GPS对时系统在电力自动化系统中的应用

GPS对时系统在电力自动化系统中的应用

刘健 冯哲

乌石化公司检维修中心 新疆乌鲁木齐 830019

摘要： 时间的准确和统一是变电站自动化系统的最基本要求。只有电力系统中的各种自动化设备(如故障录波装置、继电保护装置、微机监控系统等)采用统一的时间基准，当电力系统发生故障时，既可实现全站各系统在统一时间基准下的运行监控和事故后故障分析，也可以通过各保护动作、开关分合的先后顺序及准确时间来分析事故的原因及过程。时间的准确和统一是保证电力系统安全运行，提高运行水平的一个重要措施。

关键词：时钟同步、 IRIG-B、自动化系统

      时间的准确和统一是变电站电气自动化系统的最基本要求。只有电力系统中的各种自动化设备(如故障录波装置、继电保护装置、微机监控系统等)采用统一的时钟源，当电力系统发生故障时，既可实现全站各系统在统一时间基准下的运行监控和事故后故障分析，也可以通过各保护动作、开关分合的先后顺序及准确时间来分析事故的原因及过程。统一精确的时间是保证电力系统安全运行，提高运行水平的一个重要措施。

1、 GPS时钟同步系统的简介及工作原理

    　　GPS时钟同步系统利用RS232接口接收GPS卫星传来的信号，然后经主CPU中央处理单元的规约转换、当地时间转换成满足各种要求的接口标（RS232/RS422/RS485等）和时间编码输出（IRIG_B 码，ASCII 码等）。GPS时钟同步系统一般由GPS卫星信号接收部分、CPU部分、输出或扩展部分、电源部分、人机交互模块部分组成。

    　　基于GPS的对时方式有3种：1)脉冲对时方式；2)串行口对时方式；3)IRIG-B时间编码对时方式。脉冲对时和串行口对时各有优缺点，前者精度高但是无法直接提供时间信息，而后者对时精度比较低。IRIG-B码对时方式兼顾了两者的优点，是一种精度很高并且又含有绝对的精确时间信息的对时方式，采用IRIC-B码对时，就不再需要现场总线的通信报文对时，需要授时的变电站自动化系统间隔层设备，原则采用IRIG-B码(DC)方式实现对时。

同步时钟每隔一定的时间间隔输出一个精确的同步脉冲。被授时装置在接收到同步脉冲后进行对时，消除装置内部时钟的走时误差。脉冲同步的缺点是无法直接提供时间信息，被授时装置如果时间源就出错，会一直错误走下去。串行同步输出方式，是将时刻信息以串行数据流的方式输出。各种被授时装置接收每秒一次的串行时间信息获得时间同步，在未接收到广播对时令的这段时间间隔内，装置时钟存在自身走时误差问题，使用串行方式对时比脉冲对时方式复杂，另外在接收过程中，信息处理耗费的时间也会影响对时精度，所以主要用于给事件加上时间标记，如果要提高对时精度，现场应用时还需要再给出秒对时脉冲信号。利用1PPS（秒脉冲）信号的上升沿来实现外部时钟与GPS时钟的同步以及将同步误差抑制在满足系统精度要求范围之内。

    　　IRIG-B码输出方式，IRIG组织发布的用于各系统时间同步的时间码标准,其中应用最广泛的是IRIG-B版本，简称B码。B码以BCD码方式输出，每秒输出一次，内含100个脉冲，输出的时间信息为：秒、分、时，日期顺序排列。B码信号一般有（TTL）电平方式、RS422电平方式、RS232电平方式、调制信号（AM）四种形式。脉冲对时和串行口对时各有优缺点，前者精度高但是无法直接提供时间信息；而后者对时精度比较低，尤其是多小室模式或者监控系统中有多个管理机、多个子系统的时候时间精度受串口通信时延的影响尤为突出。B码对时兼顾了两者的优点，是一种精度很高并且又含有标准的时间信息的对时方式。

技术指标

输入信号：

GPS接收机 频点 L1

　　 定时精度 优于30ns

　　 跟踪灵敏度 -160dBm

GPS天 线 形状 蘑菇头

　　 物理接口 BNC

输出信号：

IRIG-B（DC/AC） 路数 6路

　　 输出电平 RS422/485

　　 同步误差 ≤200ns

　　 物理接口 凤凰端子或者DB9

RS232C串口 路数 1路

　　 电平 RS232C

　　 物理接口 DB9针形接头

1PPS脉冲信号 路数 1路

　　 电平 TTL

　　 同步误差 ≤30ns

　　 物理接口 DB9针形接头

环境特性： 工作温度 0℃～＋50℃

　　 相对湿度 ≤90%（40℃）

　　 存储温度 -30℃～＋70℃

供电电源：交流220V±10%， 50Hz±5%，功率小于30W

选 件：GPS北斗双模接收机，定做天线电缆，IRIG-B码输出TTL(DCLS),RS232C等，1PPS输出RS232C,RS422/485等，串口输出TTL,RS422/485等，扩展输出路数，1u标准机箱

2、GPS时钟同步系统在综自变电站中的接入与应用

现行的GPS时钟同步系统支持硬对时（脉冲节点PPS、PPM、PPH）、软对时（串口报文）、编码对时（IRIG-B、DCF77）和网络NTP对时，满足国内外不同设备的对时接口要求，变电站内微机保护装置、测控装置、故障录波器、自动化系统站控层设备等均可接入GPS时钟同步系统。GPS对时接口一般有：RS232串口输出、RS485串口输出，非调制IRIG-B输出信号，分脉冲1PPM输出信号，秒脉冲1PPS输出信号等。综自变电站中往往有许多不同的新老装置需要接收时钟同步信号，其接口类型繁多，在实际的工程应用中往往是几种对时方式结合在一起使用的，这样就需要增加硬接点或网络对时来统一时间。比如变电站自动化系统中有很多设备不支持B码对时，则多采用串行口对时和1PPM脉冲对时相结合的对时方式，串行口对时将智能设备的时间基准精确到毫秒级，而1PPM每整分钟发一个脉冲作用于智能装置的时钟清零线,从而实现时钟的精确同步。具有B码对时功能的智能装置，原则上是不能再接受串行通信报文对时的，否则会出现时间跳变，而比较先进的智能装置会在通信程序里增加一个判据，当B码对时功能发生故障时才接受串行口的对时报文进行对时。

     变电站的时钟同步系统由主时钟、时间信号传输通道、时间信号用户设备接口（扩展装置）组成。主时钟一般设在变电站的控制中心，包括标准机箱、接收模块、接收天线、电源模块、时间信号输出模块等，对变电站设备和间隔层IED设备（包括智能电能表等）按要求实现GPS对时，并具有时钟同步网络传输校正措施。

    　　结合实际情况，以乌石化公司35kV建南变电站为例。在变电站高压保护室安装一面GPS时钟同步屏柜，继电保护测控装置全部采用IRIG-B码对时，由于时钟装置B码对时接口有限，5至6台继电保护测控装置组成一个回路接入GPS时钟装置B码对时接口，选用RVVP两芯的屏蔽通讯电缆，1为+，2为—，依次将各装置接入GPS同步时钟装置的B码输出标号段。配电室内的故障录波装置单独接入GPS时钟装置B码对时接口，保证故障录波装置和继电保护测控装置有一个时钟源，可以确保故障录波装置和继电保护测控装置有一个准确的时间。当地微机监控后台服务器和操作员站采用NTP和时钟装置对时，从而保证了继电保护测控装置、故障录波装置和监控自动化后台可以有一个稳定的时钟源，时间上可以保持一致，对事故分析有很大的帮助。

为保证GPS卫星同步时钟系统的功能、精度和效率，应做好日常的保养和维护工作，应定时对GPS对时系统各个部件进行检查，首先应检查装置显示面板上的天线信号是否正常，再检查显示面板上锁定的卫星数量（一般应大于3），以上两项正常后再用显示面板上所显示的时间与各个对时设备上所显示或打印的时间进行比对，以确认对时系统内所有参与对时的设备的对时单元工作正常，定时对系统内的各个部件进行巡检以保证整个系统的可靠性。

四、结束语

     GPS卫星同步时钟系统在电力自动化系统中应用，使变电站内大多数的运行设备有了统一、标准的时间基准，方便对运行中出现的各种事件的分析和追溯，提高了电力系统的自动化水平，为变电站乃至整个电网提供可靠的技术支持。