gps北斗雙星衛(wèi)星同步時(shí)鐘

gps北斗雙星衛(wèi)星同步時(shí)鐘

近年來，隨著電網(wǎng)運(yùn)行水平的提高，大部分變電站采用綜合自動化方案，遠(yuǎn)方集中控制、操作，既提高了勞動生產(chǎn)率，又減少了人為誤操作的可能。采用變電站自動化技術(shù)是變電站計(jì)算機(jī)應(yīng)用的方向，也是電網(wǎng)發(fā)展的趨勢。由于自動化系統(tǒng)（設(shè)備）內(nèi)部的實(shí)時(shí)時(shí)鐘的工作建立在脈沖計(jì)數(shù)的原理上，因而，自動化系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)間同步要求是變電站自動化系統(tǒng)的醉基本要求。目前山西電網(wǎng)已經(jīng)建立了同步時(shí)鐘系統(tǒng)，并預(yù)留了同步時(shí)間接口，為全省的通信設(shè)備提供同步信號（頻率），如果能夠利用該系統(tǒng)為全網(wǎng)提供時(shí)間同步信號，將會大大提高全網(wǎng)的可靠性，并帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。

1、 電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的必要性

隨著時(shí)代的進(jìn)步，電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，人們對電網(wǎng)的穩(wěn)定、安全、高效提出了更高的要求。而作為電網(wǎng)基本單位的變電站、發(fā)電廠和調(diào)度所內(nèi)部均有眾多的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、保護(hù)裝置、故障錄波器、故障信息管理系統(tǒng)、安全自動裝置、遠(yuǎn)動RTU、DCS系統(tǒng)及能量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)等自動化設(shè)備，其中大部分設(shè)備的運(yùn)行變量可謂瞬息萬變，對時(shí)間精度要求很高，如果設(shè)備之間沒有同步到高精度的時(shí)間基準(zhǔn)，大家各自為政，就不能保證實(shí)時(shí)系統(tǒng)等重要信息的準(zhǔn)確性。另外，各管理監(jiān)控裝置對時(shí)間同步的精度要求應(yīng)與所連接的自動化裝置保持同一水平，以便于故障的分析、定位，鑒定不同專頁設(shè)備的責(zé)任。例如通過故障錄波、保護(hù)信息管理系統(tǒng)等設(shè)備記錄事件的時(shí)間、事件發(fā)生的先后次序等，對事故進(jìn)行分析。這對于查找事故的原因、分析事故發(fā)生過程，從而減少事故隱患有著至關(guān)重要的作用，同時(shí)也利于明確責(zé)任，加強(qiáng)管理。在通信信息網(wǎng)絡(luò)中，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)安全日益顯得重要，口令保護(hù)、加密、電子認(rèn)證等安全措施越來越多，而許多安全措施也都需要時(shí)間同步信號。

另外，隨著GPS系統(tǒng)的全面民用化，國內(nèi)外在基于GPS的同步相量測量單元（PMU）方面已經(jīng)開展研究，尤其在硬件性能方面取得了很大進(jìn)展，已經(jīng)開始裝備于電力系統(tǒng)。這些裝置可以直接測量節(jié)點(diǎn)電壓的幅值和相角，并經(jīng)由通信傳輸網(wǎng)絡(luò)傳到調(diào)度中心，以對電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動態(tài)過程進(jìn)行檢測和分析。相量測量裝置是電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動態(tài)檢測系統(tǒng)的基本核心組成部分，必須具備高穩(wěn)定性、高度，而這些設(shè)備的應(yīng)用都離不開高精度的時(shí)間。例如行波測距裝置、功角測量裝置等的正常運(yùn)行都必須建立在高精度的同步時(shí)間基礎(chǔ)上。

電網(wǎng)中的時(shí)間因素越來越重要，只有建立完善的時(shí)間同步機(jī)制，才能保證電網(wǎng)的可靠、高質(zhì)運(yùn)行。

2、 電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的重要性

以往的變電站、電廠內(nèi)的絕大部分設(shè)備所使用的時(shí)間都是由設(shè)備內(nèi)部時(shí)鐘提供的，由于設(shè)備內(nèi)部時(shí)鐘的質(zhì)量差異，工作一段時(shí)間后，會導(dǎo)致各設(shè)備的時(shí)間出現(xiàn)較大偏差。在目前新近投產(chǎn)的變電站、電廠中一般在站內(nèi)配置一套小型的同步系統(tǒng)，接收統(tǒng)一的GPS時(shí)間信號作為統(tǒng)一的信號源，然后傳到站內(nèi)各設(shè)備，我們稱之為“局部同步”。

隨著電網(wǎng)的日趨復(fù)雜，我們不能僅僅局限于站內(nèi)、廠內(nèi)的局部同步，也就是說不能僅保證站內(nèi)各設(shè)備的時(shí)間統(tǒng)一，而應(yīng)在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，做到全地區(qū)、全省范圍內(nèi)所有站、所有設(shè)備的時(shí)間完全一致。因?yàn)殡娋W(wǎng)是一個(gè)整體，站與站之間的同步、監(jiān)控、調(diào)度遠(yuǎn)比站內(nèi)的同步更重要。山西電網(wǎng)將逐步形成以大機(jī)組、高壓輸電、自動化控制為特征的現(xiàn)代化電網(wǎng)，運(yùn)行實(shí)現(xiàn)分層控制，設(shè)備的運(yùn)行要靠遠(yuǎn)方調(diào)度中心來指揮，而電網(wǎng)的運(yùn)行可謂瞬息萬變，發(fā)生事故后更需要掌握實(shí)時(shí)信息，以便及時(shí)決策處理，各種以計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)為基礎(chǔ)的自動化裝置都需要統(tǒng)一的時(shí)間，這些都離不開整個(gè)系統(tǒng)的統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)。

整個(gè)電網(wǎng)的時(shí)間統(tǒng)一性是不容忽視的，時(shí)間如同電網(wǎng)的命脈，它在快速準(zhǔn)確分析電網(wǎng)的故障、支持電網(wǎng)自動化系統(tǒng)及市場運(yùn)作、支持保護(hù)故障管理系統(tǒng)、支持安全穩(wěn)定控制裝置系統(tǒng)等方面都起著極為重要的作用。

3、山西電網(wǎng)同步時(shí)鐘系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

山西電網(wǎng)已于2003年建設(shè)了一套覆蓋全省的同步時(shí)鐘系統(tǒng)，全部采用美國 Symmetricom 公司的高精度、高可靠和穩(wěn)定性同步產(chǎn)品，為整個(gè)山西電網(wǎng)通信設(shè)備提供（頻率）同步信號。

山西省數(shù)字同步網(wǎng)由時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)設(shè)備和同步時(shí)鐘鏈路組成，時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)設(shè)備包括區(qū)域基準(zhǔn)時(shí)鐘（LPR）、同步供給單元（SSU）。LPR提供全數(shù)字同步網(wǎng)的同步基準(zhǔn)頻率，SSU是數(shù)字同步網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)從鐘，具有頻率基準(zhǔn)選擇、處理和定時(shí)分配的功能。每個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘控制的同步網(wǎng)內(nèi)的同步方法采用等級主從同步，同步網(wǎng)內(nèi)各同步節(jié)點(diǎn)之間是主從關(guān)系，每個(gè)同步網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)都賦予一個(gè)等級地位，只容許某一等級的節(jié)點(diǎn)向較低等級或同等級的節(jié)點(diǎn)傳送定時(shí)基準(zhǔn)信號達(dá)到同步。在省公司設(shè)置了LPR（雙GPS），另外在各地區(qū)設(shè)置了單GPS系統(tǒng)，通過SDH電路的STM—N將省公司LPR時(shí)鐘傳至各地區(qū)的SSU，正常情況下，所有SSU都跟蹤于省公司LPR，各地區(qū)的GPS作為備用，當(dāng)GPS信號消失時(shí)，接收來自上級地面?zhèn)鱽淼臅r(shí)鐘信號。而且在建設(shè)同步時(shí)鐘網(wǎng)時(shí)，已經(jīng)預(yù)留了同步時(shí)間接口，格式為IRIG—B。

目前，大部分變電站內(nèi)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、微機(jī)保護(hù)裝置、故障錄波器、事件記錄儀、安全自動裝置、遠(yuǎn)動RTU及能量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)等自動化設(shè)備大都預(yù)留了通用的時(shí)間接口。但是，實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備時(shí)間同步的方式還主要是依靠許許多多分散的低端GPS接收機(jī)?？梢哉f，一些設(shè)備雖然具有時(shí)間接口，但根本還未接入時(shí)間信號；已經(jīng)接入時(shí)間信號的，還沒有真正實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。

在一些新設(shè)計(jì)的變電站中，采用了“局部同步”的方式，即在變電站設(shè)置一臺GPS接收機(jī)及時(shí)鐘分配單元，為站內(nèi)各種設(shè)備提供時(shí)間信號，這種方式較原先那種采用許多分散的GPS接收機(jī)的方案有所改進(jìn)，但仍然存在諸多不足之處，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

一是GPS接收機(jī)的品質(zhì)性能欠缺。GPS主時(shí)鐘是全站時(shí)間同步系統(tǒng)的核心裝置，可靠性是對它的醉主要要求，而多數(shù)變電站內(nèi)的GPS接收機(jī)均為單GPS系統(tǒng)（非1＋1冗余），設(shè)備投資較低，帶來的問題就是性能較差。另一方面，保持性能又是可靠性的醉主要的表現(xiàn)。保持性能，是指在特殊條件下（如饋線被老鼠咬斷、惡劣天氣等）或戰(zhàn)爭或政治原因，無法收到美國的GPS衛(wèi)星信號，主時(shí)鐘依靠系統(tǒng)內(nèi)部晶體振蕩器或原子鐘，仍然可以保持高精度的時(shí)間輸出。振蕩器不同，GPS主時(shí)鐘的保持性能就會有明顯的不同。目前，變電站內(nèi)配置的同步系統(tǒng)中一般為內(nèi)置的振蕩器（或沒有），時(shí)鐘的保持性能較差。

二是并未形成“網(wǎng)同步”。目前，變電站的同步僅為“局部同步”，并未實(shí)現(xiàn)真正的同步。電力時(shí)間同步是一個(gè)系統(tǒng)工程，它不僅僅是各個(gè)變電站內(nèi)保護(hù)、控制、錄波等裝置的時(shí)間統(tǒng)一，更重要的是要做到全地區(qū)、全省范圍內(nèi)所有設(shè)備的時(shí)間都完全一致。為避免突發(fā)事件下局部GPS時(shí)鐘信號受到干擾而影響電力生產(chǎn)的安全，必須建立切實(shí)可行的地面?zhèn)鬏旀溌罚凑铡爸鲝耐健钡脑瓌t，規(guī)劃整個(gè)同步網(wǎng)。

4、同步網(wǎng)綜合應(yīng)用解決方案

4.1時(shí)間信號的鏈路傳輸方式

時(shí)鐘系統(tǒng)的組網(wǎng)方式可采用以下兩種方式：（1）采用64 kb透明傳輸通道：就山西電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)條件，可以利用SDH的64 kb通道將位于省公司或地調(diào)的時(shí)間信號傳至各電廠、變電站。由于64 kb通道誤碼率很小（小于10－6），且不需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議封裝，也不需進(jìn)行分組交換式的存儲轉(zhuǎn)發(fā)，因此網(wǎng)絡(luò)時(shí)延很短，能夠獲得更高的時(shí)間精度。就山西時(shí)鐘同步網(wǎng)而言，可利用已有時(shí)鐘設(shè)備的IRIG—B碼接口，采用64 kb通道將時(shí)間信號傳至各廠、站。（2）采用IP網(wǎng)組網(wǎng)方式：時(shí)間信號可以采用NTP協(xié)議，通過IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，利用NTP協(xié)議通過IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對時(shí)已成為趨勢，NTP可以獲得并且分發(fā)時(shí)間，用復(fù)雜的計(jì)算增強(qiáng)時(shí)間的準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確度低于毫秒級的服務(wù)。山西電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)已經(jīng)建立，覆蓋了所有220 kV及以上的變電站、主要電廠及省地調(diào)。且每個(gè)點(diǎn)都通過兩個(gè)不同的設(shè)備、路徑進(jìn)行了組網(wǎng)，因此可利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源、現(xiàn)有時(shí)鐘設(shè)備通過NTP協(xié)議對全網(wǎng)各個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行授時(shí)。

4.2 時(shí)延的補(bǔ)償

無論采取何種傳輸方式，由于傳輸設(shè)備的固有傳輸時(shí)延以及干擾、損耗等因素，都會產(chǎn)生不同程度的時(shí)間延遲，但都可通過時(shí)延補(bǔ)償技術(shù)來解決這一問題。對于64 kb通道傳輸方式：可根據(jù)固定的傳輸距離、固定的傳輸電路，用標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間作基準(zhǔn)，測量出因傳輸帶來的時(shí)延，然后在設(shè)備上預(yù)先設(shè)置好補(bǔ)償值，由于傳輸網(wǎng)的傳輸通道相對是固定的，因此在運(yùn)行中可以一直采用該值進(jìn)行補(bǔ)償，即所謂的固定補(bǔ)償方式。對于IP網(wǎng)組網(wǎng)方式：可以傳送網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP或簡單網(wǎng)絡(luò)協(xié)議SNTP，這種協(xié)議能夠通過算法取得網(wǎng)絡(luò)阻塞引起的時(shí)間延遲以及設(shè)備造成的時(shí)延，并進(jìn)行補(bǔ)償。由于IP網(wǎng)絡(luò)的阻塞是動態(tài)的，因此NTP的算法也是動態(tài)的，可以適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)，即所謂的動態(tài)補(bǔ)償。

4.3 網(wǎng)同步實(shí)施方案

本方案將充分利用已建的同步時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)及豐富的傳輸網(wǎng)絡(luò)資源，組建一個(gè)服務(wù)于整個(gè)山西電網(wǎng)的、可靠的時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)。首先，利用省公司的同步時(shí)鐘設(shè)備作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘基準(zhǔn)（即一級主時(shí)鐘），利用各地區(qū)的現(xiàn)有時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)設(shè)備作為本地區(qū)二級時(shí)鐘，在各變電站設(shè)置三級時(shí)鐘設(shè)備，變電站的時(shí)鐘設(shè)備接收一、二級時(shí)鐘地面?zhèn)鱽淼臅r(shí)間信號，同時(shí)配置晶體振蕩器提供保持性能。一級主時(shí)鐘利用IRIG—B接口通過64 kb鏈路傳輸至各站的三級時(shí)鐘設(shè)備，作為主用時(shí)鐘，為站內(nèi)設(shè)備提供時(shí)間信號； 二級時(shí)鐘設(shè)備利用NTP協(xié)議，通過IP網(wǎng)絡(luò)給三級時(shí)鐘設(shè)備提供時(shí)間信號，作為備用時(shí)鐘，在主、備用時(shí)鐘消失情況下，三級時(shí)鐘同時(shí)具備良好的保持性能，見圖1。只有這樣，網(wǎng)內(nèi)所有設(shè)備都跟蹤于省公司的同一套時(shí)鐘設(shè)備，才算是真正的網(wǎng)同步，而且，通過兩種不同的技術(shù)、不同的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)，使得整個(gè)同步系統(tǒng)具有很高的可靠性和靈活性。

5、結(jié)語

目前，山西同步時(shí)鐘系統(tǒng)已經(jīng)建設(shè)（現(xiàn)僅用于頻率同步），覆蓋全省各主要站點(diǎn)的IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)也已建成，SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)已成規(guī)模，而且時(shí)間信號組網(wǎng)技術(shù)、時(shí)延調(diào)整技術(shù)以及設(shè)備本身均已成熟，組建一個(gè)用于頻率、時(shí)間的綜合同步時(shí)鐘系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)真正的網(wǎng)同步可以說已經(jīng)萬事俱備。