姬志民，宋 博，任煥龍，王 塹，姬廣素

(河北華電石家莊熱電有限公司，石家莊 050041)

這些年來，隨著自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，電廠、變電站的電力自動化水平有很大提高，自動化系統(tǒng)中SCADA系統(tǒng)(或計算機監(jiān)控系統(tǒng)簡稱NCS系統(tǒng))、微型計算機保護裝置、微型計算機故障錄波裝置以及各類保護信息子站得到了廣泛的應(yīng)用，而這些自動化裝置之間的配合工作需要有一個精確的時鐘。當電力系統(tǒng)發(fā)生故障及事故時，既可實現(xiàn)全網(wǎng)各系統(tǒng)在統(tǒng)一時間基準下的運行監(jiān)視和控制以及對應(yīng)事故的故障分析，也可以通過各種保護裝置、斷路器分合的先后順序按照標準時間來分析事故的原因及發(fā)展過程。隨著各地區(qū)智能電網(wǎng)的逐步建立，提供標準時間的時鐘基準成為電廠、變電站乃至整個電力系統(tǒng)的迫切需要。

1 變電站時鐘存在的問題

由于變電站采用不同廠家的NCS系統(tǒng)、線路微機保護裝置、故障錄波器、電能自動計費系統(tǒng)、同步相量測量裝置(PMU)等，因此變電站時間同步的方式均存在問題，具體表現(xiàn)在以下幾方面。

a.各設(shè)備生產(chǎn)商采用各自的時鐘，各時鐘在對時準確度上都有一定的差異，使全廠各設(shè)備不能在一個時間基準上進行數(shù)據(jù)分析，給事故的正確分析及判斷帶來很大困難。

b.通過自動化設(shè)備主站實現(xiàn)對時，調(diào)度中心主站通過通信通道下發(fā)對時命令從而使系統(tǒng)內(nèi)各個變電站時鐘同步，這需要一個專用的通信通道，并且從自動化設(shè)備主站到達各個變電站子站設(shè)備的距離不同，通信延時也不同，所以這種方式對時系統(tǒng)時鐘的誤差在0.1 s左右。

c.采用一臺GPS專用接收機，提供多個RS232-485端口，用屏蔽雙絞線將所有計算機連接在一起，來實現(xiàn)所有設(shè)備的時間同步。但這種時鐘同步也存在弊病，首先使用的屏蔽雙絞線不易過長；其次對服務(wù)器及客戶機反應(yīng)速度有較高的要求、如果出現(xiàn)反應(yīng)延遲會直接影響時間同步的準確度。并且各自動化設(shè)備的接口形式不一，可能會造成衛(wèi)星同步時鐘系統(tǒng)GPS與某些設(shè)備不能成功接口，從而不能向所有設(shè)備提供標準時間。

2 GPS衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)組成與對時方式

GPS系統(tǒng)每秒發(fā)送一次信號，每次發(fā)送信號的時間準確度在1 μs以內(nèi)，并且在地球表面任一地點、任一時刻均能準確的接收到時間信號。由于衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時間信息，GPS發(fā)送的時間信息包含年、月、日、時、分、秒以及IPPS(標準秒)信號，因而具有很高的頻率準確度(可達10量級)和時間精準度。在綜合自動化系統(tǒng)中采用GPS衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)全廠、站各設(shè)備在統(tǒng)一GPS時間基準下的運行和事故后的事故分析。變電站的所有自動化設(shè)備(如故障錄波裝置、微型計算機保護裝置、NCS系統(tǒng)等)，根據(jù)GPS提供的精確時鐘同步信號，同步調(diào)度中心與變電站的時間基準，在電力系統(tǒng)發(fā)生事故后，提高了事件順序記錄的時間準確性，為智能電網(wǎng)的建立和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行及監(jiān)控創(chuàng)造了有力的技術(shù)支持。

2.1 系統(tǒng)組成

GPS衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)是應(yīng)用全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)的標準時間顯示和發(fā)送裝置。GPS由24顆在空間運行的GPS衛(wèi)星和地面控制站組成，在地球表面任一地點、任一時刻GPS衛(wèi)星信號接收器都可收到足夠多數(shù)量的GPS衛(wèi)星信號，精確計算接收器所在當前空間位置和時間，其時間精確度可達納秒級。GPS衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)利用接收GPS衛(wèi)星傳來的時間信號，經(jīng)主中央處理單元的規(guī)約轉(zhuǎn)換成為當?shù)貢r間，以滿足各種要求的接口時標(RS232/RS422/RS485等)和時間編碼輸出(IRIG-B 碼，ASCII等)。GPS衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GPS衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

主鐘信號輸入單元，即GPS衛(wèi)星信號輸入單元為GPS接收模塊，用于接收GPS衛(wèi)星發(fā)送的協(xié)調(diào)世界時(UTC)信號作為裝置的外部時間基準。輸出時間精度為150 ns的1PPS(即1Pulse Per Second)脈沖，通過RS232串行口輸出國際標準時間、日期和接收器所處地理位置(經(jīng)緯度)等信息。并可輸出GPS失步報警信號，提供一路可編程的TTL脈沖信號供時鐘的準確度指標測試。顯示及鍵盤控制顯示時間信息及其它狀態(tài)信息，通過鍵盤接口進行人機交互、定值整定。中心處理單元對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控，處理。電源為整個裝置提供電源，并可輸出電源中斷報警信號。脈沖電路通過編程輸出秒(1PPS，即1Pulse Per Second)、分(1PPM，即1Pulse Per Minute)、時(1PPH，即1Pulse Per Hour)等可控制的同步脈沖信號。脈沖是光電隔離的TTL脈沖、差分脈沖或空接點脈沖。IRIG-B信號生成電路利用中心處理單元輸出的時間基準信號(1PPS和RS232串口信號)生成標準的IRIGB時間碼。IRIG-B輸出接口輸出正弦調(diào)制(AC)信號、TTL電平信號、RS232電平信號或RS422電平信號的IRIG-B碼。RS-232/RS422/RS485輸出接口輸出標準時間、日期等串行信息。DCF77信號輸出利用中心處理單元輸出的時間基準信號(1PPS和RS232串口信號)生成DCF77信號并輸出。NTP網(wǎng)絡(luò)時間輸出網(wǎng)絡(luò)對時信號，裝置通過NTP協(xié)議同步網(wǎng)絡(luò)中的計算機、CISCO的路由器和交換機等設(shè)備,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)授時。

2.2 對時方式

GPS時鐘同步系統(tǒng)主要有脈沖同步輸出、串行同步時間信息輸出和IRIG-B碼輸出3種對時方式。

a.脈沖同步輸出方式，即同步時鐘每間隔一定的時間輸出一個精確的同步脈沖。被授時裝置在接收到同步脈沖后進行校準對時，消除裝置內(nèi)部時鐘走時偏差,缺點是無法直接提供時間信息。

b.串行同步時間信息輸出方式，是將時刻信息以認識碼、年、月、日、時、分、秒串行數(shù)據(jù)流的方式輸出，主要用于給事件加上時間標記，如果要提高對時準確度，現(xiàn)場應(yīng)用時還需要再給出秒對時脈沖信號。利用1PPS(秒脈沖)信號的上升沿來實現(xiàn)外部時鐘與GPS時鐘的同步以及將同步誤差抑制在滿足系統(tǒng)準確度要求范圍之內(nèi)。

c.IRIG-B碼輸出方式，IRIG組織發(fā)布的用于各系統(tǒng)時間同步的時間碼標準,其中應(yīng)用最廣泛的是IRIG-B版本，簡稱B碼。B碼每發(fā)出1幀為1秒包含有100個碼元，每一個碼元10 ms。脈沖寬度編碼，2 ms寬度表示二進制0、分割標志或未編碼位，5 ms寬度表示二進制1,8 ms寬度表示整100 ms基準標志。B碼信號一般有TTL方式、RS422方式、RS232方式、調(diào)制解調(diào)信號(AM)4種形式。

3 GPS衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)的應(yīng)用

現(xiàn)行的GPS衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)支持硬對時(脈沖節(jié)點秒、分、時)、軟對時(串口報文)、編碼對時(IRIG-B、DCF77)和網(wǎng)絡(luò)NTP對時，以滿足國內(nèi)外不同廠家、不同設(shè)備的對時接口要求，變電站內(nèi)微機保護裝置、自動化測控裝置、故障錄波裝置、NCS系統(tǒng)站控層設(shè)備等均可聯(lián)接GPS時鐘同步系統(tǒng)。GPS對時接口一般有：RS232串口輸出、RS485串口輸出，非調(diào)制IRIG-B輸出信號，分脈沖輸出信號，秒脈沖輸出信號等。

發(fā)電廠、變電站的時鐘同步系統(tǒng)由主時鐘、時間信號傳輸通道、時間信號用戶設(shè)備接口(擴展裝置)組成。主時鐘一般設(shè)在發(fā)電廠或變電站的控制中心，包括接收天線、標準機箱、電源模塊、接收模塊、時間信號輸出模塊等，對變電站設(shè)備和間隔層IED設(shè)備(包括智能電能采集裝置等)按要求實現(xiàn)GPS對時，并含有時鐘同步網(wǎng)絡(luò)傳輸校正措施。

結(jié)合運行經(jīng)驗和實際情況，以某電廠220 kV升壓站繼電器室和發(fā)變組繼電器室內(nèi)各設(shè)一套GPS主時鐘，負責(zé)自身繼電器室設(shè)備的對時，包括硬對時(秒脈沖、分脈沖、交流差分信號)、軟對時、編碼對時(IRIG-B、DCF77)。保護繼電器室主時鐘的時間信號接收單元除了接收本繼電器室的GPS時間信號外，還接收另一繼電器室的GPS時間信號作為備用的標準時間源輸人(通過光纖以IRIG-B時碼方式輸入)，2臺主時鐘之間能夠互為備用,標準時鐘具有高可靠性時可采用2套標準時鐘互為備用，當有一臺標準時鐘收不到GPS信號時另一臺標準時鐘會自動提供GPS信號，并獲取標準時間信號，保證本繼電器室對時信號正常輸出。另外，在主控室設(shè)一套擴展時鐘，主時鐘和時間擴展裝置之間通過光纖連接，時間信號接收單元分別從2臺主時鐘獲取時間信號，互為備用，自動切換，完成對本室設(shè)備的對時，擴展裝置接受主時鐘提供的時間信息，經(jīng)過擴展向其它裝置提供多路輸出接口。

這種由2臺主時鐘及若干臺擴展裝置可構(gòu)成一個統(tǒng)一的時間同步系統(tǒng)，2臺GPS主時鐘布置在不同的地點，通過光纜連接，構(gòu)成互備系統(tǒng)，可降低因雷擊而損壞主時鐘的概率，并且主備切換分散到各繼電器室，由各繼電器室時間信號接收單元來完成，一個繼電器室的切換單元故障，不影響其他繼電器室，采用這種方式系統(tǒng)可靠性更高。

4 GPS衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)應(yīng)用中的注意事項

安裝時，先將天線頭安裝在天線支架(備選件)上，再將天線支架用膨脹螺栓固定在建筑物頂端，根據(jù)安裝條件需要時可以使用彎角支架(備選件)。天線頭要安裝在室外，安裝位置應(yīng)視野開闊，盡可能安裝在屋頂，原則上是順著天線頭往上看能夠看到360°的天空。然后從上到下布置天線的電纜線。天線電纜鋪設(shè)轉(zhuǎn)彎半徑不易過小，穿孔時注意包好接頭。天線電纜長度是根據(jù)天線增益嚴格設(shè)計，不得剪斷、延長、縮短或加裝接頭，否則將影響接收效果甚至收不到信號。

天線應(yīng)盡量避開山坡、樹林、高層建筑物、鐵塔、高壓輸電線等對天線波束的阻擋。天線主波束方向上應(yīng)有足夠的視界，天線正前方應(yīng)有盡可能寬的視角。一般要求以天線基點為參考，對障礙物最高點所成的夾角小于10°。

天線的架設(shè)位置應(yīng)避開風(fēng)口，以減小天線的風(fēng)載。在多雷雨地區(qū)，天線的架設(shè)位置應(yīng)避開雷擊多發(fā)地點，天線頭應(yīng)放在電廠/變電站避雷針避雷范圍內(nèi)。天線安裝在屋頂時，只要視野足夠，高出屋面距離越小越好。同時，天線應(yīng)盡量安裝專用防雷器，在雷雨季節(jié)到來之前必須仔細檢查避雷接地系統(tǒng)是否良好(專用防雷器為選配器件)。

為保證GPS衛(wèi)星同步時鐘系統(tǒng)的功能、準確度和效率，定時對GPS對時系統(tǒng)各個部件進行檢查，首先應(yīng)檢查裝置顯示面板上的天線信號是否正常，再檢查顯示面板上鎖定的衛(wèi)星數(shù)量(一般應(yīng)大于3)，以上兩項正常后再用顯示面板上所顯示的時間與各個對時設(shè)備上所顯示或打印的時間進行比對，以確認對時系統(tǒng)內(nèi)所有參與對時設(shè)備的對時單元工作正常，定時對系統(tǒng)內(nèi)的各個部件進行巡檢以保證整個系統(tǒng)的可靠性。

在GPS屏內(nèi)還應(yīng)加裝監(jiān)視裝置,運行狀態(tài)的告警接點輸出，包括電源消失告警、IRIG-B信號消失告警以及本裝置自檢異常告警，以便及時反應(yīng)GPS運行情況。正常工作時，電源指示應(yīng)該正常，“1PPS”脈沖指示燈每秒閃爍一次，當發(fā)出“IRIG-B信號消失告警”表示本機未正確收到IRIG-B的輸入信號，應(yīng)做進一步檢查。

5 結(jié)束語

GPS衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)在河北華電石家莊熱電有限公司變電站自動化設(shè)備中廣泛的應(yīng)用，不但有效地減少檢修和運行人員的工作量，還使電廠變電站運行設(shè)備有了統(tǒng)一、標準的時間基準，方便對運行中出現(xiàn)的各種事件的分析和追溯，提高了電力系統(tǒng)的自動化水平，為該公司安全生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。

本文責(zé)任編輯：丁 力