黃睦奇

摘 要：近年來，科技與信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展有效促進了變電站綜合自動化水平的顯著提高。計算監(jiān)控系統(tǒng)、測控裝置、微機保護裝置、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)一的時間。因此，變電站電力系統(tǒng)的運行與控制需要有一套精確的時間同步系統(tǒng)。該文引入GPS時鐘同步系統(tǒng)，通過對時鐘同步系統(tǒng)的概念及其在變電站自動化系統(tǒng)中的常用結(jié)構(gòu)模式進行了分析，在結(jié)合其相關(guān)對時方式的基礎(chǔ)上，對GPS時鐘同步系統(tǒng)在變電站自動化系統(tǒng)中的實現(xiàn)與應(yīng)用展開了深入研究。

關(guān)鍵詞：GPS時鐘同步系統(tǒng) 變電站自動化系統(tǒng) IRIG-B對時碼

中圖分類號：TM63 文獻標(biāo)識碼：A ` 文章編號：1672-3791（2014）12（b）-0098-02

電力系統(tǒng)是一個實時系統(tǒng)，當(dāng)變電站中的電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，需要對站內(nèi)的各個系統(tǒng)在統(tǒng)一的時間基準下進行全面的運行監(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，并進一步確保電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性與高效性。因此，該文以GPS時鐘同步系統(tǒng)在變電站自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用作為研究對象，通過對時鐘同步系統(tǒng)的概念和常用結(jié)構(gòu)模式進行闡述，并結(jié)合其在變電站自動化系統(tǒng)中的三種對時方式，進而為GPS時鐘同步系統(tǒng)在變電站自動化系統(tǒng)中的實現(xiàn)與應(yīng)用提出了合理的意見和建議。

1 時鐘同步系統(tǒng)簡述

1.1 時鐘同步系統(tǒng)概念

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

1.2 時鐘同步系統(tǒng)的常用結(jié)構(gòu)模式

常用的時鐘同步系統(tǒng)主要包括了基本式時鐘同步系統(tǒng)、主從式時鐘同步系統(tǒng)以及主備式時鐘同步系統(tǒng)?；臼綍r鐘同步系統(tǒng)主要由一臺主時鐘及其相應(yīng)的信號傳輸介質(zhì)共同組成，根據(jù)變電站自動化系統(tǒng)對時鐘同步系統(tǒng)的需要和技術(shù)要求，主時鐘可以留有接口，用來接收上一級時鐘同步系統(tǒng)下發(fā)的有線時間基準信號。主從式時鐘同步系統(tǒng)除了具備主時鐘和信號傳輸介質(zhì)外，還包括了多臺從時鐘，進而對被授時設(shè)備或相關(guān)的自動化系統(tǒng)對時[1]。同樣地，根據(jù)系統(tǒng)的需要和相關(guān)技術(shù)要求，主時鐘仍可接收上一級時鐘同步系統(tǒng)下發(fā)的有線時間基準信號。主備式時鐘同步系統(tǒng)與主從式和基本式時鐘同步系統(tǒng)均具有較大區(qū)別，其是由兩臺主時鐘以及多臺從時鐘和信號傳輸介質(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時鐘同步系統(tǒng)的對時方式及工作原理

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

2.1 脈沖對時

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

2.2 串口對時

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

2.3 編碼對時

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

3 GPS時鐘同步系統(tǒng)在變電站自動化系統(tǒng)中的實現(xiàn)與應(yīng)用

3.1 通訊報文與脈沖對時

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

3.2 全系統(tǒng)NTP協(xié)議時鐘源對時

對基于全系統(tǒng)NTP協(xié)議時鐘源對時的GPS時鐘同步系統(tǒng)來說，首先，需要在自動化系統(tǒng)中架設(shè)具備NTP協(xié)議的GPS同步時鐘裝置。其次，通過電力調(diào)度四、五級數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，對網(wǎng)絡(luò)中具備接受NTP協(xié)議的各個變電站數(shù)據(jù)通信以及系統(tǒng)處理單元進行時鐘同步，并再以經(jīng)時鐘同步后的處理單元作為時間源，通過與間隔層測控及變電站自動化系統(tǒng)中的其他智能設(shè)備數(shù)據(jù)通信，進而下發(fā)基于現(xiàn)場總線的通信對時報文，以此來實現(xiàn)站內(nèi)各項設(shè)備的時鐘同步。NTP協(xié)議接口成熟規(guī)范，對時精度較高，傳輸基于數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)路。在整個自動化系統(tǒng)中只需要配置一套具備NTP協(xié)議的GPS時鐘同步裝置就能實現(xiàn)其功能。因此，全系統(tǒng)NTP協(xié)議時鐘源對時的實現(xiàn)方式相對簡單，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)議對時。

3.3 主站規(guī)約時鐘報文對時

主站規(guī)約時鐘報文對時的方法比較特殊，該種方式主要用于變電站內(nèi)無GPS時鐘同步裝置或者GPS時鐘同步裝置的后備方式。該對時方式通過主站對時方式實現(xiàn)其對時功能。主站規(guī)約時鐘報文對時以主站SCADA系統(tǒng)中已由GPS時鐘同步裝置同步的前置機作為其時間源，通過通信通道下發(fā)對時指令，進而對系統(tǒng)內(nèi)各變電站的處理單元及數(shù)據(jù)通信進行時鐘同步。再以上述經(jīng)時鐘同步后的處理單元作為時間源，通過與間隔層測控及變電站自動化系統(tǒng)中的其他智能設(shè)備數(shù)據(jù)通信，進而下發(fā)基于現(xiàn)場總線的通信對時報文，以此來實現(xiàn)站內(nèi)各項設(shè)備的時鐘同步。主站規(guī)約時鐘報文對時需要專用統(tǒng)一的通信通道才能達到比較理想的對時效果。而在實際應(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)的對時精度。

3.4 GPS系統(tǒng)應(yīng)用的注意事項

GPS系統(tǒng)應(yīng)用中的使用環(huán)境與使用方式對其最終的對時精度有著很大的影響。為了確保GPS的對時精度達到設(shè)計中的要求，在實際應(yīng)用中需要注意以下幾點要求。

（1）在正常情況下，GPS定位至少需要接收到4顆衛(wèi)星信號，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防雷模塊。

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

（4）為了進一步加強電網(wǎng)運行中的監(jiān)控巡視質(zhì)量，需要將GPS裝置故障、GPS失步告警等GPS異常信號接入計算機監(jiān)控系統(tǒng)。

4 結(jié)語

該文通過對時鐘同步系統(tǒng)的概念及其在變電站自動化系統(tǒng)應(yīng)用中的常用結(jié)構(gòu)模式進行分析，在結(jié)合其三種常用對時方式的基礎(chǔ)上，又從四個方面對GPS時鐘同步系統(tǒng)在變電站自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用與實現(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)準的時間基準。以此為基礎(chǔ)，對于運行中出現(xiàn)的各類事件可以更為方便的進行追溯、比較和分析，并最終顯著提高了電力系統(tǒng)的自動化水平，為國家電網(wǎng)監(jiān)管水平的邁進提供了強有力的技術(shù)保障。

參考文獻

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