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摘要：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。
关键词：GPS时钟系统变电站对时
Abstract: electric power system clock synchronization systems is to use global positioning system GPS clock to the power plant and substation computer monitoring system, the measurement device, microcomputer protection device, fault line wave record device, electric energy billing system etc undertake unity prevailed, realize the whole power plant, the transformer substation clock complete reunification.
Keywords: GPS clock system prevailed transformer substation
中圖分类号：P228.4文献标识码：A 文章编号：
1 、电力系统时钟同步系统概述
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。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。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。
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、电力系统时钟同步系统作用
1.相位测量。电力系统中的电压和电流波形基本上是正弦波，频率、幅值和相角弦波的三个要素，在同一电力系统中，频率是相同的，幅值也很容易测量，但相角测量确是一个未解的难题。相角测量的主要困难是同一电力系统中各个电站的母线电压和线路电流的相角必需是相对于同一个时间标准，传统的定时方式误差在1ms以上，对于频率为50Hz的系统来说，1ms就相差18°，很明显这是不能接受的，利用GPS高精度的定时为相角测量提供了解决方案。GT－GPS25X装置内的时钟每秒钟通过GPS接收机同步一次，一秒钟间隔内由装置内部的高稳定度晶振产生，这样安装在电力系统内不同电站的GT－GPS25X采样时间误差在几个微秒之内，对应的相角误差不超过0.1°，可以满足相角测量的要求。2.故障测距。在电力系统中，输电线路经常发生各种故障，由于线路很长，并且很多线路地形复杂，寻找故障地点就非常费时费力费钱。传统的故障测距方法利用电压除以电流得到阻抗，然后根据线路参数估计故障距离，由于线路故障大多非金属短接，过渡阻抗无法确定，因此误差很大。GPS应用输电线路发生故障时，故障点将产生线路两端以光速运行的行波，若能在同一时间基准下记录两端首次接受到的行波浪涌的时刻。则能容易的确定故障点的位置，这就是行波测距原理。由于行波的传播速度为3×105km/s，因而时间的精度要求甚高(1μs的时间即可产生150m的测距误差)，若能利用GPS提供的1μs的时间基准记录行波到达两端的时刻，则能实现高精度的时间测距。图中时间信息通道用来交换两端记录下的时间信息。以便计算故障点。3.雷电监测系统。雷电破坏是电力系统故障的主要因素。尽管雷电是一种随机的自然现象，但是可以通过多年的监测，得到雷电活动的统计规律，这对电力系统规划和设计，减少雷害损失有着重要的意义。雷电监测系统由中心主站和分布在不同位置的基站组成，雷闪时产生电磁波往空间的各个方向传播，各个基站测量接收到电磁波的时间和电磁波的幅值，并传送达中心主站，中心主站根据这些信息就可以计算出，雷闪的位置及雷电流的大小。与故障测距一样，雷电监测的精度主要依赖于时间的精度，GPS的使用就是为了保证各个基站和中心主站有一个共同的时间标准。4.继电保护。GPS在继电保护中的用途有两个:线路差动保护和保护联合调试。电流差动保护原理就是基尔霍夫电流定理:同一时刻流入某个节点或广义节点的电流的代数和为零。差动保护由于其简单、可靠和快速等特点，已经作为主保护广泛应用的母线、变压器和发电机等设备上，但是用在长距离的输电线路就比较困难，问题就在于“同一时刻”上，传统的定时方式很难保证线路两端设备采样时间的统一，GPS的出现为线路差动保护的发展和应用带来了新的契机。带有通道的输电线路纵联保护在超高压输电线路中有着重要的意义。这些保护试验时，为了分析保护的效果，记录下来的两端的电压电流波形就必须有一个共同的时间标准，以保证试验的同步性。
3.GPS卫星时钟同步系统的简介及工作原理
GPS卫星时钟同步系统利用RS232接口接收GPS卫星传来的信号，然后经主CPU中央处理单元的规约转换、当地时间转换成满足各种要求的接口标（RS232/RS422/RS485等）和时间编码输出（IRIG_B 码，ASCII 码等）。GPS卫星时钟同步系统一般由GPS卫星信号接收部分、CPU部分、输出或扩展部分、电源部分、人机交互模块部分组成GPS时钟同步系统主要有同步脉冲输出、串行时间信息输出和IRIG-B码输出三种对时方式。脉冲同步输出方式，即同步时钟每隔一定的时间间隔输出一个精确的同步脉冲。被授时装置在接收到同步脉冲后进行对时，消除装置内部时钟的走时误差。脉冲同步的缺点是无法直接提供时间信息，被授时装置如果时间源就出错，会一直错误走下去。串行同步输出方式，是将时刻信息以串行数据流的方式输出。各种被授时装置接收每秒一次的串行时间信息获得时间同步，在未接收到广播对时令的这段时间间隔内，装置时钟存在自身走时误差问题，使用串行方式对时比脉冲对时方式复杂，另外在接收过程中，信息处理耗费的时间也会影响对时精度，所以主要用于给事件加上时间标记，如果要提高对时精度，现场应用时还需要再给出秒对时脉冲信号。利用1PPS（秒脉冲）信号的上升沿来实现外部时钟与GPS时钟的同步以及将同步误差抑制在满足系统精度要求范围之内。
IRIG-B码输出方式，IRIG组织发布的用于各系统时间同步的时间码标准,其中应用最广泛的是IRIG-B版本，简称B码。B码以BCD码方式输出，每秒输出一次，内含100个脉冲，输出的时间信息为：秒、分、时，日期顺序排列。B码信号一般有（TTL）电平方式、RS422电平方式、RS232电平方式、调制信号（AM）四种形式。脉冲对时和串行口对时各有优缺点，前者精度高但是无法直接提供时间信息；而后者对时精度比较低，尤其是多小室模式或者监控系统中有多个管理机、多个子系统的时候时间精度受串口通信时延的影响尤为突出。B码对时兼顾了两者的优点，是一种精度很高并且又含有标准的时间信息的对时方式，当变电站的智能设备采用B码对时，就不再需要现场总线的通信报文对时,也不再需要GPS输出大量脉冲接点信号。按技术规范规定凡新投运的需授时变电站自动化系统间隔层设备，原则上应采用IRIG-B码（DC）时钟同步信号。
4 结束语
GPS卫星同步时钟系统在电力系统中广泛应用，它不但能有效地减少检修和运行人员的工作量，还使我们变电站内大多数的运行设备有了统一、标准的时间基准，方便对运行中出现的各种事件的分析和追溯，提高了电力系统的自动化水平。
参考文献：
[1]高厚磊,历吉文,文锋,等.GPS及其在电力系统中的应用[J].电力系统自动化,1995,19(9).[2]申晓留,周长玉,雷琼.全球定位系统(GPS)在电力系统中的应用[J].现代电力,2003,20(6):74-78.[3]张丽伊.GPS卫星时钟同步系统在综自变电站中的应用[J].科技信息,2008,17.[4]熊志昂,李红瑞,赖顺香.GPS技术与工程应用[M].北京:国防工业大学出版社,2005
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：GPS时钟系统变电站对时
Abstract: electric power system clock synchronization systems is to use global positioning system GPS clock to the power plant and substation computer monitoring system, the measurement device, microcomputer protection device, fault line wave record device, electric energy billing system etc undertake unity prevailed, realize the whole power plant, the transformer substation clock complete reunification.
Keywords: GPS clock system prevailed transformer substation
中圖分类号：P228.4文献标识码：A 文章编号：
1 、电力系统时钟同步系统概述
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。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。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。
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、电力系统时钟同步系统作用
1.相位测量。电力系统中的电压和电流波形基本上是正弦波，频率、幅值和相角弦波的三个要素，在同一电力系统中，频率是相同的，幅值也很容易测量，但相角测量确是一个未解的难题。相角测量的主要困难是同一电力系统中各个电站的母线电压和线路电流的相角必需是相对于同一个时间标准，传统的定时方式误差在1ms以上，对于频率为50Hz的系统来说，1ms就相差18°，很明显这是不能接受的，利用GPS高精度的定时为相角测量提供了解决方案。GT－GPS25X装置内的时钟每秒钟通过GPS接收机同步一次，一秒钟间隔内由装置内部的高稳定度晶振产生，这样安装在电力系统内不同电站的GT－GPS25X采样时间误差在几个微秒之内，对应的相角误差不超过0.1°，可以满足相角测量的要求。2.故障测距。在电力系统中，输电线路经常发生各种故障，由于线路很长，并且很多线路地形复杂，寻找故障地点就非常费时费力费钱。传统的故障测距方法利用电压除以电流得到阻抗，然后根据线路参数估计故障距离，由于线路故障大多非金属短接，过渡阻抗无法确定，因此误差很大。GPS应用输电线路发生故障时，故障点将产生线路两端以光速运行的行波，若能在同一时间基准下记录两端首次接受到的行波浪涌的时刻。则能容易的确定故障点的位置，这就是行波测距原理。由于行波的传播速度为3×105km/s，因而时间的精度要求甚高(1μs的时间即可产生150m的测距误差)，若能利用GPS提供的1μs的时间基准记录行波到达两端的时刻，则能实现高精度的时间测距。图中时间信息通道用来交换两端记录下的时间信息。以便计算故障点。3.雷电监测系统。雷电破坏是电力系统故障的主要因素。尽管雷电是一种随机的自然现象，但是可以通过多年的监测，得到雷电活动的统计规律，这对电力系统规划和设计，减少雷害损失有着重要的意义。雷电监测系统由中心主站和分布在不同位置的基站组成，雷闪时产生电磁波往空间的各个方向传播，各个基站测量接收到电磁波的时间和电磁波的幅值，并传送达中心主站，中心主站根据这些信息就可以计算出，雷闪的位置及雷电流的大小。与故障测距一样，雷电监测的精度主要依赖于时间的精度，GPS的使用就是为了保证各个基站和中心主站有一个共同的时间标准。4.继电保护。GPS在继电保护中的用途有两个:线路差动保护和保护联合调试。电流差动保护原理就是基尔霍夫电流定理:同一时刻流入某个节点或广义节点的电流的代数和为零。差动保护由于其简单、可靠和快速等特点，已经作为主保护广泛应用的母线、变压器和发电机等设备上，但是用在长距离的输电线路就比较困难，问题就在于“同一时刻”上，传统的定时方式很难保证线路两端设备采样时间的统一，GPS的出现为线路差动保护的发展和应用带来了新的契机。带有通道的输电线路纵联保护在超高压输电线路中有着重要的意义。这些保护试验时，为了分析保护的效果，记录下来的两端的电压电流波形就必须有一个共同的时间标准，以保证试验的同步性。
3.GPS卫星时钟同步系统的简介及工作原理
GPS卫星时钟同步系统利用RS232接口接收GPS卫星传来的信号，然后经主CPU中央处理单元的规约转换、当地时间转换成满足各种要求的接口标（RS232/RS422/RS485等）和时间编码输出（IRIG_B 码，ASCII 码等）。GPS卫星时钟同步系统一般由GPS卫星信号接收部分、CPU部分、输出或扩展部分、电源部分、人机交互模块部分组成GPS时钟同步系统主要有同步脉冲输出、串行时间信息输出和IRIG-B码输出三种对时方式。脉冲同步输出方式，即同步时钟每隔一定的时间间隔输出一个精确的同步脉冲。被授时装置在接收到同步脉冲后进行对时，消除装置内部时钟的走时误差。脉冲同步的缺点是无法直接提供时间信息，被授时装置如果时间源就出错，会一直错误走下去。串行同步输出方式，是将时刻信息以串行数据流的方式输出。各种被授时装置接收每秒一次的串行时间信息获得时间同步，在未接收到广播对时令的这段时间间隔内，装置时钟存在自身走时误差问题，使用串行方式对时比脉冲对时方式复杂，另外在接收过程中，信息处理耗费的时间也会影响对时精度，所以主要用于给事件加上时间标记，如果要提高对时精度，现场应用时还需要再给出秒对时脉冲信号。利用1PPS（秒脉冲）信号的上升沿来实现外部时钟与GPS时钟的同步以及将同步误差抑制在满足系统精度要求范围之内。
IRIG-B码输出方式，IRIG组织发布的用于各系统时间同步的时间码标准,其中应用最广泛的是IRIG-B版本，简称B码。B码以BCD码方式输出，每秒输出一次，内含100个脉冲，输出的时间信息为：秒、分、时，日期顺序排列。B码信号一般有（TTL）电平方式、RS422电平方式、RS232电平方式、调制信号（AM）四种形式。脉冲对时和串行口对时各有优缺点，前者精度高但是无法直接提供时间信息；而后者对时精度比较低，尤其是多小室模式或者监控系统中有多个管理机、多个子系统的时候时间精度受串口通信时延的影响尤为突出。B码对时兼顾了两者的优点，是一种精度很高并且又含有标准的时间信息的对时方式，当变电站的智能设备采用B码对时，就不再需要现场总线的通信报文对时,也不再需要GPS输出大量脉冲接点信号。按技术规范规定凡新投运的需授时变电站自动化系统间隔层设备，原则上应采用IRIG-B码（DC）时钟同步信号。
4 结束语
GPS卫星同步时钟系统在电力系统中广泛应用，它不但能有效地减少检修和运行人员的工作量，还使我们变电站内大多数的运行设备有了统一、标准的时间基准，方便对运行中出现的各种事件的分析和追溯，提高了电力系统的自动化水平。
参考文献：
[1]高厚磊,历吉文,文锋,等.GPS及其在电力系统中的应用[J].电力系统自动化,1995,19(9).[2]申晓留,周长玉,雷琼.全球定位系统(GPS)在电力系统中的应用[J].现代电力,2003,20(6):74-78.[3]张丽伊.GPS卫星时钟同步系统在综自变电站中的应用[J].科技信息,2008,17.[4]熊志昂,李红瑞,赖顺香.GPS技术与工程应用[M].北京:国防工业大学出版社,2005
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。