变电站自动化系统GPS对时技术分析

李小叶　史恒超

摘 要：随着用电量不断增加，变电站承担的供电任务越来越重，传统的控制与管理系统已无法满足变电站的工作要求，因此，变电站也要向自动化方向转变。而在自动化系统中，GPS对时技术是确保整个系统同时动作的必要措施，其对变电站升级改造的重要性不言而喻。文章阐述了变电站自动化系统中时间同步的重要意义，分析了自动化系统中GPS对时技术及应用。

关键词：变电站；自动化系统；GPS对时技术

中图分类号：TM761 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）09-0065-01

如今大部分电网均以超高压输电、自动化以及大机组成为主要特征的大电网，这种电网无论是规划还是运行方式都日益复杂，因此提供标准时间的时钟基准成为变电站甚至整个电力网络中迫切所需。所以，怎样实现时间同步，实现电网时间统一，是变电站追求的目标。

而GPS对时技术是一种精确时钟源，引入该时钟就是给各个自动化设备设置相同时钟，从而实现各个变电站自动化的时钟统一。

1 变电站自动化系统应用GPS对时技术的必要性

要分析GPS对时技术，就必须要掌握应用该技术的必要性，只有在分析必要性基础上分析应用才具有现实价值。

1.1 统计时间基准分析数据

统一时间基准，就能够监控与分析变电站中的运行故障情况。相对故障录波来说，只要统一了两端录波数据时间基准，就能够运用这个数据获取故障测距，同时精确统一时间基准还能够帮助控制电网管理负荷以及稳定区域。

1.2 校正装置守时能力存在的差异

各种测控单元、保护装置以及录波装置等各种设备上均安装了内部时钟，但是因为设备存在质量差异，对时的精度上具有一定偏差，时间一长这些小偏差必然就逐渐形成了误时间。所以，如果只是依靠设备内部装置的时间，极难确保站内系统对时的精度与准确性。

2 变电站自动化系统GPS对时技术

2.1 GPS对时技术

全球定位系统（GPS）是由美国军方构建的全球卫星定位系统，系统中安装了专门的接收器，用来接收卫星发射出来的信号，从而获取时间、位置以及相关信息。而GPS系统每一秒均要发送一次信号，时间精度达到了1us，全球范围中任何时刻、任何位置均能够接收到可靠的卫星信号，不间断发送卫星自身的时间信息及星历参数。GPS对时系统所发送时间信息精确到了秒及标准秒（IPPS）信号，因此频率及时间精度较高，精度最好可达到10～12量级。在变电站自动化系统中运用GPS对时技术具备明显优势，能够确保全站各个系统具有统一的GPS时间基准，在该基准下有效監控运行及事故后分析故障，其GPS对时技术如图1所示。

在变电站中各种自动化设备，比如微机保护装置、故障录波器以及监控系统等等，依据GPS所提供精确时钟的同步信号，从而对变电站及调度中心时间基准进行统一，一旦电力系统出现故障就能够提升时间的准确性，确保电力系统安全稳定，给分析断路器动作先后顺序以及电力故障情况提供证据。

2.2 GPS对时方式

对于基准时钟源而言，GPS对时方法主要有三种方式对设备进行对时。

2.2.1 硬对时

①秒脉冲对时：这种方式就是运用GPS所输出IPPS秒脉冲信号对时间进行同步校准，而IPPS秒脉冲新信号即把每一秒钟内GPS所输出脉冲校准信号，同时对IPPS秒脉冲时间进行协调时，时间具有较高准确性，其精度能够达到了秒级。

②分脉冲对时：当运用GPS所输出IPPS分脉冲信号同步对时之时，而IPPS秒脉冲新信号即把每一分钟内GPS所输出脉冲校准信号，当进行时间协调时具有较高的时间准确度，从实况来看脉冲上升时间的准确度低于3 us。

秒脉冲对时就是当脉冲上升沿到来之时对对时装置设置秒一下的数进行清零；分脉冲对时就是当脉冲上升沿到来之时对对时装置设置分以下的数进行清零。

2.2.2 软对时

软对时即称之为串口校时；也是串行同步输出方式，就是把时钟信息按照串行数据流方式输送出去，串口校时时间包含了年，月，日以及秒；当然还能够容纳一些特定内容。比如GPS的运行状态以及接受GPS卫星数等等；软对时报文主要格式采用了十六进制码以及BCD码等，如果传输速率选择了合适校准信号，就能够让对时准确度实现毫秒级。而串口校时缺点在于要受到传输距离的限制，比如RS-232接口方式最大传输距离大约是30 m，一旦对时距离太长，就会造成时延，自然也就无法保证串口对时精度。当变电站自动化系统中利用GPS中软对时大多选用网络对时，也就是将通讯接口机串口连接到GPS串口上，通讯接口机串口连接到网络上，就能够执行具有通讯功能的广播对时命令。

2.2.3 编码对时

编码对时就是将标准时间信息与同步信号编成需要的时间序列码，之后从对时总线上输出，和接收装置所解析时间信息实现同步。编码的时间信息具有多种格式，如今变电站中应用最多的是IRIG-B码。IRIG-B码是美国的IRIG委员会制定B标准，属于一种针对时传输所用的时钟码。

IRIG-B码对时主要特征为，这种码制兼顾了软对时与硬对时两者优点，时间信息标准、精度高；接口具有标准化及易接入；对时环节比较简化，传输的距离比较远等。

2.3 变电站自动化系统对GPS对时技术的应用

如今的GPS对时系统支持硬对时、软对时以及编码对时，能够满足国内外各种设备对时接口所需，同时也能够满足变电站中测控装置、微机保护装置、自动化系统等各种设备所需，这些设备均能接入GPS时钟同步系统。在应用中比较常用的GPS对时接口主要有：RS-485串口输出、RS-232串口输出以及非调制IRIG-B输出信号，还有秒脉冲IPPS输出信号、分脉冲IPPS输出信号等等；在变电站中使用了各种新老装置设备，就要接收到同步的时钟信号，并且设备存在各种差异，接口的类型繁多，因此在实际应用中几乎都是将几种对时方法有机结合起来共同使用，但是采用这种方法就要增加硬接点或者网络对时统一时间。如果系统中所用智能装置具备B码对时功能，一般情况下是无法再连接串行通信报文对时，如果连接就可能发生时间跳变，如果智能装置比较先进就是在通信程序中增加一个判断，只要对时功能出现故障，就能够接收串行口输送进来的对时信号。

变电站中的GPS对时系统主要是由时间信号传输通道、主时钟以及时间信号用户接口共同组成。在这些组成部分中主时钟大都设置在变电站控制中心上，包含了标准机箱、接收天线、接收模块、时间信号输出模块以及电源模块等等，而变电站中各种设备及间隔层的IED设备均依照要求进行GPS对时，同时具备校正时钟同步网络传输的功能。

3 结 语

提高变电站自动化应用水平，通过GPS对时技术的引入，必然优化了变电站电网接口，提高了供电的可靠性。引入GPS对时系统，能够快速查找及排除电力故障，短时间内恢复供电，实现优质服务。因此就需要掌握GPS对时技术的定义，了解其工作原理，以及在电力系统中的应用，确保变电站可靠的、稳定的供电。

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