对时系统在电力系统的应用方案

随着电力系统的不断发展，以大规模使用自动化控制设备为主要特征的智能电网时代已经来临。电网运行瞬息万变，对电力对时系统的时钟精度的要求也越来越高。采用GPS对时系统，可在全网范围内，实现在统一精确的时间基准下的运行监控，为分析大规模故障后系统的动作行为提供了依据。

1　GPS对时系统概述

1.1　GPS对时系统原理介绍

GPS对时是利用GPS卫星搭载的高精度原子钟，产生1PPS和TOD串口时间信息，提供覆盖全球的授时服务，其授时精度高达50ns。GPS对时系统主要是利用GPS精确对时的特点来实现装置的统一对时。对时系统在全世界范围内都能输出两种时间信号：

(1)秒脉冲信号，简写1PPS，1秒一个脉冲，脉冲上升沿为UTC准时刻，精度50ns；

(2)串口tod信息，包括年月日时分秒等时间信息。

1.2　GPS时钟对时方式

对时方式：脉冲对时、报文对时和IRIG-B对时。

脉冲对时及硬对时，一般用天、时、分和秒脉冲进行对时，顾名思义就是一天一个脉冲，一小时一个脉冲，一分钟一个脉冲，一秒一个脉冲。硬对时按接线方式可分成差分对时与空接点对时两种，能精确统一站内装置时钟。

报文对时即软对时，一般采用通讯报文的方式，传输的是包括年、月、日、时、分、秒、毫秒在内的完整时间。报文对时方式受传输电平限制，一般传输距离不远，且存在固有传播延时误差，所以在精度要求高的场合不能满足要求，但是完全满足ms级别的时钟要求。

IRIG-B对时就是一种编码对时，B码在电力系统广泛使用，分调制和非调制两种。IRIG-B码实际上也可以看作是一种1PPS+TOD的对时方式，编码报文中包含了年月日时分秒等时间信息，同时B码帧头又是和1PPS上升沿对齐的，所以从一帧B码信号里面可以解出1PPS+TOD等信息。

2　建立GPS对时系统的必要性

2.1　建立时间同步系统的必要性

现在变电站中，大多采用不同厂家的计算机监控系统、微机保护装置、故障录波装置、电能计量系统等。这些装置内部采用各自独立的实时时钟，所以其固有误差难以避免，且随着运行时间的增加，累计误差会越来越大，使各装置的时间基准发生偏离，对事故过程动作次序的分析将产生误导。

电力系统时钟不同步还会造成一些严重故障，如数据和信息丢失、SOE事件信息逻辑混乱、某些工作站死机甚至系统瘫痪。统一了时钟，网内各系统就能在统一时间基准上进行数据的分析和横向比较。

通过各种装置记录的事件时间及先后顺序对事故进行分析，对查找事故原因、回放事故过程有很大帮助。同时也有利于明确责任，增强管理。总之，统一、精确的时间系统，可提高整个生产和运行维护的水平。

2.2　传统对时方法中的问题

传统对时，一般在主站端外接标准时间源，在帧长时间已知和上下行通讯延时相等的基础上，先对主站进行对时，再通过报文对子站进行对时。

传统对时包括三部分延时：发送延时、接收延时和通道延时，且随着网络的复杂程度而更加显著，并包含很多随机的延时因素。另外，传统对时过程中各个级别时间同步误差将产生累积，造成的通讯负担也十分显著。因此，传统对时方案通常不能实现高精度时间同步，只能满足比较低级的时钟同步要求。

2.3　分散式GPS时钟对时的问题

目前，许多变电站普遍采用一台或多台简单配置的GPS对时装置作为基准时间源实现站内对时。变电站内不同厂家的不同自动化装置需要不同的对时接口，其接口类型多种多样，如PTP、脉冲、IRIG-B码、RS232/422/485串行口、DCF77信号、NTP/SNTP网络时间等，而时钟装置提供的接口类型和数量有限，实际应用中常遇到有些自动化装置不能实现时间同步，或者需要再增加GPS装置或同步信号扩展装置等情况。

2.4　GPS对时系统的优势

随着电网自动化水平的不断提高，仅仅实现站内时间同步，已无法满足各方面的要求。GPS对时系统，仅在统一整个区域的调度端设立GPS接收装置，然后利用光缆对所辖各站直接传送B码对时信号。打破站内时间同步的限制，既可以减少各站GPS时钟装置和时钟同步信号扩展装置的高昂投资，也消除了各级时间同步时的误差积累。

采用GPS对时系统，建立大规模时间同步网络，不仅能解决上述问题，将电力系统的时间同步精确度、稳定性、安全性和可靠性提高到一个更新更高的台阶；还实现了全网系统在统一时间基准下的运行监控，为事故后的故障分析提供了依据。随着光纤的普及化，光纤通道传输对时信号的优势将越来越明显，这为建立GPS对时系统，实现时间统一，提供了基础。

3　GPS对时系统方案

3.1　GPS对时系统设计原则

GPS对时系统采用辐射型网络，由调度端接收GPS时钟信号，然后通过专用的通信通道与各集控站和各子站的后台监控系统进行对时，再由各站内部下发对时报文与各装置对时，确保全网范围内时间统一。

电力对时系统典型图

3.2　对时系统方案设计

实现GPS时间同步分以下四步：

(1)在调度端设置一面时间同步系统屏。时间同步系统屏内含GPS北斗主时钟两台及一套切换装置。两台主时钟分别采用西安同步电子科技有限公司研发生产的SYN4505A型对时系统，切换装置也由主时钟的简化版来替代。

两台主时钟完成GPS和北斗卫星信号的接收、处理，及向切换装置提供标准同步时间信号。时钟A和时钟B的时间信号输出单元均通过光纤连接到切换装置上，且互为备用，同一时刻只有被采用的时钟输出时间信号。当采用的时钟时间信号接收单元出现问题时，例如跟踪不到卫星，天线或其他方面损坏等，切换装置会自动切换到备用时钟信号上，保证基准对时信号的正常输出。

(2)在调度端设置一面专用远动屏，实现为各站获取GPS对时信号提供专用的通信通道。专用的通信通道可消除其他信号对对时信号的干扰。远动屏上所有交换机级联，并与GPS时钟切换装置相连接，利用光缆，将精确的对时信号下发给该调度端所辖区域内所有的集控站及子站。

(3)各集控站和子站的远动装置接收到对时信号后，传送至监控系统。

(4)各站监控系统再通过网络广播对时命令，实现与各间隔保护、测控等装置对时，从而实现与调度端主时钟的时间同步。这样就实现了全网范围内所有设备的时间统一。

3.3　GPS对时系统功能要求

(1)主时钟内部应具备恒温晶振或者铷原子钟，可以大大保证守时精度，当接收到外部时间基准信号时，主时钟被外部时间基准信号同步；当接收不到外部时间基准信号时，保持一定的走时准确度，使其输出的时间同步信号仍能保持一定的准确度。

(2)两个时钟的天线应尽量远离，降低因同时遭雷击而损坏接收单元的概率，确保同一时刻至少有一个天线能接收到卫星信号。

(3)各集控站和子站的远动装置应能确保为GPS对时信号提供专用通信通道。

(4)根据智能化电网的要求，在IEC61850规约的基础上，不同厂家的装置应采用统一的标准化的对时规约。

4　实现GPS对时系统的几个关键问题

4.1　如何精确补偿时间信号的传输时延

尽管GPS对时系统消除了由于各级时间同步所造成的误差积累，但仍然存在着因地理距离而产生的传输延时。且变电站离调度端主时钟距离越远，时延必将越严重。建议可在调度端增设一个补偿装置，通过软件计算距离与时间传输误差之间的关系后，精确补偿各站的传输时延。

4.2　如何提高时间同步系统的精度和可靠性

设置两套GPS卫星接收装置，互为备用，与单接收装置相比已大大提高了可靠性；但两套均采用GPS产品，当由于GPS卫星的原因，例如卫星故障、GPS精度劣化等，将会使系统可靠性和精度降低。

因此，建议若经济条件允许，可采用GPS加原子钟的方式，即两时钟同时接收GPS信号和原子钟信号，当GPS信号劣化或失步时，由高精度的原子时钟负责系统时间同步，从而保证时间同步系统精度和可靠性。

5　方案优势

通过几种对时方式的比较，B码对时由于不受传输地域的限制，在GPS对时系统中能够得到广泛的应用。西安同步提出的对时系统方案具有节约、高效、精准对时等特点，并具备很高的实用价值及广阔的发展前景，目前已经在国内各大电厂，变电站等正常运行数年，保证了我国电力系统的时间精确稳定统一。