GPS對時在風電場的應用研究

　　風能作為一種可再生能源，日益受到世界的關注與重視。近年來，我國的風電產業得到迅速發展，2007年到2012年底，裝機容量從5.9GW增長到75.3GW。截止2013年，我國累計安裝風電機組63120臺，裝機容量約91.4G，位居世界第一。在風電產業快速發展的同時，我國風電行業在創新能力上也取得了長足進步，但控制系統等關鍵核心部件仍依賴進口，這導致風電機組控制系統絕大多數采用國外控制系統。國內一些風電場，特別是一些大型風電場以及特大型風電場存在不同廠家的不同類型的風電機組，機組控制器也多種多樣，如MITA控制器、倍福控制器與西門子控制器等，由于人為與管理等各種因素，風電機組控制器時間難以統一，難以與風電場時間同步，給風電場運行與事故后分析帶來嚴峻考驗。

　　GPS對時以GPS信號作為時間源，同步網絡中的所有計算機、控制器等設備，現廣泛應用于金融、通信、電力、交通、廣電、安防、水利、石化、冶金、國防、醫療、教育、政府機關、IT等眾多領域，其對時方法與技術存在大量研究報告。目前，有關GPS對時在風電場的應用報道較少。本文指出了傳統控制器時間設置存在的問題，在介紹GPS對時方式基礎上，針對現有風電場網絡與機組分散特點，研究了風電場GPS對時網絡與方法，提出了風電場對時方案，以及在國內某風電場的成功應用。應用結果表明，利用GPS對整個風電場控制器進行統一對時是可行的，它將提高機組控制器與日志信息時間準確性，解決了風電場與機組時間不同步問題，為風電場運行與事故分析提供了時間基準。

　　傳統控制器時間設置與問題

　　在風電場前期調試過程中，現場調試人員會根據風電機組現場調試指導書中的要求和步驟，去核實與設置控制器時間。如果控制器當前時間不正確或不準確，將手動重新設置。對于MITA控制器而言，控制器當前日期與時間為CurrentTime的值，如果需要重新設置控制器的日期與時間，在SetRTCTime一欄，輸入所需設置的日期與時間，如圖1所示。

　　對于操作系統為Wince倍福控制系統來說，其日期與時間顯示如圖2所示，其設置方法與windows系統日期與時間設置方法一致。

　　從上面分析來看，傳統的時間設置方法存在如下幾大缺點：

　　（1）增加現場調試人員的工作量，特別是不同控制系統，其日期與時間查看與設置方法也不盡相同。

　　（2）傳統的時間設置方法，很難滿足電力系統對設備時間的要求。

　　（3）容易受到現場人員主觀因素與廠家調試指導書內容的影響，控制器日期與時間準確性很難得到保障。在國內某個風電場，電網電壓出現了一次波動，兩臺機組控制器記錄故障數據如圖3與圖4所示。從圖中可以看出，兩臺機組記錄事件時間完全不一致，相差了30min左右，這給風電場事故分析與故障定位帶來很大麻煩。經事后調查發現，是由于人為原因導致控制器時間設置不正確。

　　GPS對時方式

　　GPS，又稱全球定位系統，是20世紀70年代由美國研制的新一代空間衛星導航定位系統，它由地面控制部分、空間部分與用戶裝置部分三部分組成。其對時方式主要有脈沖對時、串行口對時、IRIG－B時鐘碼對時三種。

　　一、脈沖對時方式

　　脈沖對時方式多采用空接點接入方式，它可以分為：

　　秒脈沖(PPS)－GPS時鐘1s對設備對時1次。

　　分脈沖(PPM)－GPS時鐘1min對設備對時1次。

　　時脈沖(PPH)－GPS時鐘1h對設備對時1次。

　　二、串行口對時方式

　　該對時設備通過GPS時鐘的串行口，接收時鐘信息，來矯正自身的時鐘。對時協議有RS232協議、RS422/485協議等。該對時方式原理簡單，易于實現。

　　在此對時方式下，GPS裝置以每秒一個信息的速度給對時設備發送信號。其中GPS串口信息的格式如圖5所示。

　　其中，字符<S>與秒脈沖（PPS）的前沿對齊，裝置收到衛星信號則發送字符S，裝置失步就停發字符S，S的ASCII碼為53H；<T>為發送時間信息的信息頭，T的ASCII碼為54H；小時的十位、個位、分鐘的十位、個位...直到年的個位信息，分別為0－9的ASCII碼（30H－39H）；校驗字節是小時的十位、個位、分鐘的十位、個位...直到年的個位信息逐字節異或后再非運算的結果（即：異或非校驗）；<A>為發送時間信息的信息結尾，A的ASCII碼為41H。

　　三、IRIG－B時鐘碼對時方式

　　IRIG－B是專為時鐘傳輸而制訂的時鐘碼標準。每秒鐘輸出一幀含有時間、日期和年份的時鐘信息。這種對時非常精確。

　　風電場GPS對時方案

　　風電場風電機組具有分布散、分布遠等特點，特別是大型風電場建設，其最遠機組離監控中心距離達幾公里，甚至超過10公里。如果采用傳統的點對點GPS對時方式給風電機組對時，一是需要大量增加GPS裝置與鋪設通信線路，增加風電場投資成本。二是所需信號傳輸距離遠遠大于GPS裝置所傳輸距離，無法滿足對時需求。因此，傳統的點對點對時方式無法滿足風電場實際需求。

　　考慮到風電場配置，風電場GPS對時可采用串口對時方式。首先，將風電場SCADA系統作為一個普通的設備，由它與GPS裝置實現點對點通信，實時獲得的時間報文，并實現SCADA主機自身時間對時。然后，將SCADA系統作為虛擬時間源與主機，通過風電場專用網絡，每隔一段時間，實現對整個風電場風電機組進行對時。其示意方案如圖6所示。

　　在風電場對時方案中，SCADA系統實時接收GPS時間信息，只有接收到同步信號與正確時間報文的時候，才會對自身進行對時，并通過風電場專用局域網，將時間報文轉發給每臺機組。機組主控接收到正確報文后，對時間報文進行解析，轉化成預設時間，如果控制器當前時間與預設時間不一致，將自動修改控制器的當前時間，否則將自動放棄。在風電場對時過程中，為了不增加控制器CPU負擔，建議SCADA系統每隔一小時對機組進行一次對時。

　　利用上述對時方案，帶來如下幾個優勢：一是不增加風電場投資成本，在充分利用了風電場現有設備與網絡前提條件，即可實現風電場控制系統對時；二是提高風電場自動化水平，克服人員的主觀性等不確定因素帶來的影響；三是創新性地將SCADA系統作為虛擬的時間源，以一對多的方式對分散式機組進行統一對時；四是以太網通信方式克服傳統的GPS串口通信等方式距離限制，給風電場GPS對時奠定了通信基礎。

　　應用案例

　　河北省某風電場采用了上述的對時方案之后，機組控制器時間保持一致。結果如圖7所示。

　　案例表明，利用GPS對整個風電場控制器進行統一對時是可行的，解決了機組與機組之間時間不一致問題，從而提高機組控制器與日志信息時間的準確性，解決了風電場與機組時間不同步問題。

　　結論

　　采用本文介紹的風電場對時方案，利用GPS對整個風電場控制器進行統一對時是可行的，它將提高機組控制器與日志信息時間的準確性，解決了風電場與機組時間不同步問題，為風電場運行與事故分析提供了時間基準，便于風電場管理人員對機組與機組故障進行統一管理與分析。