流時間同步監測方法，總結得出國網江蘇省電力公司所采用的技術方案與國家電網公司調控中心所制定的時間同步管理功能實施方案的不同。

本文就二次設備測試時的同步問題，研發了一種新的時間同步裝置，將極大提升同步裝置的靈活性，且基準信號不受現場施工影響。文章研制的手持式時間同步裝置，體積和重量遠小于變電站使用的組屏式時間同步裝置，配置電池與銣原子鐘。電池可保證手持式時間同步裝置在不接電源的情況下可以使用，提升了搬動的遍歷和靈活性。銣原子鐘保證了手持式時間同步裝置在與天饋線斷開的情況下，在很長一段時間內保持很高的時間精度。使用本專利研制的手持式時間同步裝置，可在沒有天饋線架設和對時電纜鋪設的情況下實現對現場測試儀器和二次設備授時，以實現測試儀器和二次設備的時間同步。

1 現有技術方案

當前變電站所使用的時間同步裝置全部都是組屏機箱設計，直接安裝于變電站二次設備屏柜上，并架設相應的天饋線以接收衛星導航系統的無線信號，同時鋪設對時電纜，將時間同步裝置與變電站其余二次設備連接，向二次設備發送時間同步信號[5]。

通過對現有同步裝置進行分析，其存在以下兩點不足：變電站所使用的時間同步裝置安裝位置固定，無法隨意移動；變電站所使用的時間同步裝置要實現對二次設備的授時，需要完成天饋線的架設與對時電纜的鋪設。但是對于部分新建變電站調試時，由于施工進度限制，在進行二次設備調試時，時間同步裝置可能還未安裝或天饋線及對時電纜為鋪設完成。

2 技術方案

時間同步裝置由多個模塊組成，分別是：外置天線模塊、內置天線模塊、衛星信號接收模塊、主控制模塊、調鐘模塊、銣原子鐘模塊、對時信號編碼模塊、對時信號輸出模塊、顯示模塊、電池模塊、電源管理模塊。

外置天線模塊通過與天饋線相連接，接收衛星導航系統（GPS系統或北斗系統）的無線時間基準信號并饋送至衛星信號接收模塊；內置天線模塊通過可直接接收衛星導航系統（GPS系統或北斗系統）的無線時間基準信號并饋送至衛星信號接收模塊。其與外置天線接收模塊的區別在于不用架設天饋線，但接收衛星導航系統無線時間基準信號的能力較差，需要在空曠開闊的場地才能接收到衛星信號[6]。

衛星信號接收模塊通過外置天線模塊或內置天線模塊獲取的衛星導航系統的無線時間基準信號，并輸出參考時間秒脈沖信號和時間信息至主控制模塊。

主控制模塊接收衛星信號接收模塊輸出的參考時間秒脈沖信號以及時間信息；主控制模塊接收銣原子鐘模塊輸出的本地時鐘秒脈沖信號[7]；主控制模塊通過比對衛星信號接收模塊輸出的參考時間秒脈沖信號以及銣原子鐘模塊輸出的本地時鐘秒脈沖信號的頻率及相位差異向調鐘模塊下發調鐘指令；主控制模塊將接收衛星信號接收模塊輸出的時間信息發送至對時信號編碼模塊和顯示模塊。

調鐘模塊接收主控制模塊下發的調鐘指令，并向銣原子鐘模塊下發相位和頻率調節信號，以修改銣原子鐘的振蕩頻率與相位。

銣原子鐘模塊在對時裝置上電工作后處于自由振蕩狀態，輸出基礎頻率信號至主控制模塊，主控制模塊在未接收到衛星信號接收模塊發送的天線時間基準信號的參考時間秒脈沖信號時，根據主控制的本地時間和銣原子鐘輸出的基礎頻率信號輸出時間信息發送至對時信號編碼模塊[8]。

對時信號編碼模塊根據主控制模塊發送的時間信息進行信號編碼，信號編碼格式包括秒脈沖信號、IRIG-B碼信號、串口對時報文信號，將上述編碼信號發送至對時信號輸出模塊。

對時信號輸出模塊接收對時信號編碼模塊發送的編碼信號，將其轉換成滿足相關標準要求的電平信號或者光信號發送至待授時的二次設備及測試儀器。

顯示模塊與主控制模塊連接，用于顯示時間同步裝置當前的時間以及與衛星導航定位系統的衛星連接數量。

電池模塊連接直流電源輸入端和電源管理模塊。電源管理模塊對電池模塊的充電、放電進行管理，并切換輸出電壓的供電回路；電源管理模塊在有外部直流電源輸入的情況下，控制電池模塊充電并將輸出電壓的供電回路切換至直流電源輸入；而電源管理模塊在沒有外部直流電源輸入的情況下，將輸出電壓的供電回路切換至電池模塊[9]，此時電池模塊處于放電狀態；電源管理模塊為時間同步裝置內各模塊供電。

3 授時方案

3.1 授時流程

將時間同步裝置與外部電源連接，使電池模塊進行充電。在時間同步裝置開機上電后，銣原子鐘模塊處于自由振蕩狀態，輸出基礎頻率信號至主控制模塊，此時時間同步裝置按照本地時鐘對外輸出對時信號。

若現場環境方便架設天饋線，則可將天饋線與時間同步裝置的外置天線模塊連接；若現場環境不方便架設天饋線，則需在電池模塊充電至可維持時間同步裝置正常運行電量時，將時間同步裝置置于室外空曠地區。

時間同步裝置通過外置天線模塊或內置天線模塊接收衛星導航系統的無線時間基準信號，并以此信號作為時間基準對銣原子鐘模塊輸出的秒脈沖信號進行頻率和相位調節，等待銣原子鐘模塊輸出的秒脈沖信號的頻率及相位調節至與衛星導航系統的無線時間基準信號的頻率及相位的誤差穩定在允許范圍內[10]。

將時間同步裝置的外置天線模塊的天饋線拔除或將同步裝置從室外帶回變電站內，此時時間同步裝置雖然與衛星導航系統的連接斷開，但在銣原子鐘模塊的穩定振蕩頻率保障下，時間同步裝置對外輸出的對時信號仍然按照衛星導航系統的基準時間進行輸出，能夠長期保持極高的準確度。

在電池供電的支持下，時間同步裝置可搬運至任意二次設備及測試儀器附近向其輸出對時信號。

3.2 優越性

本文所研制的手持式時間同步裝置可同時使用外置天線和內置天線兩種方式接受衛星導航系統的無線時間基準信號；由于采用電池供電和手持方式，可將裝置進行隨意搬運。

設計的手持式時間同步裝置向二次設備進行對時的方案通過衛星導航系統對時間同步裝置的銣原子鐘進行頻率及相位調節，使其穩定按照衛星導航系統的時間基準進行輸出；此外，脫離衛星導航系統連接后，仍然可以按照穩定的實際基準向其他二次設備進行授時，保證設備的兼容性。

4 結論

綜上所述，本文在對現有技術分析的基礎上，提煉得出現有技術存在缺點，有針對性的解決實際應用過程中存在的問題。本文對裝置的技術方案和授時方案分別進行了設計和說明，通過采用本文的授時裝置，將有效提升時間同步裝置的便利性。此外，由于基準信號穩定性較強和采用外置天線與內置天線接收衛星信號的方式，克服了現場電纜敷設進行的影響。