GPS校時器(ntp時鐘服務器)

GPS校時器(ntp時鐘服務器)

GPS校時器(ntp時鐘服務器)

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

　　電力系統(tǒng)時鐘同步系統(tǒng)是利用全球定位系統(tǒng)GPS時鐘對電廠、變電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)、測控裝置、線路微機保護裝置、故障錄波裝置、電能量計費系統(tǒng)等進行統(tǒng)一對時，實現(xiàn)整個電廠、變電站的時鐘完全統(tǒng)一。全網(wǎng)時鐘不同步會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、某些工作站死機甚至系統(tǒng)癱瘓[1]。因此，時鐘同步是影響電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和可靠性的重要因素之一。 

1.1 GPS對時 

　　GPS是美國于1993年全面建成并運行的新一代衛(wèi)星導航、定位和對時系統(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）組成。GPS對時是利用GPS衛(wèi)星搭載的高精度原子鐘，產(chǎn)生基準信號和時間標準，提供覆蓋全球的時間服務，其授時精度高達20億分之一秒。電力系統(tǒng)主要是利用GPS精確對時的特點。GPS接收器在任意時刻能同時接收其視野范圍內(nèi)4-8顆衛(wèi)星信號，其內(nèi)部硬件電路和處理軟件對接收到的信號進行解碼和處理，從中提取并輸出兩種時間信號：（1）時間間隔為1s的脈沖信號PPS，其脈沖前沿與國際標準時間（格林威治時間）的同步誤差不超過1μs；（2）經(jīng)串行口輸出的與PPS脈沖前沿對應的國際標準時間和日期代碼。若以PPS信號作為標準時鐘源去同步電網(wǎng)內(nèi)運行的各個時鐘，則能保證各廠站時鐘的高精確度同步運行[2]。  

1.2 時鐘同步原理 

　　現(xiàn)代電力系統(tǒng)安裝了各種自動化設備，如測控裝置，RTU，故障錄波器，微機保護裝置，分時電能表等，這些自動化設備內(nèi)部都有實時時鐘。實時時鐘實際上都是電子鐘。電子鐘不可避免的會有誤差：（1）初始值設置不準確；（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。隨著時間的推移，累積誤差會越來越大。所以需要對電子鐘進行定時校準。其原理就像我們?nèi)粘Ｐκ直淼姆绞揭粯樱粢欢〞r間間隔根據(jù)某時間基準信號設置一次。這個實現(xiàn)時鐘自動校對的過程稱為時鐘同步。目前，利用GPS衛(wèi)星取得時間基準信號，是一種方便，經(jīng)濟的手段。GPS時鐘接收GPS衛(wèi)星的精確時間信號作為時間基準信號，并轉(zhuǎn)換成各種自動化設備需要的時間信號輸出，實現(xiàn)各個自動化設備的時間統(tǒng)一。 

2、 集控站時鐘同步系統(tǒng) 

　　集控站自動化系統(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時間，然后通過通信通道與各變電站監(jiān)控系統(tǒng)進行對時，確保集控站全網(wǎng)范圍內(nèi)時間統(tǒng)一。實現(xiàn)全網(wǎng)時鐘同步一般分三步： 

　?。?）集控站內(nèi)各操作員站、前置機、服務器對時。 
　?。?）集控站前置機下發(fā)對時報文與各變電站監(jiān)控系統(tǒng)對時。 
　?。?）變電站監(jiān)控系統(tǒng)與各間隔保護、測控等裝置對時。 

2.1 集控站內(nèi)對時 

　　集控站內(nèi)各操作員站、前置機、服務器對時，是保證數(shù)據(jù)發(fā)生增加、更改、刪除等操作時全網(wǎng)的一致性和完整性。數(shù)據(jù)的不一致和殘缺會造成主備系統(tǒng)切換或歷史數(shù)據(jù)存儲時，不能正確識別數(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，甚至會導致系統(tǒng)的癱瘓[3]。操作員站、前置機和服務器的石英晶體振蕩芯片長時間運行后，會出現(xiàn)時鐘不準問題，因而需采取相應的對時方式來實現(xiàn)集控站的時鐘同步。如圖2所示：操作員站、歷史服務器、SCADA服務器、前置機分別接入A網(wǎng)和B網(wǎng)。GPS時鐘輸出的時間信號直接接入A網(wǎng)和B網(wǎng)，通過網(wǎng)絡廣播對時命令與各個服務器對時從而實現(xiàn)集控站內(nèi)時鐘同步。 

2.2 變電站內(nèi)對時 

　　變電站內(nèi)時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)的前置機和GPS對時后，會有一個精確的時間。前置機按一定周期對各個變電站發(fā)送對時報文，使各個變電站監(jiān)控系統(tǒng)與集控站時間一致。監(jiān)控系統(tǒng)通過網(wǎng)絡廣播對時命令，實現(xiàn)與各間隔保護、測控等裝置對時，從而實現(xiàn)與集控站時間同步。這樣就實現(xiàn)了集控站全網(wǎng)范圍內(nèi)所有設備的時間統(tǒng)一。有些變電站已安裝了GPS時鐘裝置。正常情況下，變電站內(nèi)設備通過變電站內(nèi)的GPS時鐘對時。GPS時鐘偶爾也會發(fā)生故障，GPS時鐘故障時，變電站內(nèi)設備根據(jù)集控站下發(fā)的對時報文對時。 

3 、某供電公司集控站時鐘同步系統(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時鐘。110kV綜合自動化變電站大部分都安裝了GPS時鐘；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)對時報文，才能進行時鐘同步。此外，已經(jīng)安裝GPS的變電站，GPS時鐘可能會出現(xiàn)故障。如2007年8月，110kV龍王廟變電站GPS時鐘損壞，保護動作時間不一致，無法分清事件的先后順序，給運行人員造成很大的困擾。2008年3月，220kV金銀灘變電站GPS時鐘損壞，站內(nèi)各測控裝置時間不同步。在GPS時鐘損壞期間，同樣需要依靠集控站下發(fā)對時報文進行時鐘同步。所以集控站時鐘精確與否，意義十分重大。

4、 集控站時鐘同步系統(tǒng)設計 

　　GPS天線收不到信號或損壞將嚴重影響GPS時鐘的準確性。 為了提高時間基準信號的準確性，我們把原來的GPS時鐘同步系統(tǒng)作了改進。