变电站GPS在线监测系统及其在电力系统中的应用

何泽家，朱足君，陈志兵，朱浩，徐敏锐

（1.江苏省电力试验研究院有限公司，江苏南京210036；2.江苏方天电力技术有限公司，江苏南京211102）

目前，变电站GPS卫星时间同步时钟在电力系统正得到广泛的应用[1]，但国内对站端GPS卫星时钟设备的运行情况缺乏有效监视，有人监控变电站主要依靠人工巡视，而无人监控变电站时钟设备监测手段更是空白。运行人员无法及时发现厂站内时钟设备发生了失步或故障，仅能观察判断装置是否锁星，全网时间同步精度与准确性更无从准确知晓。因此，需要建立一套GPS在线监测系统，实现对全网GPS运行情况的实时监测。

1 系统结构及原理

时间同步监测装置通过串口规约加脉冲方式或IRIG-B（DC）码通信接口获得GPS的时间与运行状态信息，各地区当地调度中心后台系统作为NTP协议的客户端，周期性询问现场监测装置所监测当前GPS的时间，监测装置作为一个NTP服务器，通过NTP协议将现场GPS时间发给客户端。后台获得被监视GPS的当前时间后与中心站GPS基准时间源进行比较得出各个GPS的相对时间偏差，并从监测装置获得GPS运行信息。后台可以标准规约或文本方式输出GPS的相关运行信息，主站监测系统可提供WEB方式查询。监测实施后，便于对GPS信息进行分层管理，在各个地区调度中心监控本地区GPS运行信息，省调度中心对全省各个地区GPS信息进行统一管理，如图1所示。

2 系统组成

2.1 GPS卫星同步时钟

GPS卫星同步时钟系统由主时钟、时间信号传输通道、时间信号用户设备接口组成[2]，安装在调度中心和厂站的二次设备室内。GPS卫星同步时钟利用RS232接口接收GPS卫星传来的信号，然后经主CPU中央处理单元的规约转换、当地时间转换成满足各种要求的接口标（RS232/RS422/RS485等）和时间编码输出（IRIG-B码、ASCII码等）[3]，实现对站内各种保护、测控以及其他智能单元的对时。同时，中心站高精度的GPS卫星时钟可作为NTP标准源，用于比较被监视GPS与GPS标准源间的相对时间偏差。

2.2 GPS监测装置

时间同步监测装置通过串口规约加脉冲方式或IRIG-B（DC）码通信接口获得GPS的时间与运行状态信息，并将GPS的运行状态信息即时反映给调度。

2.2.1 GPS监测装置结构

GPS监测装置主要由电源输入口、信号输入口、网络口、调试串口以及信号指示灯等五部分组成。由于目前全网GPS厂家众多、型号各异，监测系统应同时具备串口、分/秒脉冲、IRIG-B码输入接口。同时由于涉及到的串口通信规约可能各不相同，脉冲信号电压存在5V、24V、110V或空接点等情况,监测装置应具有一定的灵活性，以满足现场的实际需要。

2.2.2 配置工具软件

为便于工程调试及远程更新升级，开发了远程监视管理软件工具。装置通过10/100M以太网接口与外界进行信息交流。固件升级通过以太网口进行程序更新、装置IP修改及GPS通信参数接口配置。

2.2.3 GPS监测方式

经过对现场GPS运行情况的充分调研，GPS监测系统对GPS的监测需要考虑有3种接入系统方式：（1）串口加脉冲方式（分、秒脉冲），即GPS将串口+分/秒脉冲信号送至监测装置，然后通过监测装置NTP口接入GPS监测系统，如图2所示；（2）IRIG-B(DC)接口方式，即GPS将IRIG-B信号送至监测装置，然后通过监测装置NTP口接入GPS监测系统，如图3所示；（3）NTP直接上传方式（不经过监测装置），即GPS通过NTP口直接接入GPS监测系统，此方式要求GPS自带NTP接口，见图4。

2.3 GPS监测系统后台

时钟设备监测后台软件作为一个独立运行的用户软件，运行于各个地区供电局调度中心与省调中心。通过监测后台，可实时查看所有GPS的运行情况，包括电压等级、厂站名称、装置信号、装置状态、GPS锁星状态、时差状态、与基准源时差、采集间隔、与GPS通信时间、脉冲/IRIG-B方式、IP地址、补偿与否等。

3 运行效果

变电站GPS在线监测系统自2007年8月在江苏省电力公司调度通信中心上线运行至今已有2年多的时间，目前系统运行情况良好，成效显著。

3.1 监测站点不断增加

目前，各供电公司新上或改造GPS站点在不断接入省调GPS监测系统。除此之外，各发电厂GPS系统也已开始逐步接入省调GPS监测系统。截至2009年12月8日，已接入监测系统内的站点总数达334个（包括3个电厂侧监测点）。监测装置分布于全省13个地级市、县公司的220kV、500kV变电站、省调度中心与各地区调度中心，安装了后台监测软件14套，建立了江苏省电网时钟设备时间同步监测网络。

3.2 运行维护方面快捷

现在，通过GPS在线监测系统和监测装置配置工具软件，可便捷地对异常站点故障原因进行远程分析诊断，大大缩短了工作周期，提高了工作效率。监测系统监测到昆山变出现较大偏差。通过GPS监测装置配置工具软件查看，时/分脉冲状态显示为丢失。经现场查看，发现GPS监测装置分/秒脉信号灯停止闪烁。通过处理，监测站点恢复正常。

4 监测站点异常原因分析

4.1 异常原因统计

由2.2.3 GPS监测方式可知，导致监测站点出现异常的原因主要集中在GPS装置本身和网络通信两方面，主要有：装置失星、分/秒脉冲丢失、串口通信中断、GPS自身偏差大、网络中断、IRIG-B码异常等。图5为GPS监测异常原因统计情况。

4.2 异常原因分析及处理

4.2.1 GPS装置失星

GPS装置失星在监测异常中比较常见，主要原因是由于原有GPS天线损坏，使得GPS失去同步而只能以守时状态运行，导致GPS输出时间信号有偏差。GPS监测系统显示该站点时间偏差较大，通过监测装置软件远程监测，显示串口通信、时分脉冲、通信状态均为正常；经现场查看，GPS装置失星。通过更换GPS天线，站点恢复正常。

4.2.2 串口/脉冲信号丢失

导致监测装置串口/脉冲信号丢失的主要原因是部分变电站GPS由于运行年限较长，其串口/脉冲信号输出端口损坏，从而导致GPS输出时间信号有偏差。GPS监测系统显示该站点时间偏差较大，通过监测装置软件远程监测，显示串口通信中断或时分脉冲丢失。现场查看，发现GPS监测装置串口信号灯或脉冲信号灯停止闪烁。通过更换串口或脉冲输出端口（模块），站点恢复正常。

4.2.3 GPS自身偏差大

在异常站点中，有一部分站点是由于GPS自身的输出精度不够，GPS监测系统显示该站点时间偏差较大，通过更换GPS插件，站点恢复正常。

4.2.4 网络中断

出现网络中断的主要原因是部分站点网络防火墙或路由器的设置存在问题，如端口未开放，导致监测站点退出。GPS监测系统显示该站点通信状态退出，通过监测装置软件远程连接，显示连接不成功。

通过对网络设置的检查，站点恢复正常。

4.2.5 IRIG-B码异常（旧IRIG-B规约）

虽然IRIG-B是国际通用标准[4]，但是时钟设备制造厂商理解并不一致，部分站点GPS输出B码与监测装置B码规约不一致，导致部分站点监测结果出现超前或滞后1s、1天、时序不正确的情况。通过将原来的IRIG-B码监测方式改为串口+脉冲监测方式，站点恢复正常。

4.2.6 GPS运行不稳定

还有极少数站点GPS由于运行年限较久，出现运行年限较久，出现运行不稳定情况，GPS监测系统显示该站点一段时间偏差正常，一段时间偏差异常。通过GPS厂家处理或重新更换GPS，站点恢复正常。

5 结束语

变电站GPS在线监测系统在不改变当前GPS运行的情况下，充分有效利用现有设备，实现了全网GPS的在线监测。该项研究填补了传统对变电站内GPS监测的技术空白，大大提高了生产管理水平，对电力系统经济与稳定运行具有重要的意义。

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