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隨著人類活動(dòng)范圍的日趨擴(kuò)展及航海、航空、測(cè)繪、勘探技術(shù)的不斷發(fā)展和軍事應(yīng)用的需要，指導(dǎo)航行的方式亦由遠(yuǎn)古時(shí)代用自然恒星和指南針的方式演變?yōu)榻裉斓臒o(wú)線電導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航，定位系統(tǒng)（Global Positioning System簡(jiǎn)稱GPS）就是這樣一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
GPS是美國(guó)*自1973年開(kāi)始研制的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，歷時(shí)21年，于1994年正式投入運(yùn)行。它zui初是為美國(guó)軍方提供服務(wù)，但隨著它的發(fā)展，在交通、測(cè)量、航空等民用領(lǐng)域里獲得了廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)擁有24顆衛(wèi)星，分布于6個(gè)軌道平面上，構(gòu)成一個(gè)定時(shí)定位網(wǎng)。GPS衛(wèi)星用兩個(gè)頻率發(fā)射單射測(cè)距信號(hào)，即L1頻率為1575.42MHz和L2頻率為1227.6MHz,還廣播衛(wèi)星的估計(jì)位置。用戶同時(shí)測(cè)量到4顆恒星的距離，即可解出四個(gè)未知數(shù)，它們通常是緯度、經(jīng)度、高程和用戶鐘的改正數(shù)。如果已知其中任何一個(gè)未知數(shù)，則用的衛(wèi)星數(shù)可以減少。這樣，通過(guò)對(duì)觀測(cè)點(diǎn)和各衛(wèi)星基點(diǎn)之間的距離測(cè)量，它可以為各地固定式移動(dòng)用戶提供用戶自身的實(shí)時(shí)三維位置、速度和時(shí)間信息，實(shí)時(shí)計(jì)算出觀測(cè)點(diǎn)的地理位置、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間、速度等信息。
GPS提供兩種定位服務(wù)，即基于精碼（P碼）的精密定位服務(wù)（PPS）和基于粗碼（C/A）的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）。PPS信號(hào)被加密，非*用戶不能使用，大部分民間用戶只能依賴C/A碼或SPS。這樣，基于粗碼的SPS不能*用戶在精度、可用性和完好性方面的要求。為此，從GPS獲得的時(shí)間必須經(jīng)過(guò)軟、硬件的技術(shù)處理，可以使用戶所在位置的世界時(shí)（VTC）亞微秒的精度，滿足用戶對(duì)時(shí)間的要求。這就使GPS具有覆蓋、全天候、高精度的特征，在飛機(jī)導(dǎo)航、海陸交通管理、資源調(diào)查、測(cè)繪、勘探、導(dǎo)游等方面都有廣泛的應(yīng)用。
　　在電力系統(tǒng)中，自動(dòng)化信息傳輸、繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置的對(duì)時(shí)都借助于GPS校時(shí)系統(tǒng)。
一、繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的GPS校時(shí)系統(tǒng)/
　　為滿足遠(yuǎn)距離輸電的需要，高壓大電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，隨之快速繼電保護(hù)和多功能的自動(dòng)裝置也獲得了很大的發(fā)展。電力系統(tǒng)的對(duì)時(shí)也提到了重要的位置，它可以滿足以下各方面的需要:
1、 檢測(cè)功率平衡和控制潮流:
　　由于電力系統(tǒng)的發(fā)、供、用是同時(shí)完成的統(tǒng)一體，測(cè)錄電網(wǎng)各相關(guān)部位的電壓、電流、功角和輸送的功率就十分重要，這些信息是調(diào)度人員進(jìn)行電力調(diào)度的依據(jù)，也是維持高質(zhì)量電能的監(jiān)控基礎(chǔ)。
2、計(jì)算網(wǎng)絡(luò)電能損耗:
　　電力輸送應(yīng)遵循輸送能量損耗為zui小的原則，為此，就必須在同一時(shí)刻測(cè)量處于不同位置的同一線路，受進(jìn)與送出的電能，這樣才能準(zhǔn)確計(jì)算出某元件的電能損耗，否則，正確的損耗測(cè)量是辦不到的。
3、 電力系統(tǒng)發(fā)生異?；蚴鹿蕰r(shí)，故障錄波提供有價(jià)值的波形進(jìn)行分析:
　　電力系統(tǒng)出現(xiàn)異?；蚴鹿?，故障錄波裝置會(huì)錄制有關(guān)波形。對(duì)這些波形的分析，必須有同一的時(shí)間基準(zhǔn)，否則就不能正確判斷事故發(fā)生的原因、判斷各種保護(hù)及自動(dòng)裝置動(dòng)作行為的先后順序的正確與否、判斷事故的演變和發(fā)展過(guò)程。
4、 高頻保護(hù)的調(diào)試:
　　高頻保護(hù)調(diào)試需要在線路兩側(cè)的高頻保護(hù)上同時(shí)加故障量，以真實(shí)地模擬線路發(fā)生區(qū)內(nèi)或區(qū)外故障時(shí)高頻保護(hù)的動(dòng)作行為。在線路兩側(cè)同時(shí)加故障量，靠一般的時(shí)鐘是辦不到的，這是因?yàn)橐话銜r(shí)鐘的工作精度是秒級(jí)，而作為快速保護(hù)的高頻保護(hù)其工作時(shí)間是毫秒級(jí)，由一般時(shí)鐘造成的誤差，無(wú)法保證兩側(cè)所加故障量的同時(shí)性。而采用具有GPS準(zhǔn)確定時(shí)功能由PC機(jī)控制的繼電保護(hù)試驗(yàn)裝置來(lái)保證兩側(cè)所加故障量的同時(shí)性，其時(shí)間誤差是微秒級(jí)的，可以滿足同時(shí)加故障量的要求。
　　此外，對(duì)其他一些時(shí)間精度要求較高的自動(dòng)裝置，如穩(wěn)定控制裝置傳輸時(shí)間的測(cè)試等均需要利用GPS來(lái)測(cè)定。
二、繼電保護(hù)GPS校時(shí)系統(tǒng)/的實(shí)施
　　目前，我國(guó)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)對(duì)時(shí)，都是以美國(guó)GPS定位系統(tǒng)為時(shí)間基準(zhǔn)，選用進(jìn)口GPS接收機(jī)部件，經(jīng)二次開(kāi)發(fā)研制成標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步鐘，自動(dòng)選擇*星座進(jìn)行定位、定時(shí)，經(jīng)過(guò)設(shè)備的硬件及軟件處理轉(zhuǎn)換為北京時(shí)間輸出，使在我國(guó)任何地方使用，其時(shí)間誤差小于1μs，*可以滿足目前電力系統(tǒng)對(duì)時(shí)的需要。
　　GPS校時(shí)系統(tǒng)/的接收機(jī)通過(guò)GPS天線、饋線、接收頭、單片微處理系統(tǒng)，將時(shí)間日期等信息輸出到設(shè)備的外部接口，其輸出方式有多種形式可供選擇，銳呈公司K806GPS校時(shí)系統(tǒng)的原理如下。
1、GPS裝置各主要部件及作用如下:
1）、GPS信號(hào)接收器: 是接收GPS衛(wèi)星信號(hào)的集成電路模塊，輸出時(shí)間精度為1微秒的1PPS脈沖，并通過(guò)RS232串行口輸出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間、日期和接收器所處地理位置（經(jīng)緯度）等信息。
2）、同步脈沖發(fā)生電路: 輸出秒（1PPS）、分鐘（1PPM）、小時(shí)（1PPH）同步脈沖信號(hào)。
3）、中心處理單元: 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。接收GPS衛(wèi)星信號(hào)接收模塊發(fā)送的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息及秒同步信息，換算成當(dāng)?shù)貢r(shí)間送LED數(shù)碼顯示器顯示，并按一定的格式經(jīng)串行口輸出，供繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置使用。
目前，由各研究單位和制造廠商開(kāi)發(fā)的GPS衛(wèi)星同步時(shí)鐘裝置有多種產(chǎn)品，它們根據(jù)用戶的需要開(kāi)發(fā)出不僅僅滿足對(duì)時(shí)的同步時(shí)鐘，還有突發(fā)事件記錄儀、模擬同步故障測(cè)試裝置及增加毫秒輸出、微秒輸出的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步鐘等。
2、GPS的輸出方式
　　全站公用的一套GPS校時(shí)系統(tǒng)，一般有下列幾種輸出方式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置的對(duì)時(shí):
1）、 面板的LED顯示:
裝置面板的LED數(shù)碼顯示，直接顯示當(dāng)?shù)貢r(shí)間，可以顯示時(shí)、分、秒，也可以顯示時(shí)、分、秒、日、月、年。
2）、 同步脈沖信號(hào)輸出: 它可以是秒脈沖（1PPS，1Pulsae Per Second）、分脈沖（1PPM，1Pulse Per Minute）、小時(shí)脈沖（1PPH，1Pulse Per Hour）輸出。
秒脈沖輸出有兩種方式:
　　一種是TTL電平: 它是一對(duì)標(biāo)有“+ -”的接點(diǎn)，“+”端為信號(hào)線，“-”端為地線，選用高速光耦實(shí)現(xiàn)電隔離。輸出信號(hào)為負(fù)脈沖，脈沖寬度為100ms。
　　另一種是靜態(tài)空接點(diǎn)方式: 當(dāng)秒脈沖到來(lái)時(shí)，光電耦合器的輸出三級(jí)管導(dǎo)通。
　　分脈沖輸出: 為靜態(tài)空接點(diǎn)方式輸出。當(dāng)分脈沖到來(lái)時(shí)，光電耦合器的輸出三極管導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)間持續(xù)100ms。時(shí)脈沖信號(hào)也是以靜態(tài)空接點(diǎn)形式輸出。
這三種同步脈沖信號(hào)的前沿與VTC時(shí)間前沿誤差小于1μs，既可用于各種設(shè)備校時(shí)，也可作為各種計(jì)時(shí)或計(jì)數(shù)脈沖。
3、IRIG-B時(shí)間碼輸出:
　　IRIG時(shí)間編碼序列是美國(guó)靶場(chǎng)儀器組（IRIG）提出的被普遍應(yīng)用于時(shí)間信息傳輸系統(tǒng)。該時(shí)碼序列分為G、A、B、E、H、D共六種編碼格式。
　　IRIG-B時(shí)碼是六種編碼格式中的一種。通過(guò)IRIG-B碼發(fā)生器，可將GPS接收器輸送的RS232數(shù)據(jù)及1PPS轉(zhuǎn)換成IRIG-B碼，通過(guò)IRIG-B輸出口及RS232/RS422/RS485串行接口輸出，通過(guò)它輸出標(biāo)準(zhǔn)北京時(shí)間及1PPS，該時(shí)間有年、月、日、時(shí)、分、秒，各種保護(hù)通過(guò)RS232接口檢測(cè)同步脈沖，以此完成繼電保護(hù)的對(duì)時(shí)。
IRIG-B碼有交流碼和直流碼兩種（亦即正弦調(diào)制輸出和直流偏置輸出）。前者的調(diào)制信號(hào)頻率為1000Hz，每個(gè)正弦調(diào)制的IRIG-B輸出信號(hào)均與其周圍的其他部分*隔離; 后者的信號(hào)TTL電平，信息采用RIRG-B標(biāo)準(zhǔn)格式，每個(gè)直流偏置IRIG-B輸出信號(hào)也均與周圍的其他部分*隔離。IRIG-B時(shí)間碼輸出信息每秒一次。信息每秒發(fā)送一次習(xí)慣稱為一幀，每幀發(fā)送100個(gè)符號(hào)，每個(gè)符號(hào)占有的時(shí)間是10ms。符號(hào)共有三種: 邏輯值“0”（或稱空碼），邏輯“1”，起始符（或稱標(biāo)識(shí)符）。通過(guò)改變直流電平的占空比或變化1000Hz調(diào)制信號(hào)的幅值來(lái)表示邏輯“1”與“0”及起始符。如圖6b中所示，邏輯“1”的直流電平的占空比為50%: 50%; 邏輯“0”的占空比為20%: 80%; 起始符的占空比為80%: 20%。
　　發(fā)送的每幀信息均以起始符開(kāi)頭（以M?K表示），也以M?K表示每幀信息的結(jié)束，幀頭M?K的上升沿標(biāo)志新的一秒的開(kāi)始，后面的符號(hào)則分別表示秒個(gè)位、秒十位、分個(gè)位、分十位、日個(gè)位、日十位、日百位……。每幀的信息中，除了幀頭和幀尾外，一幀中間是不會(huì)有相鄰的兩個(gè)M?K，由此可見(jiàn)，當(dāng)出現(xiàn)兩個(gè)相鄰的M?K，則表明前一個(gè)M?K是上幀之尾，后一個(gè)是本幀之頭。
4、 RS232/RS422/RS485串行輸出口:
輸出均為廣播方式，發(fā)送的信息特性如下:
1） 工作波特率有9600、4800、2400、1200四種（波特率是每秒鐘傳送“0“或”1“電平的脈沖個(gè)數(shù)）。用戶可任意選擇，但如果話路質(zhì)量不高則應(yīng)選擇工作波特率較低的，這樣傳輸?shù)男Ч麜?huì)好些。
2） 數(shù)據(jù)格式: 格式較多，例舉如下:
數(shù)據(jù)位（信息位） 7位（ASCII碼）
起始位 1位 停止位 2位
校驗(yàn)位 1位（偶校驗(yàn)）
3） 信息格式: 每分鐘發(fā)送一次，格式為:
T代表一幀信息的頭，后面相繼為年+，年個(gè)位，……。其中，北京時(shí)間標(biāo)志位為1，GPS同步標(biāo)志位為1時(shí)，表示時(shí)鐘同步良好，發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)北京時(shí)間。GPS同步標(biāo)志位為1時(shí)，表示時(shí)鐘同步良好，發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)北京時(shí)間。GPS同步標(biāo)志位為0時(shí)，表示時(shí)鐘失去同步，發(fā)送時(shí)間不準(zhǔn)確。例如: 現(xiàn)在是北京時(shí)間96年9月19日，星期五，8點(diǎn)20分，則發(fā)送信息格式為: T9609195082011
如果GPS校時(shí)系統(tǒng)剛上電或裝置失去同步后一小時(shí)，則裝置的信息格式里的GPS同步標(biāo)志位將為0。
4） 串行數(shù)據(jù)接口輸出的1PPM為一分鐘一次的10ms脈沖，后沿有效，為串行信號(hào)傳輸定時(shí)。
對(duì)于RS232/RS422/RS485串行輸出方式而言，信息格式的輸出和脈沖格式的輸出是缺一不可的，前者輸出準(zhǔn)確的年、月、日、時(shí)、分、秒的信息，告之被同步設(shè)備; 而后者發(fā)出的脈沖，則告之被同步設(shè)備: 準(zhǔn)確時(shí)間的到來(lái)，下降沿為信號(hào)定時(shí)。
綜上所述，利用GPS校時(shí)系統(tǒng)滿足電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置的對(duì)時(shí)有同步脈沖信號(hào)輸出方式、IRIG-B時(shí)間碼輸出方式、RS232/RS422/RS485串行輸出口方式可供選擇，而且每種輸出方式的個(gè)數(shù)可根據(jù)應(yīng)用要求而擴(kuò)展。
三、結(jié)論
　　隨著GPS技術(shù)的開(kāi)發(fā)、推廣和應(yīng)用，成功地解決了由于電力系統(tǒng)發(fā)展而帶來(lái)的高壓網(wǎng)絡(luò)中，繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的對(duì)時(shí)問(wèn)題，而且實(shí)現(xiàn)了一個(gè)站內(nèi)的多套繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置共享一套GPS校時(shí)系統(tǒng)，做到了投資省、對(duì)時(shí)方式靈活、對(duì)時(shí)準(zhǔn)確，為電力系統(tǒng)的裝置調(diào)試、事故分析、監(jiān)控繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的動(dòng)作行為、電能損耗計(jì)算、電量平衡、負(fù)荷管理、穩(wěn)定控制等提供了有力的幫助，必將大大地推動(dòng)電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。