GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

黃睦奇

摘 要：近年來，科技與信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展有效促進(jìn)了變電站綜合自動(dòng)化水平的顯著提高。計(jì)算監(jiān)控系統(tǒng)、測(cè)控裝置、微機(jī)保護(hù)裝置、故障錄波器以及變電站內(nèi)其他相關(guān)設(shè)備的應(yīng)用與配合均需要變電站為其提供精確統(tǒng)一的時(shí)間。因此，變電站電力系統(tǒng)的運(yùn)行與控制需要有一套精確的時(shí)間同步系統(tǒng)。該文引入GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)，通過對(duì)時(shí)鐘同步系統(tǒng)的概念及其在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的常用結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行了分析，在結(jié)合其相關(guān)對(duì)時(shí)方式的基礎(chǔ)上，對(duì)GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用展開了深入研究。

關(guān)鍵詞：GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng) 變電站自動(dòng)化系統(tǒng) IRIG-B對(duì)時(shí)碼

中圖分類號(hào)：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ` 文章編號(hào)：1672-3791（2014）12（b）-0098-02

電力系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，當(dāng)變電站中的電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，需要對(duì)站內(nèi)的各個(gè)系統(tǒng)在統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)下進(jìn)行全面的運(yùn)行監(jiān)控和故障分析，從而提高電力系統(tǒng)事故分析和穩(wěn)定控制的水平，并進(jìn)一步確保電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與高效性。因此，該文以GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用作為研究對(duì)象，通過對(duì)時(shí)鐘同步系統(tǒng)的概念和常用結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行闡述，并結(jié)合其在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的三種對(duì)時(shí)方式，進(jìn)而為GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用提出了合理的意見和建議。

1 時(shí)鐘同步系統(tǒng)簡(jiǎn)述

1.1 時(shí)鐘同步系統(tǒng)概念

所謂電力時(shí)鐘同步系統(tǒng)即變電站時(shí)鐘同步系統(tǒng)，其通過使用兩路外部的B碼基準(zhǔn)，為變電站提供安全、可靠且具有高冗余度的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，并采用先進(jìn)的時(shí)間頻率測(cè)控技術(shù)馴服晶振，使守時(shí)電路所輸出的時(shí)間同步信號(hào)精密同步在變電站GPS或外部B碼的時(shí)間基準(zhǔn)上，從而為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)輸出高穩(wěn)定度與高精度的同步信號(hào)。

1.2 時(shí)鐘同步系統(tǒng)的常用結(jié)構(gòu)模式

常用的時(shí)鐘同步系統(tǒng)主要包括了基本式時(shí)鐘同步系統(tǒng)、主從式時(shí)鐘同步系統(tǒng)以及主備式時(shí)鐘同步系統(tǒng)?；臼綍r(shí)鐘同步系統(tǒng)主要由一臺(tái)主時(shí)鐘及其相應(yīng)的信號(hào)傳輸介質(zhì)共同組成，根據(jù)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘同步系統(tǒng)的需要和技術(shù)要求，主時(shí)鐘可以留有接口，用來接收上一級(jí)時(shí)鐘同步系統(tǒng)下發(fā)的有線時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。主從式時(shí)鐘同步系統(tǒng)除了具備主時(shí)鐘和信號(hào)傳輸介質(zhì)外，還包括了多臺(tái)從時(shí)鐘，進(jìn)而對(duì)被授時(shí)設(shè)備或相關(guān)的自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)時(shí)[1]。同樣地，根據(jù)系統(tǒng)的需要和相關(guān)技術(shù)要求，主時(shí)鐘仍可接收上一級(jí)時(shí)鐘同步系統(tǒng)下發(fā)的有線時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。主備式時(shí)鐘同步系統(tǒng)與主從式和基本式時(shí)鐘同步系統(tǒng)均具有較大區(qū)別，其是由兩臺(tái)主時(shí)鐘以及多臺(tái)從時(shí)鐘和信號(hào)傳輸介質(zhì)共同組成。由于此系統(tǒng)采用雙主鐘構(gòu)成冗余模式，具有較高的運(yùn)行可靠性，一般應(yīng)用于500kV及以上變電站監(jiān)控系統(tǒng)。

2 變電站GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)的對(duì)時(shí)方式及工作原理

GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)主要利用RS232接口對(duì)GPS衛(wèi)星所傳來的信號(hào)予以接收，系統(tǒng)接收到GPS衛(wèi)星傳輸?shù)男盘?hào)后，其CPU中央處理單元便開始對(duì)信號(hào)進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換和當(dāng)?shù)貢r(shí)間轉(zhuǎn)換，從而使信號(hào)滿足RS232、RS422和RS485等接口標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求[2]。GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)主要由GPS衛(wèi)星信號(hào)接收部分、輸出/擴(kuò)展部分、CPU部分以及電源部分和人機(jī)交互模塊共同構(gòu)成。就現(xiàn)階段而言，GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)的常用對(duì)時(shí)方式主要有三種，分別為脈沖對(duì)時(shí)、串口對(duì)時(shí)和編碼對(duì)時(shí)。

2.1 脈沖對(duì)時(shí)

脈沖對(duì)時(shí)的過程為：GPS同步時(shí)鐘每隔一定的時(shí)間間隔便會(huì)向系統(tǒng)輸出一個(gè)精確的同步脈沖，系統(tǒng)被授時(shí)裝置在接收到同步時(shí)鐘所發(fā)出的同步脈沖后便進(jìn)行對(duì)時(shí)，從而消除當(dāng)前裝置內(nèi)部時(shí)鐘走時(shí)的誤差。脈沖對(duì)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)是通過使各類被授時(shí)裝置進(jìn)行同步對(duì)時(shí)，進(jìn)而使得系統(tǒng)裝置具有很高的對(duì)時(shí)精度[3]；其缺點(diǎn)為：只提供秒同步的信息，而具體的日期時(shí)間值無法傳遞，一般需要和其他對(duì)時(shí)方式配合使用。

2.2 串口對(duì)時(shí)

串口對(duì)時(shí)就是將時(shí)刻信息以串行數(shù)據(jù)流的形式進(jìn)行輸出。串口對(duì)時(shí)的具體過程為：被授時(shí)裝置接收每秒一次的串行時(shí)間信息來獲取時(shí)間同步[4]。在裝置未接收到廣播對(duì)時(shí)令的該段時(shí)間內(nèi)，裝置時(shí)鐘通常存在著自身誤差問題。同脈沖對(duì)時(shí)相比，基于串行數(shù)據(jù)流的串口對(duì)時(shí)要較為復(fù)雜。此外，在此接收過程中，對(duì)相關(guān)信息處理所消耗的時(shí)間也會(huì)對(duì)時(shí)間同步的對(duì)時(shí)精度產(chǎn)生較大影響。因此，串口對(duì)時(shí)主要用于對(duì)事件添加相應(yīng)的時(shí)間標(biāo)記。而要想使串口對(duì)時(shí)的對(duì)時(shí)精度得以提升，還需為系統(tǒng)提供秒對(duì)時(shí)脈沖信號(hào)。串口對(duì)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)為：具有接口適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)；缺點(diǎn)為：對(duì)時(shí)距離較短。

2.3 編碼對(duì)時(shí)

編碼對(duì)時(shí)采用的對(duì)時(shí)碼有多種格式，目前國(guó)內(nèi)常用的是IRIG-B對(duì)時(shí)碼。IRIG-B對(duì)時(shí)碼的輸出信息每秒一幀，每幀有100個(gè)碼元，包含了秒段、分段、小時(shí)段和日期段等信號(hào)。上面介紹的脈沖對(duì)時(shí)與串口對(duì)時(shí)均存在著自身的優(yōu)缺點(diǎn)，前者對(duì)時(shí)精度高但卻無法直接傳遞時(shí)間信息；后者的對(duì)時(shí)精度較低，對(duì)時(shí)距離較短，而IRIG-B碼對(duì)時(shí)則兼顧了這兩種對(duì)時(shí)方式的優(yōu)點(diǎn)。作為現(xiàn)今廣泛應(yīng)用的時(shí)間碼，IRIG-B對(duì)時(shí)碼具有如下主要特點(diǎn)：對(duì)時(shí)精度高，攜帶信息量大；調(diào)制后的B碼適用于遠(yuǎn)距離傳輸；接口標(biāo)準(zhǔn)化，國(guó)際通用。當(dāng)變電站的智能設(shè)備采用IRIG-B碼進(jìn)行對(duì)時(shí)時(shí)，就不再需要現(xiàn)場(chǎng)總線的通信報(bào)文對(duì)時(shí)，同時(shí)也不再需要GPS輸出大量脈沖接點(diǎn)信號(hào)。

3 GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

3.1 通訊報(bào)文與脈沖對(duì)時(shí)

通訊報(bào)文與脈沖對(duì)時(shí)是GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中得以應(yīng)用的主要方式。首先，在變電站配置GPS時(shí)鐘同步裝置，通過串行接口對(duì)處理單元和站內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)鐘同步。其次，將經(jīng)同步后的處理單元作為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的時(shí)間源，通過將間隔層測(cè)控和其他智能設(shè)備數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式來對(duì)基于現(xiàn)場(chǎng)總線的通信報(bào)文進(jìn)行對(duì)時(shí)。值得注意的是，由于存在通信傳輸延遲，系統(tǒng)間隔層時(shí)鐘對(duì)時(shí)的精準(zhǔn)度最高只能達(dá)到毫秒級(jí)[5]。此外，再利用GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)裝置中的1pps（或者1ppm、1pph）脈沖上升沿對(duì)時(shí)鐘的秒位進(jìn)行清零，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各設(shè)備時(shí)鐘的精確對(duì)時(shí)。該種應(yīng)用對(duì)時(shí)方式對(duì)于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的各間隔設(shè)備來說，其時(shí)鐘同步主要是依靠通訊報(bào)文與脈沖對(duì)時(shí)相結(jié)合的方式來共同完成的。由于不同設(shè)備的對(duì)時(shí)接點(diǎn)方式存在著較大差異（數(shù)量多，不夠統(tǒng)一），因此該種實(shí)現(xiàn)方式的結(jié)構(gòu)不夠簡(jiǎn)潔。endprint

3.2 全系統(tǒng)NTP協(xié)議時(shí)鐘源對(duì)時(shí)

對(duì)基于全系統(tǒng)NTP協(xié)議時(shí)鐘源對(duì)時(shí)的GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)來說，首先，需要在自動(dòng)化系統(tǒng)中架設(shè)具備NTP協(xié)議的GPS同步時(shí)鐘裝置。其次，通過電力調(diào)度四、五級(jí)數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中具備接受NTP協(xié)議的各個(gè)變電站數(shù)據(jù)通信以及系統(tǒng)處理單元進(jìn)行時(shí)鐘同步，并再以經(jīng)時(shí)鐘同步后的處理單元作為時(shí)間源，通過與間隔層測(cè)控及變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的其他智能設(shè)備數(shù)據(jù)通信，進(jìn)而下發(fā)基于現(xiàn)場(chǎng)總線的通信對(duì)時(shí)報(bào)文，以此來實(shí)現(xiàn)站內(nèi)各項(xiàng)設(shè)備的時(shí)鐘同步。NTP協(xié)議接口成熟規(guī)范，對(duì)時(shí)精度較高，傳輸基于數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)路。在整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)中只需要配置一套具備NTP協(xié)議的GPS時(shí)鐘同步裝置就能實(shí)現(xiàn)其功能。因此，全系統(tǒng)NTP協(xié)議時(shí)鐘源對(duì)時(shí)的實(shí)現(xiàn)方式相對(duì)簡(jiǎn)單，投資成本較低，但需要站內(nèi)數(shù)據(jù)通信與處理單元支持NTP協(xié)議對(duì)時(shí)。

3.3 主站規(guī)約時(shí)鐘報(bào)文對(duì)時(shí)

主站規(guī)約時(shí)鐘報(bào)文對(duì)時(shí)的方法比較特殊，該種方式主要用于變電站內(nèi)無GPS時(shí)鐘同步裝置或者GPS時(shí)鐘同步裝置的后備方式。該對(duì)時(shí)方式通過主站對(duì)時(shí)方式實(shí)現(xiàn)其對(duì)時(shí)功能。主站規(guī)約時(shí)鐘報(bào)文對(duì)時(shí)以主站SCADA系統(tǒng)中已由GPS時(shí)鐘同步裝置同步的前置機(jī)作為其時(shí)間源，通過通信通道下發(fā)對(duì)時(shí)指令，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各變電站的處理單元及數(shù)據(jù)通信進(jìn)行時(shí)鐘同步。再以上述經(jīng)時(shí)鐘同步后的處理單元作為時(shí)間源，通過與間隔層測(cè)控及變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的其他智能設(shè)備數(shù)據(jù)通信，進(jìn)而下發(fā)基于現(xiàn)場(chǎng)總線的通信對(duì)時(shí)報(bào)文，以此來實(shí)現(xiàn)站內(nèi)各項(xiàng)設(shè)備的時(shí)鐘同步。主站規(guī)約時(shí)鐘報(bào)文對(duì)時(shí)需要專用統(tǒng)一的通信通道才能達(dá)到比較理想的對(duì)時(shí)效果。而在實(shí)際應(yīng)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(tǒng)的對(duì)時(shí)精度。

3.4 GPS系統(tǒng)應(yīng)用的注意事項(xiàng)

GPS系統(tǒng)應(yīng)用中的使用環(huán)境與使用方式對(duì)其最終的對(duì)時(shí)精度有著很大的影響。為了確保GPS的對(duì)時(shí)精度達(dá)到設(shè)計(jì)中的要求，在實(shí)際應(yīng)用中需要注意以下幾點(diǎn)要求。

（1）在正常情況下，GPS定位至少需要接收到4顆衛(wèi)星信號(hào)，故而GPS天線最好應(yīng)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(hào)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(yīng)可靠接地。此外，GPS裝置天線輸入處最好安裝信號(hào)防雷模塊。

（3）GPS系統(tǒng)輸出信號(hào)的對(duì)時(shí)精度與相關(guān)傳輸介質(zhì)的長(zhǎng)度有關(guān)，隨著介質(zhì)長(zhǎng)度的增加，其對(duì)時(shí)精度也會(huì)相應(yīng)的下降。在實(shí)際安裝中，應(yīng)盡量控制傳輸介質(zhì)的長(zhǎng)度并注意最大允許傳輸距離。

（4）為了進(jìn)一步加強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行中的監(jiān)控巡視質(zhì)量，需要將GPS裝置故障、GPS失步告警等GPS異常信號(hào)接入計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

4 結(jié)語

該文通過對(duì)時(shí)鐘同步系統(tǒng)的概念及其在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用中的常用結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行分析，在結(jié)合其三種常用對(duì)時(shí)方式的基礎(chǔ)上，又從四個(gè)方面對(duì)GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)方式展開了深入研究。通過分析研究，我們不難發(fā)現(xiàn)GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)在變電站中的大量部署使得站內(nèi)的相關(guān)設(shè)備有了統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間基準(zhǔn)。以此為基礎(chǔ)，對(duì)于運(yùn)行中出現(xiàn)的各類事件可以更為方便的進(jìn)行追溯、比較和分析，并最終顯著提高了電力系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，為國(guó)家電網(wǎng)監(jiān)管水平的邁進(jìn)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

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