時(shí)鐘同步技術(shù)在變電站中的應(yīng)用芻議

劉奇 張婷婷 閆敏

前言

電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化之后，只有快速獲取到實(shí)時(shí)信息，才能保障事故處理的效率，即將變化的影響范圍控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)，以確保電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、安全性。此外，快速獲取實(shí)時(shí)信息也能為事后分析提供便利，即分析事故的發(fā)生、發(fā)展過程，以實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)難性事故的發(fā)生進(jìn)行有效的防控。但上述行為的實(shí)現(xiàn)均應(yīng)以統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)為基礎(chǔ)。在變電站中，電能計(jì)量系統(tǒng)、功能測(cè)量裝置、微機(jī)保護(hù)裝置、安全自動(dòng)裝置、故障錄波器、測(cè)控裝置等均需配備統(tǒng)一的時(shí)鐘授時(shí)。本文筆者結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，淺析時(shí)鐘同步技術(shù)在變電站中的應(yīng)用，以期為電力系統(tǒng)的監(jiān)視控制、故障分析、運(yùn)行管理提供技術(shù)支撐。

一、時(shí)鐘同步源

時(shí)鐘同步源包括無線電授時(shí)、衛(wèi)星授時(shí)、網(wǎng)絡(luò)授時(shí)三種。

（一）無線電授時(shí)。中國(guó)的BPC是經(jīng)40～70kHz載波信號(hào)來傳輸標(biāo)準(zhǔn)時(shí)標(biāo)。Loran-C是經(jīng)地波來傳輸脈沖信號(hào)，但Loran-C本就具備100kHz的頻率，因此易受電暈放電的干擾。OMEGA導(dǎo)航系統(tǒng)（10～14kHz）的作用距離較Loran-C更遠(yuǎn)，且對(duì)延時(shí)時(shí)間的預(yù)測(cè)精度可達(dá)2～5μs，但OMEGA具有接收器成本高的缺點(diǎn)。（二）衛(wèi)星授時(shí)。衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)是以人造地球衛(wèi)星為載體的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有全天候工作、全球覆蓋及授時(shí)、定位、導(dǎo)航精度高的優(yōu)點(diǎn)。中國(guó)的衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)為北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。（三）網(wǎng)絡(luò)授時(shí)。網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP及簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議SNTP是當(dāng)前常用的國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)時(shí)間傳輸協(xié)議。NTP（隸屬TCP/IP協(xié)議族）采用時(shí)間同步算法，對(duì)時(shí)精度為1～50ms;SNTP是NTP的簡(jiǎn)化版，對(duì)時(shí)精度<1ms，多在簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。IEC61850中要求的時(shí)間同步協(xié)議是SNTP，但I(xiàn)EEE1588才是變電站精確對(duì)時(shí)所需的時(shí)間同步協(xié)議。IEEE1588是用來使分布式網(wǎng)絡(luò)內(nèi)最精確的時(shí)鐘與被授時(shí)時(shí)鐘同步，且絕對(duì)兼容先前的以太網(wǎng)協(xié)議。IEEE1588具體定義的是精確時(shí)間協(xié)議PTP，即采用乒乓對(duì)時(shí)算法及在MAC層記錄時(shí)間戳，以使分布式總線中的執(zhí)行器、傳感器及終端設(shè)備中的時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)亞微秒級(jí)同步，詳見圖1-1。

圖1-1 IEEE1588協(xié)議對(duì)時(shí)過程

IEEE1588時(shí)鐘同步過程分為偏移量測(cè)量與延遲量測(cè)量?jī)刹糠?。偏移量時(shí)差，式中，T1—Sync報(bào)文發(fā)生的精確時(shí)標(biāo);T2—時(shí)鐘接收到Sync報(bào)文的時(shí)標(biāo);—網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的假定值（Sync報(bào)文由主時(shí)鐘發(fā)出）。網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，式中， T3—時(shí)鐘向主時(shí)鐘發(fā)出Delay-Req報(bào)文的時(shí)標(biāo);T4—主時(shí)鐘接收到Delay-Req報(bào)文的時(shí)標(biāo)（Delay-Req報(bào)文由時(shí)鐘發(fā)出）。綜合上述兩個(gè)函數(shù)式后，便可得到、?？梢姡瑥臅r(shí)鐘便可修正得出與主時(shí)鐘統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試結(jié)果顯示，IEEE1588可使時(shí)鐘同步精度<±3μs，且若采取相應(yīng)的補(bǔ)償算法，可使此精度值更高。

二、時(shí)鐘同步技術(shù)在變電站中的應(yīng)用

變電站內(nèi)常用的對(duì)時(shí)方案有脈沖對(duì)時(shí)（或稱硬對(duì)時(shí)）、通信對(duì)時(shí)（或稱軟對(duì)時(shí)）、綜合對(duì)時(shí)及編碼對(duì)時(shí)四種，同時(shí)GPS時(shí)鐘的精度、信號(hào)傳播、IED對(duì)時(shí)處理方案與守時(shí)鐘及IED對(duì)模擬量與開入量的處理方式均可能會(huì)產(chǎn)生誤差。因此，在對(duì)時(shí)鐘同步技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究時(shí)，務(wù)必要考慮到上述問題。依此研究背景，本章節(jié)就時(shí)鐘同步技術(shù)在變電站中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

（一）故障錄波、故障定位及事故順序記錄 ?時(shí)鐘同步技術(shù)的應(yīng)用可使全網(wǎng)維持著統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，如此通過對(duì)分散在變電站中的時(shí)間順序記錄、故障錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，便可在全網(wǎng)中重現(xiàn)事故的發(fā)生、發(fā)展過程及監(jiān)視系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。就時(shí)間順序記錄、故障錄波來講，對(duì)時(shí)精度應(yīng)≥1ms?；贕PS同步時(shí)鐘的電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)對(duì)故障點(diǎn)的定位方法為：對(duì)故障反饋信號(hào)傳至變電站的精確時(shí)間進(jìn)行檢測(cè);對(duì)不同變電站站點(diǎn)的時(shí)差關(guān)系進(jìn)行對(duì)比。從理論角度來講，若能使對(duì)時(shí)精度≥1μs，則相應(yīng)的測(cè)距精度便可≥300m。

（二）兩個(gè)變電站之間的同步試驗(yàn) ?在變電站線路兩側(cè)利用GPS同步時(shí)鐘開展故障暫態(tài)同步試驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻方向與距離保護(hù)裝置、電流差動(dòng)保護(hù)裝置、相差保護(hù)裝置特性進(jìn)行準(zhǔn)確檢驗(yàn)。方向與距離保護(hù)采用的是就地信息，即線路兩側(cè)僅需完成邏輯信號(hào)的交換，因此對(duì)時(shí)精度僅需控制在幾個(gè)ms之內(nèi);差動(dòng)保護(hù)與相差保護(hù)要求對(duì)線路兩側(cè)的模擬量進(jìn)行比較，因此對(duì)時(shí)精度應(yīng)超過1ms。基于GPS同步時(shí)鐘的電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)亦可在全網(wǎng)內(nèi)用來完成同步反事故演習(xí)。

（三）同步相量測(cè)量 ?當(dāng)前，在電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中，同步相量測(cè)量技術(shù)及基于同步相量測(cè)量技術(shù)的廣域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用。據(jù)調(diào)查結(jié)果表明，以GPS為同步時(shí)鐘源的同步相量測(cè)量裝置的應(yīng)用最為廣泛。研究表明，GPS的可用性與授時(shí)信息的精確度對(duì)同步向量測(cè)量的可靠性起著決定性的作用，因此相對(duì)精度應(yīng)≥1μs。

（四）電子式互感器的同步采樣 ?電子式互感器輸出的數(shù)字信號(hào)是采樣處理后的數(shù)字信號(hào)，因此各相電壓與電流互感器的輸出信號(hào)務(wù)必同步，以提高電子式互感器在繼電保護(hù)與其他裝置中的應(yīng)用效果。例如，在母線保護(hù)裝置中，所有呈間隔關(guān)系的電流采樣信號(hào)均應(yīng)保持同步，但在線路差動(dòng)保護(hù)裝置中，此類電流采樣信號(hào)則應(yīng)在兩個(gè)變電站之間實(shí)現(xiàn)同步。若用于計(jì)量，則對(duì)時(shí)精度應(yīng)≥1μs;若用于輸電線路保護(hù)，則對(duì)時(shí)精度應(yīng)≥4μs。

三、討論

IEC 61850系列標(biāo)準(zhǔn)的推廣應(yīng)用使IEEE1588逐漸發(fā)展成為當(dāng)前重要的對(duì)時(shí)手段，如被用來實(shí)現(xiàn)電子式互感器的同步采樣等。當(dāng)前在變電站中應(yīng)用最為廣泛的當(dāng)屬GPS，且應(yīng)用效果相當(dāng)好，但GPS系統(tǒng)由美國(guó)軍方控制，即GPS的授時(shí)精度與可用性均受美國(guó)GPS政策的限制，因此存在不可依賴性，同時(shí)面對(duì)日漸激烈的國(guó)際局勢(shì)，GPS的應(yīng)用也存在更多的安全風(fēng)險(xiǎn)。就中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來講，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用到氣象監(jiān)測(cè)、水文測(cè)報(bào)、艦船監(jiān)控中，且應(yīng)用效果可觀，因此應(yīng)加大研究力度，以使北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用范圍覆蓋到包括電力系統(tǒng)在內(nèi)的更多領(lǐng)域?？傊瑫r(shí)鐘同步技術(shù)的應(yīng)用對(duì)保障電力系統(tǒng)良好的運(yùn)行狀態(tài)具有重要作用。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，時(shí)間報(bào)文+脈沖信號(hào)的綜合對(duì)時(shí)方式仍為保證變電站對(duì)時(shí)精度的主要手段，而IEEE1588可能為變電站時(shí)鐘同步提供新的對(duì)時(shí)手段;北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可能為變電站時(shí)鐘同步提供繼GPS之后新的時(shí)鐘源。