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淺談GPS時鐘系統在電力系統中的應用

發布時間:2012-06-06 08:35所屬分類:電力瀏覽:1加入收藏

GPS時鐘系統是針對自動化系統中的計算機、控制裝置等進行校時的高科技產品。通過接受GPS衛星發射的低功率無線電信號,將這些信息通過各種接口類型來

  [前言]

  目前,為滿足遠距離輸電的需要,我國電網是以大機組、高壓和超高壓輸電,以高度自動化為主要特征。電網的運行情況瞬息萬變,發生事故后必須掌握實時信息,以便能及時對事故原因、不同專業設備的責任進行分析和判斷,從而可以及時地進行決策處理。

  作為變電站的標準時鐘,我們的基本要求是:有盡可能短的冷、熱啟動時間,配有后備電池,有高精度、可靈活配置的時鐘輸出信號。以保證自動化信息傳輸、繼電保護及自動裝置的精確對時。

  為了實現各個變電站間設備的時間統一,我們引進了GPS時鐘系統針對各站自動化系統中的計算機、控制裝置等進行校時。

  一、GPS裝置各主要作用及組成

  1. GPS時鐘系統是針對自動化系統中的計算機、控制裝置等進行校時的高科技產品。通過接受GPS衛星發射的低功率無線電信號,將這些信息通過各種接口類型來傳輸給自動化系統中需要時間信息的設備(計算機、保護裝置、故障錄波器、事件順序記錄裝置、安全自動裝置、遠動RTU),這樣就可以達到整個系統的時間同步。

  2. GPS時鐘系統主要組成部分:

  2.1. GPS信號接收器: 是專用接收GPS衛星信號的集成電路模塊,輸出時間精度為1微秒的1PPS脈沖,并通過RS232串行口輸出國際標準時間、日期和接收器所處地理位置(經緯度)等信息。

  2.2. 同步脈沖發生電路: 輸出秒(1PPS)、分鐘(1PPM)、小時(1PPH)同步脈沖信號。

  2.3. 中心處理單元: 對整個系統進行監控。接收GPS衛星信號接收模塊發送的國際標準時間信息及秒同步信息,換算成當地時間送LED數碼顯示器顯示,并按一定的格式經串行口輸出,供繼電保護和自動裝置使用。

  二、繼電保護和自動裝置的精確對時必要性。

  1. 異常或事故分析的精確對時需要:正常運行時,保護裝置會實時監測電流、電壓等信息。電力系統出現異常或事故時,保護裝置動作,故障錄波裝置錄制相關波形。對這些信息及波形的分析,必須以同一的時間為基準,否則就不能對事故發生的原因、各種保護及自動裝置動作行為、先后順序以及事故的演變和發展過程做出正確的判斷。

  2. 高壓線路光纖保護的調試準確定時需要:高壓線路縱聯電流差動保護是比較線路兩側的電流量,將電信號變為光信號進行傳輸的。保護裝置經交流采樣、模數變換后,保護CPU單元對信號進行濾波處理,并將濾波后的電流數字量傳送給通信CPU單元,同時保護CPU單元也將接收通信CPU經同步調整后的對側電流數字量,并與本側電流數字量進行比較判斷決定是否發出口命令。保護調試需要在線路兩側的保護上同時加故障量,以真實地模擬線路發生區內或區外故障時保護的動作行為。在線路兩側同時加故障量,靠一般的時鐘是辦不到的,這是因為一般時鐘的工作精度是秒級,而作為快速保護的光纖縱聯保護其工作時間是毫秒級,由一般時鐘造成的誤差,無法保證兩側所加故障量的同時性。而采用具有GPS準確定時功能由PC機控制的繼電保護試驗裝置來保證兩側所加故障量的同時性,其時間誤差是微秒級的,可以滿足同時加故障量的要求。

  3. 計算網絡電能損耗的精確對時需要:只有同一時間測量、采集處于不同位置的同一線路受進與送出的電能,才能準確計算出某元件的電能損耗,以實現電力輸送能量損耗為最小的原則。

  4. 檢測功率平衡和控制潮流的精確對時需要:由于電力系統的發、供、用是同時完成的統一體,測錄電網各相關部位同一時間的電壓、電流、功角和輸送的功率就十分重要,這些信息是調度人員進行電力調度的依據,也是維持高質量電能的監控基礎。而計算同一時間的數據則需要各個節點的時間統一才能實現。

  5. 穩定控制裝置的精確對時需要:穩定控制裝置會在系統故障切除后頻率、電壓均異常情況下,判斷低頻低壓或高頻高壓事故,快速采取就地低頻低壓減載或高頻高壓切機的控制措施,保障系統安全穩定運行提供保障,故對時間精度要求較高。常用的穩定控制裝置要求設置高精度的時鐘芯片,并配置有GPS硬件對時回路,便于全系統時鐘同步配備高速以太網絡通信接口。

  目前,我國電力系統繼電保護精確對時,都是以美國GPS定位系統為時間基準,選用進口GPS接收機部件,經二次開發研制成標準時間同步鐘,自動選擇最佳星座進行定位、定時,經過設備的硬件及軟件處理轉換為北京時間輸出,使在我國任何地方使用,其時間誤差小于1μs,完全可以滿足目前電力系統精確對時的需要。

  三、GPS應用中出現的問題及處理:

  1. 某220kV變電站值班人員發現一臺主變RCS系列保護裝置GPS時鐘錯誤,同時保護裝置通訊中斷。經繼保工作人員檢查后發現,裝置參數整定值中,103規約類型整定為1(當采用EC60870-5-103規約時置0,采用LFP規約置1)。由于裝置參數一般在驗收時由廠家整定,之后基本不再更改。分析原因時,工作人員判斷可能由外施工單位人員工作時誤整定,但日常維護、定檢過程中工作人員核對定值時可能會忽略裝置參數。同時,當采用分脈沖對時時,分脈沖對時定值置為“1”,秒脈沖對時時置“0”,如采用IRIGB碼對時方式,此定值不必整定。工作人員對GPS對時系統的不熟悉,也有可能影響對時的精確。所以,在驗收過程中、日常維護、保護定檢過程中均要對裝置參數進行認真核對,并對裝置對時方式進行檢查及記錄。以杜絕此類問題。

  2. 2010年3月,220kV莆心變電站反映全站裝置對時錯誤,表現為日期的天數多了一天。繼保工作人員檢查發現該變電站采用的是Model 3650-140A GPS,與廠家取得聯系后,對故障原因進行了分析。根據日期發生改變的原因,時間跳變發生在2月28日24:00或3月1日0:00,繼保工作人員檢查了在2月28日至今為止期間,所有使用GPS對時的設備的告警情況,著重點在于使用IRIG-B碼和串口報文對時方式的設備(PPM/PPS/PPH對時方式沒有包含時間信息,應不會產生影響)。分析設備告警沒有因為日期發生改變引起。故溝通后,由芯片生產廠家YITAN對3650-140A的固件程序進行了升級并完成測試,并根據新的固件程序版本升級了3650-140A的EPROM 芯片,用于3650-140A GPS設備的更換,設備恢復正常運行。

  四、結論

  隨著電網的不斷發展,電力系統對保護裝置對時系統的要求更加精確。GPS技術的開發、推廣和應用,成功地解決了由于電力系統發展而帶來的高壓網絡中,繼電保護和自動裝置的精確對時問題,而且實現了一個站內的多套繼電保護和自動裝置共享一臺GPS資源,做到了投資省、對時方式靈活、對時準確,為電力系統的裝置調試、事故分析、監控繼電保護和自動裝置的動作行為、電能損耗計算、電量平衡、負荷管理、穩定控制等提供了有力的幫助,必將大大地推動電力系統的繼電保護和自動化技術的發展。有利于減少GPS時鐘的接口數量和電纜數量,也使運行維護更為簡單方便。從不斷出現的問題,也反映出必須加強現場工作人員對GPS對時系統的認識,從根本上防止影響GPS對時系統的精確。

  在本文的編寫過程中,得到了多位同事的幫助。在此,對提供各種資料、數據等的張建華、熊偉標同事表示感謝。周凱峰、王映雯等對本文的修改提供了寶貴意見,謹此致謝。

  參 考 文 獻

  1、 《接收GPS衛星信號的電力系統同步時鐘》 電力系統自動化 1995年3月 徐丙垠 李桂義 冀有黨等

  2、《差分GPS與廣域GPS增強 共同走向科學——百名院士科教系列報告集》 魏子卿

  3、《GPS—1標準時間同步鐘及其在電力系統中的應用》 江蘇電機工程 1996.12 王支 唐翔 張永號

  4、 《全球衛星定位系統(GPS)在高頻保護試驗中的應用研究》 貴州電力技術第2卷 1999.6 謝百明 任勇 康鵬


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