析智能變電站對時方式

徐　強， 李　智， 張　軍， 劉　俊

(1.國網安徽省電力公司檢修公司， 安徽　合肥　230022；2.長園深瑞繼保有限公司， 廣東　深圳　518000)

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析智能變電站對時方式

徐強1， 李智1， 張軍1， 劉俊2

(1.國網安徽省電力公司檢修公司， 安徽合肥230022；2.長園深瑞繼保有限公司， 廣東深圳518000)

智能變電站的對時精度要求遠大于傳統(tǒng)變電站以及數字化變電站，文章通過實際分析智能變電站各種智能設備對時間同步系統(tǒng)對時方式的選擇，探討了智能變電站中幾種主要的對時方式的技術特點以及應用范圍。

智能變電站；對時精度；對時方式

智能變電站是以全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能的變電站。而在智能變電站中要想實現以上高級應用功能必須要有統(tǒng)一的全網時間基準，穩(wěn)定的時間同步系統(tǒng)是智能變電站可靠運行的基礎和關鍵。

1　智能變電站系統(tǒng)構成

智能變電站分為過程層、間隔層、站控層。過程層(設備層)包含由一次設備和智能組件構成的智能設備、合并單元和智能終端，完成變電站電能分配、變換、傳輸及其測量、控制、保護、計量、狀態(tài)監(jiān)測等相關功能。間隔層設備一般指繼電保護裝置、測控裝置等二次設備，實現使用一個間隔的數據并且作用于該間隔一次設備的功能，即與各種遠方輸入/輸出、智能傳感器和控制器通信。站控層包含自動化系統(tǒng)、站域控制、通信系統(tǒng)、對時系統(tǒng)等子系統(tǒng)，實現面向全站或一個以上一次設備的測量和控制的功能，完成數據采集和監(jiān)視控制(SCADA)、操作閉鎖以及同步相量采集、電能量采集、保護信息管理等相關功能[1]。

2　智能變電站幾種常用的對時方式及對時方案

2.1智能變電站幾種常用的對時方式

與傳統(tǒng)變電站相比，智能變電站對時間同步的要求更高。高精度的時間同步系統(tǒng)可確保智能變電站實時數據采集的一致性，進而提高電網運行效率以及電網事故分析和穩(wěn)定控制的水平。首先介紹智能變電站中幾種常用的對時方式。

(1)網絡時間協(xié)議(NTP，Network Time Protocol)。網絡時間協(xié)議(NTP)是用來在整個網絡內發(fā)布精確時間的TCP/IP協(xié)議，其本身的傳輸基于UDP，也是使用最普遍的國際互聯(lián)網時間傳輸協(xié)議。NTP適用于電力系統(tǒng)IP網絡已覆蓋的站點，但由于IP網的固有屬性，其對時精度相對較低(毫秒級)。

(2)IRIG-B碼。IRIG-B碼是由美國國防部下屬的靶場儀器組(IRIG)制定的一種對時標準。根據傳輸介質的不同，B碼對時又分為光B碼和電B碼，電B碼又分為交流(AC)碼和直流(DC)碼兩種。AC碼以調制的方式編碼，適合較遠距離傳送；DC碼是依靠電平邏輯來編碼，傳送距離較近。B碼對時的優(yōu)點是時間精度高，其時間準確度范圍為10μs～1000μs， 但由于采用固定時延補償，需要對時延補償量進行實時調整。

(3)PTP(IEEE 1588)協(xié)議。PTP是IEEE 1588的簡稱，全稱是“網絡測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議”。該協(xié)議集成了網絡通訊、局部計算和分布式對象等多項技術，適用于所有通過支持多播的局域網進行通訊的分布式系統(tǒng)。PTP對時方式的基本原理是通過一個同步信號周期性對網絡中所有節(jié)點的時鐘進行校正同步, 可以使基于以太網的分布式系統(tǒng)達到亞納秒級的精確同步。

2.2智能變電站常用對時方案

目前智能變電站常用的時間同步系統(tǒng)對時方案有以下三種。

方案一：

站控層設備對時采用NTP網絡對時方式

間隔層設備對時采用IRIG-B對時方式

過程層設備對時采用IRIG-B對時方式

方案二：

站控層設備對時采用NTP網絡對時方式

間隔層設備對時采用IRIG-B對時方式

過程層設備對時采用PTP網絡對時方式

方案三：

站控層設備對時采用NTP網絡對時方式

間隔層設備對時采用PTP網絡對時方式

過程層設備對時采用PTP網絡對時方式

三種對時方案中站控層授時方式均采用NTP網絡對時，過程層和間隔層授時方式主要分為IEC61588和IRIG-B碼兩種，目前智能變電站多采用第一種對時方案作為智能變電站時間同步系統(tǒng)的典型配置方案。

3　智能變電站實際配置

以安慶的220kV武昌智能變電站為例，武昌智能變電站采用第一種對時方案。全站建立統(tǒng)一的時間同步系統(tǒng)，并且主時鐘采用雙重化配置，均支持北斗系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)標準授時信號，優(yōu)先采用北斗系統(tǒng)。站內配置有一個同步時鐘主鐘柜(內有兩臺主機)、一個同步時鐘擴展柜(內有兩臺從機)實現對站內所有對時設備的軟、硬對時。武昌智能變電站的站控層設備對時采用NTP對時方式，通過非屏蔽雙絞線網線將站控層設備與對時系統(tǒng)主機連接在一個局域網中即可實現對網絡時間。NTP對時方式的應用較為方便，精度可在大多數情況下保持在毫秒級。而站控層設備如監(jiān)控、遠動、故障信息子站等設備對時間精度的要求大多在1ms～10ms以內，采用NTP對時方式完全可以滿足站控層設備對時精度的要求。NTP對時方式對于變電站內站控層的設備是可用的，但它不能滿足智能變電站中對時間精度要求較高的裝置比如合并單元的對時精度要求。合并單元的采樣率一般都在80點/周波以上[2]，兩個采樣點之間的時間間隔小于250μs，1ms相當于4個采樣間隔，1ms誤差帶來的相位誤差就達到了18°，超出了保護容忍的范圍。因此武昌智能變電站在過程層與間隔層采用對時精度更高的IRIG-B碼對時方式。

間隔層設備采用RS- 485接口的IRIG-B碼對時信號，即間隔層對時輸入采用IRIG-B直流碼電信號。間隔層設備如保護裝置、測控裝置對時間精度的要求大多在1ms以內，IRIG-B碼對時方式能保證間隔層設備對時精度的要求。保護裝置、測控裝置一般布置在保護小室，距離同步時鐘柜較近，因此選擇IRIG-B直流碼對時就可以滿足間隔層設備的對時精度要求，現場只需從同步時鐘柜敷設電纜對間隔層保護裝置、測控裝置等設備點對點予以對時。過程層設備對時輸入采用850nm波長的多模光纖接口的IRIG-B碼對時信號，現場需從同步時鐘柜敷設光纜對過程層合并單元、智能終端等設備點對點予以對時。一般來說保護的相位誤差要求為不大于3°，折算為時間為(1/6)ms,考慮到正負誤差和可靠系數，合并單元的對時精度應優(yōu)于50us。而IRIG-B碼對時的時間準確度范圍為10μs～1000μs，可以滿足合并單元的對時精度要求。因此過程層設備與間隔層設備采用的IRIG-B碼對時方式基本可以滿足變電站內除行波測距外大部分設備的對時精度要求。間隔層設備和過程層設備都采用IRIG-B碼對時，但間隔層對時輸入采用電信號對時方式，過程層對時輸入采用光信號對時方式。主要原因在于過程層設備合并單元的對時精度要求較高，采用光信號傳輸時傳輸速率更高。而且智能變電站中過程層設備如合并單元、智能終端主要布置在戶外的智能匯控箱，距離保護小室的同步時鐘柜較遠，采用光纜傳輸比采用電纜傳輸更加節(jié)省成本。

4　對時方案選擇的思考

目前智能變電站站控層授時方式意見較為統(tǒng)一，采用NTP網絡對時，過程層和間隔層授時方式主要包括IEC61588和IRIG-B碼兩種方案。在智能變電站二次設備組網的方式下，PTP網絡對時方式不需要增加額外的傳輸路徑，接線簡單，擴建時也不需要增加設備。同時PTP網絡對時方式的對時精度可以達到亞微秒級，相比較來說PTP網絡對時方式比B碼對時更加先進。而目前在實際工程應用中主要使用B碼對時，PTP技術目前在智能變電站中的應用較少，主要原因在于：(1)PTP技術存在系統(tǒng)設計不合理的問題，系統(tǒng)設計時在每個獨立的物理網絡只設計了一個主時鐘，不能實現主備互用，降低了系統(tǒng)對時的可靠性。(2)PTP對時系統(tǒng)運行穩(wěn)定性差，存在時間抖動大、抗網絡風暴能力差及長時間對時失效的現象。由于PTP技術采用網絡對時，與GOOSE網以及SV網共用交換機，導致其抗網絡流量影響能力差。當電網故障時大量的GOOSE報文及SV報文會在網絡中傳輸導致網絡負載加重，交換機內可能出現較大的排隊時延，甚至報文丟失，這樣對網絡對時的精度會有很大的影響，有可能導致保護裝置閉鎖。另外支持PTP技術的成熟產品不多，造成變電站二次系統(tǒng)總體造價過高，這些都阻礙了該技術在智能變電站中的應用，但隨著技術的發(fā)展這些問題將逐步得到解決，PTP技術將越來越廣泛地被應用到智能變電站中。

5　結論

目前，智能變電站的研究和建設正在全國電網中逐步開展，因此已成為當前電網探討的熱點。文章從實際工程應用需求出發(fā)，從不同方面分別分析了智能變電站中過程層設備、間隔層設備以及站控層設備對時間同步的要求。通過分析目前智能變電站時間同步系統(tǒng)的典型配置方案使讀者初步了解智能變電站中幾種常見對時方式的相關技術特點，最后對時間同步系統(tǒng)對時方式在智能變電站中未來的發(fā)展做了一個展望。

[1] Q/GDW 441-2010，智能變電站繼電保護技術規(guī)范[S].

[2] 南瑞繼保有限公司.PCS-221A電子式互感器線路合并單元技術和使用說明書[Z].2011.

[責任編輯：張一]

Mode of Time Adjustment in Smart Substations

XUQiang1,LIZhi1,ZHANGJun1,LIUJun2

(1.MaintenanceCompanyofStateGridAnhuiElectricPowerCorporation，Hefei230022，China;2.CYGSunriCo.,Ltd.,Shenzhen518000,China)

The requirement of the precision of time adjustment in the smart substations is much higher than the traditional substations and the digital substations. According to analyzing how to choose the mode of time adjustment for the devices in the smart substations，this paper investigates the technical characteristics and the applications of several major modes of time adjustment in the smart substations.

smart substation; precision of time adjustment; mode of time adjustment

2016- 03- 01

徐強(1989-)，男，河南信陽人，國網安徽省電力公司檢修公司，助理工程師，主要研究方向為繼電保護。E-mail：20080019@163.com

李智(1964-)，男，安徽蕪湖人，國網安徽省電力公司檢修公司蕪湖分部運維專責，高級技師，注冊安全工程師。 E-mail：lizhi12356@163.com

TM645.2+3

A

1672-9706(2016)03- 0038- 03

張軍(1986-)，男，安徽蕪湖人，國網安徽省電力公司檢修公司，主要研究方向為繼電保護。

劉俊(1988-)，男，湖北天門人，長園深瑞繼保有限公司，工程師，主要研究方向為繼電保護。