變電站GPS在線監(jiān)測(cè)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(yàn)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(shí)間同步時(shí)鐘在電力系統(tǒng)正得到廣泛的應(yīng)用[1]，但國內(nèi)對(duì)站端GPS衛(wèi)星時(shí)鐘設(shè)備的運(yùn)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(shí)鐘設(shè)備監(jiān)測(cè)手段更是空白。運(yùn)行人員無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)廠站內(nèi)時(shí)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(shí)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(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全網(wǎng)GPS運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

時(shí)間同步監(jiān)測(cè)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(shí)間與運(yùn)行狀態(tài)信息，各地區(qū)當(dāng)?shù)卣{(diào)度中心后臺(tái)系統(tǒng)作為NTP協(xié)議的客戶端，周期性詢問現(xiàn)場監(jiān)測(cè)裝置所監(jiān)測(cè)當(dāng)前GPS的時(shí)間，監(jiān)測(cè)裝置作為一個(gè)NTP服務(wù)器，通過NTP協(xié)議將現(xiàn)場GPS時(shí)間發(fā)給客戶端。后臺(tái)獲得被監(jiān)視GPS的當(dāng)前時(shí)間后與中心站GPS基準(zhǔn)時(shí)間源進(jìn)行比較得出各個(gè)GPS的相對(duì)時(shí)間偏差，并從監(jiān)測(cè)裝置獲得GPS運(yùn)行信息。后臺(tái)可以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約或文本方式輸出GPS的相關(guān)運(yùn)行信息，主站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可提供WEB方式查詢。監(jiān)測(cè)實(shí)施后，便于對(duì)GPS信息進(jìn)行分層管理，在各個(gè)地區(qū)調(diào)度中心監(jiān)控本地區(qū)GPS運(yùn)行信息，省調(diào)度中心對(duì)全省各個(gè)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(shí)鐘

GPS衛(wèi)星同步時(shí)鐘系統(tǒng)由主時(shí)鐘、時(shí)間信號(hào)傳輸通道、時(shí)間信號(hào)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(shí)鐘利用RS232接口接收GPS衛(wèi)星傳來的信號(hào)，然后經(jīng)主CPU中央處理單元的規(guī)約轉(zhuǎn)換、當(dāng)?shù)貢r(shí)間轉(zhuǎn)換成滿足各種要求的接口標(biāo)（RS232/RS422/RS485等）和時(shí)間編碼輸出（IRIG-B碼、ASCII碼等）[3]，實(shí)現(xiàn)對(duì)站內(nèi)各種保護(hù)、測(cè)控以及其他智能單元的對(duì)時(shí)。同時(shí)，中心站高精度的GPS衛(wèi)星時(shí)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(duì)時(shí)間偏差。

2.2 GPS監(jiān)測(cè)裝置

時(shí)間同步監(jiān)測(cè)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(shí)間與運(yùn)行狀態(tài)信息，并將GPS的運(yùn)行狀態(tài)信息即時(shí)反映給調(diào)度。

2.2.1 GPS監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

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

經(jīng)過對(duì)現(xiàn)場GPS運(yùn)行情況的充分調(diào)研，GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)GPS的監(jiān)測(cè)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(hào)送至監(jiān)測(cè)裝置，然后通過監(jiān)測(cè)裝置NTP口接入GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖2所示；（2）IRIG-B(DC)接口方式，即GPS將IRIG-B信號(hào)送至監(jiān)測(cè)裝置，然后通過監(jiān)測(cè)裝置NTP口接入GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖3所示；（3）NTP直接上傳方式（不經(jīng)過監(jiān)測(cè)裝置），即GPS通過NTP口直接接入GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，此方式要求GPS自帶NTP接口，見圖4。

2.3 GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后臺(tái)

時(shí)鐘設(shè)備監(jiān)測(cè)后臺(tái)軟件作為一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的用戶軟件，運(yùn)行于各個(gè)地區(qū)供電局調(diào)度中心與省調(diào)中心。通過監(jiān)測(cè)后臺(tái)，可實(shí)時(shí)查看所有GPS的運(yùn)行情況，包括電壓等級(jí)、廠站名稱、裝置信號(hào)、裝置狀態(tài)、GPS鎖星狀態(tài)、時(shí)差狀態(tài)、與基準(zhǔn)源時(shí)差、采集間隔、與GPS通信時(shí)間、脈沖/IRIG-B方式、IP地址、補(bǔ)償與否等。

3 運(yùn)行效果

變電站GPS在線監(jiān)測(cè)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(yùn)行至今已有2年多的時(shí)間，目前系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，成效顯著。

3.1 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)不斷增加

目前，各供電公司新上或改造GPS站點(diǎn)在不斷接入省調(diào)GPS監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)。截至2009年12月8日，已接入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的站點(diǎn)總數(shù)達(dá)334個(gè)（包括3個(gè)電廠側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)）。監(jiān)測(cè)裝置分布于全省13個(gè)地級(jí)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(tái)監(jiān)測(cè)軟件14套，建立了江蘇省電網(wǎng)時(shí)鐘設(shè)備時(shí)間同步監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

3.2 運(yùn)行維護(hù)方面快捷

現(xiàn)在，通過GPS在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)裝置配置工具軟件，可便捷地對(duì)異常站點(diǎn)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(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到昆山變出現(xiàn)較大偏差。通過GPS監(jiān)測(cè)裝置配置工具軟件查看，時(shí)/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(cè)裝置分/秒脈信號(hào)燈停止閃爍。通過處理，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)恢復(fù)正常。

4 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)異常原因分析

4.1 異常原因統(tǒng)計(jì)

由2.2.3 GPS監(jiān)測(cè)方式可知，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)站點(diǎn)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(cè)異常原因統(tǒng)計(jì)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(cè)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(shí)狀態(tài)運(yùn)行，導(dǎo)致GPS輸出時(shí)間信號(hào)有偏差。GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示該站點(diǎn)時(shí)間偏差較大，通過監(jiān)測(cè)裝置軟件遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，顯示串口通信、時(shí)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(diǎn)恢復(fù)正常。

4.2.2 串口/脈沖信號(hào)丟失

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

4.2.3 GPS自身偏差大

在異常站點(diǎn)中，有一部分站點(diǎn)是由于GPS自身的輸出精度不夠，GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示該站點(diǎn)時(shí)間偏差較大，通過更換GPS插件，站點(diǎn)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(diǎn)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(cè)站點(diǎn)退出。GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示該站點(diǎn)通信狀態(tài)退出，通過監(jiān)測(cè)裝置軟件遠(yuǎn)程連接，顯示連接不成功。

通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的檢查，站點(diǎn)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(shí)鐘設(shè)備制造廠商理解并不一致，部分站點(diǎn)GPS輸出B碼與監(jiān)測(cè)裝置B碼規(guī)約不一致，導(dǎo)致部分站點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)超前或滯后1s、1天、時(shí)序不正確的情況。通過將原來的IRIG-B碼監(jiān)測(cè)方式改為串口+脈沖監(jiān)測(cè)方式，站點(diǎn)恢復(fù)正常。

4.2.6 GPS運(yùn)行不穩(wěn)定

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

5 結(jié)束語

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

[1] 高厚磊,歷吉文,文鋒,等.GPS及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,1995,19(9).

[2] 申曉留,周長玉,雷瓊.全球定位系統(tǒng)（GPS）在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電力,2003,20（6）：74-78.

[3] 張麗伊.GPS衛(wèi)星時(shí)鐘同步系統(tǒng)在綜自變電站中的應(yīng)用[J].科技信息,2008,17.

[4] 熊志昂,李紅瑞,賴順香.GPS技術(shù)與工程應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)大學(xué)出版社,2005.

[5] 王元虎,周東明.衛(wèi)星時(shí)鐘在電網(wǎng)應(yīng)用中的若干技術(shù)問題[J].中國電力,1998,31(2)：10-13.

[6] 郭振坤.GPS高精度時(shí)間/頻率同步設(shè)備設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].全球定位系統(tǒng),2009,(2).

[7] MOORE P,CROSSLEY P.GPS Applications in Power Systems I.Introduction to GPS[J].Power Engineering Journal,1999,13(1)：33-39.

[8] 劉基余.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法[M].北京:科學(xué)出版社，2003.

[9] 金剛平,徐欣圻.基于GPS的控制系統(tǒng)時(shí)間同步[J].安徽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2002,26（4）:30-34.

[10] 楊光.GPS和偽衛(wèi)星組合定位技術(shù)及其在形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[D].河海大學(xué)博士論文,2004.

[11] 陳飛,孫云.500kV變電站時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2004（22）.

[12] 王付衛(wèi),王元冬.GPS時(shí)間同步系統(tǒng)在變電站的應(yīng)用[J].云南電力技術(shù)2008（5）.

[13] 鄒瑄,張曦.330kV變電站GPS時(shí)間同步系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].陜西電力,2009（1）.

[14] 陳宏,丁凱.變電站GPS授時(shí)裝置實(shí)時(shí)定時(shí)標(biāo)檢測(cè)方法探討[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2009（7）.

[15] 郭一夫,郜洪亮.新型變電站時(shí)鐘同步系統(tǒng)的研制及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)探討[J].繼電器,2007（13）.

[16] 董劍利,周丹.通用GPS授時(shí)同步監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2007（12）.

[17] 鄒紅艷,鄭建勇.基于GPS同步時(shí)鐘的統(tǒng)一校時(shí)方案[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2004（12）.

[18] 周斌,黃國方.在變電站智能設(shè)備中實(shí)現(xiàn)B碼對(duì)時(shí)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2005（9）.

[19] 王崢,胡敏強(qiáng),鄭建勇.基于GPS的變電站內(nèi)部時(shí)間同步方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2002,26(4).

[20] 李建,謝小榮.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS互備授時(shí)的分布式相量測(cè)量單元[J].電網(wǎng)技術(shù),2005,29(9).

[21] 凌志勇.220kV變電站GPS對(duì)時(shí)的改造[J].大眾用電,2008（12）.