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摘要：本文介绍了GPS对时装置的原理和接口，提出了利用GPS装置作为标准授时时钟，将电力系统中的保护装置、自动化系统和DCS系统纳入GPS对时系统的方案，给出了具体的实例，并对GPS系统的维护方法进行了简介关键词：电力系统；GPS；时钟；对时；接口；同步；维护0概述电力系统事故分析主要依靠两个方面，一是事故分析，二是时间基准。微机保护及微机故障录波装置的应用已经比较全面地记录了故障信息，但时间基准的不统一给故障分析特别是故障的综合、全面分析带来了极大的不便，随着电网的日益复杂、装机容量的提高和电网的扩大，提供标准时间的时钟及时钟基准成为电厂、变电站乃至整个电力系统的迫切需要。全球定位系统（GPS）的出现为实现这些需求提供了可能。1GPS系统简介全球定位系统是由导航卫星测时、测距、定位的导航系统，它由导航卫星、地面控制站和用户接收机组成。此处主要介绍与对时系统有关的GPS接收机的对时接口及其有关部分。GPS对时接口一般有：RS232串口输出、RS485串口输出，非调制IRIG-B输出信号，分脉冲1PPM输出信号，秒脉冲1PPS输出信号等；如还有其它类型的接口，还可以要求生产厂家增加扩展插件，一般有：分脉冲输出板、秒脉冲输出板、BCD码输出板、RS232/RS485输出板、非调制IRIG_B信号输出板、调制IRIG_B信号输出板可供选择、IRIG_B信号输入板等。各输出插件的外形如图1所示。图1GPS基础板背板配线图其中：IRIG1～IRIG4为GPS装置输出的非调制IRIG-B信号；SEC（1、2）_C～SEC（1、2）_E为GPS装置输出的秒脉冲信号，MIN1_C、MIN1_E为分脉冲信号；232TXD1、232GND1等为GPS装置输出的232C串口信号，由于GPS装置只发出而不接收对时信号故没有配置232RXD引脚；485A1、485B1为GPS装置输出的485总线串口信号；其它为GPS装置接收天线和装置电源等接线端。2GPS系统输出信号与外部电路的连接对于由脉冲信号驱动的，输出驱动部分的电源和上拉电阻由被定时设备提供，对于5V工作电源，推荐上拉电阻为2.7K，提供驱动电流1.8mA。同步时刻为光隔输出端饱和时刻，对于分脉冲饱和时段延续200±1ms，其接线图如图2所示（外接24V电源）。图2GPS装置与外围电路的连接对于用IRIG信号进行对时的设备，采用BNC接插件直接进行连接即可，接线时应注意调制信号与非调制信号的区别；用IRIG-B信号进行差分输出连接，其典型接线图如图3所示。图3差分输出连接典型接线图串口信号分485接口和RS232C接口的连接，485接口按照485＋接485＋、485-接485-直接进行连接即可，而232C信号则必须按照232TXD引脚接232RXD、232GND引脚接232GND即可。对于要使用大型发光显示板的场合，如控制室等场合，可配置BCD扩展输出插件，它可并行输出精度为lms的时间信息，BCD扩展输出插件外形如图4所示。图4BCD扩展输出插件外形图它使用DB37(针端)接插件输出每lms更新一次的时钟信息，其各个接线引脚的定义如表1。表1BCD码输出插座接线表信号数位权码P1引脚小时十位1122个位13244586分十位172849个位110211412813秒十位114215416个位117218419820毫秒百位121222423824十位125226427828个位129230431832地GND33备用34、35、36有效373GPS对时系统的构建利用GPS系统建立了统一的时钟系统，其构成方法如下，由于各个厂站的具体情况可能有区别，下面以萍乡发电厂为例进行说明。首选必须根据各个单位需纳入对时系统的设备接口情况购置一套适用的GPS信号接收装置，各单位需纳入对时系统的设备不同，要求GPS装置的接口也不一样，需根据生产现场的实际情况按照需要进行配置。我厂的基本情况是：＃704、＃705机组DCS系统是RS232/RS485接口；220kV母差保护、110kV母差保护、220kV线路保护、110kV五条线路保护的对时接口均是脉冲接口；微机稳定控制装置、220kV故障录波器、110kV故障录波器是脉冲接口；我厂的＃704、＃705机组DCS系统使用配备RS232C接口的对时集线器对其所管辖的设备提供对时信号，故接入DCS的锅炉、汽机等辅机系统可从DCS系统获得标准的时标；我厂的＃704、＃705机发变组保护由于投运时间较早，不具备对时接口，也没有空闲的接口用于对时；其它的保护和自动装置未配置对时接口。根据以上情况，我们购买应用了MOTOROLA生产的全球定位系统模块的GPS系统，其精度可达1μs，其接口配置情况为：2路RS232串口输出、2路RS485串口输出，4路非调制IRIG-B信号，4路分脉冲1PPM信号，2路秒脉冲1PPS信号；为增加GPS装置的可扩展性，我们还增加了一块GPS脉冲板，其背板图如图5所示。图5GPS背板图由于232C串口信号的传输长度有限（约为15米），而我厂GPS安装处距DCS系统服务器的距离较长，为保证对时信号的可靠性，同时增加GPS系统的冗余度，我们使用了两台GPS接收器，分别安装在电气故障录波器和DCS系统服务器室。我厂GPS对时系统配置图如图6所示。图6GPS对时系统配置图＃704、＃705机组DCS系统各操作员站通过DCS服务器通过GPS对时集线器进行对时，通过对时集线器获得标准时钟，从而使我厂DCS系统的各个组件的时钟同步，而DCS服务器则通过RS232接口与GPS接收装置连接，从而获得精确度高达1μs的标准时间。通过以上手段，我厂整个DCS系统控制的锅炉、汽机等辅机及其它的电气辅助设备在发生变位或异常时，DCS系统记录的事件时间与标准时钟达到了一致，做到事件记录的时刻及不同专业间时间基准的同步，保证了故障分析和对运行中出现的异常事件进行分析时，不同专业中的不同设备上的模拟量和开关量有统一的时间基准，保证了分析的可靠性和有效性，方便了对机组运行出现各种事件的追溯。4运行维护中的注意事项为保证GPS系统的功能、精度和效率，应做好日常的保养和维护工作，应定时对GPS对时系统各个部件进行检查，首选应检查GPD装置显示面板上的天线信号是否正常，再检查显示面板上锁定的卫星数量（一般应为3个左右），以上两项正常后再用显示面板上所显示的时间与各个对时设备上所显示或打印的时间进行比对，以确认对时系统内所有参与对时的设备的对时单元工作正常，定时对系统内的各个部件进行巡检以保证整个系统的可靠性。我厂的GPS对时系统自组建以来已经正常运行三年有余，它不但有效地减少了检修和运行人员的工作量，还使我厂极大多数的运行设备有了统一、标准的时间基准，方便了对运行中出现的各种事件的分析和追溯，为我厂向更高管理层次迈进提供了技术保障。在变电站中，各类自动化及继电保护装置的时间同步是进行事故分析的基准，计算机监控系统、故障录波器和微机保护装置都需要由统一的时钟源向它们提供标准时间。国内变电站主要以GPS时间信号作为主时钟的外部时间基准。3种对时方式：硬对时（分对时或秒对时）、软对时（即由通讯报文来对时）和编码对时（应用广泛的IRIG-B对时）。软对时是以通讯报文的方式实现的，这个时间是包括年、月、日、时、分、秒、毫秒在内的完整时间，监控系统中一般是：总控或远动装置与GPS装置通讯以获得GPS的时间，再以广播报文的方式发送到装置。这种广播的对时一般每隔一段时间广播一次，如南瑞RCS-9698CD是1分钟下发一次。报文对时会受距离限制，如RS-232口传输距离为30m。由于对时报文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。硬对时一般用分对时或秒对时，分对时将秒清零、秒对时将毫秒清零。理论上讲，秒对时精度要高于分对时。分脉冲对时方式是现在国内外微机保护较常采用。在南瑞RCS-900系列微机保护中，可以在“装置参数”中设置为“分对时”还是“秒对时”。若在液晶上有开入量显示，当有0和1的变化，则说明已经对上时了。硬对时按接线方式又可分成差分对时与空接点方式两种。差分是类似于485的电平信号，以总线方式将所有装置挂在上面，GPS装置定时（一般是整秒时）通过两根信号线中A（+）与B（-）的电平变化脉冲向装置发出对时信号。这种对时方式可以节省GPS输出口数、GPS装置与各保护测控装置之间的对时线，还能保证对时的总线同步；如RCS-9000系列装置就是采用差分方式对时。空接点方式是类似于继电器的接点信号，GPS装置对时接点输出与每台保护测控装置对时输入一一对应连接。注意我们说GPS装置以空接点方式输出其实其内部是一个三极管，有方向性，而且不能承受高电压，一般要求是24伏开入，如果用户是要220V的开入要做特殊的处理。编码对时：目前常用的IRIG-B对时，分调制和非调制两种。IRIG-B码实际上也可以看作是一种综合对时方案，因为在其报文中包含了秒、分、小时、日期等时间信息，同时每一帧报文的第一个跳变又对应于整秒，相当于秒脉冲同步信号。为提高精度，变电站中一般采用硬对时和软对时相结合的方式，即装置通过通讯报文获取年月日时分秒信息，同时通过脉冲信号精确到ms、us，对于有编码对时口（如IRIG-B）的装置优先用编码对时。