浅谈GPS时钟系统在电力系统中的应用

　　[前言]

　　目前，为满足远距离输电的需要，我国电网是以大机组、高压和超高压输电，以高度自动化为主要特征。电网的运行情况瞬息万变，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，从而可以及时地进行决策处理。

　　作为变电站的标准时钟，我们的基本要求是：有尽可能短的冷、热启动时间，配有后备电池，有高精度、可灵活配置的时钟输出信号。以保证自动化信息传输、继电保护及自动装置的精确对时。

　　为了实现各个变电站间设备的时间统一，我们引进了GPS时钟系统针对各站自动化系统中的计算机、控制装置等进行校时。

　　一、GPS装置各主要作用及组成

　　1. GPS时钟系统是针对自动化系统中的计算机、控制装置等进行校时的高科技产品。通过接受GPS卫星发射的低功率无线电信号，将这些信息通过各种接口类型来传输给自动化系统中需要时间信息的设备(计算机、保护装置、故障录波器、事件顺序记录装置、安全自动装置、远动RTU)，这样就可以达到整个系统的时间同步。

　　2. GPS时钟系统主要组成部分：

　　2.1. GPS信号接收器： 是专用接收GPS卫星信号的集成电路模块，输出时间精度为1微秒的1PPS脉冲，并通过RS232串行口输出国际标准时间、日期和接收器所处地理位置(经纬度)等信息。

　　2.2. 同步脉冲发生电路： 输出秒(1PPS)、分钟(1PPM)、小时(1PPH)同步脉冲信号。

　　2.3. 中心处理单元： 对整个系统进行监控。接收GPS卫星信号接收模块发送的国际标准时间信息及秒同步信息，换算成当地时间送LED数码显示器显示，并按一定的格式经串行口输出，供继电保护和自动装置使用。

　　二、继电保护和自动装置的精确对时必要性。

　　1. 异常或事故分析的精确对时需要：正常运行时，保护装置会实时监测电流、电压等信息。电力系统出现异常或事故时，保护装置动作，故障录波装置录制相关波形。对这些信息及波形的分析，必须以同一的时间为基准，否则就不能对事故发生的原因、各种保护及自动装置动作行为、先后顺序以及事故的演变和发展过程做出正确的判断。

　　2. 高压线路光纤保护的调试准确定时需要：高压线路纵联电流差动保护是比较线路两侧的电流量，将电信号变为光信号进行传输的。保护装置经交流采样、模数变换后，保护CPU单元对信号进行滤波处理，并将滤波后的电流数字量传送给通信CPU单元，同时保护CPU单元也将接收通信CPU经同步调整后的对侧电流数字量，并与本侧电流数字量进行比较判断决定是否发出口命令。保护调试需要在线路两侧的保护上同时加故障量，以真实地模拟线路发生区内或区外故障时保护的动作行为。在线路两侧同时加故障量，靠一般的时钟是办不到的，这是因为一般时钟的工作精度是秒级，而作为快速保护的光纤纵联保护其工作时间是毫秒级，由一般时钟造成的误差，无法保证两侧所加故障量的同时性。而采用具有GPS准确定时功能由PC机控制的继电保护试验装置来保证两侧所加故障量的同时性，其时间误差是微秒级的，可以满足同时加故障量的要求。

　　3. 计算网络电能损耗的精确对时需要：只有同一时间测量、采集处于不同位置的同一线路受进与送出的电能，才能准确计算出某元件的电能损耗，以实现电力输送能量损耗为最小的原则。

　　4. 检测功率平衡和控制潮流的精确对时需要：由于电力系统的发、供、用是同时完成的统一体，测录电网各相关部位同一时间的电压、电流、功角和输送的功率就十分重要，这些信息是调度人员进行电力调度的依据，也是维持高质量电能的监控基础。而计算同一时间的数据则需要各个节点的时间统一才能实现。

　　5. 稳定控制装置的精确对时需要：稳定控制装置会在系统故障切除后频率、电压均异常情况下，判断低频低压或高频高压事故，快速采取就地低频低压减载或高频高压切机的控制措施，保障系统安全稳定运行提供保障，故对时间精度要求较高。常用的稳定控制装置要求设置高精度的时钟芯片，并配置有GPS硬件对时回路，便于全系统时钟同步配备高速以太网络通信接口。

　　目前，我国电力系统继电保护精确对时，都是以美国GPS定位系统为时间基准，选用进口GPS接收机部件，经二次开发研制成标准时间同步钟，自动选择最佳星座进行定位、定时，经过设备的硬件及软件处理转换为北京时间输出，使在我国任何地方使用，其时间误差小于1μs，完全可以满足目前电力系统精确对时的需要。

　　三、GPS应用中出现的问题及处理：

　　1. 某220kV变电站值班人员发现一台主变RCS系列保护装置GPS时钟错误，同时保护装置通讯中断。经继保工作人员检查后发现，装置参数整定值中，103规约类型整定为1(当采用EC60870-5-103规约时置0，采用LFP规约置1)。由于装置参数一般在验收时由厂家整定，之后基本不再更改。分析原因时，工作人员判断可能由外施工单位人员工作时误整定，但日常维护、定检过程中工作人员核对定值时可能会忽略装置参数。同时，当采用分脉冲对时时，分脉冲对时定值置为“1”，秒脉冲对时时置“0”，如采用IRIGB码对时方式，此定值不必整定。工作人员对GPS对时系统的不熟悉，也有可能影响对时的精确。所以，在验收过程中、日常维护、保护定检过程中均要对装置参数进行认真核对，并对装置对时方式进行检查及记录。以杜绝此类问题。

　　2. 2010年3月，220kV莆心变电站反映全站装置对时错误，表现为日期的天数多了一天。继保工作人员检查发现该变电站采用的是Model 3650-140A GPS，与厂家取得联系后，对故障原因进行了分析。根据日期发生改变的原因，时间跳变发生在2月28日24：00或3月1日0：00，继保工作人员检查了在2月28日至今为止期间，所有使用GPS对时的设备的告警情况，着重点在于使用IRIG-B码和串口报文对时方式的设备(PPM/PPS/PPH对时方式没有包含时间信息，应不会产生影响)。分析设备告警没有因为日期发生改变引起。故沟通后，由芯片生产厂家YITAN对3650-140A的固件程序进行了升级并完成测试，并根据新的固件程序版本升级了3650-140A的EPROM 芯片，用于3650-140A GPS设备的更换，设备恢复正常运行。

　　四、结论

　　随着电网的不断发展，电力系统对保护装置对时系统的要求更加精确。GPS技术的开发、推广和应用，成功地解决了由于电力系统发展而带来的高压网络中，继电保护和自动装置的精确对时问题，而且实现了一个站内的多套继电保护和自动装置共享一台GPS资源，做到了投资省、对时方式灵活、对时准确，为电力系统的装置调试、事故分析、监控继电保护和自动装置的动作行为、电能损耗计算、电量平衡、负荷管理、稳定控制等提供了有力的帮助，必将大大地推动电力系统的继电保护和自动化技术的发展。有利于减少GPS时钟的接口数量和电缆数量，也使运行维护更为简单方便。从不断出现的问题，也反映出必须加强现场工作人员对GPS对时系统的认识，从根本上防止影响GPS对时系统的精确。

　　在本文的编写过程中，得到了多位同事的帮助。在此，对提供各种资料、数据等的张建华、熊伟标同事表示感谢。周凯峰、王映雯等对本文的修改提供了宝贵意见，谨此致谢。

　　参 考 文 献

　　1、 《接收GPS卫星信号的电力系统同步时钟》 电力系统自动化 1995年3月 徐丙垠 李桂义 冀有党等

　　2、《差分GPS与广域GPS增强 共同走向科学——百名院士科教系列报告集》 魏子卿

　　3、《GPS—1标准时间同步钟及其在电力系统中的应用》 江苏电机工程 1996.12 王支 唐翔 张永号

　　4、 《全球卫星定位系统(GPS)在高频保护试验中的应用研究》 贵州电力技术第2卷 1999.6 谢百明 任勇 康鹏

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文章名称： 浅谈GPS时钟系统在电力系统中的应用

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