智能電網(wǎng)高精度統(tǒng)一時(shí)鐘系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

李劍鋒

摘 要

時(shí)間同步系統(tǒng)是智能化變電站的關(guān)鍵設(shè)備，同時(shí)也是通信支撐網(wǎng)的重要組成部分。目前電網(wǎng)的時(shí)鐘同步設(shè)備存在著分散獨(dú)立、缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和精度低誤差大等問題，制約著智能電網(wǎng)的發(fā)展，需要加大力度開展高精度統(tǒng)一時(shí)鐘系統(tǒng)的技術(shù)研究。

【關(guān)鍵詞】時(shí)鐘系統(tǒng) 高精度 切換 傳遞 誤差修正

時(shí)間同步系統(tǒng)給智能電網(wǎng)的運(yùn)行、維護(hù)、計(jì)費(fèi)確立統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，為向用戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)打下良好的基礎(chǔ)。對(duì)于智能電網(wǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)，精確統(tǒng)一的時(shí)間可以保證與時(shí)間有關(guān)的設(shè)備的良好運(yùn)行；對(duì)于智能電網(wǎng)電量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，精確統(tǒng)一的時(shí)間可以保證計(jì)費(fèi)的準(zhǔn)確，避免與客戶的糾紛；對(duì)于智能電網(wǎng)維護(hù)部門，精確統(tǒng)一的時(shí)間有利于定位系統(tǒng)的故障原因分析，為解決問題提供準(zhǔn)確的資料；對(duì)于智能電網(wǎng)電力試驗(yàn)部門，精確統(tǒng)一的時(shí)間可以保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性和完整性。

高精度統(tǒng)一時(shí)鐘系統(tǒng)是電力行業(yè)近年來重點(diǎn)發(fā)展和推廣的關(guān)鍵技術(shù)，目前電力系統(tǒng)已開始分層次分階段構(gòu)建全網(wǎng)時(shí)間同步系統(tǒng)，在發(fā)電廠、變電站、控制中心、調(diào)度中心建立集中和統(tǒng)一的電力系統(tǒng)時(shí)間同步系統(tǒng)，且要求系統(tǒng)能基于不同的授時(shí)源建立時(shí)間同步并互為熱備用，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的全網(wǎng)時(shí)間基準(zhǔn)，以保證電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置和系統(tǒng)的正常運(yùn)行和作用的發(fā)揮，保障電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

1 高精度統(tǒng)一時(shí)鐘的需求

高精度統(tǒng)一時(shí)鐘系統(tǒng)是電網(wǎng)智能電子設(shè)備對(duì)高精度統(tǒng)一時(shí)鐘的需求：

1.1 故障錄波、事件順序記錄和故障定位

采用統(tǒng)一時(shí)鐘同步技術(shù)之后，全網(wǎng)就可以維持一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)。這樣通過收集分散在各個(gè)變電站的故障錄波數(shù)據(jù)和事件順序記錄，可以在全網(wǎng)內(nèi)更好地重現(xiàn)事故發(fā)生發(fā)展的過程，監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)故障錄波和事件順序記錄來說，對(duì)時(shí)精度不宜低于1ms。基于衛(wèi)星同步時(shí)鐘的電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)可以通過檢測個(gè)變電站接收到故障反饋信號(hào)的精確時(shí)間、對(duì)比不同站點(diǎn)的時(shí)差關(guān)系來定位故障發(fā)生的位置。理論上講，對(duì)時(shí)精度達(dá)到1uS時(shí)，測距精度可以達(dá)到300m。

1.2 同步相量測量

同步相量測量技術(shù)及以其為基礎(chǔ)的廣域監(jiān)測系統(tǒng)已在電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測中得到了應(yīng)用。目前投入運(yùn)行的同步相量測量裝置都以GPS作為同步時(shí)鐘源。相量測量的可靠性依賴于GPS的可用性以及授時(shí)信息的準(zhǔn)確度，要求全網(wǎng)對(duì)時(shí)精度達(dá)到1uS。

1.3 兩個(gè)變電站間的同步試驗(yàn)

可以利用衛(wèi)星同步時(shí)鐘在線路兩側(cè)進(jìn)行故障暫態(tài)同步試驗(yàn)，來檢驗(yàn)線路縱聯(lián)保護(hù)裝置，包括相差保護(hù)、電流差動(dòng)保護(hù)、高頻距離保護(hù)、高頻方向保護(hù)裝置的特性。對(duì)于距離保護(hù)和方向保護(hù)，由于主要采用就地信息，線路兩端只交換邏輯信號(hào)，對(duì)時(shí)精度在幾個(gè)mS內(nèi)就可以了；但是差動(dòng)保護(hù)、相差保護(hù)因?yàn)橐容^兩側(cè)的模擬量，要求對(duì)時(shí)精度應(yīng)達(dá)到uS級(jí)。

2 建設(shè)高精度統(tǒng)一時(shí)鐘系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高精度網(wǎng)絡(luò)授時(shí)技術(shù)

高精度網(wǎng)絡(luò)授時(shí)是未來電力系統(tǒng)特別是智能電網(wǎng)的發(fā)展方向。目前，電力系統(tǒng)網(wǎng)省調(diào)、地市中心和廠站的裝置，普遍采用NTP授時(shí)；由于NTP/SNTP授時(shí)精度為1毫秒～100毫秒量級(jí)，已經(jīng)不能適應(yīng)電力系統(tǒng)的新需求，基于1588協(xié)議的PTP高精度網(wǎng)絡(luò)授時(shí)是實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)高精度時(shí)間同步的核心。

高精度網(wǎng)絡(luò)授時(shí)技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)授時(shí)協(xié)議、接口、網(wǎng)絡(luò)授時(shí)精度和網(wǎng)絡(luò)管理等，為滿足高精度網(wǎng)絡(luò)授時(shí)的需求，高精度的時(shí)間戳處理技術(shù)和采用的網(wǎng)絡(luò)授時(shí)協(xié)議尤其重要。目前主要采用基于硬件層時(shí)間戳處理技術(shù)，時(shí)間戳精度達(dá)100納秒量級(jí)，采用IEEE1588 V2 高精度網(wǎng)絡(luò)授時(shí)協(xié)議。

2.2 通過E1業(yè)務(wù)或開銷通道傳輸時(shí)間，通道1+1保護(hù)

目前電網(wǎng)SDH網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋所有地調(diào)、縣調(diào)、220KV及大多數(shù)110KV變電站。由于全網(wǎng)時(shí)間同步系統(tǒng)所占用的E1資源很少，可以通過E1業(yè)務(wù)通道或開銷通道利用一條E1通路或n*64k通道等傳輸時(shí)間。

在基于E1傳遞時(shí)間信息的過程中，要特別注意通道倒換、環(huán)路自愈問題對(duì)時(shí)間傳遞精度的影響。當(dāng)工作通道傳輸中斷或性能劣化到一定程度后，線路保護(hù)倒換功能將將主用傳輸自動(dòng)轉(zhuǎn)到備用傳輸通道；環(huán)形網(wǎng)保護(hù)是當(dāng)前傳輸鏈路斷或性能劣化到一定程度后，所引起的通道倒換。因此，在SDH傳輸中，通道倒換和環(huán)路自愈時(shí)將重新選擇一條傳送通路，從而產(chǎn)生較大的抖動(dòng)時(shí)延；通過采用雙向法在SDH網(wǎng)絡(luò)中傳遞時(shí)間信號(hào)時(shí)，常用SDH環(huán)形結(jié)構(gòu)由于不能滿足任意兩個(gè)網(wǎng)元間收發(fā)路徑的對(duì)稱性，無法實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間信號(hào)傳遞，可通過采用PTP精確時(shí)間傳輸協(xié)議來解決SDH網(wǎng)絡(luò)傳遞路徑不對(duì)稱的時(shí)延傳輸問題。

2.3 各級(jí)間的時(shí)間基準(zhǔn)傳遞與傳輸時(shí)延誤差修正

當(dāng)利用SDH網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，SDH網(wǎng)絡(luò)傳遞時(shí)間的通道特性將直接影響時(shí)間的傳遞質(zhì)量，包括授時(shí)精度、時(shí)間可用率等指標(biāo)。因此，在實(shí)施地面時(shí)間傳遞時(shí)，需要對(duì)通信通道進(jìn)行專門的研究，通過分析通道的特性，提出時(shí)間傳遞技術(shù)的自適應(yīng)補(bǔ)償方法；通過分析時(shí)間傳遞的特殊要求，選擇合適的傳輸通道，以滿足高精度時(shí)間傳遞的需求。其中，SDH網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)延包括：傳輸時(shí)延和網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)的處理時(shí)延。

線纜傳輸?shù)臅r(shí)延修正：在全網(wǎng)時(shí)間同步系統(tǒng)中，SDH傳送網(wǎng)絡(luò)的光纜、電纜的長度、溫差等變化將對(duì)時(shí)間的傳遞影響較大，線路固定的傳輸時(shí)延基本上是固定值。因此，在時(shí)間傳遞過程中必須要對(duì)傳輸線纜產(chǎn)生的時(shí)延進(jìn)行誤差修正。目前普遍采用的是雙向時(shí)間比對(duì)法，通過收發(fā)端的高精度時(shí)間戳比對(duì)、自適應(yīng)濾波等手段，基于PTP時(shí)間處理技術(shù)，可有效的自適應(yīng)消除線路傳輸時(shí)延，傳輸時(shí)延修正誤差達(dá)百納秒量級(jí)。

SDH網(wǎng)元的時(shí)延抖動(dòng)誤差修正：電力SDH網(wǎng)絡(luò)是在光纖上進(jìn)行同步信息傳輸、復(fù)用、分插和交叉連接的網(wǎng)絡(luò)，其傳輸網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)元引起的時(shí)延誤差，主要包括因指針調(diào)整、映射處理等產(chǎn)生的時(shí)延抖動(dòng)變化。通過雙向傳輸時(shí)間比對(duì)、自適應(yīng)時(shí)延濾波等手段，完全可以消除因指針調(diào)整、映射處理等產(chǎn)生的時(shí)延抖動(dòng)影響。

2.4 多時(shí)鐘源切換技術(shù)

高精度統(tǒng)一時(shí)鐘系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)源通常包括北斗、GPS時(shí)間源，以及來自地面鏈路傳送過來的地面時(shí)間源，各級(jí)的時(shí)間源融合、選擇和近似無損切換尤其重要。

北斗、GPS及地面鏈路多時(shí)間源自動(dòng)切換技術(shù)：由于北斗與GPS系統(tǒng)存在系統(tǒng)差，雙系統(tǒng)切換時(shí)保證相位連續(xù)性技術(shù)難度很大。通過對(duì)北斗與GPS系統(tǒng)授時(shí)性能長期分析，提出了自主的北斗和GPS雙衛(wèi)星系統(tǒng)秒時(shí)差處理模型。地面鏈路與衛(wèi)星系統(tǒng)間存在較大的相差，通過高精度標(biāo)示北斗、GPS、地面鏈路的授時(shí)系統(tǒng)差，采用自主完好性監(jiān)測與智能估計(jì)、訓(xùn)練等算法，通過對(duì)多時(shí)間基準(zhǔn)源實(shí)時(shí)的相差統(tǒng)計(jì)、比對(duì)，實(shí)時(shí)修正多時(shí)鐘源的相差，能較好地解決了多時(shí)間基準(zhǔn)源的授時(shí)融合難題。

3 結(jié)束語

開展智能電網(wǎng)高精度統(tǒng)一時(shí)鐘系統(tǒng)研究，解決目前時(shí)間同步技術(shù)應(yīng)用情況混亂、技術(shù)水平參差不齊、技術(shù)方案不規(guī)范等問題，可滿足目前電網(wǎng)和未來智能電網(wǎng)的時(shí)間統(tǒng)一需求和對(duì)全網(wǎng)時(shí)間同步系統(tǒng)的管理要求，提高時(shí)間同步技術(shù)應(yīng)用和運(yùn)行管理水平。

作者單位

廣東翰新科技有限公司 廣東省珠海市 519000