變電站自動(dòng)化系統(tǒng)GPS對時(shí)技術(shù)分析

李小葉　史恒超

摘 要：隨著用電量不斷增加，變電站承擔(dān)的供電任務(wù)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(dòng)化方向轉(zhuǎn)變。而在自動(dòng)化系統(tǒng)中，GPS對時(shí)技術(shù)是確保整個(gè)系統(tǒng)同時(shí)動(dòng)作的必要措施，其對變電站升級(jí)改造的重要性不言而喻。文章闡述了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中時(shí)間同步的重要意義，分析了自動(dòng)化系統(tǒng)中GPS對時(shí)技術(shù)及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：變電站；自動(dòng)化系統(tǒng)；GPS對時(shí)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM761 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）09-0065-01

如今大部分電網(wǎng)均以超高壓輸電、自動(dòng)化以及大機(jī)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(yùn)行方式都日益復(fù)雜，因此提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)鐘基準(zhǔn)成為變電站甚至整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)中迫切所需。所以，怎樣實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)時(shí)間統(tǒng)一，是變電站追求的目標(biāo)。

而GPS對時(shí)技術(shù)是一種精確時(shí)鐘源，引入該時(shí)鐘就是給各個(gè)自動(dòng)化設(shè)備設(shè)置相同時(shí)鐘，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)變電站自動(dòng)化的時(shí)鐘統(tǒng)一。

1 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用GPS對時(shí)技術(shù)的必要性

要分析GPS對時(shí)技術(shù)，就必須要掌握應(yīng)用該技術(shù)的必要性，只有在分析必要性基礎(chǔ)上分析應(yīng)用才具有現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1.1 統(tǒng)計(jì)時(shí)間基準(zhǔn)分析數(shù)據(jù)

統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)，就能夠監(jiān)控與分析變電站中的運(yùn)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(shí)間基準(zhǔn)，就能夠運(yùn)用這個(gè)數(shù)據(jù)獲取故障測距，同時(shí)精確統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)還能夠幫助控制電網(wǎng)管理負(fù)荷以及穩(wěn)定區(qū)域。

1.2 校正裝置守時(shí)能力存在的差異

各種測控單元、保護(hù)裝置以及錄波裝置等各種設(shè)備上均安裝了內(nèi)部時(shí)鐘，但是因?yàn)樵O(shè)備存在質(zhì)量差異，對時(shí)的精度上具有一定偏差，時(shí)間一長這些小偏差必然就逐漸形成了誤時(shí)間。所以，如果只是依靠設(shè)備內(nèi)部裝置的時(shí)間，極難確保站內(nèi)系統(tǒng)對時(shí)的精度與準(zhǔn)確性。

2 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)GPS對時(shí)技術(shù)

2.1 GPS對時(shí)技術(shù)

全球定位系統(tǒng)（GPS）是由美國軍方構(gòu)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(hào)，從而獲取時(shí)間、位置以及相關(guān)信息。而GPS系統(tǒng)每一秒均要發(fā)送一次信號(hào)，時(shí)間精度達(dá)到了1us，全球范圍中任何時(shí)刻、任何位置均能夠接收到可靠的衛(wèi)星信號(hào)，不間斷發(fā)送衛(wèi)星自身的時(shí)間信息及星歷參數(shù)。GPS對時(shí)系統(tǒng)所發(fā)送時(shí)間信息精確到了秒及標(biāo)準(zhǔn)秒（IPPS）信號(hào)，因此頻率及時(shí)間精度較高，精度最好可達(dá)到10～12量級(jí)。在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中運(yùn)用GPS對時(shí)技術(shù)具備明顯優(yōu)勢，能夠確保全站各個(gè)系統(tǒng)具有統(tǒng)一的GPS時(shí)間基準(zhǔn)，在該基準(zhǔn)下有效監(jiān)控運(yùn)行及事故后分析故障，其GPS對時(shí)技術(shù)如圖1所示。

在變電站中各種自動(dòng)化設(shè)備，比如微機(jī)保護(hù)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(shí)鐘的同步信號(hào)，從而對變電站及調(diào)度中心時(shí)間基準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一，一旦電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障就能夠提升時(shí)間的準(zhǔn)確性，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定，給分析斷路器動(dòng)作先后順序以及電力故障情況提供證據(jù)。

2.2 GPS對時(shí)方式

對于基準(zhǔn)時(shí)鐘源而言，GPS對時(shí)方法主要有三種方式對設(shè)備進(jìn)行對時(shí)。

2.2.1 硬對時(shí)

①秒脈沖對時(shí)：這種方式就是運(yùn)用GPS所輸出IPPS秒脈沖信號(hào)對時(shí)間進(jìn)行同步校準(zhǔn)，而IPPS秒脈沖新信號(hào)即把每一秒鐘內(nèi)GPS所輸出脈沖校準(zhǔn)信號(hào)，同時(shí)對IPPS秒脈沖時(shí)間進(jìn)行協(xié)調(diào)時(shí)，時(shí)間具有較高準(zhǔn)確性，其精度能夠達(dá)到了秒級(jí)。

②分脈沖對時(shí)：當(dāng)運(yùn)用GPS所輸出IPPS分脈沖信號(hào)同步對時(shí)之時(shí)，而IPPS秒脈沖新信號(hào)即把每一分鐘內(nèi)GPS所輸出脈沖校準(zhǔn)信號(hào)，當(dāng)進(jìn)行時(shí)間協(xié)調(diào)時(shí)具有較高的時(shí)間準(zhǔn)確度，從實(shí)況來看脈沖上升時(shí)間的準(zhǔn)確度低于3 us。

秒脈沖對時(shí)就是當(dāng)脈沖上升沿到來之時(shí)對對時(shí)裝置設(shè)置秒一下的數(shù)進(jìn)行清零；分脈沖對時(shí)就是當(dāng)脈沖上升沿到來之時(shí)對對時(shí)裝置設(shè)置分以下的數(shù)進(jìn)行清零。

2.2.2 軟對時(shí)

軟對時(shí)即稱之為串口校時(shí)；也是串行同步輸出方式，就是把時(shí)鐘信息按照串行數(shù)據(jù)流方式輸送出去，串口校時(shí)時(shí)間包含了年，月，日以及秒；當(dāng)然還能夠容納一些特定內(nèi)容。比如GPS的運(yùn)行狀態(tài)以及接受GPS衛(wèi)星數(shù)等等；軟對時(shí)報(bào)文主要格式采用了十六進(jìn)制碼以及BCD碼等，如果傳輸速率選擇了合適校準(zhǔn)信號(hào)，就能夠讓對時(shí)準(zhǔn)確度實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)。而串口校時(shí)缺點(diǎn)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(shí)距離太長，就會(huì)造成時(shí)延，自然也就無法保證串口對時(shí)精度。當(dāng)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中利用GPS中軟對時(shí)大多選用網(wǎng)絡(luò)對時(shí)，也就是將通訊接口機(jī)串口連接到GPS串口上，通訊接口機(jī)串口連接到網(wǎng)絡(luò)上，就能夠執(zhí)行具有通訊功能的廣播對時(shí)命令。

2.2.3 編碼對時(shí)

編碼對時(shí)就是將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息與同步信號(hào)編成需要的時(shí)間序列碼，之后從對時(shí)總線上輸出，和接收裝置所解析時(shí)間信息實(shí)現(xiàn)同步。編碼的時(shí)間信息具有多種格式，如今變電站中應(yīng)用最多的是IRIG-B碼。IRIG-B碼是美國的IRIG委員會(huì)制定B標(biāo)準(zhǔn)，屬于一種針對時(shí)傳輸所用的時(shí)鐘碼。

IRIG-B碼對時(shí)主要特征為，這種碼制兼顧了軟對時(shí)與硬對時(shí)兩者優(yōu)點(diǎn)，時(shí)間信息標(biāo)準(zhǔn)、精度高；接口具有標(biāo)準(zhǔn)化及易接入；對時(shí)環(huán)節(jié)比較簡化，傳輸?shù)木嚯x比較遠(yuǎn)等。

2.3 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)對GPS對時(shí)技術(shù)的應(yīng)用

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

變電站中的GPS對時(shí)系統(tǒng)主要是由時(shí)間信號(hào)傳輸通道、主時(shí)鐘以及時(shí)間信號(hào)用戶接口共同組成。在這些組成部分中主時(shí)鐘大都設(shè)置在變電站控制中心上，包含了標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱、接收天線、接收模塊、時(shí)間信號(hào)輸出模塊以及電源模塊等等，而變電站中各種設(shè)備及間隔層的IED設(shè)備均依照要求進(jìn)行GPS對時(shí)，同時(shí)具備校正時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

3 結(jié) 語

提高變電站自動(dòng)化應(yīng)用水平，通過GPS對時(shí)技術(shù)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(shí)系統(tǒng)，能夠快速查找及排除電力故障，短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)供電，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)服務(wù)。因此就需要掌握GPS對時(shí)技術(shù)的定義，了解其工作原理，以及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，確保變電站可靠的、穩(wěn)定的供電。

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