1 GPS全球定位系统简介
1973年美国发射了第1颗NAVSTAR卫星，开始了世界首套全球卫星定位系统（Global Posi－tioning System，简称为GPS）的建设。该定位系统的最终配置是由24颗NAVSTAR卫星构成，其信号有效地覆盖着整个地球。
GPS系统每秒向地球发送一次信号，其内容为精度达1μs的时间信息。该信号在全球任何位置均可以收到。为了正确地接收上述信号，GPS接收机分两部分内容接收。首先接收到的是每秒开始时间精度为1μs的1PPS选通脉冲（Impulseproduced every second），第二部分接收到的是一串信息，包括国际标准时UTC（Universal Co－ordi－nate Time）的时间、日期及接收机本身所在方位。
GPS系统采用了特殊的信号调制技术，接收机将接收到的信号解码后可以将本身时钟与卫星时钟对准，同时测出它与卫星之间的距离，算出本身所处的位置（经、纬度）。接收器能补偿信号在卫星与接收器之间的传输延时，输出与国际标准时（UTC）误差为1μs的秒脉冲选通信号，并通过串行口输出国际标准时间、日期、所处方位等信息。
2 卫星同步时钟简介
目前，基于微机型的故障录波装置、事件记录装置、安全自动装置、远动装置等在电网中已经得到了越来越多的运用。对于时钟的同步也提出了严格的要求，希望能够达到1 ms甚至μs级的精度。GPS系统的出现正好满足了这一要求。
GPS接收器能够送出非常精确的时间信息，但该信息是固定不变的。它必须经过转换后才能满足系统内已经使用或将要使用的各种装置对同步源的要求。
各个制造厂商以及用户对同步的要求是各不相同的，有些使用不同幅值、不同频率、不同时延的脉冲同步方式，而有些使用标准的串行编码方式，比如MSF格式或IRIG－B格式，用户大多喜欢使用当地时钟格式（比如北京时间）而不喜欢使用UTC时钟格式。于是就必然地出现了一种规约转换器。将GPS接收器送出的固定信息转换成各种不同的格式输出，以满足各种装置及用户的要求。该规约转换器就俗称为GPS同步时钟，其原理框图如图1所示。
（1）GPS信号接收器：用于接收GPS卫星信号，输出时间精度为1μs的1PPS脉冲，并经RS－232口输出UTC标准时间、日期及接收器所处位置等信息，接收器天线装在1个直经约3cm、高约8 cm的塑料圆棒内，天线一般应安装在房顶上，以便有开阔的视野；
（2）脉冲电路：输出秒（1 PPS）、分（1 PPM）、时（1 PPH）同步脉冲信号输出格式可以是电平输出或静态空接点输出；
（3）中央处理单元：将来自GPS的UTC标准时间信息换算成当地时间，送液晶显示器显示，并按照一定的格式经串行口输出；
（4）RS－232／485接口：输出每秒一次的当地时间、日期等信息、波特率可选；
（5）MSF、IRIG－B、BCD接口：按照各自的标准格式输出时间、日期码。
3 GPS卫星同步时钟的应用
由于GPS的定位和授时系统的准确性和开放性，因此在电力系统中的应用非常广泛，可以用于故障定位、故障录波、状态确定、电机励磁和调速、功角测量等。在保护方面已用于电力系统的失步保护、线路的电流纵差保护等，还用于电网的综合自动化系统、继电保护装置的同步精确对时。
3．1标准的时钟同步源
利用同1个信号对电网内的所有时钟进行实时或定期同步对时，可以达到统一时钟的目的。目前大致有3种对时方式：
（1）电网中心调度所通过通讯通道同步系统中各时钟；
（2）利用广播电台、电视台、天文台的无线报时信号；
（3）利用GPS全球定位系统的时钟信号。
第一种同步方式是目前远动系统普遍采用的方式，该同步方式需要占用通道时间。由于信号通过通道传送到不同厂，站的延时不相同，所以只能保证时间的误差在ms级以上的水平，并且对通道的要求高。
第二种同步方式受气候影响比较大，与厂、站所在地理位置也有很大关系，并且容易受到电磁波的干扰，丢失信号。
第三种同步方式是目前最理想的同步方式，即GPS时钟同步方式。GPS系统每秒发送一次信号，其时间精度在1μs以内，在全球任何位置均能可靠接收到信号，是理想的同步时钟源。
GPS卫星同步时钟有多种接口输出方式，如脉冲同步方式、串行口同步方式、编码同步方式等，完全可以满足各类装置的同步要求。目前在华东电网中，已对微机型故障录波器（HATHWAY公司的DFR16／32、ABB公司的INDACTIC650、METHA公司的THRANSCAN），微机型线路保护装置（LFP－900系列、WXB－11系列）等设备进行了同步对时，运行情况良好。
3．2相位测量
为了保证电力系统的稳定运行，需要控制系统中关键点位间的电压相位差。
在系统的时钟统一后，就可以做到输入信号的采样脉冲同步，通过软件方法就可以很容易地测出各电站间电压的相位关系。
要保证相位测量的准确性，采样脉冲的同步误差就要求非常小，必须严格控制在几个μs之内。对50 Hz系统来说1度对应于55μs。而利用广播电台或类似手段的对时方式显然是不适合的，它们的对时误差是毫秒级的，而1 ms对于50Hz系统来说就是18度的相位差，是绝对不能接受的。唯有GPS卫星时钟才能满足这一要求，利用GPS卫星时种的1 PPS脉冲同步方式，可以使整个系统的采样脉冲时间误差保持在几个μs以内，对应的相角测量误差也就不大于0．5度，完全满足了系统的要求。
3．3故障测距
GPS卫星时钟的出现，给研制双端行波测距原理的装置创造了有利条件。线路故障后，正常的负荷电流跃变为短路电流。由此产生由故障点向线路两端运动的电流行波浪涌，假设线路全长为L，行波的传播速度为V，故障后在线路两端M、N接收到故障初始行波浪涌的时间分别为Tm、Tn。线路两侧通过通讯网络交换信息后，就可以计算出故障点到M、N两端的距离分别为：
Xm＝L／2＋（Tm－Tn）×V／2
Xn＝L／2＋（Tn－Tm）×V／2
行波测距原理的关键是准确地记录下故障初始行波到达线路两端的时间，误差应严格控制在几个μs以内。因为对架空线而言，1个μs的时间误差对应于约150 m的测距误差。对电力电缆而言，1个ms的时间误差对应于约70～100 m的测距误差。利用GPS卫星时钟的1 PPS秒脉冲与串行口时间信息，就可以很容易地满足误差要求。基于该原理的行波测距装置已在东北电网中试运行。
对于常规的阻抗原理的测距装置，在时钟统一后，可以精确地计算线路两端故障电源的相位关系。补偿由故障时过渡电阻带来的计算误差。
3．4完善继电器保护试验装置
线路的纵联保护装置安装在线路两侧，常规的联调试验方法费时费力。且只能利用单端法进行，利用GPS卫星同步时钟，可以使两端的测试装置按照预先约定的时间顺序启动，同时将故障量施加于两侧的保护装置，可以更为全面地检验保护装置的动作行为。目前DOUBLE公司的F2000系列、OMICRON公司的CMC系列、PRO－GRAMMA公司的FREJA300系列继电保护综合测试仪均具备GPS同步时钟接口，实现End－Endtest mode，在500 kV天瓶线的调试中，用F2253继电保护综合测试仪对GEC公司的LFCB－102分相电流差动保护装置实现了End－End testmode，确保了保护装置的稳定运行。
4 结论
随着对电力系统运行要求的提高和自动化技术的发展，对同步时钟的要求愈来愈严格。GPS卫星信号的同步时钟，能很好地满足电力系统同步时间的要求，为电力系统事故分析、故障测距、稳定判断与控制技术方面的发展提供了极大的方便。
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