變電站自動化系統(tǒng)GPS對時技術分析

李小葉　史恒超

摘 要：隨著用電量不斷增加，變電站承擔的供電任務越來越重，傳統(tǒng)的控制與管理系統(tǒng)已無法滿足變電站的工作要求，因此，變電站也要向自動化方向轉變。而在自動化系統(tǒng)中，GPS對時技術是確保整個系統(tǒng)同時動作的必要措施，其對變電站升級改造的重要性不言而喻。文章闡述了變電站自動化系統(tǒng)中時間同步的重要意義，分析了自動化系統(tǒng)中GPS對時技術及應用。

關鍵詞：變電站；自動化系統(tǒng)；GPS對時技術

中圖分類號：TM761 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）09-0065-01

如今大部分電網(wǎng)均以超高壓輸電、自動化以及大機組成為主要特征的大電網(wǎng)，這種電網(wǎng)無論是規(guī)劃還是運行方式都日益復雜，因此提供標準時間的時鐘基準成為變電站甚至整個電力網(wǎng)絡中迫切所需。所以，怎樣實現(xiàn)時間同步，實現(xiàn)電網(wǎng)時間統(tǒng)一，是變電站追求的目標。

而GPS對時技術是一種精確時鐘源，引入該時鐘就是給各個自動化設備設置相同時鐘，從而實現(xiàn)各個變電站自動化的時鐘統(tǒng)一。

1 變電站自動化系統(tǒng)應用GPS對時技術的必要性

要分析GPS對時技術，就必須要掌握應用該技術的必要性，只有在分析必要性基礎上分析應用才具有現(xiàn)實價值。

1.1 統(tǒng)計時間基準分析數(shù)據(jù)

統(tǒng)一時間基準，就能夠監(jiān)控與分析變電站中的運行故障情況。相對故障錄波來說，只要統(tǒng)一了兩端錄波數(shù)據(jù)時間基準，就能夠運用這個數(shù)據(jù)獲取故障測距，同時精確統(tǒng)一時間基準還能夠幫助控制電網(wǎng)管理負荷以及穩(wěn)定區(qū)域。

1.2 校正裝置守時能力存在的差異

各種測控單元、保護裝置以及錄波裝置等各種設備上均安裝了內(nèi)部時鐘，但是因為設備存在質量差異，對時的精度上具有一定偏差，時間一長這些小偏差必然就逐漸形成了誤時間。所以，如果只是依靠設備內(nèi)部裝置的時間，極難確保站內(nèi)系統(tǒng)對時的精度與準確性。

2 變電站自動化系統(tǒng)GPS對時技術

2.1 GPS對時技術

全球定位系統(tǒng)（GPS）是由美國軍方構建的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，系統(tǒng)中安裝了專門的接收器，用來接收衛(wèi)星發(fā)射出來的信號，從而獲取時間、位置以及相關信息。而GPS系統(tǒng)每一秒均要發(fā)送一次信號，時間精度達到了1us，全球范圍中任何時刻、任何位置均能夠接收到可靠的衛(wèi)星信號，不間斷發(fā)送衛(wèi)星自身的時間信息及星歷參數(shù)。GPS對時系統(tǒng)所發(fā)送時間信息精確到了秒及標準秒（IPPS）信號，因此頻率及時間精度較高，精度最好可達到10～12量級。在變電站自動化系統(tǒng)中運用GPS對時技術具備明顯優(yōu)勢，能夠確保全站各個系統(tǒng)具有統(tǒng)一的GPS時間基準，在該基準下有效監(jiān)控運行及事故后分析故障，其GPS對時技術如圖1所示。

在變電站中各種自動化設備，比如微機保護裝置、故障錄波器以及監(jiān)控系統(tǒng)等等，依據(jù)GPS所提供精確時鐘的同步信號，從而對變電站及調度中心時間基準進行統(tǒng)一，一旦電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障就能夠提升時間的準確性，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定，給分析斷路器動作先后順序以及電力故障情況提供證據(jù)。

2.2 GPS對時方式

對于基準時鐘源而言，GPS對時方法主要有三種方式對設備進行對時。

2.2.1 硬對時

①秒脈沖對時：這種方式就是運用GPS所輸出IPPS秒脈沖信號對時間進行同步校準，而IPPS秒脈沖新信號即把每一秒鐘內(nèi)GPS所輸出脈沖校準信號，同時對IPPS秒脈沖時間進行協(xié)調時，時間具有較高準確性，其精度能夠達到了秒級。

②分脈沖對時：當運用GPS所輸出IPPS分脈沖信號同步對時之時，而IPPS秒脈沖新信號即把每一分鐘內(nèi)GPS所輸出脈沖校準信號，當進行時間協(xié)調時具有較高的時間準確度，從實況來看脈沖上升時間的準確度低于3 us。

秒脈沖對時就是當脈沖上升沿到來之時對對時裝置設置秒一下的數(shù)進行清零；分脈沖對時就是當脈沖上升沿到來之時對對時裝置設置分以下的數(shù)進行清零。

2.2.2 軟對時

軟對時即稱之為串口校時；也是串行同步輸出方式，就是把時鐘信息按照串行數(shù)據(jù)流方式輸送出去，串口校時時間包含了年，月，日以及秒；當然還能夠容納一些特定內(nèi)容。比如GPS的運行狀態(tài)以及接受GPS衛(wèi)星數(shù)等等；軟對時報文主要格式采用了十六進制碼以及BCD碼等，如果傳輸速率選擇了合適校準信號，就能夠讓對時準確度實現(xiàn)毫秒級。而串口校時缺點在于要受到傳輸距離的限制，比如RS-232接口方式最大傳輸距離大約是30 m，一旦對時距離太長，就會造成時延，自然也就無法保證串口對時精度。當變電站自動化系統(tǒng)中利用GPS中軟對時大多選用網(wǎng)絡對時，也就是將通訊接口機串口連接到GPS串口上，通訊接口機串口連接到網(wǎng)絡上，就能夠執(zhí)行具有通訊功能的廣播對時命令。

2.2.3 編碼對時

編碼對時就是將標準時間信息與同步信號編成需要的時間序列碼，之后從對時總線上輸出，和接收裝置所解析時間信息實現(xiàn)同步。編碼的時間信息具有多種格式，如今變電站中應用最多的是IRIG-B碼。IRIG-B碼是美國的IRIG委員會制定B標準，屬于一種針對時傳輸所用的時鐘碼。

IRIG-B碼對時主要特征為，這種碼制兼顧了軟對時與硬對時兩者優(yōu)點，時間信息標準、精度高；接口具有標準化及易接入；對時環(huán)節(jié)比較簡化，傳輸?shù)木嚯x比較遠等。

2.3 變電站自動化系統(tǒng)對GPS對時技術的應用

如今的GPS對時系統(tǒng)支持硬對時、軟對時以及編碼對時，能夠滿足國內(nèi)外各種設備對時接口所需，同時也能夠滿足變電站中測控裝置、微機保護裝置、自動化系統(tǒng)等各種設備所需，這些設備均能接入GPS時鐘同步系統(tǒng)。在應用中比較常用的GPS對時接口主要有：RS-485串口輸出、RS-232串口輸出以及非調制IRIG-B輸出信號，還有秒脈沖IPPS輸出信號、分脈沖IPPS輸出信號等等；在變電站中使用了各種新老裝置設備，就要接收到同步的時鐘信號，并且設備存在各種差異，接口的類型繁多，因此在實際應用中幾乎都是將幾種對時方法有機結合起來共同使用，但是采用這種方法就要增加硬接點或者網(wǎng)絡對時統(tǒng)一時間。如果系統(tǒng)中所用智能裝置具備B碼對時功能，一般情況下是無法再連接串行通信報文對時，如果連接就可能發(fā)生時間跳變，如果智能裝置比較先進就是在通信程序中增加一個判斷，只要對時功能出現(xiàn)故障，就能夠接收串行口輸送進來的對時信號。

變電站中的GPS對時系統(tǒng)主要是由時間信號傳輸通道、主時鐘以及時間信號用戶接口共同組成。在這些組成部分中主時鐘大都設置在變電站控制中心上，包含了標準機箱、接收天線、接收模塊、時間信號輸出模塊以及電源模塊等等，而變電站中各種設備及間隔層的IED設備均依照要求進行GPS對時，同時具備校正時鐘同步網(wǎng)絡傳輸?shù)墓δ堋?/p>

3 結 語

提高變電站自動化應用水平，通過GPS對時技術的引入，必然優(yōu)化了變電站電網(wǎng)接口，提高了供電的可靠性。引入GPS對時系統(tǒng)，能夠快速查找及排除電力故障，短時間內(nèi)恢復供電，實現(xiàn)優(yōu)質服務。因此就需要掌握GPS對時技術的定義，了解其工作原理，以及在電力系統(tǒng)中的應用，確保變電站可靠的、穩(wěn)定的供電。

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