摘要：为满足电力系统的监测和调控，以及利用故障录波图对电力系统故障进行分析的需求，需要在变电站广泛应用时间同步系统。同时，新型变电站对供电可靠性提出了更高的要求，更多的设备接入到电力系统中来，为了满足各种设备的对时需求，时间同步系统也做出了相应的升级，即提供时间同步扩展时钟。大大提高了时间同步系统的实用性。时间同步系统经过数年的应用和改良，稳定性、可靠性、实用性得到了极大的提高。
关键词：时间同步系统；卫星同步；GPS
一、变电站时间同步系统的概述
新型的时间同步系统一般是利用卫星同步的方式进行对时，从而有效地确保电力系统时间同步网络的高精度、高可靠性。时间同步系统的特点是，利用高精度的卫星时间作为时间信号源，同时利用严密的程序架构算法处理卫星时间的长稳以及晶振时间的短稳结合。
在此基础上，为了保证授时系统运行的可靠性，时间同步系统还利用多种时间基准互为冗余、电源互为冗余，其中包括：保障同步装置授时准确性的软硬件实时并行处理时标，保障同步装置授时灵活性的模块化数据输出接口。
二、变电站时间同步系统的构成及其作用
时间同步系统的构成包括：1、卫星型同步主时钟装置设备；2、卫星型同步扩展时钟装置设备；3、时间信号传输通道、信道；4、GPS、北斗天线；5、时间信号用户设备接口。
现阶段，随着时代的发展，电子产品、电气设备迭代换新，基本上已覆盖日常生活的方方面面。由此，用户的电力需求不断攀升，对电力系统的可靠性提出了更高的要求。为了更好的监测和调控电力系统，调度人员必须准确地掌握电力系统的每个设备的运行数据，其中时间数据尤为重要。按照设计标准，通常一个变电站均配置两台及以上卫星型同步主时钟装置，互为冗余备用。每一台卫星型同步主时钟装置的时间信号接收模块均各自独立接收时间卫星发送的时间基准信号。如果其中一台卫星型同步主时钟装置的接收单元意外发生故障时，则此时间同步系统将自动切换到另一台卫星型同步主时钟装置的时间信号接收单元接收到的时间基准信号，从而达到时间基准信号互为备用的效果。卫星型同步主时钟装置正常工作时应能同时接收到3个及以上的卫星信号。
当卫星信号与外部时间基准都能同时正常接收到，系统则优先选取卫星信号时间来源，信号稳定后撤销其他时间基准。当卫星信号异常时，系统将按照程序设定搜索接收其他时间基准，选取其他时间基准并优先使用。当卫星信号与其他时间基准均不正常时，装置内部时钟高精度恒温晶振开始工作，使向站内其他装置输出的时间同步信号仍能保持一定的准确度。当其他时间基准信号接收恢复时，系统将按照设定切换至正常状态。根据相关技术要求，同步时间装置在整个基准信号切换过程中，装置时间报文没有错码，脉冲码不出现多发或少发的情况。
卫星同步扩展时钟装置是为了适应现代分布式变电站的要求，可以将卫星同步扩展时钟装置布置在任意地方，方便接入更多的设备到时间同步系统，实现对时功能。卫星同步扩展时钟装置分为：1、脉冲扩展装置；2、时间报文扩展装置；3、B码扩展装置。他们各有各的特点，根据现场实际情况选用。
三、时间同步系统的对时方式
1、硬对时，又被称作脉冲节点。其中主要有秒脉冲信号、分脉冲信号和时脉冲信号。秒脉冲信号（1pps）：每秒一个脉冲；分脉冲信号（1ppm）：每分钟一个脉冲；时脉冲信号（1pph）：每小时一个脉冲。首先，秒脉冲信号是利用GPS输出的1pps方式进行时间同步校准的方式，通过该种方式获得与世界标准时间（UTC）的同步，其脉冲信号的上升沿时间准确度应小于或等于1μS。其次，分脉冲信号是利用GPS输出的1ppm方式进行时间同步校准的方式，通过该种方式获得与世界标准时间（UTC）的同步，其脉冲信号的上升沿时间准确度应小于或等于1μS。
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2、软对时，又被称作串口报文。串口对时的装置时间报文不仅仅包括年、月、日、时、分、秒等，还可以设置为包含客户要求的其他一些特定性质的内容，如接收告警信号、装置所搜集的卫星个数等。串口报文信息的主要格式包括ASCII码、BCD码、十六进制码等。时间报文由时间信息、报头、报尾等其他标志信息的字符串组合而成。若系统选择匹配合适的传输波特率，系统精度可达到毫秒级。实验证明，受物理传输距离常常限制串口对时的准确度，如：串口（RS-232）的有效传输距离仅为30m，串口（RS-422）的有效传输距离仅为150m，若人为增长有可能导致时间延时。
3、编码对时，编码时间信号相对较多。现阶段，我国现在常用的有IRIG和DCF77两种编码对时。IRIG串行时间码现共有6种格式，分别是：A、B、D、E、G、H。其中，现阶段，B码对时应用最为普遍。B码对时分为调制和非调制两种。IRIG-B调制信号输出的帧格式为每秒输出1帧，其中每帧有100个代码，分别包含了秒、分、小时、日期等时间信号。IRIG-B非调制信号是一种常见的标准的TTL电平，受其限制，通常仅能适用于在传输距离短的场合。
四、时间同步系统的应用
根据《广东电网变电站GPS时间同步系统技术规范》和现场实际工作经验，在变电站只搭建一套时间同步系统。时间同步系统由主时钟装置设备、拓展时钟装置设备、时间信号传输信道和通道、时间信号用户设备接口等设备组成。时间同步系统主时钟装置设备安装地方通常在变电站的主控室，其主要部件包括：标准机箱、卫星信号接收模块、卫星信号接收天线、装置电源插件、时间信号输出插件等。通常情况下，在变电站的主控室安装主时钟2套，其通过GPS天线处接收世界标准时间信息，通过装置内部转换拓展模块，扩展出1pps、1ppm、IRIG-B（DC）、串行口等各种满足生产需要和用户需要的时间同步信号，并且转换为时间同步信号电接口，从而满足变电站内不同设备的对时准确度需求。如果出现GPS时间信号失步等意外情况时，时间准确度需由主时钟装置内部的硬件来保持。
五、时间同步系统需要注意的问题
在设计及现场安装过程中，需注意，时间同步系统可靠运行的关键在于，时间同步系统主时钟所配套的GPS天线必须被安装在可以接收到足够灵敏度的对时信号的地方，安装位置务必远离高层建筑物和遮蔽物，尽量选择开阔无遮挡的位置。同时，应尽可能安装在建筑物、构筑物的房顶，但需与建筑物的防雷设施相匹配，尽量不要高出房顶太多，以避免遭受雷击破坏。同时，时间同步系统自身还应设置完善的防雷保护措施，其中包括GPS天线、电源等模块应安装避雷器等。天线电缆长度有30米，50米，100米等三种规格型号，应根据现场实际及设计规范选择合适的规格，以保证对时信号接收模块需要的信号强度。
时间同步系统冷启动时，时间同步系统实时接收的卫星信号应多于或者等于4颗卫星；热启动时，时间同步系统实时接收的卫星信号应多于或者等于1颗卫星。在日常运行中，为确保电网系统的稳定运行以及供电可靠性，时间同步装置平均无故障间隔时间，正常使用条件下应大于或者等于两万五千小时。需注意，在正常运行条件下仅需对运行状态进行简单检查，无须专门安排人员进行专项维护。
不同的对时需求设备对时间同步的准确度要求不尽相同。其中，测控装置和保护装置的时间同步准确度分别为，1ms和5ms。
变电站时间同步系统主时钟装置设备发生故障时需要向外输出对应的故障类型告警信号，例如，装置直流电源消失告警信号、扩展时钟装置失去电源告警信号等。当采用主备冗余配置，还应设置主备运行状态信号，使变电站运行人员更有效地监视时间同步系统的运行工况。
六、结束语
时至今日，时间同步系统在变电站得到广泛的应用，经过多年的应用和不断改善，相关技术也逐渐成熟、稳定、可靠，满足变电站的运行规范要求。即使在最恶劣的情况下，时间同步系统失去外部卫星信号，失去基准时间，也能靠内部时钟高精度恒温晶振守时。可以说，现代时间同步系统的可靠性和稳定性非常高。
论文作者:张雄彬
论文发表刊物:《电力设备》2018年第30期
论文发表时间:2019/3/29
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