黑科技!GPS時鐘服務器在電力系統(tǒng)技術應用

黑科技!GPS時鐘服務器在電力系統(tǒng)技術應用

近幾年來，隨著電力自動化水平的提高，在電力中計算機監(jiān)控系統(tǒng)、微機保護裝置、微機故障錄波裝置以及各類數(shù)據(jù)管理機得到了廣泛的應用，而這些自動裝置的配合工作需要有一個精確統(tǒng)一的時間。當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，既可實現(xiàn)全站各系統(tǒng)在統(tǒng)一時間基準下的運行監(jiān)控和事故后故障分析，也可以通過各保護動作、開關分合的先后順序及準確時間來分析事故的原因及過程。隨著電網(wǎng)的日益復雜、裝機容量的提高和電網(wǎng)的擴大，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，時鐘的統(tǒng)一是保證電力系統(tǒng)安全運行，提高運行水平的一個重要措施，是綜自變電站自動化系統(tǒng)的最基本要求之一。

一、GPS時鐘衛(wèi)星同步系統(tǒng)的優(yōu)越性

電廠中采用不同廠家的計算機監(jiān)控系統(tǒng)、自動化及線路微機保護裝置、故障錄波裝置、電能量計費系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)等，電廠時間同步形式主要有以下幾種：

（1）各設備提供商采用各自獨立的時鐘，而各時鐘因產(chǎn)品質(zhì)量的差異，在對時精度上都有一定的偏差，從而使全廠各系統(tǒng)不能在統(tǒng)一時間基準的基礎上進行數(shù)據(jù)分析與比較，給事后正確的故障分析判斷帶來很大隱患。

（2）通過主站對時方式實現(xiàn)對時，調(diào)度中心主站通過通信通道下發(fā)對時命令同步系統(tǒng)內(nèi)各個電站的時鐘，這種方式需要專用的通信通道，由于從調(diào)度中心到達各個變電站的距離不一樣，通信延時也不一樣，因此只能保證系統(tǒng)時鐘在100毫秒級誤差的水平。

（3）采用一臺小型GPS接收機，提供多個RS232端口，用串口電纜逐一連接到各個計算機，實現(xiàn)時間同步。但事實上這種同步方式也存在缺點，使用的電纜長度不能過長；服務器的反應速度、客戶機的延遲都直接影響對時精度。而且各站往往有不同的裝置需要接收時鐘同步信號，接口不一，如RS-232/422/485串行口、脈沖、IRIG-B碼、DCF77格式接口等；裝置的數(shù)量也不等，造成GPS裝置的某些類型接口數(shù)量不夠或缺少某種類型的接口，需要增加一臺甚至數(shù)臺GPS接收機，而這往往受到資金不足或沒有安裝位置等限制。

（4）用GPS衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)對時。GPS（全球定位系統(tǒng)Global Positioning System），美國軍方建立的全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，由專門的接收器接收衛(wèi)星發(fā)射的信號，可以獲得位置、時間和其它相關信息。GPS系統(tǒng)每秒發(fā)送一次信號，其時間精度在1μs以內(nèi)，在任何時刻、在全球任何位置均能可靠接收到信號，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精度（可達l0-12量級）和時間精度。在綜自變電站中采用GPS衛(wèi)星同步時鐘系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)全站各系統(tǒng)在統(tǒng)一GPS時間基準下的運行監(jiān)控和事故后的故障分析。變電站的各種自動化設備（如故障錄波器、微機保護裝置、監(jiān)控系統(tǒng)等），根據(jù)GPS提供的精確時鐘同步信號，統(tǒng)一變電站、調(diào)度中心的時間基準，在電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，提高了SOE的時間準確性，大大提高了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，為分析故障的情況及斷路器動作的先后順序提供有力的證據(jù)，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定監(jiān)視和控制系統(tǒng)創(chuàng)造了良好的技術條件。

GPS衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)很好地解決電廠統(tǒng)一時間基準的問題，實現(xiàn)站內(nèi)甚至站間的準確對時，目前已經(jīng)成為最佳的對時方案，也是技術發(fā)展的必然趨勢。根據(jù)《廣東電網(wǎng)110～220kV變電站自動化系統(tǒng)技術規(guī)范》要求，我們在近年的新建站或綜自改造站中均采用時間同步系統(tǒng)對變電站裝置進行校時。在05年9月份廣東電網(wǎng)公司發(fā)布了《廣東電網(wǎng)變電站GPS時間同步系統(tǒng)技術規(guī)范》，而此后的新建站或改造站GPS時間同步系統(tǒng)的管理、設計、安裝、測試和運行均按該技術規(guī)范要求實施。

二、GPS衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)的簡介及工作原理

GPS衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)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?shù)貢r間轉(zhuǎn)換成滿足各種要求的接口標（RS232/RS422/RS485等）和時間編碼輸出（IRIG_B 碼，ASCII 碼等）。GPS衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)一般由GPS衛(wèi)星信號接收部分、CPU部分、輸出或擴展部分、電源部分、人機交互模塊部分組成。

GPS時鐘同步系統(tǒng)主要有同步脈沖輸出、串行時間信息輸出和IRIG-B碼輸出三種對時方式。脈沖同步輸出方式，即同步時鐘每隔一定的時間間隔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對時，消除裝置內(nèi)部時鐘的走時誤差。脈沖同步的缺點是無法直接提供時間信息，被授時裝置如果時間源就出錯，會一直錯誤走下去。串行同步輸出方式，是將時刻信息以串行數(shù)據(jù)流的方式輸出。各種被授時裝置接收每秒一次的串行時間信息獲得時間同步，在未接收到廣播對時令的這段時間間隔內(nèi)，裝置時鐘存在自身走時誤差問題，使用串行方式對時比脈沖對時方式復雜，另外在接收過程中，信息處理耗費的時間也會影響對時精度，所以主要用于給事件加上時間標記，如果要提高對時精度，現(xiàn)場應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)精度要求范圍之內(nèi)。

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,其中應用最廣泛的是IRIG-B版本，簡稱B碼。B碼以BCD碼方式輸出，每秒輸出一次，內(nèi)含100個脈沖，輸出的時間信息為：秒、分、時，日期順序排列。B碼信號一般有（TTL）電平方式、RS422電平方式、RS232電平方式、調(diào)制信號（AM）四種形式。脈沖對時和串行口對時各有優(yōu)缺點，前者精度高但是無法直接提供時間信息；而后者對時精度比較低，尤其是多小室模式或者監(jiān)控系統(tǒng)中有多個管理機、多個子系統(tǒng)的時候時間精度受串口通信時延的影響尤為突出。B碼對時兼顧了兩者的優(yōu)點，是一種精度很高并且又含有標準的時間信息的對時方式，當變電站的智能設備采用B碼對時，就不再需要現(xiàn)場總線的通信報文對時,也不再需要GPS輸出大量脈沖接點信號。按技術規(guī)范規(guī)定凡新投運的需授時變電站自動化系統(tǒng)間隔層設備，原則上應采用IRIG-B碼（DC）時鐘同步信號。

三、GPS衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)在電廠中的接入與應用

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PPS、PPM、PPH）、軟對時（串口報文）、編碼對時（IRIG-B、DCF77）和網(wǎng)絡NTP對時，滿足國內(nèi)外不同設備的對時接口要求，變電站內(nèi)微機保護裝置、測控裝置、故障錄波器、自動化系統(tǒng)站控層設備等均可接入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1PPM輸出信號，秒脈沖1PPS輸出信號等。綜自變電站中往往有許多不同的新老裝置需要接收時鐘同步信號，其接口類型繁多，在實際的工程應用中往往是幾種對時方式結合在一起使用的，這樣就需要增加硬接點或網(wǎng)絡對時來統(tǒng)一時間。比如變電站自動化系統(tǒng)中有很多設備不支持B碼對時，則多采用串行口對時和1PPM脈沖對時相結合的對時方式，串行口對時將智能設備的時間基準精確到毫秒級，而1PPM每整分鐘發(fā)一個脈沖作用于智能裝置的時鐘清零線,從而實現(xiàn)時鐘的精確同步。具有B碼對時功能的智能裝置，原則上是不能再接受串行通信報文對時的，否則會出現(xiàn)時間跳變，而比較先進的智能裝置會在通信程序里增加一個判據(jù)，當B碼對時功能發(fā)生故障時才接受串行口的對時報文進行對時。

電廠的時鐘同步系統(tǒng)由主時鐘、時間信號傳輸通道、時間信號用戶設備接口（擴展裝置）組成。主時鐘一般設在電廠的控制中心，包括標準機箱、接收模塊、接收天線、電源模塊、時間信號輸出模塊等，對變電站設備和間隔層IED設備（包括智能電能表等）按要求實現(xiàn)GPS對時，并具有時鐘同步網(wǎng)絡傳輸校正措施。

結合實際的運行經(jīng)驗和實際情況，如下圖：

電力網(wǎng)絡系統(tǒng)時間同步

為保證GPS衛(wèi)星同步時鐘系統(tǒng)的功能、精度和效率，應做好日常的保養(yǎng)和維護工作，應定時對GPS對時系統(tǒng)各個部件進行檢查，首先應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)所有參與對時的設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。

四、電廠系統(tǒng)時鐘配置

根據(jù)現(xiàn)場設備清單及信息中心網(wǎng)絡，具體設備配置如下：

產(chǎn)品名稱 ? ?產(chǎn)品配置 ? ?數(shù)量 ? ?報價（含稅）

GPS時鐘（對時裝置） ? ? 本體部分包括：信號輸入（GPS+B碼）、CPU板、B碼生成板、守時單元、總線板、電源板、顯示板，30米GPS天線。裝置最多插7塊信號輸出板卡，任意組合。內(nèi)置恒溫晶振守時優(yōu)于7*10-8(4.2μS/分鐘) ? ?1臺

PPS脈沖對時板卡 ? ? 空接點脈沖信號輸出板，每塊板卡輸出12路可編程的空接點脈沖信號 ? ?1塊

RS485/422對時板卡 ? ?12路串口信號輸出板，每塊板卡輸出12路端子接線方式的RS232/422/485串行信號 ? ?2塊

NTP網(wǎng)絡授時板卡 ? ?網(wǎng)絡對時信號輸出板，每塊板卡輸出1路NTP網(wǎng)絡對時信號 ? ?1塊

五、結束語

GPS衛(wèi)星同步時鐘系統(tǒng)在綜自改造站中和新建站中廣泛應用，它不但能有效地減少檢修和運行人員的工作量，還使我們變電站內(nèi)大多數(shù)的運行設備有了統(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，為變電站乃至整個電網(wǎng)向更高管理層次邁進提供強有力的技術保障lw