GPS对时系统在变电站综合自动化系统中的应用

邹建华

（国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京211106）

0 引言

当今，我国电网进入了大机组、超高压输电、高度自动控制的新时代。电网的运行情况瞬息万变，其中超高压变电站是我国目前主干电网的重要组成部分，发生事故后必须掌握实时信息，以便能及时对事故原因、不同专业设备的责任进行分析和判断，从而及时地进行决策处理。为此，对变电站各种自动化设备的时钟同步要求极为严格。全球卫星定位系统简称GPS系统，利用GPS系统，电力自动化设备可以精确地控制广域测量系统，分析故障录波的信息。采用GPS技术，可以实现站内甚至站间的准确对时，对时的精度达到了微秒级要求，目前已经成为最佳的对时方案。变电站内需要对时的设备有计算机监控系统、电能计费系统、故障录波器、微机继电保护装置等。

1 对时方式

利用GPS系统提供的世界协调时（UTC）对基准时钟源站内二次设备进行对时的方式主要有3种。

1．1 硬对时

硬对时又分为利用秒脉冲信号和分脉冲信号2种对时方式。

（1）秒脉冲对时。它利用GPS输出的1pps秒脉冲信号进行时间同步校准。1pps秒脉冲信号是指每秒钟内GPS输出的脉冲校准信号。利用GPS提供的1pps秒脉冲时间协调时，其时间准确度较高，精度可达到微秒级。同时，该脉冲的上升沿时间准确度小于1μs。

（2）分脉冲对时。它是利用GPS输出的1ppm分脉冲信号进行时间同步对时的。1ppm分脉冲信号是指每分钟内GPS输出的脉冲校准信号。利用GPS提供的1ppm分脉冲时间协调时，其时间准确度也较高，该脉冲的上升沿时间准确度不大于3μs。

秒脉冲对时是在脉冲的上升沿到来时将被对时装置的秒以下的毫秒数清零；分脉冲对时是在脉冲的上升沿到来时将被对时装置的分以下计数器清零。

1．2 软对时

软对时也称为串口校时。属于串行同步输出方式，是将时钟信息以串行数据流的方式输出。串口校时的时间报文包括年、月、日、时、分、秒信息，也可包含一些特定的内容，例如GPS运行状态、报警信号、接收GPS卫星数等。软对时报文的信息格式有十六进制码、ASKⅡ码或者BCD码等。当选择传输速率合适的校准信号时，其对时准确度可达到毫秒级。

串口校时的缺点是受串口通道传输距离限制，距离短。如RS－232接口方式的传输最大距离约为30m，RS－422／485接口方式的传输最大距离约为150m，如果对时距离过长，会造成时延，串口对时精度无法得到保证。在变电站现场利用GPS的软对时一般采用网络对时，即采用通讯接口机串口接收GPS串口对时报文，然后由通讯接口机向连接在网络上的所有具有通讯功能的装置广播对时命令。网络对时报文一般包括年、月、日、时、分、秒、毫秒。

1．3 编码对时

编码对时是通过将同步信号和标准时间信息编成时间序列码，然后输出到对时总线上，接收装置解析出时间信息进行时间同步。编码时间信号有多种格式，目前我国变电站常采用的是IRIG－B码，常采用的信号介质是RS－422／485电平的双绞线。

IRIG－B为美国IRIG委员会的B标准，是专为时钟传输制定的时钟码，每秒输出一帧按年、月、日、时、分、秒等顺序排列的时间信息。IRIG－B码有调制IRIG－B（AC）和非调制IRIG－B（DC）两种（即正弦调制输出和直流偏置输出）。IRIG－B（AC）码的对时同步精度一般为10～20μs，而IRIG－B（DC）码的对时同步精度可达亚微秒数量级。我国变电站自动化系统的智能设备原则上要求采用IRIG－B（DC）码方式进行对时。

IRIG－B时间码每秒输出一次信息，每帧有100个代码，包含了日期段、小时段、分段和秒段等信号。信息格式如表1所示。

表1 B码对时格式

IRIG－B码对时具有以下主要特点：它兼顾了硬对时和软对时两者的优点，精度高，时间信息标准，接口标准化、易接入，对时环节简化，传输距离远等。基于以上诸多优点，IRIG－B码在当今变电站的各种测控、保护等智能设备上应用越来越广泛。

2 SZ系列GPS双机冗余系统

我国电力事业的迅猛发展对系统内的时间统一提出了更高的要求。以往，单台GPS同步时钟一旦出现故障则整个站内的对时系统就无法运行，这已经无法满足目前电力系统对时间统一的高标准要求。为了保证对时系统的可靠性和稳定性，SZ系列GPS双机冗余系统能够时刻保持时间的同步输出，大大保障增加了GPS系统无故障运行时间，使整个电力系统运行更加安全可靠。

2．1 系统结构

SZ系列GPS系统结构如图1所示。

图1 SZ系列GPS系统结构图

2．2 工作原理

SZ－SW双机切换器A、B双机同时接收两台GPS同步时钟送来的信号，机内所带单片机对其串行数据进行接收检查，通过对比选择一台较好的GPS时钟信号经数据选择电路输出。上电复位时，切换器A为主机，切换器B为备机：

（1）当SZ－DUA GPS1、SZ－DUA GPS2及SZ－SW 双机切换器A、SZ－SW双机切换器B均正常工作时，则系统选择SZDUA GPS1通过SZ－SW A机输出。

（2）当SZ－DUA GPS1或SZ－DUA GPS2其中一台异常，SZ－SW双机切换器A、SZ－SW双机切换器B正常工作时，系统自动选择正常工作的那台GPS同步时钟通过当前的主切换器输出。

（3）当 SZ－DUA GPS1、SZ－DUA GPS2正常工作，SZ－SW双机切换器A或SZ－SW双机切换器B其中一台异常时，系统自动选择SZ－DUA GPS1通过正常工作的那台切换器输出。

（4）当 SZ－DUA GPS1或 SZ－DUA GPS2其中一台异常，SZ－SW双机切换器A或SZ－SW双机切换器B其中一台也异常时，系统自动选择正常工作的GPS通过正常工作的切换器输出。

（5）当SZ－SW双机切换器A和SZ－SW双机切换器B均异常工作时，则无输出。

（6）当SZ－DUA GPS1和SZ－DUA GPS2均异常但有时钟信号输出，SZ－SW双机切换器A和SZ－SW双机切换器B有一个正常工作时，系统仍有时钟信号输出。

（7）每隔24h（中午12：00）系统自动检测，切换器 A、B轮流工作。

从上述GPS双机冗余系统的工作原理不难看出，它的双机双切换工作原理可以很好地保证对时系统的正常稳定工作。

3 变电站对时方式的选择

为提高对时精度，变电站一般采用硬对时和软对时相结合的方式。该对时方式一方面利用软对时获取年、月、日、时、分、秒等相关信息，另一方面利用硬对时获取GPS提供的国际协调时（UTC）的对时脉冲信号，使对时信号的精度提高到毫秒和微秒数量级。

大多数变电站监控系统有一台接口管理机，同GPS系统进行串口通讯来实现软对时，然后该管理机通过网络报文对时的方式对全站局域网内的智能设备广播对时命令；部分没有上网的间隔层IED设备（包括保护装置、智能电能表等）如果只能提供串口通讯，则由保护管理机来完成对时，保护管理机接收网络软对时命令后再同保护装置等IED设备进行通讯，根据通讯规约的要求定时向该保护装置等IED设备发送对时报文。由于智能设备的服务器或CPU等存在接收响应处理的延时问题，如果智能设备只接收软对时的话，其时钟同GPS系统的时钟一般会存在一定的误差，所以现场一般智能设备都有硬对时的输入接口，设备在实现软对时的同时再接入硬对时，这种软硬结合的接入方式大大提高了时间的精确度。

当各种智能设备配有IRIG－B对时码接口时，应优先采用编码对时。这种IRIG－B码对时方式在当前变电站综合自动化系统中也是大力推广的。如果智能设备采用B码对时，按道理就不需要现场总线的通信报文对时，也不用GPS输出大量脉冲信号对时。但目前变电站监控系统更趋向于采用监控系统的网络通讯对时和GPS的IRIG－B码对时的复合对时方式，这种复合对时方式现场应用取得了更好的效果，保证了系统内所有设备对时的稳定性和可靠性。

4 结语

GPS具有十分广泛的用途，人们正在探索利用它卓越的时间同步性能来开发电力系统监测、保护和控制的各种方法。GPS双机冗余系统在电力系统中应用广泛，在变电站监控系统、故障测距录波系统、系统运行功角实时监测系统、电网调度自动化系统等各方面实现GPS时间同步，可以很好地保证SOE事件的一致性和可靠性，为当今越来越复杂的电网系统在运行中出现的故障原因分析提供了强有力的保障。相信在电力行业推广应用此项技术来发展我们的自动化系统，前景必定十分广阔。

［1］朱大新，刘觉．变电站综合自动化系统的内容及功能要求和配置［J］．电力系统自动化，1995（10）

［2］邹红艳，郑建勇．基于GPS同步时钟的统一校时方案［J］．电力自动化设备，2003（12）

［3］周斌，黄国方，王耀鑫，等．在变电站智能设备中实现B码对时［J］．电力自动化设备，2005（9）

［4］熊志昂，李红瑞，赖顺香．GPS技术与工程应用［M］．国防工业出版社，2005