變電站手持式時(shí)間同步裝置的研制

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局 張 睿 王力偉 王建勇 吳碧海

對(duì)于電力系統(tǒng)二次設(shè)備測(cè)試而言，部分測(cè)試要求測(cè)試儀器與被測(cè)二次設(shè)備之間的時(shí)間同步或多個(gè)二次設(shè)備之間的時(shí)間同步，如光纖差動(dòng)保護(hù)裝置線路兩端聯(lián)調(diào)測(cè)試、PMU測(cè)試、合并單元測(cè)試等[1]。為了實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀器、二次設(shè)備的時(shí)間同步，電力系統(tǒng)二次設(shè)備中采用時(shí)間同步裝置，時(shí)間同步裝置通過(guò)天饋線獲取衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的無(wú)線信號(hào)以同步自身時(shí)間與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的時(shí)間信號(hào)同步[2]。時(shí)間同步裝置同時(shí)向測(cè)試儀器及二次設(shè)備輸出統(tǒng)一的時(shí)間同步信號(hào)，測(cè)試儀器及二次設(shè)備在收到時(shí)間同步裝置輸出的時(shí)間同步信號(hào)后，調(diào)整自身時(shí)鐘與時(shí)間同步信號(hào)的時(shí)間一致，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀器與二次設(shè)備之間的時(shí)間同步。由于各個(gè)變電站的時(shí)間同步裝置都是采用天饋線接收的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的無(wú)線信號(hào)，因此各個(gè)時(shí)間同步裝置的時(shí)間都是同步的，相應(yīng)的接收時(shí)間同步裝置授時(shí)的二次設(shè)備和測(cè)試儀的時(shí)間也都是同步的[3]。

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司2013年出臺(tái)的《國(guó)調(diào)中心關(guān)于加強(qiáng)電力系統(tǒng)時(shí)間同步運(yùn)行管理工作的通知》，需要提升時(shí)間同步在運(yùn)行管理和測(cè)試環(huán)節(jié)的工作。為解決二次設(shè)備測(cè)試環(huán)節(jié)時(shí)間同步同問(wèn)，各網(wǎng)省公司應(yīng)因地制宜，建立起有效的時(shí)間同步監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，已實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備與測(cè)試儀器之間的時(shí)間同步。目前已有較多單位對(duì)變電站時(shí)間同步問(wèn)題進(jìn)行了研究[4]，沈健等人設(shè)計(jì)了二次設(shè)備時(shí)間同步監(jiān)測(cè)方案，并說(shuō)明了此方法的詳細(xì)流程，在時(shí)間同步方面又做了安全性設(shè)計(jì)；雷霆等人研究提出了三層架構(gòu)的時(shí)間同步手段，闡述了方法的框架及使用的技術(shù)手段；彭志強(qiáng)的等人通過(guò)調(diào)研當(dāng)前主流時(shí)間同步監(jiān)測(cè)方法，總結(jié)得出國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司所采用的技術(shù)方案與國(guó)家電網(wǎng)公司調(diào)控中心所制定的時(shí)間同步管理功能實(shí)施方案的不同。

本文就二次設(shè)備測(cè)試時(shí)的同步問(wèn)題，研發(fā)了一種新的時(shí)間同步裝置，將極大提升同步裝置的靈活性，且基準(zhǔn)信號(hào)不受現(xiàn)場(chǎng)施工影響。文章研制的手持式時(shí)間同步裝置，體積和重量遠(yuǎn)小于變電站使用的組屏式時(shí)間同步裝置，配置電池與銣原子鐘。電池可保證手持式時(shí)間同步裝置在不接電源的情況下可以使用，提升了搬動(dòng)的遍歷和靈活性。銣原子鐘保證了手持式時(shí)間同步裝置在與天饋線斷開(kāi)的情況下，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保持很高的時(shí)間精度。使用本專(zhuān)利研制的手持式時(shí)間同步裝置，可在沒(méi)有天饋線架設(shè)和對(duì)時(shí)電纜鋪設(shè)的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器和二次設(shè)備授時(shí)，以實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀器和二次設(shè)備的時(shí)間同步。

1 現(xiàn)有技術(shù)方案

當(dāng)前變電站所使用的時(shí)間同步裝置全部都是組屏機(jī)箱設(shè)計(jì)，直接安裝于變電站二次設(shè)備屏柜上，并架設(shè)相應(yīng)的天饋線以接收衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的無(wú)線信號(hào)，同時(shí)鋪設(shè)對(duì)時(shí)電纜，將時(shí)間同步裝置與變電站其余二次設(shè)備連接，向二次設(shè)備發(fā)送時(shí)間同步信號(hào)[5]。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有同步裝置進(jìn)行分析，其存在以下兩點(diǎn)不足：變電站所使用的時(shí)間同步裝置安裝位置固定，無(wú)法隨意移動(dòng)；變電站所使用的時(shí)間同步裝置要實(shí)現(xiàn)對(duì)二次設(shè)備的授時(shí)，需要完成天饋線的架設(shè)與對(duì)時(shí)電纜的鋪設(shè)。但是對(duì)于部分新建變電站調(diào)試時(shí)，由于施工進(jìn)度限制，在進(jìn)行二次設(shè)備調(diào)試時(shí)，時(shí)間同步裝置可能還未安裝或天饋線及對(duì)時(shí)電纜為鋪設(shè)完成。

2 技術(shù)方案

時(shí)間同步裝置由多個(gè)模塊組成，分別是：外置天線模塊、內(nèi)置天線模塊、衛(wèi)星信號(hào)接收模塊、主控制模塊、調(diào)鐘模塊、銣原子鐘模塊、對(duì)時(shí)信號(hào)編碼模塊、對(duì)時(shí)信號(hào)輸出模塊、顯示模塊、電池模塊、電源管理模塊。

外置天線模塊通過(guò)與天饋線相連接，接收衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS系統(tǒng)或北斗系統(tǒng)）的無(wú)線時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)并饋送至衛(wèi)星信號(hào)接收模塊；內(nèi)置天線模塊通過(guò)可直接接收衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS系統(tǒng)或北斗系統(tǒng)）的無(wú)線時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)并饋送至衛(wèi)星信號(hào)接收模塊。其與外置天線接收模塊的區(qū)別在于不用架設(shè)天饋線，但接收衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)線時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)的能力較差，需要在空曠開(kāi)闊的場(chǎng)地才能接收到衛(wèi)星信號(hào)[6]。

衛(wèi)星信號(hào)接收模塊通過(guò)外置天線模塊或內(nèi)置天線模塊獲取的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的無(wú)線時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，并輸出參考時(shí)間秒脈沖信號(hào)和時(shí)間信息至主控制模塊。

主控制模塊接收衛(wèi)星信號(hào)接收模塊輸出的參考時(shí)間秒脈沖信號(hào)以及時(shí)間信息；主控制模塊接收銣原子鐘模塊輸出的本地時(shí)鐘秒脈沖信號(hào)[7]；主控制模塊通過(guò)比對(duì)衛(wèi)星信號(hào)接收模塊輸出的參考時(shí)間秒脈沖信號(hào)以及銣原子鐘模塊輸出的本地時(shí)鐘秒脈沖信號(hào)的頻率及相位差異向調(diào)鐘模塊下發(fā)調(diào)鐘指令；主控制模塊將接收衛(wèi)星信號(hào)接收模塊輸出的時(shí)間信息發(fā)送至對(duì)時(shí)信號(hào)編碼模塊和顯示模塊。

調(diào)鐘模塊接收主控制模塊下發(fā)的調(diào)鐘指令，并向銣原子鐘模塊下發(fā)相位和頻率調(diào)節(jié)信號(hào)，以修改銣原子鐘的振蕩頻率與相位。

銣原子鐘模塊在對(duì)時(shí)裝置上電工作后處于自由振蕩狀態(tài)，輸出基礎(chǔ)頻率信號(hào)至主控制模塊，主控制模塊在未接收到衛(wèi)星信號(hào)接收模塊發(fā)送的天線時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)的參考時(shí)間秒脈沖信號(hào)時(shí)，根據(jù)主控制的本地時(shí)間和銣原子鐘輸出的基礎(chǔ)頻率信號(hào)輸出時(shí)間信息發(fā)送至對(duì)時(shí)信號(hào)編碼模塊[8]。

對(duì)時(shí)信號(hào)編碼模塊根據(jù)主控制模塊發(fā)送的時(shí)間信息進(jìn)行信號(hào)編碼，信號(hào)編碼格式包括秒脈沖信號(hào)、IRIG-B碼信號(hào)、串口對(duì)時(shí)報(bào)文信號(hào)，將上述編碼信號(hào)發(fā)送至對(duì)時(shí)信號(hào)輸出模塊。

對(duì)時(shí)信號(hào)輸出模塊接收對(duì)時(shí)信號(hào)編碼模塊發(fā)送的編碼信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的電平信號(hào)或者光信號(hào)發(fā)送至待授時(shí)的二次設(shè)備及測(cè)試儀器。

顯示模塊與主控制模塊連接，用于顯示時(shí)間同步裝置當(dāng)前的時(shí)間以及與衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的衛(wèi)星連接數(shù)量。

電池模塊連接直流電源輸入端和電源管理模塊。電源管理模塊對(duì)電池模塊的充電、放電進(jìn)行管理，并切換輸出電壓的供電回路；電源管理模塊在有外部直流電源輸入的情況下，控制電池模塊充電并將輸出電壓的供電回路切換至直流電源輸入；而電源管理模塊在沒(méi)有外部直流電源輸入的情況下，將輸出電壓的供電回路切換至電池模塊[9]，此時(shí)電池模塊處于放電狀態(tài)；電源管理模塊為時(shí)間同步裝置內(nèi)各模塊供電。

3 授時(shí)方案

3.1 授時(shí)流程

將時(shí)間同步裝置與外部電源連接，使電池模塊進(jìn)行充電。在時(shí)間同步裝置開(kāi)機(jī)上電后，銣原子鐘模塊處于自由振蕩狀態(tài)，輸出基礎(chǔ)頻率信號(hào)至主控制模塊，此時(shí)時(shí)間同步裝置按照本地時(shí)鐘對(duì)外輸出對(duì)時(shí)信號(hào)。

若現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境方便架設(shè)天饋線，則可將天饋線與時(shí)間同步裝置的外置天線模塊連接；若現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不方便架設(shè)天饋線，則需在電池模塊充電至可維持時(shí)間同步裝置正常運(yùn)行電量時(shí)，將時(shí)間同步裝置置于室外空曠地區(qū)。

時(shí)間同步裝置通過(guò)外置天線模塊或內(nèi)置天線模塊接收衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的無(wú)線時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，并以此信號(hào)作為時(shí)間基準(zhǔn)對(duì)銣原子鐘模塊輸出的秒脈沖信號(hào)進(jìn)行頻率和相位調(diào)節(jié)，等待銣原子鐘模塊輸出的秒脈沖信號(hào)的頻率及相位調(diào)節(jié)至與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的無(wú)線時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)的頻率及相位的誤差穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)[10]。

將時(shí)間同步裝置的外置天線模塊的天饋線拔除或?qū)⑼窖b置從室外帶回變電站內(nèi)，此時(shí)時(shí)間同步裝置雖然與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的連接斷開(kāi)，但在銣原子鐘模塊的穩(wěn)定振蕩頻率保障下，時(shí)間同步裝置對(duì)外輸出的對(duì)時(shí)信號(hào)仍然按照衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行輸出，能夠長(zhǎng)期保持極高的準(zhǔn)確度。

在電池供電的支持下，時(shí)間同步裝置可搬運(yùn)至任意二次設(shè)備及測(cè)試儀器附近向其輸出對(duì)時(shí)信號(hào)。

3.2 優(yōu)越性

本文所研制的手持式時(shí)間同步裝置可同時(shí)使用外置天線和內(nèi)置天線兩種方式接受衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的無(wú)線時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)；由于采用電池供電和手持方式，可將裝置進(jìn)行隨意搬運(yùn)。

設(shè)計(jì)的手持式時(shí)間同步裝置向二次設(shè)備進(jìn)行對(duì)時(shí)的方案通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步裝置的銣原子鐘進(jìn)行頻率及相位調(diào)節(jié)，使其穩(wěn)定按照衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)進(jìn)行輸出；此外，脫離衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)連接后，仍然可以按照穩(wěn)定的實(shí)際基準(zhǔn)向其他二次設(shè)備進(jìn)行授時(shí)，保證設(shè)備的兼容性。

4 結(jié)論

綜上所述，本文在對(duì)現(xiàn)有技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，提煉得出現(xiàn)有技術(shù)存在缺點(diǎn)，有針對(duì)性的解決實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題。本文對(duì)裝置的技術(shù)方案和授時(shí)方案分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)和說(shuō)明，通過(guò)采用本文的授時(shí)裝置，將有效提升時(shí)間同步裝置的便利性。此外，由于基準(zhǔn)信號(hào)穩(wěn)定性較強(qiáng)和采用外置天線與內(nèi)置天線接收衛(wèi)星信號(hào)的方式，克服了現(xiàn)場(chǎng)電纜敷設(shè)進(jìn)行的影響。