GPS卫星对时装置广泛应用与电力系统的对时，电力系统有了统一时钟,就可以通过开关动作的先后次序或所监控电量突变的准确时间及变化顺序来分析事故的原因及过程。因此,利用GPS卫星对时装置实现时钟统一是保证水电站以及电力系统安全运行、提高运行水平的一个重要措施。

1、GPS卫星对时装置概述

近年来,大部分水电站均达到了“无人值班,少人值守”的综合自动化要求,水电站的DCS系统、发电机或变压器微机保护装置、故障录波装置、机组LCU等各微机系统均有各自独立的时钟,但为使各装置记录运行数据及事件时序的统一和便于事故分析,水电站的监控与保护系统需要一个统一的时钟基准,特别是故障录波装置、电气设备和线路保护装置尤为重要。

GPS卫星对时装置是利用全球定位系统卫星发送的UTC(协调世界时)信号,为各种自动化装置用户提供全球统一同步准确的时钟信号源。

2、GPS卫星对时装置对时原理

GPS由导航卫星、地面监控系统和用户接收机三大部分组成。导航卫星是运行在距地面20183km处分布在6个互成60°的轨道面上的24颗卫星(21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星,确保地平线以上能观测到4颗以上的卫星),卫星上装有日稳定度为10-13的精密原子钟。卫星正常工作时用双频1575.42MHz、1227.60MHz(采用双频是为校正电离层产生的附加延时)以50bps速度连续发送导航电文。导航电文中包含有系统时间、时钟改正参数、电离层延迟模型参数、卫星星历(描述卫星运行轨道的参数)及卫星工作状况等信息,其中系统时间即为卫星原子钟的时间。

地面监控系统要对卫星的工作状态及运行轨道进行监控,同时监测各颗卫星的时间,求出钟差并发给卫星,再由卫星用导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、3个注入站和5个监测站,每个监测站均配装有精密的铯钟(用于计算钟差)和卫星接收机。

用户接收机由GPS天线、GPS卫星接收机及相关应用设备组成。天线用来接收GPS卫星发射的导航电文;GPS卫星接收机则负责对所接收到的导航电文进行信息处理,经过计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。这里只需要GPS授时(授时:采用适当的手段发播标准时间的过程)系统的时间信息。若设(x,y,z)为接收机的位置,(xn,yn,zn)为已知卫星的位置,则解下列方程组(最少可观测到4颗卫星,每颗卫星可列1个方程,)就可以得到(x,y,z)和标准时间。

3、GPS卫星对时装置对时方式

水电站各种微机装置与GPS卫星对时装置实现对时的具体接线与所采用的对时信号接口形式有关,国内常用GPS卫星对时装置采用的对时接口形式有脉冲接口对时、串口报文对时、编码接口对时以及NTP(NetwordTimeProtocol,网络时间协议)网络对时4种形式。

(1)脉冲接口对时。对时信号一般可通过设置设成秒脉冲信号(lPPS,即每秒1个脉冲,时间准确度≤1us)、分脉冲信号(1PPM,即每分1个脉冲,时间准确度≤3us)和时脉冲信号(1PPH,即每小时1个脉冲,时间准确度≤3us)。秒脉冲是利用GPS所输出的lPPS方式进行时间同步校准。分脉冲是利用GPS所输出的lPPM方式进行时间同步校准。由于接点对时的方式比较可靠,因而是目前水电站监控与保护主要的对时接口形式。脉冲一般以空接点、TTL电平、DC24V有源电平、差分电平等形式进行连接。TTL电平信号传送距离比较短,只能几十米;DC24V有源电平与差分电平输出的距离可达到1km左右。脉冲空接点对时接线如图3(a)所示。

(2)串行接口对时。串行接口对时一般由GPS装置通过串行口向被对时设备发送对时报文的方式实现。此时要求被对时设备与GPS装置在出厂前统一对时报文格式。串口对时的时间报文内容包括年、月、日、时、分、秒,也可包含用户**的其他特殊内容,例如接收GPS卫星数、告警信号等,报文信息格式为ASCII码或BCD码或十六进制码。如果选择合适的传输波特率,其精确度可以达到毫秒级。串口对时往往受距离限制,RS2232口传输距离为12m,RS2485/422传输距离可达1200m。RS2232串行接口对时接线如图3(b)所示。

图3对时接线原理图

(3)编码接口对时。国内常用的编码时间信号为IRIG-B码的形式(IGBT是美国靶场仪器组的简称)。B型码的时帧速率为1帧/s,每帧有100位的信息,包含了秒段、分段、小时段、日期段等信号,经译码后可获得1,10,100,1000c/s的脉冲信号和BCD编码的时间信息及控制功能信息。IRIG-B码具有携带信息量大,接口标准化,国际通用,直流B码时间准确度≤3us等特点,但目前采用IRIG-B码对时装置的成本较高。随着应用的普及,采用IRIG-B码对时的装置将会越来越多。此外,国外还用装置用DCF77的编码对时方式,如施耐德公司Quantun系列PLC。DCF77编码方式,每分钟传送1帧的时间同步信息,以空接点的脉冲方式输出。

(4)NTP网络对时。是用于互联网中时间同步的标准互联网协议,可在各种规模速度和连接通路情况下的互联网环境下工作。NTP以GPS时间代码传递的时间消息为参考标准,NTP不仅校正现行时间,而且持续跟踪时间的变化,解码自动进行调节,即使网络发生故障也能持续时间的稳定。采用NTP对时方式,在LAN上与标准间差小于1ms,在WAN上几十毫秒。

4、GPS卫星对时装置组成

在GPS卫星对时系统的组成中,既要考虑系统内装置对对时信号形式的要求,还要考虑到对时信号输出是否满足对时装置数量的要求;既要考虑到对时系统的可靠性,确保对时的精确度,也要考虑到对时信号传送的距离。综合上述考虑,在水电站GPS对时系统组成可采取以下必要措施:

(1)为保证GPS卫星对时装置的可靠性,在设计时可考虑采用两台GPS卫星对时装置互为热备用的方式。选用西安同步电子科技有限公司生产的两台SYN4505型标准同步时钟，即两台GPS卫星对时装置均有各自独立的GPS天线和接收模块且采用相互隔离的电源,两台时钟通过电缆或光缆进行连接,共享GPS信息,互为热备用,当有一台时钟出现问题时可自动切换,保证对时信号的正常输出,同时故障时钟通过空接点经LCU向上位机报警。

(2)当系统内需对时的装置较多,GPS时钟自身对时接口不足;或者系统装置较分散且距离远时,可考虑扩展二级时钟。能够加装二级时钟的同步时钟称为“主时钟”。“主时钟”除具备标准时钟的所有功能外,另有扩展GPS信息、输出、输入接口和B码信息输出接口，主时钟可以选用西安同步电子科技有限公司生产的SYN4505A型时钟同步系统。

主时钟可以拖带二级时钟构成扩展系统,实现对时信号的扩展。二级时钟不带GPS天线和接收板,接受主时钟的GPS扩展信息或B码扩展信息,不能独立工作,其输出能力与主时钟相同。同时考虑到二级时钟对时的可靠性,二级时钟可同时接受两台主时钟的对时信号且互为备用。

5、GPS卫星对时装置应用

GPS卫星对时装置在水电站的应用,将水电站内各微机控制及保护装置的时钟同步起来,使各装置记录的相关信息有了统一的时间基准,特别是各设备监测参数在故障或事故瞬间的变化过程,统一的时间基准真实反映了各参数变化的先后顺序和相互关系,是水电站故障或事故分析的重要依据,是提高水电站故障或事故分析效率,尽快恢复水电站的安全运行,提高经济效益的重要保障。