GPS校時(shí)器(ntp時(shí)鐘服務(wù)器)

GPS校時(shí)器(ntp時(shí)鐘服務(wù)器)

GPS校時(shí)器(ntp時(shí)鐘服務(wù)器)

摘　要：集控站時(shí)鐘同步是影響電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性的重要因素之一。本文首先詳細(xì)介紹了利用GPS時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)集控站全網(wǎng)部時(shí)鐘同步的原理和過(guò)程，繼而分析了目前某供電公司所轄集控站時(shí)鐘同步系統(tǒng)的不足，最后提出了一種改進(jìn)方案。該方案中GPS時(shí)鐘冗余互備，極大的提高了時(shí)鐘同步系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。 
1 、電力系統(tǒng)時(shí)鐘同步系統(tǒng)概述 

　　電力系統(tǒng)時(shí)鐘同步系統(tǒng)是利用全球定位系統(tǒng)GPS時(shí)鐘對(duì)電廠、變電站的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、測(cè)控裝置、線路微機(jī)保護(hù)裝置、故障錄波裝置、電能量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)等進(jìn)行統(tǒng)一對(duì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電廠、變電站的時(shí)鐘完全統(tǒng)一。全網(wǎng)時(shí)鐘不同步會(huì)造成一些較為特殊的故障，如數(shù)據(jù)和信息丟失、SOE事件信息邏輯混亂、某些工作站死機(jī)甚至系統(tǒng)癱瘓[1]。因此，時(shí)鐘同步是影響電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性的重要因素之一。 

1.1 GPS對(duì)時(shí) 

　　GPS是美國(guó)于1993年全面建成并運(yùn)行的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航、定位和對(duì)時(shí)系統(tǒng)。如圖1所示，GPS系統(tǒng)由地面控制部分（監(jiān)控主站），空間部分（GPS衛(wèi)星），用戶部分（接收機(jī)）組成。GPS對(duì)時(shí)是利用GPS衛(wèi)星搭載的高精度原子鐘，產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，提供覆蓋全球的時(shí)間服務(wù)，其授時(shí)精度高達(dá)20億分之一秒。電力系統(tǒng)主要是利用GPS精確對(duì)時(shí)的特點(diǎn)。GPS接收器在任意時(shí)刻能同時(shí)接收其視野范圍內(nèi)4-8顆衛(wèi)星信號(hào)，其內(nèi)部硬件電路和處理軟件對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解碼和處理，從中提取并輸出兩種時(shí)間信號(hào)：（1）時(shí)間間隔為1s的脈沖信號(hào)PPS，其脈沖前沿與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（格林威治時(shí)間）的同步誤差不超過(guò)1μs；（2）經(jīng)串行口輸出的與PPS脈沖前沿對(duì)應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和日期代碼。若以PPS信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源去同步電網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行的各個(gè)時(shí)鐘，則能保證各廠站時(shí)鐘的高精確度同步運(yùn)行[2]。  

1.2 時(shí)鐘同步原理 

　　現(xiàn)代電力系統(tǒng)安裝了各種自動(dòng)化設(shè)備，如測(cè)控裝置，RTU，故障錄波器，微機(jī)保護(hù)裝置，分時(shí)電能表等，這些自動(dòng)化設(shè)備內(nèi)部都有實(shí)時(shí)時(shí)鐘。實(shí)時(shí)時(shí)鐘實(shí)際上都是電子鐘。電子鐘不可避免的會(huì)有誤差：（1）初始值設(shè)置不準(zhǔn)確；（2）石英晶體振蕩頻率誤差及其頻率振蕩的溫度漂移和老化漂移；（3）電路中電容器電容量的變化等。隨著時(shí)間的推移，累積誤差會(huì)越來(lái)越大。所以需要對(duì)電子鐘進(jìn)行定時(shí)校準(zhǔn)。其原理就像我們?nèi)粘Ｐ?duì)手表的方式一樣，隔一定時(shí)間間隔根據(jù)某時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)設(shè)置一次。這個(gè)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘自動(dòng)校對(duì)的過(guò)程稱為時(shí)鐘同步。目前，利用GPS衛(wèi)星取得時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，是一種方便，經(jīng)濟(jì)的手段。GPS時(shí)鐘接收GPS衛(wèi)星的精確時(shí)間信號(hào)作為時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成各種自動(dòng)化設(shè)備需要的時(shí)間信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)各個(gè)自動(dòng)化設(shè)備的時(shí)間統(tǒng)一。 

2、 集控站時(shí)鐘同步系統(tǒng) 

　　集控站自動(dòng)化系統(tǒng)分為主站系統(tǒng)和子站系統(tǒng)兩部分。主站系統(tǒng)是指集控站，子站系統(tǒng)是指集控站控制的各個(gè)變電站。通常，在集控站全網(wǎng)范圍內(nèi)，由集控站主站接收GPS時(shí)間，然后通過(guò)通信通道與各變電站監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)時(shí)，確保集控站全網(wǎng)范圍內(nèi)時(shí)間統(tǒng)一。實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)時(shí)鐘同步一般分三步： 

　　（1）集控站內(nèi)各操作員站、前置機(jī)、服務(wù)器對(duì)時(shí)。 
　?。?）集控站前置機(jī)下發(fā)對(duì)時(shí)報(bào)文與各變電站監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)時(shí)。 
　　（3）變電站監(jiān)控系統(tǒng)與各間隔保護(hù)、測(cè)控等裝置對(duì)時(shí)。 

2.1 集控站內(nèi)對(duì)時(shí) 

　　集控站內(nèi)各操作員站、前置機(jī)、服務(wù)器對(duì)時(shí)，是保證數(shù)據(jù)發(fā)生增加、更改、刪除等操作時(shí)全網(wǎng)的一致性和完整性。數(shù)據(jù)的不一致和殘缺會(huì)造成主備系統(tǒng)切換或歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，不能正確識(shí)別數(shù)據(jù)的一致性和完整性，從而造成信息和數(shù)據(jù)的丟失，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)的癱瘓[3]。操作員站、前置機(jī)和服務(wù)器的石英晶體振蕩芯片長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，會(huì)出現(xiàn)時(shí)鐘不準(zhǔn)問(wèn)題，因而需采取相應(yīng)的對(duì)時(shí)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)集控站的時(shí)鐘同步。如圖2所示：操作員站、歷史服務(wù)器、SCADA服務(wù)器、前置機(jī)分別接入A網(wǎng)和B網(wǎng)。GPS時(shí)鐘輸出的時(shí)間信號(hào)直接接入A網(wǎng)和B網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)廣播對(duì)時(shí)命令與各個(gè)服務(wù)器對(duì)時(shí)從而實(shí)現(xiàn)集控站內(nèi)時(shí)鐘同步。 

2.2 變電站內(nèi)對(duì)時(shí) 

　　變電站內(nèi)時(shí)鐘同步的目的是保證系統(tǒng)事件順序記錄，事故追憶的正確性，為事故調(diào)查提供依據(jù)。集控站內(nèi)的前置機(jī)和GPS對(duì)時(shí)后，會(huì)有一個(gè)精確的時(shí)間。前置機(jī)按一定周期對(duì)各個(gè)變電站發(fā)送對(duì)時(shí)報(bào)文，使各個(gè)變電站監(jiān)控系統(tǒng)與集控站時(shí)間一致。監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)廣播對(duì)時(shí)命令，實(shí)現(xiàn)與各間隔保護(hù)、測(cè)控等裝置對(duì)時(shí)，從而實(shí)現(xiàn)與集控站時(shí)間同步。這樣就實(shí)現(xiàn)了集控站全網(wǎng)范圍內(nèi)所有設(shè)備的時(shí)間統(tǒng)一。有些變電站已安裝了GPS時(shí)鐘裝置。正常情況下，變電站內(nèi)設(shè)備通過(guò)變電站內(nèi)的GPS時(shí)鐘對(duì)時(shí)。GPS時(shí)鐘偶爾也會(huì)發(fā)生故障，GPS時(shí)鐘故障時(shí)，變電站內(nèi)設(shè)備根據(jù)集控站下發(fā)的對(duì)時(shí)報(bào)文對(duì)時(shí)。 

3 、某供電公司集控站時(shí)鐘同步系統(tǒng)現(xiàn)狀 

　　目前，某供電公司的220kV變電站基本上都已安裝了GPS時(shí)鐘。110kV綜合自動(dòng)化變電站大部分都安裝了GPS時(shí)鐘；110kV常規(guī)變電站沒有安裝。所以，很多110kV變電站需要依靠集控站下發(fā)對(duì)時(shí)報(bào)文，才能進(jìn)行時(shí)鐘同步。此外，已經(jīng)安裝GPS的變電站，GPS時(shí)鐘可能會(huì)出現(xiàn)故障。如2007年8月，110kV龍王廟變電站GPS時(shí)鐘損壞，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間不一致，無(wú)法分清事件的先后順序，給運(yùn)行人員造成很大的困擾。2008年3月，220kV金銀灘變電站GPS時(shí)鐘損壞，站內(nèi)各測(cè)控裝置時(shí)間不同步。在GPS時(shí)鐘損壞期間，同樣需要依靠集控站下發(fā)對(duì)時(shí)報(bào)文進(jìn)行時(shí)鐘同步。所以集控站時(shí)鐘精確與否，意義十分重大。

4、 集控站時(shí)鐘同步系統(tǒng)設(shè)計(jì) 

　　GPS天線收不到信號(hào)或損壞將嚴(yán)重影響GPS時(shí)鐘的準(zhǔn)確性。 為了提高時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)的準(zhǔn)確性，我們把原來(lái)的GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)作了改進(jìn)。