GPS對(duì)時(shí)系統(tǒng)在變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)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(dāng)今，我國電網(wǎng)進(jìn)入了大機(jī)組、超高壓輸電、高度自動(dòng)控制的新時(shí)代。電網(wǎng)的運(yùn)行情況瞬息萬變，其中超高壓變電站是我國目前主干電網(wǎng)的重要組成部分，發(fā)生事故后必須掌握實(shí)時(shí)信息，以便能及時(shí)對(duì)事故原因、不同專業(yè)設(shè)備的責(zé)任進(jìn)行分析和判斷，從而及時(shí)地進(jìn)行決策處理。為此，對(duì)變電站各種自動(dòng)化設(shè)備的時(shí)鐘同步要求極為嚴(yán)格。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)簡稱GPS系統(tǒng)，利用GPS系統(tǒng)，電力自動(dòng)化設(shè)備可以精確地控制廣域測(cè)量系統(tǒng)，分析故障錄波的信息。采用GPS技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)站內(nèi)甚至站間的準(zhǔn)確對(duì)時(shí)，對(duì)時(shí)的精度達(dá)到了微秒級(jí)要求，目前已經(jīng)成為最佳的對(duì)時(shí)方案。變電站內(nèi)需要對(duì)時(shí)的設(shè)備有計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、電能計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、故障錄波器、微機(jī)繼電保護(hù)裝置等。

1 對(duì)時(shí)方式

利用GPS系統(tǒng)提供的世界協(xié)調(diào)時(shí)（UTC）對(duì)基準(zhǔn)時(shí)鐘源站內(nèi)二次設(shè)備進(jìn)行對(duì)時(shí)的方式主要有3種。

1．1 硬對(duì)時(shí)

硬對(duì)時(shí)又分為利用秒脈沖信號(hào)和分脈沖信號(hào)2種對(duì)時(shí)方式。

（1）秒脈沖對(duì)時(shí)。它利用GPS輸出的1pps秒脈沖信號(hào)進(jìn)行時(shí)間同步校準(zhǔn)。1pps秒脈沖信號(hào)是指每秒鐘內(nèi)GPS輸出的脈沖校準(zhǔn)信號(hào)。利用GPS提供的1pps秒脈沖時(shí)間協(xié)調(diào)時(shí)，其時(shí)間準(zhǔn)確度較高，精度可達(dá)到微秒級(jí)。同時(shí)，該脈沖的上升沿時(shí)間準(zhǔn)確度小于1μs。

（2）分脈沖對(duì)時(shí)。它是利用GPS輸出的1ppm分脈沖信號(hào)進(jìn)行時(shí)間同步對(duì)時(shí)的。1ppm分脈沖信號(hào)是指每分鐘內(nèi)GPS輸出的脈沖校準(zhǔn)信號(hào)。利用GPS提供的1ppm分脈沖時(shí)間協(xié)調(diào)時(shí)，其時(shí)間準(zhǔn)確度也較高，該脈沖的上升沿時(shí)間準(zhǔn)確度不大于3μs。

秒脈沖對(duì)時(shí)是在脈沖的上升沿到來時(shí)將被對(duì)時(shí)裝置的秒以下的毫秒數(shù)清零；分脈沖對(duì)時(shí)是在脈沖的上升沿到來時(shí)將被對(duì)時(shí)裝置的分以下計(jì)數(shù)器清零。

1．2 軟對(duì)時(shí)

軟對(duì)時(shí)也稱為串口校時(shí)。屬于串行同步輸出方式，是將時(shí)鐘信息以串行數(shù)據(jù)流的方式輸出。串口校時(shí)的時(shí)間報(bào)文包括年、月、日、時(shí)、分、秒信息，也可包含一些特定的內(nèi)容，例如GPS運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信號(hào)、接收GPS衛(wèi)星數(shù)等。軟對(duì)時(shí)報(bào)文的信息格式有十六進(jìn)制碼、ASKⅡ碼或者BCD碼等。當(dāng)選擇傳輸速率合適的校準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，其對(duì)時(shí)準(zhǔn)確度可達(dá)到毫秒級(jí)。

串口校時(shí)的缺點(diǎn)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(duì)時(shí)距離過長，會(huì)造成時(shí)延，串口對(duì)時(shí)精度無法得到保證。在變電站現(xiàn)場(chǎng)利用GPS的軟對(duì)時(shí)一般采用網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)，即采用通訊接口機(jī)串口接收GPS串口對(duì)時(shí)報(bào)文，然后由通訊接口機(jī)向連接在網(wǎng)絡(luò)上的所有具有通訊功能的裝置廣播對(duì)時(shí)命令。網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)報(bào)文一般包括年、月、日、時(shí)、分、秒、毫秒。

1．3 編碼對(duì)時(shí)

編碼對(duì)時(shí)是通過將同步信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息編成時(shí)間序列碼，然后輸出到對(duì)時(shí)總線上，接收裝置解析出時(shí)間信息進(jìn)行時(shí)間同步。編碼時(shí)間信號(hào)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(hào)介質(zhì)是RS－422／485電平的雙絞線。

IRIG－B為美國IRIG委員會(huì)的B標(biāo)準(zhǔn)，是專為時(shí)鐘傳輸制定的時(shí)鐘碼，每秒輸出一幀按年、月、日、時(shí)、分、秒等順序排列的時(shí)間信息。IRIG－B碼有調(diào)制IRIG－B（AC）和非調(diào)制IRIG－B（DC）兩種（即正弦調(diào)制輸出和直流偏置輸出）。IRIG－B（AC）碼的對(duì)時(shí)同步精度一般為10～20μs，而IRIG－B（DC）碼的對(duì)時(shí)同步精度可達(dá)亞微秒數(shù)量級(jí)。我國變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的智能設(shè)備原則上要求采用IRIG－B（DC）碼方式進(jìn)行對(duì)時(shí)。

IRIG－B時(shí)間碼每秒輸出一次信息，每幀有100個(gè)代碼，包含了日期段、小時(shí)段、分段和秒段等信號(hào)。信息格式如表1所示。

表1 B碼對(duì)時(shí)格式

IRIG－B碼對(duì)時(shí)具有以下主要特點(diǎn)：它兼顧了硬對(duì)時(shí)和軟對(duì)時(shí)兩者的優(yōu)點(diǎn)，精度高，時(shí)間信息標(biāo)準(zhǔn)，接口標(biāo)準(zhǔn)化、易接入，對(duì)時(shí)環(huán)節(jié)簡化，傳輸距離遠(yuǎn)等?；谝陨现T多優(yōu)點(diǎn)，IRIG－B碼在當(dāng)今變電站的各種測(cè)控、保護(hù)等智能設(shè)備上應(yīng)用越來越廣泛。

2 SZ系列GPS雙機(jī)冗余系統(tǒng)

我國電力事業(yè)的迅猛發(fā)展對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的時(shí)間統(tǒng)一提出了更高的要求。以往，單臺(tái)GPS同步時(shí)鐘一旦出現(xiàn)故障則整個(gè)站內(nèi)的對(duì)時(shí)系統(tǒng)就無法運(yùn)行，這已經(jīng)無法滿足目前電力系統(tǒng)對(duì)時(shí)間統(tǒng)一的高標(biāo)準(zhǔn)要求。為了保證對(duì)時(shí)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，SZ系列GPS雙機(jī)冗余系統(tǒng)能夠時(shí)刻保持時(shí)間的同步輸出，大大保障增加了GPS系統(tǒng)無故障運(yùn)行時(shí)間，使整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行更加安全可靠。

2．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

SZ系列GPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SZ系列GPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2．2 工作原理

SZ－SW雙機(jī)切換器A、B雙機(jī)同時(shí)接收兩臺(tái)GPS同步時(shí)鐘送來的信號(hào)，機(jī)內(nèi)所帶單片機(jī)對(duì)其串行數(shù)據(jù)進(jìn)行接收檢查，通過對(duì)比選擇一臺(tái)較好的GPS時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)選擇電路輸出。上電復(fù)位時(shí)，切換器A為主機(jī)，切換器B為備機(jī)：

（1）當(dāng)SZ－DUA GPS1、SZ－DUA GPS2及SZ－SW 雙機(jī)切換器A、SZ－SW雙機(jī)切換器B均正常工作時(shí)，則系統(tǒng)選擇SZDUA GPS1通過SZ－SW A機(jī)輸出。

（2）當(dāng)SZ－DUA GPS1或SZ－DUA GPS2其中一臺(tái)異常，SZ－SW雙機(jī)切換器A、SZ－SW雙機(jī)切換器B正常工作時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)選擇正常工作的那臺(tái)GPS同步時(shí)鐘通過當(dāng)前的主切換器輸出。

（3）當(dāng) SZ－DUA GPS1、SZ－DUA GPS2正常工作，SZ－SW雙機(jī)切換器A或SZ－SW雙機(jī)切換器B其中一臺(tái)異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)選擇SZ－DUA GPS1通過正常工作的那臺(tái)切換器輸出。

（4）當(dāng) SZ－DUA GPS1或 SZ－DUA GPS2其中一臺(tái)異常，SZ－SW雙機(jī)切換器A或SZ－SW雙機(jī)切換器B其中一臺(tái)也異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)選擇正常工作的GPS通過正常工作的切換器輸出。

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

（6）當(dāng)SZ－DUA GPS1和SZ－DUA GPS2均異常但有時(shí)鐘信號(hào)輸出，SZ－SW雙機(jī)切換器A和SZ－SW雙機(jī)切換器B有一個(gè)正常工作時(shí)，系統(tǒng)仍有時(shí)鐘信號(hào)輸出。

（7）每隔24h（中午12：00）系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)，切換器 A、B輪流工作。

從上述GPS雙機(jī)冗余系統(tǒng)的工作原理不難看出，它的雙機(jī)雙切換工作原理可以很好地保證對(duì)時(shí)系統(tǒng)的正常穩(wěn)定工作。

3 變電站對(duì)時(shí)方式的選擇

為提高對(duì)時(shí)精度，變電站一般采用硬對(duì)時(shí)和軟對(duì)時(shí)相結(jié)合的方式。該對(duì)時(shí)方式一方面利用軟對(duì)時(shí)獲取年、月、日、時(shí)、分、秒等相關(guān)信息，另一方面利用硬對(duì)時(shí)獲取GPS提供的國際協(xié)調(diào)時(shí)（UTC）的對(duì)時(shí)脈沖信號(hào)，使對(duì)時(shí)信號(hào)的精度提高到毫秒和微秒數(shù)量級(jí)。

大多數(shù)變電站監(jiān)控系統(tǒng)有一臺(tái)接口管理機(jī)，同GPS系統(tǒng)進(jìn)行串口通訊來實(shí)現(xiàn)軟對(duì)時(shí)，然后該管理機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)報(bào)文對(duì)時(shí)的方式對(duì)全站局域網(wǎng)內(nèi)的智能設(shè)備廣播對(duì)時(shí)命令；部分沒有上網(wǎng)的間隔層IED設(shè)備（包括保護(hù)裝置、智能電能表等）如果只能提供串口通訊，則由保護(hù)管理機(jī)來完成對(duì)時(shí)，保護(hù)管理機(jī)接收網(wǎng)絡(luò)軟對(duì)時(shí)命令后再同保護(hù)裝置等IED設(shè)備進(jìn)行通訊，根據(jù)通訊規(guī)約的要求定時(shí)向該保護(hù)裝置等IED設(shè)備發(fā)送對(duì)時(shí)報(bào)文。由于智能設(shè)備的服務(wù)器或CPU等存在接收響應(yīng)處理的延時(shí)問題，如果智能設(shè)備只接收軟對(duì)時(shí)的話，其時(shí)鐘同GPS系統(tǒng)的時(shí)鐘一般會(huì)存在一定的誤差，所以現(xiàn)場(chǎng)一般智能設(shè)備都有硬對(duì)時(shí)的輸入接口，設(shè)備在實(shí)現(xiàn)軟對(duì)時(shí)的同時(shí)再接入硬對(duì)時(shí)，這種軟硬結(jié)合的接入方式大大提高了時(shí)間的精確度。

當(dāng)各種智能設(shè)備配有IRIG－B對(duì)時(shí)碼接口時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用編碼對(duì)時(shí)。這種IRIG－B碼對(duì)時(shí)方式在當(dāng)前變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中也是大力推廣的。如果智能設(shè)備采用B碼對(duì)時(shí)，按道理就不需要現(xiàn)場(chǎng)總線的通信報(bào)文對(duì)時(shí)，也不用GPS輸出大量脈沖信號(hào)對(duì)時(shí)。但目前變電站監(jiān)控系統(tǒng)更趨向于采用監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊對(duì)時(shí)和GPS的IRIG－B碼對(duì)時(shí)的復(fù)合對(duì)時(shí)方式，這種復(fù)合對(duì)時(shí)方式現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了更好的效果，保證了系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備對(duì)時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)語

GPS具有十分廣泛的用途，人們正在探索利用它卓越的時(shí)間同步性能來開發(fā)電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、保護(hù)和控制的各種方法。GPS雙機(jī)冗余系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，在變電站監(jiān)控系統(tǒng)、故障測(cè)距錄波系統(tǒng)、系統(tǒng)運(yùn)行功角實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)等各方面實(shí)現(xiàn)GPS時(shí)間同步，可以很好地保證SOE事件的一致性和可靠性，為當(dāng)今越來越復(fù)雜的電網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行中出現(xiàn)的故障原因分析提供了強(qiáng)有力的保障。相信在電力行業(yè)推廣應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)來發(fā)展我們的自動(dòng)化系統(tǒng)，前景必定十分廣闊。

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