换流站自动化装置时钟同步的研究

换流站自动化装置时钟同步的研究

彭佑祥

彭佑祥

（超高压输电公司广州局广东省广州市510663）

摘要：通过阐述GPS装置的工作原理和换流站内GPS对时系统应用现状，分析使用过程中呈现的若干问题，并结合生产实际提出相应的运维建议。

关键词：GPS装置；时钟同步；运维

1.前言

随着电网自动化水平的不断提高，运行方式瞬息万变，故障发生后务必获得实时信息，才能进行有效决策处理，将事故灾害降到最低，同时便于事故后开展回顾分析，精准查找事故原因、推演发展进程，为以后防止同类事故发生提供有效的解决方案。因此，换流站自动化系统中的设备对时间的准确性和一致性要求越来越高，性能稳定的GPS对时系统能给站内控制保护系统提供统一、准确的时间，有利于电力系统故障或非正常运行时的分析，是保证电力系统安全运行的重要措施。

2.GPS装置介绍

GPS系统主要是通过导航卫星和地面监控站以及用户接收机等几个部分构成的。空间部分主要是通过24颗GPS卫星共同构成，它们在离地大概1.76万公里高的彼此成为60°的六个轨道面上去完成飞行，每一次运行周期是半天，这样的一种情况能够使得地球上不管是什么样的位置都最少可以监测获得4颗以上的卫星；空间中的每一颗卫星会以每秒一次的频率对地球发送信号，其发送的内容都是精度满足1μs的时间信号。接收器负责接收的主要是来自卫星发送的信号，一个GPS接收器可以同时获得6至8颗卫星上发送的信号；接收器还能够将卫星信号进行解码，在其被解码之后还可以将自身时钟和卫星时钟完成校对，并且通过这样的方式获得其和相关卫星彼此之间的距离，从而获得自己所处在的具体位置以及所处在的高度；GPS接收器在确认处在的位置后，如果安装位置也被完全固定，那就只需要接收视野中一个卫星发送到地面的信号，并且还可自动对信号在卫星和接收器彼此传输过程中存在延时给予补偿，最后输出标准的秒脉冲选通信号，同时选择串行口输出和1PPS脉冲前沿相对的UTC标准时间和日期以及接收器所处在的方位等相关信息。和传统方式相比，这种时钟同步方法的精度更高并且使用范围更广，同时这种信号不会受到自然条件和空间的制约。

3.换流站GPS对时原理

换流站中计算机监控系统和故障录波器，以及微机保护装置与功角测量装置，还有安自装置以及电能计量系统等，都要求通过统一的时钟信号源向它们供给准确时间。站内设置GPS同步时钟的主要作用是为了提升时间信息的准确度，将其用于多种控制保护装置的时间核准，使得站内和站间多种控制保护装置运行时间能够保持同步。GPS同步时钟属于一个用于校准的时钟源，只是为了向装置提供同步信号却不能对自动化装置自身配置的独立时钟进行更改设置，在丢失同步信号时，装置本身并不能够丢失原本的时间信息，却在获得同步信号后能立即对每台装置自身的时间精度进行修正。如果两套GPS装置都故障以及对时信号均存在异常，各控制保护装置则切换到利用内部时钟去完成时间的同步。

换流站通常配备两套独立主时钟系统，正常情况下优先保持运行在A系统，B系统处在热备用的状态，当A系统发生故障时（装置失电、GPS对时源故障、LAN网连接故障等），系统将自动切换至B系统运行，一旦A系统恢复正常状态，系统又将自动切换至A系统主运。

往往依据生产现场对于时间精准度的需求，采取不同原理的同步对时形式。如PMU装置和行波故障测距等精准装置需要时间误差为微秒级，通常会选择精度控制在1μs之内的1PPS脉冲同步。参照工频计算，1μs的时间误差可以产生0.018°的相位误差；按照行波的传播速度3*10^5km/s计算，1μs的时间误差仅造成300m左右的测距偏差。以上装置在安装稳定度满足要求的时钟芯片后，再每秒被1PPS脉冲同步一次，装置的时间误差就可以轻松控制在1μs内。不仅识别对每座电站上送的电压以及电流相位进行的测量参考时间以及故障测距里行波到达线路两侧的时间，还需要对GPS时钟自身的串行输出时间信息一并接收。对于时间误差累积可保持在毫秒级的装置，如故障录波装置和事故事件记录仪等，可使用GPS时钟里的分脉冲和时脉冲在整分以及整时去完成装置的一次同步，这样做的目的是为了使分与时的误差累积可以被有效的控制在1ms内。另对站内模拟显示屏的时间精度并未提出比较严格的要求，时间误差一般控制在数毫秒至数十毫秒之间即可，时间同步提出的需求则能够适当的被放宽，可以使用分、时脉冲同步的方式，或者是运用GPS同步时钟串行通信同步的方法，也可利用软件对时的方法去保持同步。

主时钟信号分配器同时送出四种时钟信号：实时信息、IRIGB信号、DCF77信号、分脉冲信号，时钟脉冲可以进行电-电及光-电转换，再通过电缆或光纤进行实时传输，各类控制保护设备时间同步的方法如下：

（1）对于连接到LAN网的设备，如极控系统、直流站控、交流站控等，直接通过GPS接收实时时钟信息；

（2）对于连接至现场总线设备，如IO设备（SU200）、直流保护等，采用分脉冲对时，IO设备（SU200）、直流保护等从主站（极控系统）获取时间信息后，每分钟接收分脉冲实现时钟同步；

（3）对于6MD66、交流滤波器联线保护等设备，采用DCF77信号（radiotimesignal）进行内部时钟同步，每分钟生产一个DCF77时间序列；

（4）对于故障录波装置（TFR）及其它保护设备，采用IRIGB码对时，该IRIGB码信号部分是通过DCF77转换而来。

系统切换逻辑切换的对时信号有：IRIG-B、DCF77及Minutepulse。需要注意的是，网络对时信号无切换逻辑，主时钟A系统将对时信号发送至LAN1、主时钟B系统同时将对时信号发送至LAN2，通常情况下，站内设备通过LAN1获取网络对时，若从LAN1接收不到对时信号，则通过LAN2获取网络对时。

4.运行问题分析及解决方案

GPS天线、接收器和解码器一般安装在站内较高建筑屋顶，以确保周边干扰源少，需严格执行安装工艺要求，安装地点应确保顺着天线头往上可以360°的观察天空，并且天线的可靠传输距离一般不宜超过30m，否则需要加装信号放大器；受安装位置的限制，天线还应该配有专属防雷装置，需要定期的检修；GPS天线和对时装置的型号也应匹配，否则会造成对时装置接收信号不稳定或不能对时，导致站内二次设备频发对时告警，影响设备的稳定运行；当一套系统故障恢复后，正式投入运行前务必进行各功能调试，经一段时间试运行无异常后方可正式投入运行。

5.结束语

作为稳定可靠的多设备统一对时装置，全站集中式GPS对时系统在生产运用中的经济适用性很高，它为换流站内各控制保护装置提供统一的时间基准，能有效消除了各个装置的时间偏差，在降低了换流站设备维护检修难度的同时，也为事故事件的动作时序精准分析和电力系统的安全稳定运行提供切实可行的依据与保障。用户可根据自身需求灵活扩展使用，对时装置也应定期维护，及时改进完善设备功能。

参考文献：

[1]江涛，孙昕.GPS与IRIG-B在电网授时系统中的应用【J】.继电器，2012，35（S1）：333-335

[2]赵晓微，李桂义等.GPS同步时钟在电力系统中的应用.电力系统通信，1998