GPS对时在风电场的应用研究

　　风能作为一种可再生能源，日益受到世界的关注与重视。近年来，我国的风电产业得到迅速发展，2007年到2012年底，装机容量从5.9GW增长到75.3GW。截止2013年，我国累计安装风电机组63120台，装机容量约91.4G，位居世界第一。在风电产业快速发展的同时，我国风电行业在创新能力上也取得了长足进步，但控制系统等关键核心部件仍依赖进口，这导致风电机组控制系统绝大多数采用国外控制系统。国内一些风电场，特别是一些大型风电场以及特大型风电场存在不同厂家的不同类型的风电机组，机组控制器也多种多样，如MITA控制器、倍福控制器与西门子控制器等，由于人为与管理等各种因素，风电机组控制器时间难以统一，难以与风电场时间同步，给风电场运行与事故后分析带来严峻考验。

　　GPS对时以GPS信号作为时间源，同步网络中的所有计算机、控制器等设备，现广泛应用于金融、通信、电力、交通、广电、安防、水利、石化、冶金、国防、医疗、教育、政府机关、IT等众多领域，其对时方法与技术存在大量研究报告。目前，有关GPS对时在风电场的应用报道较少。本文指出了传统控制器时间设置存在的问题，在介绍GPS对时方式基础上，针对现有风电场网络与机组分散特点，研究了风电场GPS对时网络与方法，提出了风电场对时方案，以及在国内某风电场的成功应用。应用结果表明，利用GPS对整个风电场控制器进行统一对时是可行的，它将提高机组控制器与日志信息时间准确性，解决了风电场与机组时间不同步问题，为风电场运行与事故分析提供了时间基准。

　　传统控制器时间设置与问题

　　在风电场前期调试过程中，现场调试人员会根据风电机组现场调试指导书中的要求和步骤，去核实与设置控制器时间。如果控制器当前时间不正确或不准确，将手动重新设置。对于MITA控制器而言，控制器当前日期与时间为CurrentTime的值，如果需要重新设置控制器的日期与时间，在SetRTCTime一栏，输入所需设置的日期与时间，如图1所示。

　　对于操作系统为Wince倍福控制系统来说，其日期与时间显示如图2所示，其设置方法与windows系统日期与时间设置方法一致。

　　从上面分析来看，传统的时间设置方法存在如下几大缺点：

　　（1）增加现场调试人员的工作量，特别是不同控制系统，其日期与时间查看与设置方法也不尽相同。

　　（2）传统的时间设置方法，很难满足电力系统对设备时间的要求。

　　（3）容易受到现场人员主观因素与厂家调试指导书内容的影响，控制器日期与时间准确性很难得到保障。在国内某个风电场，电网电压出现了一次波动，两台机组控制器记录故障数据如图3与图4所示。从图中可以看出，两台机组记录事件时间完全不一致，相差了30min左右，这给风电场事故分析与故障定位带来很大麻烦。经事后调查发现，是由于人为原因导致控制器时间设置不正确。

　　GPS对时方式

　　GPS，又称全球定位系统，是20世纪70年代由美国研制的新一代空间卫星导航定位系统，它由地面控制部分、空间部分与用户装置部分三部分组成。其对时方式主要有脉冲对时、串行口对时、IRIG－B时钟码对时三种。

　　一、脉冲对时方式

　　脉冲对时方式多采用空接点接入方式，它可以分为：

　　秒脉冲(PPS)－GPS时钟1s对设备对时1次。

　　分脉冲(PPM)－GPS时钟1min对设备对时1次。

　　时脉冲(PPH)－GPS时钟1h对设备对时1次。

　　二、串行口对时方式

　　该对时设备通过GPS时钟的串行口，接收时钟信息，来矫正自身的时钟。对时协议有RS232协议、RS422/485协议等。该对时方式原理简单，易于实现。

　　在此对时方式下，GPS装置以每秒一个信息的速度给对时设备发送信号。其中GPS串口信息的格式如图5所示。

　　其中，字符<S>与秒脉冲（PPS）的前沿对齐，装置收到卫星信号则发送字符S，装置失步就停发字符S，S的ASCII码为53H；<T>为发送时间信息的信息头，T的ASCII码为54H；小时的十位、个位、分钟的十位、个位...直到年的个位信息，分别为0－9的ASCII码（30H－39H）；校验字节是小时的十位、个位、分钟的十位、个位...直到年的个位信息逐字节异或后再非运算的结果（即：异或非校验）；<A>为发送时间信息的信息结尾，A的ASCII码为41H。

　　三、IRIG－B时钟码对时方式

　　IRIG－B是专为时钟传输而制订的时钟码标准。每秒钟输出一帧含有时间、日期和年份的时钟信息。这种对时非常精确。

　　风电场GPS对时方案

　　风电场风电机组具有分布散、分布远等特点，特别是大型风电场建设，其最远机组离监控中心距离达几公里，甚至超过10公里。如果采用传统的点对点GPS对时方式给风电机组对时，一是需要大量增加GPS装置与铺设通信线路，增加风电场投资成本。二是所需信号传输距离远远大于GPS装置所传输距离，无法满足对时需求。因此，传统的点对点对时方式无法满足风电场实际需求。

　　考虑到风电场配置，风电场GPS对时可采用串口对时方式。首先，将风电场SCADA系统作为一个普通的设备，由它与GPS装置实现点对点通信，实时获得的时间报文，并实现SCADA主机自身时间对时。然后，将SCADA系统作为虚拟时间源与主机，通过风电场专用网络，每隔一段时间，实现对整个风电场风电机组进行对时。其示意方案如图6所示。

　　在风电场对时方案中，SCADA系统实时接收GPS时间信息，只有接收到同步信号与正确时间报文的时候，才会对自身进行对时，并通过风电场专用局域网，将时间报文转发给每台机组。机组主控接收到正确报文后，对时间报文进行解析，转化成预设时间，如果控制器当前时间与预设时间不一致，将自动修改控制器的当前时间，否则将自动放弃。在风电场对时过程中，为了不增加控制器CPU负担，建议SCADA系统每隔一小时对机组进行一次对时。

　　利用上述对时方案，带来如下几个优势：一是不增加风电场投资成本，在充分利用了风电场现有设备与网络前提条件，即可实现风电场控制系统对时；二是提高风电场自动化水平，克服人员的主观性等不确定因素带来的影响；三是创新性地将SCADA系统作为虚拟的时间源，以一对多的方式对分散式机组进行统一对时；四是以太网通信方式克服传统的GPS串口通信等方式距离限制，给风电场GPS对时奠定了通信基础。

　　应用案例

　　河北省某风电场采用了上述的对时方案之后，机组控制器时间保持一致。结果如图7所示。

　　案例表明，利用GPS对整个风电场控制器进行统一对时是可行的，解决了机组与机组之间时间不一致问题，从而提高机组控制器与日志信息时间的准确性，解决了风电场与机组时间不同步问题。

　　结论

　　采用本文介绍的风电场对时方案，利用GPS对整个风电场控制器进行统一对时是可行的，它将提高机组控制器与日志信息时间的准确性，解决了风电场与机组时间不同步问题，为风电场运行与事故分析提供了时间基准，便于风电场管理人员对机组与机组故障进行统一管理与分析。