GPS对时系统（NTP对时装置）助力电力信息化建设
GPS对时系统（NTP对时装置）助力电力信息化建设
京准电子科技官微——ahjzsz
摘 要：集控站时钟同步是影响电力系统运行稳定性和可靠性的重要因素之一。本文首先详细介绍了利用GPS时钟实现集控站全网部时钟同步的原理和过程，继而分析了目前某供电公司所辖集控站时钟同步系统的不足，最后提出了一种改进方案。该方案中GPS时钟冗余互备，极大的提高了时钟同步系统的准确性。
1 、电力系统时钟同步系统概述
电力系统时钟同步系统是利用全球定位系统GPS时钟对电厂、变电站的计算机监控系统、测控装置、线路微机保护装置、故障录波装置、电能量计费系统等进行统一对时，实现整个电厂、变电站的时钟完全统一。全网时钟不同步会造成一些较为特殊的故障，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[1]。因此，时钟同步是影响电力系统运行稳定性和可靠性的重要因素之一。
1.1 GPS对时
GPS是美国于1993年全面建成并运行的新一代卫星导航、定位和对时系统。如图1所示，GPS系统由地面控制部分（监控主站），空间部分（GPS卫星），用户部分（接收机）组成。GPS对时是利用GPS卫星搭载的高精度原子钟，产生基准信号和时间标准，提供覆盖全球的时间服务，其授时精度高达20亿分之一秒。电力系统主要是利用GPS精确对时的特点。GPS接收器在任意时刻能同时接收其视野范围内4-8颗卫星信号，其内部硬件电路和处理软件对接收到的信号进行解码和处理，从中提取并输出两种时间信号：（1）时间间隔为1s的脉冲信号PPS，其脉冲前沿与国际标准时间（格林威治时间）的同步误差不超过1μs；（2）经串行口输出的与PPS脉冲前沿对应的国际标准时间和日期代码。若以PPS信号作为标准时钟源去同步电网内运行的各个时钟，则能保证各厂站时钟的高精确度同步运行[2]。
1.2 时钟同步原理
现代电力系统安装了各种自动化设备，如测控装置，RTU，故障录波器，微机保护装置，分时电能表等，这些自动化设备内部都有实时时钟。实时时钟实际上都是电子钟。电子钟不可避免的会有误差：（1）初始值设置不准确；（2）石英晶体振荡频率误差及其频率振荡的温度漂移和老化漂移；（3）电路中电容器电容量的变化等。随着时间的推移，累积误差会越来越大。所以需要对电子钟进行定时校准。其原理就像我们日常校对手表的方式一样，隔一定时间间隔根据某时间基准信号设置一次。这个实现时钟自动校对的过程称为时钟同步。目前，利用GPS卫星取得时间基准信号，是一种方便，经济的手段。GPS时钟接收GPS卫星的精确时间信号作为时间基准信号，并转换成各种自动化设备需要的时间信号输出，实现各个自动化设备的时间统一。
2、 集控站时钟同步系统
集控站自动化系统分为主站系统和子站系统两部分。主站系统是指集控站，子站系统是指集控站控制的各个变电站。通常，在集控站全网范围内，由集控站主站接收GPS时间，然后通过通信通道与各变电站监控系统进行对时，确保集控站全网范围内时间统一。实现全网时钟同步一般分三步：
（1）集控站内各操作员站、前置机、服务器对时。
（2）集控站前置机下发对时报文与各变电站监控系统对时。
（3）变电站监控系统与各间隔保护、测控等装置对时。
2.1 集控站内对时
集控站内各操作员站、前置机、服务器对时，是保证数据发生增加、更改、删除等操作时全网的一致性和完整性。数据的不一致和残缺会造成主备系统切换或历史数据存储时，不能正确识别数据的一致性和完整性，从而造成信息和数据的丢失，甚至会导致系统的瘫痪[3]。操作员站、前置机和服务器的石英晶体振荡芯片长时间运行后，会出现时钟不准问题，因而需采取相应的对时方式来实现集控站的时钟同步。如图2所示：操作员站、历史服务器、SCADA服务器、前置机分别接入A网和B网。GPS时钟输出的时间信号直接接入A网和B网，通过网络广播对时命令与各个服务器对时从而实现集控站内时钟同步。 
2.2 变电站内对时
变电站内时钟同步的目的是保证系统事件顺序记录，事故追忆的正确性，为事故调查提供依据。集控站内的前置机和GPS对时后，会有一个精确的时间。前置机按一定周期对各个变电站发送对时报文，使各个变电站监控系统与集控站时间一致。监控系统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，从而实现与集控站时间同步。这样就实现了集控站全网范围内所有设备的时间统一。有些变电站已安装了GPS时钟装置。正常情况下，变电站内设备通过变电站内的GPS时钟对时。GPS时钟偶尔也会发生故障，GPS时钟故障时，变电站内设备根据集控站下发的对时报文对时。
3 、某供电公司集控站时钟同步系统现状
目前，某供电公司的220kV变电站基本上都已安装了GPS时钟。110kV综合自动化变电站大部分都安装了GPS时钟；110kV常规变电站没有安装。所以，很多110kV变电站需要依靠集控站下发对时报文，才能进行时钟同步。此外，已经安装GPS的变电站，GPS时钟可能会出现故障。如2007年8月，110kV龙王庙变电站GPS时钟损坏，保护动作时间不一致，无法分清事件的先后顺序，给运行人员造成很大的困扰。2008年3月，220kV金银滩变电站GPS时钟损坏，站内各测控装置时间不同步。在GPS时钟损坏期间，同样需要依靠集控站下发对时报文进行时钟同步。所以集控站时钟精确与否，意义十分重大。
4、 集控站时钟同步系统设计
GPS天线收不到信号或损坏将严重影响GPS时钟的准确性。 为了提高时间基准信号的准确性，我们把原来的GPS时钟同步系统作了改进。
如图3所示：集控站内设置两个GPS时钟。两个时钟的天线尽量远离，确保同一时刻至少有一个天线能接收到卫星信号。时钟A和时钟B的时间信号接收单元通过光纤连接，互为备用。光纤的防雷性能强从而可降低设备受雷击造成损坏的概率。时间信号输出单元接到网络上，同一时刻只有一个时钟输出时间信号。当主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，会自动地切换到备用时钟信号上，保证基准对时信号的正常输出。
