变电站手持式时间同步装置的研制

广东电网有限责任公司珠海供电局 张 睿 王力伟 王建勇 吴碧海

对于电力系统二次设备测试而言，部分测试要求测试仪器与被测二次设备之间的时间同步或多个二次设备之间的时间同步，如光纤差动保护装置线路两端联调测试、PMU测试、合并单元测试等[1]。为了实现测试仪器、二次设备的时间同步，电力系统二次设备中采用时间同步装置，时间同步装置通过天馈线获取卫星导航系统的无线信号以同步自身时间与卫星导航系统提供的时间信号同步[2]。时间同步装置同时向测试仪器及二次设备输出统一的时间同步信号，测试仪器及二次设备在收到时间同步装置输出的时间同步信号后，调整自身时钟与时间同步信号的时间一致，从而实现测试仪器与二次设备之间的时间同步。由于各个变电站的时间同步装置都是采用天馈线接收的卫星导航系统的无线信号，因此各个时间同步装置的时间都是同步的，相应的接收时间同步装置授时的二次设备和测试仪的时间也都是同步的[3]。

根据国家电网公司2013年出台的《国调中心关于加强电力系统时间同步运行管理工作的通知》，需要提升时间同步在运行管理和测试环节的工作。为解决二次设备测试环节时间同步同问，各网省公司应因地制宜，建立起有效的时间同步监测管理系统，已实现二次设备与测试仪器之间的时间同步。目前已有较多单位对变电站时间同步问题进行了研究[4]，沈健等人设计了二次设备时间同步监测方案，并说明了此方法的详细流程，在时间同步方面又做了安全性设计；雷霆等人研究提出了三层架构的时间同步手段，阐述了方法的框架及使用的技术手段；彭志强的等人通过调研当前主流时间同步监测方法，总结得出国网江苏省电力公司所采用的技术方案与国家电网公司调控中心所制定的时间同步管理功能实施方案的不同。

本文就二次设备测试时的同步问题，研发了一种新的时间同步装置，将极大提升同步装置的灵活性，且基准信号不受现场施工影响。文章研制的手持式时间同步装置，体积和重量远小于变电站使用的组屏式时间同步装置，配置电池与铷原子钟。电池可保证手持式时间同步装置在不接电源的情况下可以使用，提升了搬动的遍历和灵活性。铷原子钟保证了手持式时间同步装置在与天馈线断开的情况下，在很长一段时间内保持很高的时间精度。使用本专利研制的手持式时间同步装置，可在没有天馈线架设和对时电缆铺设的情况下实现对现场测试仪器和二次设备授时，以实现测试仪器和二次设备的时间同步。

1 现有技术方案

当前变电站所使用的时间同步装置全部都是组屏机箱设计，直接安装于变电站二次设备屏柜上，并架设相应的天馈线以接收卫星导航系统的无线信号，同时铺设对时电缆，将时间同步装置与变电站其余二次设备连接，向二次设备发送时间同步信号[5]。

通过对现有同步装置进行分析，其存在以下两点不足：变电站所使用的时间同步装置安装位置固定，无法随意移动；变电站所使用的时间同步装置要实现对二次设备的授时，需要完成天馈线的架设与对时电缆的铺设。但是对于部分新建变电站调试时，由于施工进度限制，在进行二次设备调试时，时间同步装置可能还未安装或天馈线及对时电缆为铺设完成。

2 技术方案

时间同步装置由多个模块组成，分别是：外置天线模块、内置天线模块、卫星信号接收模块、主控制模块、调钟模块、铷原子钟模块、对时信号编码模块、对时信号输出模块、显示模块、电池模块、电源管理模块。

外置天线模块通过与天馈线相连接，接收卫星导航系统（GPS系统或北斗系统）的无线时间基准信号并馈送至卫星信号接收模块；内置天线模块通过可直接接收卫星导航系统（GPS系统或北斗系统）的无线时间基准信号并馈送至卫星信号接收模块。其与外置天线接收模块的区别在于不用架设天馈线，但接收卫星导航系统无线时间基准信号的能力较差，需要在空旷开阔的场地才能接收到卫星信号[6]。

卫星信号接收模块通过外置天线模块或内置天线模块获取的卫星导航系统的无线时间基准信号，并输出参考时间秒脉冲信号和时间信息至主控制模块。

主控制模块接收卫星信号接收模块输出的参考时间秒脉冲信号以及时间信息；主控制模块接收铷原子钟模块输出的本地时钟秒脉冲信号[7]；主控制模块通过比对卫星信号接收模块输出的参考时间秒脉冲信号以及铷原子钟模块输出的本地时钟秒脉冲信号的频率及相位差异向调钟模块下发调钟指令；主控制模块将接收卫星信号接收模块输出的时间信息发送至对时信号编码模块和显示模块。

调钟模块接收主控制模块下发的调钟指令，并向铷原子钟模块下发相位和频率调节信号，以修改铷原子钟的振荡频率与相位。

铷原子钟模块在对时装置上电工作后处于自由振荡状态，输出基础频率信号至主控制模块，主控制模块在未接收到卫星信号接收模块发送的天线时间基准信号的参考时间秒脉冲信号时，根据主控制的本地时间和铷原子钟输出的基础频率信号输出时间信息发送至对时信号编码模块[8]。

对时信号编码模块根据主控制模块发送的时间信息进行信号编码，信号编码格式包括秒脉冲信号、IRIG-B码信号、串口对时报文信号，将上述编码信号发送至对时信号输出模块。

对时信号输出模块接收对时信号编码模块发送的编码信号，将其转换成满足相关标准要求的电平信号或者光信号发送至待授时的二次设备及测试仪器。

显示模块与主控制模块连接，用于显示时间同步装置当前的时间以及与卫星导航定位系统的卫星连接数量。

电池模块连接直流电源输入端和电源管理模块。电源管理模块对电池模块的充电、放电进行管理，并切换输出电压的供电回路；电源管理模块在有外部直流电源输入的情况下，控制电池模块充电并将输出电压的供电回路切换至直流电源输入；而电源管理模块在没有外部直流电源输入的情况下，将输出电压的供电回路切换至电池模块[9]，此时电池模块处于放电状态；电源管理模块为时间同步装置内各模块供电。

3 授时方案

3.1 授时流程

将时间同步装置与外部电源连接，使电池模块进行充电。在时间同步装置开机上电后，铷原子钟模块处于自由振荡状态，输出基础频率信号至主控制模块，此时时间同步装置按照本地时钟对外输出对时信号。

若现场环境方便架设天馈线，则可将天馈线与时间同步装置的外置天线模块连接；若现场环境不方便架设天馈线，则需在电池模块充电至可维持时间同步装置正常运行电量时，将时间同步装置置于室外空旷地区。

时间同步装置通过外置天线模块或内置天线模块接收卫星导航系统的无线时间基准信号，并以此信号作为时间基准对铷原子钟模块输出的秒脉冲信号进行频率和相位调节，等待铷原子钟模块输出的秒脉冲信号的频率及相位调节至与卫星导航系统的无线时间基准信号的频率及相位的误差稳定在允许范围内[10]。

将时间同步装置的外置天线模块的天馈线拔除或将同步装置从室外带回变电站内，此时时间同步装置虽然与卫星导航系统的连接断开，但在铷原子钟模块的稳定振荡频率保障下，时间同步装置对外输出的对时信号仍然按照卫星导航系统的基准时间进行输出，能够长期保持极高的准确度。

在电池供电的支持下，时间同步装置可搬运至任意二次设备及测试仪器附近向其输出对时信号。

3.2 优越性

本文所研制的手持式时间同步装置可同时使用外置天线和内置天线两种方式接受卫星导航系统的无线时间基准信号；由于采用电池供电和手持方式，可将装置进行随意搬运。

设计的手持式时间同步装置向二次设备进行对时的方案通过卫星导航系统对时间同步装置的铷原子钟进行频率及相位调节，使其稳定按照卫星导航系统的时间基准进行输出；此外，脱离卫星导航系统连接后，仍然可以按照稳定的实际基准向其他二次设备进行授时，保证设备的兼容性。

4 结论

综上所述，本文在对现有技术分析的基础上，提炼得出现有技术存在缺点，有针对性的解决实际应用过程中存在的问题。本文对装置的技术方案和授时方案分别进行了设计和说明，通过采用本文的授时装置，将有效提升时间同步装置的便利性。此外，由于基准信号稳定性较强和采用外置天线与内置天线接收卫星信号的方式，克服了现场电缆敷设进行的影响。