變電站GPS在線監(jiān)測系統(tǒng)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

何澤家，朱足君，陳志兵，朱浩，徐敏銳

（1.江蘇省電力試驗研究院有限公司，江蘇南京210036；2.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京211102）

目前，變電站GPS衛(wèi)星時間同步時鐘在電力系統(tǒng)正得到廣泛的應(yīng)用[1]，但國內(nèi)對站端GPS衛(wèi)星時鐘設(shè)備的運行情況缺乏有效監(jiān)視，有人監(jiān)控變電站主要依靠人工巡視，而無人監(jiān)控變電站時鐘設(shè)備監(jiān)測手段更是空白。運行人員無法及時發(fā)現(xiàn)廠站內(nèi)時鐘設(shè)備發(fā)生了失步或故障，僅能觀察判斷裝置是否鎖星，全網(wǎng)時間同步精度與準(zhǔn)確性更無從準(zhǔn)確知曉。因此，需要建立一套GPS在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對全網(wǎng)GPS運行情況的實時監(jiān)測。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

時間同步監(jiān)測裝置通過串口規(guī)約加脈沖方式或IRIG-B（DC）碼通信接口獲得GPS的時間與運行狀態(tài)信息，各地區(qū)當(dāng)?shù)卣{(diào)度中心后臺系統(tǒng)作為NTP協(xié)議的客戶端，周期性詢問現(xiàn)場監(jiān)測裝置所監(jiān)測當(dāng)前GPS的時間，監(jiān)測裝置作為一個NTP服務(wù)器，通過NTP協(xié)議將現(xiàn)場GPS時間發(fā)給客戶端。后臺獲得被監(jiān)視GPS的當(dāng)前時間后與中心站GPS基準(zhǔn)時間源進(jìn)行比較得出各個GPS的相對時間偏差，并從監(jiān)測裝置獲得GPS運行信息。后臺可以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約或文本方式輸出GPS的相關(guān)運行信息，主站監(jiān)測系統(tǒng)可提供WEB方式查詢。監(jiān)測實施后，便于對GPS信息進(jìn)行分層管理，在各個地區(qū)調(diào)度中心監(jiān)控本地區(qū)GPS運行信息，省調(diào)度中心對全省各個地區(qū)GPS信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，如圖1所示。

2 系統(tǒng)組成

2.1 GPS衛(wèi)星同步時鐘

GPS衛(wèi)星同步時鐘系統(tǒng)由主時鐘、時間信號傳輸通道、時間信號用戶設(shè)備接口組成[2]，安裝在調(diào)度中心和廠站的二次設(shè)備室內(nèi)。GPS衛(wèi)星同步時鐘利用RS232接口接收GPS衛(wèi)星傳來的信號，然后經(jīng)主CPU中央處理單元的規(guī)約轉(zhuǎn)換、當(dāng)?shù)貢r間轉(zhuǎn)換成滿足各種要求的接口標(biāo)（RS232/RS422/RS485等）和時間編碼輸出（IRIG-B碼、ASCII碼等）[3]，實現(xiàn)對站內(nèi)各種保護(hù)、測控以及其他智能單元的對時。同時，中心站高精度的GPS衛(wèi)星時鐘可作為NTP標(biāo)準(zhǔn)源，用于比較被監(jiān)視GPS與GPS標(biāo)準(zhǔn)源間的相對時間偏差。

2.2 GPS監(jiān)測裝置

時間同步監(jiān)測裝置通過串口規(guī)約加脈沖方式或IRIG-B（DC）碼通信接口獲得GPS的時間與運行狀態(tài)信息，并將GPS的運行狀態(tài)信息即時反映給調(diào)度。

2.2.1 GPS監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)

GPS監(jiān)測裝置主要由電源輸入口、信號輸入口、網(wǎng)絡(luò)口、調(diào)試串口以及信號指示燈等五部分組成。由于目前全網(wǎng)GPS廠家眾多、型號各異，監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)同時具備串口、分/秒脈沖、IRIG-B碼輸入接口。同時由于涉及到的串口通信規(guī)約可能各不相同，脈沖信號電壓存在5V、24V、110V或空接點等情況,監(jiān)測裝置應(yīng)具有一定的靈活性，以滿足現(xiàn)場的實際需要。

2.2.2 配置工具軟件

為便于工程調(diào)試及遠(yuǎn)程更新升級，開發(fā)了遠(yuǎn)程監(jiān)視管理軟件工具。裝置通過10/100M以太網(wǎng)接口與外界進(jìn)行信息交流。固件升級通過以太網(wǎng)口進(jìn)行程序更新、裝置IP修改及GPS通信參數(shù)接口配置。

2.2.3 GPS監(jiān)測方式

經(jīng)過對現(xiàn)場GPS運行情況的充分調(diào)研，GPS監(jiān)測系統(tǒng)對GPS的監(jiān)測需要考慮有3種接入系統(tǒng)方式：（1）串口加脈沖方式（分、秒脈沖），即GPS將串口+分/秒脈沖信號送至監(jiān)測裝置，然后通過監(jiān)測裝置NTP口接入GPS監(jiān)測系統(tǒng)，如圖2所示；（2）IRIG-B(DC)接口方式，即GPS將IRIG-B信號送至監(jiān)測裝置，然后通過監(jiān)測裝置NTP口接入GPS監(jiān)測系統(tǒng)，如圖3所示；（3）NTP直接上傳方式（不經(jīng)過監(jiān)測裝置），即GPS通過NTP口直接接入GPS監(jiān)測系統(tǒng)，此方式要求GPS自帶NTP接口，見圖4。

2.3 GPS監(jiān)測系統(tǒng)后臺

時鐘設(shè)備監(jiān)測后臺軟件作為一個獨立運行的用戶軟件，運行于各個地區(qū)供電局調(diào)度中心與省調(diào)中心。通過監(jiān)測后臺，可實時查看所有GPS的運行情況，包括電壓等級、廠站名稱、裝置信號、裝置狀態(tài)、GPS鎖星狀態(tài)、時差狀態(tài)、與基準(zhǔn)源時差、采集間隔、與GPS通信時間、脈沖/IRIG-B方式、IP地址、補償與否等。

3 運行效果

變電站GPS在線監(jiān)測系統(tǒng)自2007年8月在江蘇省電力公司調(diào)度通信中心上線運行至今已有2年多的時間，目前系統(tǒng)運行情況良好，成效顯著。

3.1 監(jiān)測站點不斷增加

目前，各供電公司新上或改造GPS站點在不斷接入省調(diào)GPS監(jiān)測系統(tǒng)。除此之外，各發(fā)電廠GPS系統(tǒng)也已開始逐步接入省調(diào)GPS監(jiān)測系統(tǒng)。截至2009年12月8日，已接入監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)的站點總數(shù)達(dá)334個（包括3個電廠側(cè)監(jiān)測點）。監(jiān)測裝置分布于全省13個地級市、縣公司的220kV、500kV變電站、省調(diào)度中心與各地區(qū)調(diào)度中心，安裝了后臺監(jiān)測軟件14套，建立了江蘇省電網(wǎng)時鐘設(shè)備時間同步監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

3.2 運行維護(hù)方面快捷

現(xiàn)在，通過GPS在線監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)測裝置配置工具軟件，可便捷地對異常站點故障原因進(jìn)行遠(yuǎn)程分析診斷，大大縮短了工作周期，提高了工作效率。監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到昆山變出現(xiàn)較大偏差。通過GPS監(jiān)測裝置配置工具軟件查看，時/分脈沖狀態(tài)顯示為丟失。經(jīng)現(xiàn)場查看，發(fā)現(xiàn)GPS監(jiān)測裝置分/秒脈信號燈停止閃爍。通過處理，監(jiān)測站點恢復(fù)正常。

4 監(jiān)測站點異常原因分析

4.1 異常原因統(tǒng)計

由2.2.3 GPS監(jiān)測方式可知，導(dǎo)致監(jiān)測站點出現(xiàn)異常的原因主要集中在GPS裝置本身和網(wǎng)絡(luò)通信兩方面，主要有：裝置失星、分/秒脈沖丟失、串口通信中斷、GPS自身偏差大、網(wǎng)絡(luò)中斷、IRIG-B碼異常等。圖5為GPS監(jiān)測異常原因統(tǒng)計情況。

4.2 異常原因分析及處理

4.2.1 GPS裝置失星

GPS裝置失星在監(jiān)測異常中比較常見，主要原因是由于原有GPS天線損壞，使得GPS失去同步而只能以守時狀態(tài)運行，導(dǎo)致GPS輸出時間信號有偏差。GPS監(jiān)測系統(tǒng)顯示該站點時間偏差較大，通過監(jiān)測裝置軟件遠(yuǎn)程監(jiān)測，顯示串口通信、時分脈沖、通信狀態(tài)均為正常；經(jīng)現(xiàn)場查看，GPS裝置失星。通過更換GPS天線，站點恢復(fù)正常。

4.2.2 串口/脈沖信號丟失

導(dǎo)致監(jiān)測裝置串口/脈沖信號丟失的主要原因是部分變電站GPS由于運行年限較長，其串口/脈沖信號輸出端口損壞，從而導(dǎo)致GPS輸出時間信號有偏差。GPS監(jiān)測系統(tǒng)顯示該站點時間偏差較大，通過監(jiān)測裝置軟件遠(yuǎn)程監(jiān)測，顯示串口通信中斷或時分脈沖丟失?，F(xiàn)場查看，發(fā)現(xiàn)GPS監(jiān)測裝置串口信號燈或脈沖信號燈停止閃爍。通過更換串口或脈沖輸出端口（模塊），站點恢復(fù)正常。

4.2.3 GPS自身偏差大

在異常站點中，有一部分站點是由于GPS自身的輸出精度不夠，GPS監(jiān)測系統(tǒng)顯示該站點時間偏差較大，通過更換GPS插件，站點恢復(fù)正常。

4.2.4 網(wǎng)絡(luò)中斷

出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中斷的主要原因是部分站點網(wǎng)絡(luò)防火墻或路由器的設(shè)置存在問題，如端口未開放，導(dǎo)致監(jiān)測站點退出。GPS監(jiān)測系統(tǒng)顯示該站點通信狀態(tài)退出，通過監(jiān)測裝置軟件遠(yuǎn)程連接，顯示連接不成功。

通過對網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的檢查，站點恢復(fù)正常。

4.2.5 IRIG-B碼異常（舊IRIG-B規(guī)約）

雖然IRIG-B是國際通用標(biāo)準(zhǔn)[4]，但是時鐘設(shè)備制造廠商理解并不一致，部分站點GPS輸出B碼與監(jiān)測裝置B碼規(guī)約不一致，導(dǎo)致部分站點監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)超前或滯后1s、1天、時序不正確的情況。通過將原來的IRIG-B碼監(jiān)測方式改為串口+脈沖監(jiān)測方式，站點恢復(fù)正常。

4.2.6 GPS運行不穩(wěn)定

還有極少數(shù)站點GPS由于運行年限較久，出現(xiàn)運行年限較久，出現(xiàn)運行不穩(wěn)定情況，GPS監(jiān)測系統(tǒng)顯示該站點一段時間偏差正常，一段時間偏差異常。通過GPS廠家處理或重新更換GPS，站點恢復(fù)正常。

5 結(jié)束語

變電站GPS在線監(jiān)測系統(tǒng)在不改變當(dāng)前GPS運行的情況下，充分有效利用現(xiàn)有設(shè)備，實現(xiàn)了全網(wǎng)GPS的在線監(jiān)測。該項研究填補了傳統(tǒng)對變電站內(nèi)GPS監(jiān)測的技術(shù)空白，大大提高了生產(chǎn)管理水平，對電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)與穩(wěn)定運行具有重要的意義。

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