GPS對時系統在變電站綜合自動化系統中的應用

鄒建華

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京211106）

0 引言

當今，我國電網進入了大機組、超高壓輸電、高度自動控制的新時代。電網的運行情況瞬息萬變，其中超高壓變電站是我國目前主干電網的重要組成部分，發生事故后必須掌握實時信息，以便能及時對事故原因、不同專業設備的責任進行分析和判斷，從而及時地進行決策處理。為此，對變電站各種自動化設備的時鐘同步要求極為嚴格。全球衛星定位系統簡稱GPS系統，利用GPS系統，電力自動化設備可以精確地控制廣域測量系統，分析故障錄波的信息。采用GPS技術，可以實現站內甚至站間的準確對時，對時的精度達到了微秒級要求，目前已經成為最佳的對時方案。變電站內需要對時的設備有計算機監控系統、電能計費系統、故障錄波器、微機繼電保護裝置等。

1 對時方式

利用GPS系統提供的世界協調時（UTC）對基準時鐘源站內二次設備進行對時的方式主要有3種。

1．1 硬對時

硬對時又分為利用秒脈沖信號和分脈沖信號2種對時方式。

（1）秒脈沖對時。它利用GPS輸出的1pps秒脈沖信號進行時間同步校準。1pps秒脈沖信號是指每秒鐘內GPS輸出的脈沖校準信號。利用GPS提供的1pps秒脈沖時間協調時，其時間準確度較高，精度可達到微秒級。同時，該脈沖的上升沿時間準確度小于1μs。

（2）分脈沖對時。它是利用GPS輸出的1ppm分脈沖信號進行時間同步對時的。1ppm分脈沖信號是指每分鐘內GPS輸出的脈沖校準信號。利用GPS提供的1ppm分脈沖時間協調時，其時間準確度也較高，該脈沖的上升沿時間準確度不大于3μs。

秒脈沖對時是在脈沖的上升沿到來時將被對時裝置的秒以下的毫秒數清零；分脈沖對時是在脈沖的上升沿到來時將被對時裝置的分以下計數器清零。

1．2 軟對時

軟對時也稱為串口校時。屬于串行同步輸出方式，是將時鐘信息以串行數據流的方式輸出。串口校時的時間報文包括年、月、日、時、分、秒信息，也可包含一些特定的內容，例如GPS運行狀態、報警信號、接收GPS衛星數等。軟對時報文的信息格式有十六進制碼、ASKⅡ碼或者BCD碼等。當選擇傳輸速率合適的校準信號時，其對時準確度可達到毫秒級。

串口校時的缺點是受串口通道傳輸距離限制，距離短。如RS－232接口方式的傳輸最大距離約為30m，RS－422／485接口方式的傳輸最大距離約為150m，如果對時距離過長，會造成時延，串口對時精度無法得到保證。在變電站現場利用GPS的軟對時一般采用網絡對時，即采用通訊接口機串口接收GPS串口對時報文，然后由通訊接口機向連接在網絡上的所有具有通訊功能的裝置廣播對時命令。網絡對時報文一般包括年、月、日、時、分、秒、毫秒。

1．3 編碼對時

編碼對時是通過將同步信號和標準時間信息編成時間序列碼，然后輸出到對時總線上，接收裝置解析出時間信息進行時間同步。編碼時間信號有多種格式，目前我國變電站常采用的是IRIG－B碼，常采用的信號介質是RS－422／485電平的雙絞線。

IRIG－B為美國IRIG委員會的B標準，是專為時鐘傳輸制定的時鐘碼，每秒輸出一幀按年、月、日、時、分、秒等順序排列的時間信息。IRIG－B碼有調制IRIG－B（AC）和非調制IRIG－B（DC）兩種（即正弦調制輸出和直流偏置輸出）。IRIG－B（AC）碼的對時同步精度一般為10～20μs，而IRIG－B（DC）碼的對時同步精度可達亞微秒數量級。我國變電站自動化系統的智能設備原則上要求采用IRIG－B（DC）碼方式進行對時。

IRIG－B時間碼每秒輸出一次信息，每幀有100個代碼，包含了日期段、小時段、分段和秒段等信號。信息格式如表1所示。

表1 B碼對時格式

IRIG－B碼對時具有以下主要特點：它兼顧了硬對時和軟對時兩者的優點，精度高，時間信息標準，接口標準化、易接入，對時環節簡化，傳輸距離遠等。基于以上諸多優點，IRIG－B碼在當今變電站的各種測控、保護等智能設備上應用越來越廣泛。

2 SZ系列GPS雙機冗余系統

我國電力事業的迅猛發展對系統內的時間統一提出了更高的要求。以往，單臺GPS同步時鐘一旦出現故障則整個站內的對時系統就無法運行，這已經無法滿足目前電力系統對時間統一的高標準要求。為了保證對時系統的可靠性和穩定性，SZ系列GPS雙機冗余系統能夠時刻保持時間的同步輸出，大大保障增加了GPS系統無故障運行時間，使整個電力系統運行更加安全可靠。

2．1 系統結構

SZ系列GPS系統結構如圖1所示。

圖1 SZ系列GPS系統結構圖

2．2 工作原理

SZ－SW雙機切換器A、B雙機同時接收兩臺GPS同步時鐘送來的信號，機內所帶單片機對其串行數據進行接收檢查，通過對比選擇一臺較好的GPS時鐘信號經數據選擇電路輸出。上電復位時，切換器A為主機，切換器B為備機：

（1）當SZ－DUA GPS1、SZ－DUA GPS2及SZ－SW 雙機切換器A、SZ－SW雙機切換器B均正常工作時，則系統選擇SZDUA GPS1通過SZ－SW A機輸出。

（2）當SZ－DUA GPS1或SZ－DUA GPS2其中一臺異常，SZ－SW雙機切換器A、SZ－SW雙機切換器B正常工作時，系統自動選擇正常工作的那臺GPS同步時鐘通過當前的主切換器輸出。

（3）當 SZ－DUA GPS1、SZ－DUA GPS2正常工作，SZ－SW雙機切換器A或SZ－SW雙機切換器B其中一臺異常時，系統自動選擇SZ－DUA GPS1通過正常工作的那臺切換器輸出。

（4）當 SZ－DUA GPS1或 SZ－DUA GPS2其中一臺異常，SZ－SW雙機切換器A或SZ－SW雙機切換器B其中一臺也異常時，系統自動選擇正常工作的GPS通過正常工作的切換器輸出。

（5）當SZ－SW雙機切換器A和SZ－SW雙機切換器B均異常工作時，則無輸出。

（6）當SZ－DUA GPS1和SZ－DUA GPS2均異常但有時鐘信號輸出，SZ－SW雙機切換器A和SZ－SW雙機切換器B有一個正常工作時，系統仍有時鐘信號輸出。

（7）每隔24h（中午12：00）系統自動檢測，切換器 A、B輪流工作。

從上述GPS雙機冗余系統的工作原理不難看出，它的雙機雙切換工作原理可以很好地保證對時系統的正常穩定工作。

3 變電站對時方式的選擇

為提高對時精度，變電站一般采用硬對時和軟對時相結合的方式。該對時方式一方面利用軟對時獲取年、月、日、時、分、秒等相關信息，另一方面利用硬對時獲取GPS提供的國際協調時（UTC）的對時脈沖信號，使對時信號的精度提高到毫秒和微秒數量級。

大多數變電站監控系統有一臺接口管理機，同GPS系統進行串口通訊來實現軟對時，然后該管理機通過網絡報文對時的方式對全站局域網內的智能設備廣播對時命令；部分沒有上網的間隔層IED設備（包括保護裝置、智能電能表等）如果只能提供串口通訊，則由保護管理機來完成對時，保護管理機接收網絡軟對時命令后再同保護裝置等IED設備進行通訊，根據通訊規約的要求定時向該保護裝置等IED設備發送對時報文。由于智能設備的服務器或CPU等存在接收響應處理的延時問題，如果智能設備只接收軟對時的話，其時鐘同GPS系統的時鐘一般會存在一定的誤差，所以現場一般智能設備都有硬對時的輸入接口，設備在實現軟對時的同時再接入硬對時，這種軟硬結合的接入方式大大提高了時間的精確度。

當各種智能設備配有IRIG－B對時碼接口時，應優先采用編碼對時。這種IRIG－B碼對時方式在當前變電站綜合自動化系統中也是大力推廣的。如果智能設備采用B碼對時，按道理就不需要現場總線的通信報文對時，也不用GPS輸出大量脈沖信號對時。但目前變電站監控系統更趨向于采用監控系統的網絡通訊對時和GPS的IRIG－B碼對時的復合對時方式，這種復合對時方式現場應用取得了更好的效果，保證了系統內所有設備對時的穩定性和可靠性。

4 結語

GPS具有十分廣泛的用途，人們正在探索利用它卓越的時間同步性能來開發電力系統監測、保護和控制的各種方法。GPS雙機冗余系統在電力系統中應用廣泛，在變電站監控系統、故障測距錄波系統、系統運行功角實時監測系統、電網調度自動化系統等各方面實現GPS時間同步，可以很好地保證SOE事件的一致性和可靠性，為當今越來越復雜的電網系統在運行中出現的故障原因分析提供了強有力的保障。相信在電力行業推廣應用此項技術來發展我們的自動化系統，前景必定十分廣闊。

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