GPS时间同步系统在电力系统实际应用解决方案

一、概述

GPS时间同步系统在电力系统主要应用于各种DCS系统和自动化装置提供标准时间和各种时钟同步信号，本文从变电站GPS时间同步系统的设计原则、系统结构、时间同步的方式、信号传输类型及通道、系统安装、生产厂家与方案总结等方面进行说明，阐述GPS时间同步系统在变电站中的具体应用。

二、GPS时间同步系统设计原则

(1)全站设置一套GPS时间同步系统。

(2)GPS时间同步系统由2台主时钟组成。双机互为热备用,实现时间基准信号互为热备用。某一主时钟发生故障时,能自动接收另一台主时钟的标准时间同步信号。

(3)每台时间同步信号扩展装置分别接收来自2台主时钟的对时信号,并实现2个时间基准信号互为备用。主时钟应满足所有时间同步信号扩展装置的接入。

(4)为了便于运行、维护和管理,主时钟和时间同步信号扩展装置按照设备的分布情况进行布置,每个保护小室设置各自的时间同步信号扩展装置。

(5)GPS主时钟和时间同步信号扩展装置应能输出各种类型的时间同步信号,并满足准确度的要求。

(6)主时钟和时间同步信号扩展装置之间通过光缆连接。

三、GPS时间同步系统的结构

变电站GPS时间同步系统主要是由同步时钟的本体及时钟的扩展装置组成。同步时钟的本体也可以叫做主时钟，时钟的扩展装置也可以叫做时钟。要根据实际状况进行时钟扩展装置的组合。在时间同步的系统中，组合的形式多种多样，根据不同用户对于设备的不同要求，主时钟能够通过电网频率的测量、网络时间服务器等进行调配。

3.1最简式的时间同步系统

这个系统主要通过一个主时钟、时间信号传输的介质、用户设备组合而成。顾名思义，最简式的时间同步系统就是设备结构比较简单，易于日常维护。但是缺点就是仅靠一个主时钟来接收一路的GPS卫星，如果在主时钟接收不到传递的GPS信号后就可能影响内部晶振走时的精准确度。另外，当主时钟出现某些故障时，用户的设备中的时间信号就只能依靠自身的时间走时进行日常活动。因此最简式时间同步系统非常适用在地县调自动化系统和用户设备较少且低于110kV的变电站中。

3.2主备式的时间同步系统

这个系统主要通过二个主时钟、时间信号传输的介质、用户设备组合而成。与最简式的时间同步系统相比，主备式的时间同步系统补充了最简式的时间同步系统中的不足之处，已经完全能够胜任网省调的自动化系统。

3.3主从式的时间同步系统

这个系统主要通过一个主时钟、多个从时钟、时间信号的传输介质、用户设备组合而成。主从式的时间同步系统中，每一个用户的设备只和与之相关的从时钟进行联系，因此，不会导致其他的设备同时发生时间失步的情况。但是，同时不能保证如果主时钟接收不到GPS信号时或者主时钟出现某些故障的情况下不发生时间失步的状况。因此，主从式的时间同步系统往往使用于设备比较分散但是距离比较远的环境中。

3.4主备主从式的时间同步系统

这个系统主要通过二台主时钟、多个从时钟、时间信号传输的介质、用户设备组合而成。主备主从式的时间同步系统主要由两套GPS卫星的接收信号、两套的主时钟构成，因此在一个主时钟可能接收不到的GPS信号、出现某些故障之后仍然可以自动通过另一个主时钟来接管。因此，这种主备主从式的时间同步系统主要适用在330kV以上的二次设备分散式布置的变电站中。

四、变电站GPS时间同步系统的时间同步方式

变电站GPS时间同步系统的时间同步方式主要有三种：通信对时方式、脉冲对时方式、脉冲对时方式和串行通信方式相结合的方式。

4.1通信对时方式中的时间报文主要由年、月、日、时、分、秒等组成，也可以采用用户所**的特殊内容。比如，接收到的GPS卫星数、警报信号等等。通信对时方式主要容易受距离的限制，因此造成时间的延时。但是通信式对时方式的GPS能够用通信报文把精准的时间发送到总控制的通信单元。而总控通信的单元可以通过现场的总线及串行总线，以广播报文的方式把时间的信号传递到各个保护装置、测控装置及第三方的智能化设备中。如果采用软件对时，则系统可以妹分钟发送一次对时报文。这样，不但节省了专用的硬件设备，而且不用单独敷设电缆，大大降低了成本。但是，这种对时方式的劣势在于对时总线的环节比较多，容易出现对时拖延，导致不同装置出现时间差。

4.2脉冲对时方式，这种方式主要通过秒脉冲信号与分脉冲信号构成。秒脉冲通过利用GPS进行时间同步的校准工作，以此获得和UTC同步的时间精准度。这种方式的结构特点主要是通过GPS装置将过脉冲的扩展板与同步脉冲进行扩展并放大隔离后传送输出。再次通过通讯电缆和保护装置、测控装置以及第三方的智能化设备进行连接。

4.3脉冲对时方式与串行通信的方式相结合。这种方式的结构特点比较明确：通过对当前变电站普遍采用的脉冲与串行通信进行组合，通过软件对时，对时系统可以每分钟就发送一次对时报文。对时装置能够获取时间报文中的年，月，日，时，分，秒等信息。采用脉冲对时，则可以保证秒、毫秒的精准度。这种对时方式的组合，可以保证变电站的智能化设备时间同步。也是目前我国变电站中普遍采用的一种对时方式。

五、时间同步信号、电接口和传输通道类型

5.1时间同步信号类型

(1)Ipps秒脉冲信号:每秒钟一个脉冲;

(2)Ippm分脉冲信号:每分钟一个脉冲;

(3)Ipph时脉冲信号:每小时一个脉冲;

(4)IRIG-B(DC)时码:每秒1帧,包含100个码元,每码元10ms;

(5)IRIG-B(AC)时码:用IRIG-B(DC)码对1kHz正弦波进行幅度调制形成的时码信号,幅值大的对应高电平,幅值小的对应低电平,典型调制比为3∶1。

(6)时间报文:内容应包含年、月、日、时、分、秒;报文信息格式为ASCII码、BCD、16进制码;信息传输速率为300、600、1200、2400、4800、9600、19200bit/s。时间报文发送为每秒输出、每分输出、根据请求输出或按用户**的方式输出。

5.2时间同步信号电接口

(1)静态空接点:分为有源和无源2种,经光隔离输出,对于无源空接点允许外接电压为250V;

(2)TTL电平输出;

(3)串行数据通信接口:包括RS-232接口、RS-422接口和RS-485接口;

(4)20mA电流环接口;

(5)AC调制信号接口。

5.3时间同步信号传输通道

时间同步信号传输通道应保证主时钟发出的时间信号传输到变电站设备时,满足设备对时间信号质量的要求。

(1)同轴电缆:用于高质量的传输TTL电平信号,如:Ipps、Ippm、Ipph和IRIG-B(DC)码TTL电平信号等,传输距离≤10m。

(2)屏蔽控制电缆:用于传输RS-232信号时传输距离≤15m;用于传输RS-422、RS-485和20mA电流环接口信号时,传输距离≤150m。

(3)音频通信电缆:用于传输IRIG-B(AC)信号,传输距离≤1000m。

(4)光纤:用于远距离传输各种时间信号,传输距离取决于光纤的类型。

六、GPS时间同步系统安装

6.1安装位置的选择

考虑接线方便和防雷电抗干扰等因素，装置应尽量安装在靠近授时信号使用最多的设备附近，同时虑到供主时钟互为备用的RS422光纤通道的备用光纤在35kV一二级电站双回路联络线的保护屏内，此屏内又有足够的空间来安装GPS时钟同步系统，因此一、二级电站的GPS时钟同步系统都安装在此屏内。

6.2接收天线的安装

为保证GPS时间同步系统能时刻跟踪尽可能多的卫星信号，把GPS配置的30米天线安装在离继保室最近且位置合适的电站附厂房的屋顶上。

6.3互为备用的GPS主时钟通道建立

利用35kV一二级联络线的光纤纵差保护的备用光纤，连接上光纤MODEM，接上RS422通讯线，通电后观察光纤MODEM数据指示灯应正常闪烁，否则应检查测试RS422的通道，最后连上GPS时间同步系统直到正常工作，实现一、二级电站的时间同步系统的主时钟互为备用。

6.4报警功能

具有电源消失告警和时间源信号异常告警输出，接到监控系统，模拟各种故障应能正常输出“GPS时间同步系统故障”报警。

七、GPS时间同步系统厂家及产品

西安同步电子科技有限公司是一家从事GPS时间同步系统研发生产销售为一体的高科技企业，公司注册资本1000万元，企业员工近五十人，时间频率方面的产品有五十多种，公司成立之初就是为了“时间同步，频率同步”达到更高指标而筹建的。

目前公司生产的GPS时间同步系统有SYN4505型标准同步时钟和SYN4505A型时钟同步系统等在电力系统得到大范围使用，这两款产品都包含了电力部门需要的各种输入输出时钟接口，都是严格按照ISO9001质量体系要求来生产研发的，完全符合电力系统的各项指标要求。

八、应用总结

我国电力系统对于时间统一的要求越来越严格，采用GPS时间同步系统可以使变电站更加数字化、智能化。GPS时间同步系统在设计之初就应充分考虑变电站的规模,合理配置主时钟和时间同步信号扩展装置,并根据时间同步信号的传输距离确定合适的传输通道。

采用变电站中GPS时间同步系统不但是内部时间得以统一，而且也实现了变电站无需人员值班的目标。在不断达到国家电网调度的经济安全运行的目标的同时，更实现了变电站时间同步系统的应用更加简单、可靠。