GPS时钟同步系统在变电站自动化系统中的应用

摘 要：近年来，科技与信息产业的迅速发展有效促进了变电站综合自动化水平的显著提高。计算监控系统、测控装置、微机保护装置、故障录波器以及变电站内其他相关设备的应用与配合均需要变电站为其提供精确统一的时间。因此，变电站电力系统的运行与控制需要有一套精确的时间同步系统。该文引入GPS时钟同步系统，通过对时钟同步系统的概念及其在变电站自动化系统中的常用结构模式进行了分析，在结合其相关对时方式的基础上，对GPS时钟同步系统在变电站自动化系统中的实现与应用展开了深入研究。

关键词：GPS时钟同步系统 变电站自动化系统 IRIG-B对时码

中图分类号：TM63 文献标识码：A` 文章编号：1672-3791（2014）12（b）-0098-02

电力系统是一个实时系统，当变电站中的电力系统发生故障时，需要对站内的各个系统在统一的时间基准下进行全面的运行监控和故障分析，从而提高电力系统事故分析和稳定控制的水平，并进一步确保电网运行的稳定性与高效性。因此，该文以GPS时钟同步系统在变电站自动化系统中的应用作为研究对象，通过对时钟同步系统的概念和常用结构模式进行阐述，并结合其在变电站自动化系统中的三种对时方式，进而为GPS时钟同步系统在变电站自动化系统中的实现与应用提出了合理的意见和建议。

1 时钟同步系统简述

1.1 时钟同步系统概念

所谓电力时钟同步系统即变电站时钟同步系统，其通过使用两路外部的B码基准，为变电站提供安全、可靠且具有高冗余度的时间基准信号，并采用先进的时间频率测控技术驯服晶振，使守时电路所输出的时间同步信号精密同步在变电站GPS或外部B码的时间基准上，从而为变电站自动化系统输出高稳定度与高精度的同步信号。

1.2 时钟同步系统的常用结构模式

常用的时钟同步系统主要包括了基本式时钟同步系统、主从式时钟同步系统以及主备式时钟同步系统。基本式时钟同步系统主要由一台主时钟及其相应的信号传输介质共同组成，根据变电站自动化系统对时钟同步系统的需要和技术要求，主时钟可以留有接口，用来接收上一级时钟同步系统下发的有线时间基准信号。主从式时钟同步系统除了具备主时钟和信号传输介质外，还包括了多台从时钟，进而对被授时设备或相关的自动化系统对时[1]。同样地，根据系统的需要和相关技术要求，主时钟仍可接收上一级时钟同步系统下发的有线时间基准信号。主备式时钟同步系统与主从式和基本式时钟同步系统均具有较大区别，其是由两台主时钟以及多台从时钟和信号传输介质共同组成。由于此系统采用双主钟构成冗余模式，具有较高的运行可靠性，一般应用于500kV及以上变电站监控系统。

2 变电站GPS时钟同步系统的对时方式及工作原理

GPS时钟同步系统主要利用RS232接口对GPS卫星所传来的信号予以接收，系统接收到GPS卫星传输的信号后，其CPU中央处理单元便开始对信号进行规约转换和当地时间转换，从而使信号满足RS232、RS422和RS485等接口标准的相关要求[2]。GPS时钟同步系统主要由GPS卫星信号接收部分、输出/扩展部分、CPU部分以及电源部分和人机交互模块共同构成。就现阶段而言，GPS时钟同步系统的常用对时方式主要有三种，分别为脉冲对时、串口对时和编码对时。

2.1 脉冲对时

脉冲对时的过程为：GPS同步时钟每隔一定的时间间隔便会向系统输出一个精确的同步脉冲，系统被授时装置在接收到同步时钟所发出的同步脉冲后便进行对时，从而消除当前装置内部时钟走时的误差。脉冲对时的优点是通过使各类被授时装置进行同步对时，进而使得系统装置具有很高的对时精度[3]；其缺点为：只提供秒同步的信息，而具体的日期时间值无法传递，一般需要和其他对时方式配合使用。

2.2 串口对时

串口对时就是将时刻信息以串行数据流的形式进行输出。串口对时的具体过程为：被授时装置接收每秒一次的串行时间信息来获取时间同步[4]。在装置未接收到广播对时令的该段时间内，装置时钟通常存在着自身误差问题。同脉冲对时相比，基于串行数据流的串口对时要较为复杂。此外，在此接收过程中，对相关信息处理所消耗的时间也会对时间同步的对时精度产生较大影响。因此，串口对时主要用于对事件添加相应的时间标记。而要想使串口对时的对时精度得以提升，还需为系统提供秒对时脉冲信号。串口对时的优点为：具有接口适应性强的特点；缺点为：对时距离较短。

2.3 编码对时

编码对时采用的对时码有多种格式，目前国内常用的是IRIG-B对时码。IRIG-B对时码的输出信息每秒一帧，每帧有100个码元，包含了秒段、分段、小时段和日期段等信号。上面介绍的脉冲对时与串口对时均存在着自身的优缺点，前者对时精度高但却无法直接传递时间信息；后者的对时精度较低，对时距离较短，而IRIG-B码对时则兼顾了这两种对时方式的优点。作为现今广泛应用的时间码，IRIG-B对时码具有如下主要特点：对时精度高，携带信息量大；调制后的B码适用于远距离传输；接口标准化，国际通用。当变电站的智能设备采用IRIG-B码进行对时时，就不再需要现场总线的通信报文对时，同时也不再需要GPS输出大量脉冲接点信号。

3 GPS时钟同步系统在变电站自动化系统中的实现与应用

3.1 通讯报文与脉冲对时

通讯报文与脉冲对时是GPS时钟同步系统在变电站自动化系统中得以应用的主要方式。首先，在变电站配置GPS时钟同步装置，通过串行接口对处理单元和站内数据进行时钟同步。其次，将经同步后的处理单元作为变电站自动化系统的时间源，通过将间隔层测控和其他智能设备数据相结合的方式来对基于现场总线的通信报文进行对时。值得注意的是，由于存在通信传输延迟，系统间隔层时钟对时的精准度最高只能达到毫秒级[5]。此外，再利用GPS时钟同步系统装置中的1pps（或者1ppm、1pph）脉冲上升沿对时钟的秒位进行清零，从而实现系统中各设备时钟的精确对时。该种应用对时方式对于变电站自动化系统中的各间隔设备来说，其时钟同步主要是依靠通讯报文与脉冲对时相结合的方式来共同完成的。由于不同设备的对时接点方式存在着较大差异（数量多，不够统一），因此该种实现方式的结构不够简洁。

3.2 全系统NTP协议时钟源对时

对基于全系统NTP协议时钟源对时的GPS时钟同步系统来说，首先，需要在自动化系统中架设具备NTP协议的GPS同步时钟装置。其次，通过电力调度四、五级数据网网络，对网络中具备接受NTP协议的各个变电站数据通信以及系统处理单元进行时钟同步，并再以经时钟同步后的处理单元作为时间源，通过与间隔层测控及变电站自动化系统中的其他智能设备数据通信，进而下发基于现场总线的通信对时报文，以此来实现站内各项设备的时钟同步。NTP协议接口成熟规范，对时精度较高，传输基于数据网网路。在整个自动化系统中只需要配置一套具备NTP协议的GPS时钟同步装置就能实现其功能。因此，全系统NTP协议时钟源对时的实现方式相对简单，投资成本较低，但需要站内数据通信与处理单元支持NTP协议对时。

3.3 主站规约时钟报文对时

主站规约时钟报文对时的方法比较特殊，该种方式主要用于变电站内无GPS时钟同步装置或者GPS时钟同步装置的后备方式。该对时方式通过主站对时方式实现其对时功能。主站规约时钟报文对时以主站SCADA系统中已由GPS时钟同步装置同步的前置机作为其时间源，通过通信通道下发对时指令，进而对系统内各变电站的处理单元及数据通信进行时钟同步。再以上述经时钟同步后的处理单元作为时间源，通过与间隔层测控及变电站自动化系统中的其他智能设备数据通信，进而下发基于现场总线的通信对时报文，以此来实现站内各项设备的时钟同步。主站规约时钟报文对时需要专用统一的通信通道才能达到比较理想的对时效果。而在实际应用中，各种不同的传输通道的通信方式与通信延迟均存在较大差异，从而最终影响了系统的对时精度。

3.4 GPS系统应用的注意事项

GPS系统应用中的使用环境与使用方式对其最终的对时精度有着很大的影响。为了确保GPS的对时精度达到设计中的要求，在实际应用中需要注意以下几点要求。

（1）在正常情况下，GPS定位至少需要接收到4颗卫星信号，故而GPS天线最好应该安装在开阔的房顶位置，且四周没有很高的建筑物遮挡并影响其信号的正常接收。

（2）由于GPS天线安装在比较高的房顶位置，容易受到雷击的影响，因此天线馈线外壳应可靠接地。此外，GPS装置天线输入处最好安装信号防雷模块。

（3）GPS系统输出信号的对时精度与相关传输介质的长度有关，随着介质长度的增加，其对时精度也会相应的下降。在实际安装中，应尽量控制传输介质的长度并注意最大允许传输距离。

（4）为了进一步加强电网运行中的监控巡视质量，需要将GPS装置故障、GPS失步告警等GPS异常信号接入计算机监控系统。

4 结语

该文通过对时钟同步系统的概念及其在变电站自动化系统应用中的常用结构模式进行分析，在结合其三种常用对时方式的基础上，又从四个方面对GPS时钟同步系统在变电站自动化系统中的应用与实现方式展开了深入研究。通过分析研究，我们不难发现GPS时钟同步系统在变电站中的大量部署使得站内的相关设备有了统一、标准的时间基准。以此为基础，对于运行中出现的各类事件可以更为方便的进行追溯、比较和分析，并最终显著提高了电力系统的自动化水平，为国家电网监管水平的迈进提供了强有力的技术保障。

参考文献

[1]吴培涛.基于GPS卫星时钟同步系统在变电站中的应用[J].科技创新与应用，2012（11Z）：56.

[2]陈丕龙.分布式测试系统中的GPS时钟同步系统设计[D].太原：中北大学，2011.

[3]兰惠.时钟同步系统在宁夏电力的推广应用[J].电力系统通信，2011，32（1）：62-65.

[4]郭威.GPS时钟同步技术在变电站电力自动化中的应用[J].黑龙江科技信息，2014（8）：89.

[5]吴琼.大集控模式下中心站自动化系统的技术研究与应用[D].上海：上海交通大学，2012.