GPS卫星时钟同步系统在电厂变电站中的应用

GPS卫星时钟同步系统在电厂变电站中的应用
姬志民;宋博;任焕龙;王堑;姬广素
【摘要】针对变电站各设备的时钟时间不能统一的问题,在介绍GPS卫星时钟同步系统组成和对时方式的基础上,分析GPS卫星时钟同步系统在电厂变电站自动化设备中的应用情况,并提出应用中的注意事项.
【期刊名称】《河北电力技术》
【年(卷),期】2011(030)006
【总页数】3页(P12-14)
【关键词】GPS卫星时钟同步;变电站;标准时间;事故分析
【作者】姬志民;宋博;任焕龙;王堑;姬广素
【作者单位】河北华电石家庄热电有限公司,石家庄 050041;河北华电石家庄热电有限公司,石家庄 050041;河北华电石家庄热电有限公司,石家庄 050041;河北华电石家庄热电有限公司,石家庄 050041;河北华电石家庄热电有限公司,石家庄050041
【正文语种】中文
【中图分类】TM76
这些年来，随着自动化技术的不断发展，电厂、变电站的电力自动化水平有很大提高，自动化系统中SCADA系统(或计算机监控系统简称NCS系统)、微型计算机保护装置、微型计算机故障录波装置以及各类保护信息子站得到了广泛的应用，而
这些自动化装置之间的配合工作需要有一个精确的时钟。

当电力系统发生故障及事故时，既可实现全网各系统在统一时间基准下的运行监视和控制以及对应事故的故障分析，也可以通过各种保护装置、断路器分合的先后顺序按照标准时间来分析事故的原因及发展过程。

随着各地区智能电网的逐步建立，提供标准时间的时钟基准成为电厂、变电站乃至整个电力系统的迫切需要。

1 变电站时钟存在的问题
由于变电站采用不同厂家的NCS系统、线路微机保护装置、故障录波器、电能自动计费系统、同步相量测量装置(PMU)等，因此变电站时间同步的方式均存在问题，具体表现在以下几方面。

a.各设备生产商采用各自的时钟，各时钟在对时准确度上都有一定的差异，使全厂各设备不能在一个时间基准上进行数据分析，给事故的正确分析及判断带来很大困难。

b.通过自动化设备主站实现对时，调度中心主站通过通信通道下发对时命令从而使系统内各个变电站时钟同步，这需要一个专用的通信通道，并且从自动化设备主站到达各个变电站子站设备的距离不同，通信延时也不同，所以这种方式对时系统时钟的误差在0.1 s左右。

c.采用一台GPS专用接收机，提供多个RS232-485端口，用屏蔽双绞线将所有计算机连接在一起，来实现所有设备的时间同步。

但这种时钟同步也存在弊病，首先使用的屏蔽双绞线不易过长；其次对服务器及客户机反应速度有较高的要求、如果出现反应延迟会直接影响时间同步的准确度。

并且各自动化设备的接口形式不一，可能会造成卫星同步时钟系统GPS与某些设备不能成功接口，从而不能向所有设备提供标准时间。

2 GPS卫星时钟同步系统组成与对时方式
GPS系统每秒发送一次信号，每次发送信号的时间准确度在1 μs以内，并且在地
球表面任一地点、任一时刻均能准确的接收到时间信号。

由于卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，GPS发送的时间信息包含年、月、日、时、分、秒以
及IPPS(标准秒)信号，因而具有很高的频率准确度(可达10量级)和时间精准度。

在综合自动化系统中采用GPS卫星时钟同步系统有着明显的优势，可以实现全厂、站各设备在统一GPS时间基准下的运行和事故后的事故分析。

变电站的所有自动
化设备(如故障录波装置、微型计算机保护装置、NCS系统等)，根据GPS提供的
精确时钟同步信号，同步调度中心与变电站的时间基准，在电力系统发生事故后，提高了事件顺序记录的时间准确性，为智能电网的建立和电网安全稳定运行及监控创造了有力的技术支持。

2.1 系统组成
GPS卫星时钟同步系统是应用全球定位系统(GPS)技术的标准时间显示和发送装置。

GPS由24颗在空间运行的GPS卫星和地面控制站组成，在地球表面任一地点、
任一时刻GPS卫星信号接收器都可收到足够多数量的GPS卫星信号，精确计算接收器所在当前空间位置和时间，其时间精确度可达纳秒级。

GPS卫星时钟同步系
统利用接收GPS卫星传来的时间信号，经主中央处理单元的规约转换成为当地时间，以满足各种要求的接口时标(RS232/RS422/RS485等)和时间编码输出(IRIG-
B 码，ASCII等)。

GPS卫星时钟同步系统结构如图1所示。

图1 GPS卫星时钟同步系统结构示意
主钟信号输入单元，即GPS卫星信号输入单元为GPS接收模块，用于接收GPS
卫星发送的协调世界时(UTC)信号作为装置的外部时间基准。

输出时间精度为150 ns的1PPS(即1Pulse Per Second)脉冲，通过RS232串行口输出国际标准时间、日期和接收器所处地理位置(经纬度)等信息。

并可输出GPS失步报警信号，提供
一路可编程的TTL脉冲信号供时钟的准确度指标测试。

显示及键盘控制显示时间
信息及其它状态信息，通过键盘接口进行人机交互、定值整定。

中心处理单元对整
个系统进行监控，处理。

电源为整个装置提供电源，并可输出电源中断报警信号。

脉冲电路通过编程输出秒(1PPS，即1Pulse Per Second)、分(1PPM，即1Pulse Per Minute)、时(1PPH，即1Pulse Per Hour)等可控制的同步脉冲信号。

脉冲是光电隔离的TTL脉冲、差分脉冲或空接点脉冲。

IRIG-B信号生成电路利用中心处
理单元输出的时间基准信号(1PPS和RS232串口信号)生成标准的IRIGB时间码。

IRIG-B输出接口输出正弦调制(AC)信号、TTL电平信号、RS232电平信号或
RS422电平信号的IRIG-B码。

RS-232/RS422/RS485输出接口输出标准时间、
日期等串行信息。

DCF77信号输出利用中心处理单元输出的时间基准信号(1PPS
和RS232串口信号)生成DCF77信号并输出。

NTP网络时间输出网络对时信号，装置通过NTP协议同步网络中的计算机、CISCO的路由器和交换机等设备,实现
网络授时。

2.2 对时方式
GPS时钟同步系统主要有脉冲同步输出、串行同步时间信息输出和IRIG-B码输出3种对时方式。

a.脉冲同步输出方式，即同步时钟每间隔一定的时间输出一个精确的同步脉冲。

被授时装置在接收到同步脉冲后进行校准对时，消除装置内部时钟走时偏差,缺点是
无法直接提供时间信息。

b.串行同步时间信息输出方式，是将时刻信息以认识码、年、月、日、时、分、秒串行数据流的方式输出，主要用于给事件加上时间标记，如果要提高对时准确度，现场应用时还需要再给出秒对时脉冲信号。

利用1PPS(秒脉冲)信号的上升沿来实
现外部时钟与GPS时钟的同步以及将同步误差抑制在满足系统准确度要求范围之内。

c.IRIG-B码输出方式，IRIG组织发布的用于各系统时间同步的时间码标准,其中应
用最广泛的是IRIG-B版本，简称B码。

B码每发出1帧为1秒包含有100个码元，
每一个码元10 ms。

脉冲宽度编码，2 ms宽度表示二进制0、分割标志或未编码位，5 ms宽度表示二进制1,8 ms宽度表示整100 ms基准标志。

B码信号一般有TTL方式、RS422方式、RS232方式、调制解调信号(AM)4种形式。

3 GPS卫星时钟同步系统的应用
现行的GPS卫星时钟同步系统支持硬对时(脉冲节点秒、分、时)、软对时(串口报文)、编码对时(IRIG-B、DCF77)和网络NTP对时，以满足国内外不同厂家、不同设备的对时接口要求，变电站内微机保护装置、自动化测控装置、故障录波装置、NCS系统站控层设备等均可联接GPS时钟同步系统。

GPS对时接口一般有：
RS232串口输出、RS485串口输出，非调制IRIG-B输出信号，分脉冲输出信号，秒脉冲输出信号等。

发电厂、变电站的时钟同步系统由主时钟、时间信号传输通道、时间信号用户设备接口(扩展装置)组成。

主时钟一般设在发电厂或变电站的控制中心，包括接收天线、标准机箱、电源模块、接收模块、时间信号输出模块等，对变电站设备和间隔层IED设备(包括智能电能采集装置等)按要求实现GPS对时，并含有时钟同步网络传输校正措施。

结合运行经验和实际情况，以某电厂220 kV升压站继电器室和发变组继电器室内各设一套GPS主时钟，负责自身继电器室设备的对时，包括硬对时(秒脉冲、分脉冲、交流差分信号)、软对时、编码对时(IRIG-B、DCF77)。

保护继电器室主时钟
的时间信号接收单元除了接收本继电器室的GPS时间信号外，还接收另一继电器
室的GPS时间信号作为备用的标准时间源输人(通过光纤以IRIG-B时码方式输入)，2台主时钟之间能够互为备用,标准时钟具有高可靠性时可采用2套标准时钟互为
备用，当有一台标准时钟收不到GPS信号时另一台标准时钟会自动提供GPS信号，并获取标准时间信号，保证本继电器室对时信号正常输出。

另外，在主控室设一套扩展时钟，主时钟和时间扩展装置之间通过光纤连接，时间信号接收单元分别从2
台主时钟获取时间信号，互为备用，自动切换，完成对本室设备的对时，扩展装置接受主时钟提供的时间信息，经过扩展向其它装置提供多路输出接口。

这种由2台主时钟及若干台扩展装置可构成一个统一的时间同步系统，2台GPS
主时钟布置在不同的地点，通过光缆连接，构成互备系统，可降低因雷击而损坏主时钟的概率，并且主备切换分散到各继电器室，由各继电器室时间信号接收单元来完成，一个继电器室的切换单元故障，不影响其他继电器室，采用这种方式系统可靠性更高。

4 GPS卫星时钟同步系统应用中的注意事项
安装时，先将天线头安装在天线支架(备选件)上，再将天线支架用膨胀螺栓固定在建筑物顶端，根据安装条件需要时可以使用弯角支架(备选件)。

天线头要安装在室外，安装位置应视野开阔，尽可能安装在屋顶，原则上是顺着天线头往上看能够看到360°的天空。

然后从上到下布置天线的电缆线。

天线电缆铺设转弯半径不易过小，穿孔时注意包好接头。

天线电缆长度是根据天线增益严格设计，不得剪断、延长、缩短或加装接头，否则将影响接收效果甚至收不到信号。

天线应尽量避开山坡、树林、高层建筑物、铁塔、高压输电线等对天线波束的阻挡。

天线主波束方向上应有足够的视界，天线正前方应有尽可能宽的视角。

一般要求以天线基点为参考，对障碍物最高点所成的夹角小于10°。

天线的架设位置应避开风口，以减小天线的风载。

在多雷雨地区，天线的架设位置应避开雷击多发地点，天线头应放在电厂/变电站避雷针避雷范围内。

天线安装在
屋顶时，只要视野足够，高出屋面距离越小越好。

同时，天线应尽量安装专用防雷器，在雷雨季节到来之前必须仔细检查避雷接地系统是否良好(专用防雷器为选配
器件)。

为保证GPS卫星同步时钟系统的功能、准确度和效率，定时对GPS对时系统各个部件进行检查，首先应检查装置显示面板上的天线信号是否正常，再检查显示面板
上锁定的卫星数量(一般应大于3)，以上两项正常后再用显示面板上所显示的时间与各个对时设备上所显示或打印的时间进行比对，以确认对时系统内所有参与对时设备的对时单元工作正常，定时对系统内的各个部件进行巡检以保证整个系统的可靠性。

在GPS屏内还应加装监视装置,运行状态的告警接点输出，包括电源消失告警、IRIG-B信号消失告警以及本装置自检异常告警，以便及时反应GPS运行情况。

正常工作时，电源指示应该正常，“1PPS”脉冲指示灯每秒闪烁一次，当发出“IRIG-B信号消失告警”表示本机未正确收到IRIG-B的输入信号，应做进一步检查。

5 结束语
GPS卫星时钟同步系统在河北华电石家庄热电有限公司变电站自动化设备中广泛的应用，不但有效地减少检修和运行人员的工作量，还使电厂变电站运行设备有了统一、标准的时间基准，方便对运行中出现的各种事件的分析和追溯，提高了电力系统的自动化水平，为该公司安全生产提供了技术保障。

本文责任编辑：丁力。