電力信息化系統(tǒng)時(shí)間同步技術(shù)研究及運(yùn)用

余從極, 何宏建,2

(1.國(guó)家電投集團(tuán)江蘇電力有限公司，江蘇 南京210008；2.國(guó)電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京210008)

近年來(lái)，隨著電網(wǎng)的發(fā)展，自動(dòng)化控制系統(tǒng)、微機(jī)機(jī)電保護(hù)裝置、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等先進(jìn)設(shè)備廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)中，極大地提高了電網(wǎng)自動(dòng)化水平。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于設(shè)備、系統(tǒng)型號(hào)不一致，無(wú)法實(shí)現(xiàn)信息共享，從而導(dǎo)致電力故障。因此，電網(wǎng)對(duì)電力信息化系統(tǒng)的時(shí)間一致性提出了新的要求。電力信息化系統(tǒng)時(shí)間同步技術(shù)的研究和應(yīng)用，對(duì)提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要意義。

1 電力信息系統(tǒng)時(shí)間同步技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和電力技術(shù)的發(fā)展，變電站在建設(shè)和發(fā)展過(guò)程中，投入使用的電力設(shè)備和通信設(shè)備，在運(yùn)行過(guò)程中，時(shí)間授時(shí)系統(tǒng)之間不能互通，造成電力系統(tǒng)的時(shí)間不統(tǒng)一，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行故障。因此，需要發(fā)電廠、變電站加強(qiáng)時(shí)間同步技術(shù)，確保不同授時(shí)源時(shí)間同步，以及設(shè)備互通有無(wú)。電力系統(tǒng)不同設(shè)備對(duì)時(shí)間同步的精度要求不同：線路行波故障測(cè)距裝置、雷電定位系統(tǒng)裝置、電子互感器、電壓互感器等相關(guān)裝置要求時(shí)間同步準(zhǔn)確度小于1 μs；故障錄波器、PMU、測(cè)控一體化裝置、電氣測(cè)控元件、SOE裝置等裝置要求時(shí)間同步準(zhǔn)確度小于1 ms；微機(jī)保護(hù)裝置、變壓器終端設(shè)備、自動(dòng)化系統(tǒng)、安全自動(dòng)化裝置、饋線等裝置時(shí)間同步準(zhǔn)確度小于10 ms；監(jiān)控用電終端裝置、火電廠、變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、電能計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、繼電保護(hù)裝置、自動(dòng)化記錄、監(jiān)控和調(diào)度中心數(shù)字顯示始終、電力設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置、電力采集裝置、電力管理系統(tǒng)、電力調(diào)度管理信息系統(tǒng)等相關(guān)的管理系統(tǒng)時(shí)間同步準(zhǔn)確度小于1 s。

2 電力信息系統(tǒng)時(shí)間同步技術(shù)的必要性

近年來(lái)，隨著電網(wǎng)的發(fā)展，電力信息系統(tǒng)在電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用，在電力信息系統(tǒng)實(shí)行時(shí)間同步技術(shù)，是電力信息化發(fā)展的必然要求，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.1 滿足電網(wǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)時(shí)間的需求

為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)存在的故障，電力設(shè)備安裝了大量的監(jiān)測(cè)裝置，電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中一旦出現(xiàn)異常信息，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)立即發(fā)出警報(bào)并將異常信息發(fā)送給調(diào)度中心，調(diào)度中心工作人員對(duì)異常信息進(jìn)行分析，從而快速鎖定故障范圍，將故障控制在最小范圍。電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)往往根據(jù)警告系統(tǒng)的時(shí)間順序，對(duì)故障進(jìn)行分析和定位，所以實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步是電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的要求。

2.2 電力計(jì)費(fèi)系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步的要求

計(jì)費(fèi)系統(tǒng)是供電公司實(shí)現(xiàn)運(yùn)行管理的重要手段，計(jì)費(fèi)系統(tǒng)在跨區(qū)域、跨系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)算的時(shí)候，一般根據(jù)服務(wù)地區(qū)的起止時(shí)間，不同系統(tǒng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)不同，所以建立同步時(shí)間有利于供電公司統(tǒng)一結(jié)算。

2.3 電力信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份對(duì)時(shí)間同步要求

電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，為了防止突發(fā)情況導(dǎo)致電力信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失，電力信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)需要實(shí)時(shí)備份并恢復(fù)數(shù)據(jù)，如果信息系統(tǒng)服務(wù)器和客戶端的時(shí)間不同步，那么數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)法及時(shí)備份和恢復(fù)，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或者重復(fù)現(xiàn)象。

2.4 安全認(rèn)證系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步要求

電力信息系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，受到網(wǎng)絡(luò)攻擊或者病毒的入侵，從而導(dǎo)致信息系統(tǒng)崩潰，丟失重要的文件和數(shù)據(jù)信息。因此，需要對(duì)信息系統(tǒng)的文件和數(shù)據(jù)信息采取安全措施，通過(guò)數(shù)字時(shí)間服務(wù)對(duì)信息系統(tǒng)的文件進(jìn)行加密保護(hù)，加密保護(hù)算法是根據(jù)時(shí)間進(jìn)行計(jì)算的。

3 電力系統(tǒng)時(shí)間同步體系架構(gòu)

電力系統(tǒng)時(shí)間同步技術(shù)框架是根據(jù)電力系統(tǒng)覆蓋范圍、設(shè)備數(shù)量、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及電網(wǎng)成本等因素進(jìn)行綜合考慮，根據(jù)不同的范圍，可以劃分為單點(diǎn)一級(jí)架構(gòu)、多點(diǎn)一級(jí)架構(gòu)、二級(jí)架構(gòu)等。

3.1 單點(diǎn)一級(jí)架構(gòu)

單點(diǎn)一級(jí)架構(gòu)是在電力系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，通過(guò)這些關(guān)鍵的時(shí)間節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)所有的用時(shí)設(shè)備同步運(yùn)行要求。單點(diǎn)一級(jí)架構(gòu)在每一個(gè)以太網(wǎng)用時(shí)設(shè)備中安裝了NPT客戶端，這些客戶端的時(shí)間源自一級(jí)時(shí)間中心的NPT服務(wù)端。其架構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 單點(diǎn)一級(jí)架構(gòu)示意圖

3.2 多點(diǎn)一級(jí)架構(gòu)

多點(diǎn)一級(jí)架構(gòu)是在單點(diǎn)一級(jí)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，在電力系統(tǒng)的多個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上構(gòu)建一級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，并按照每一個(gè)核心節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍劃分區(qū)域，每一個(gè)分區(qū)構(gòu)建一個(gè)同步城，每一個(gè)同步城可以看成一個(gè)單點(diǎn)以及時(shí)間同步架構(gòu)。由此，可以看出多點(diǎn)一級(jí)架構(gòu)是在單點(diǎn)一級(jí)時(shí)間架構(gòu)上建立起來(lái)的，其架構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 多點(diǎn)一級(jí)架構(gòu)示意圖

3.3 二級(jí)同步架構(gòu)

二級(jí)同步時(shí)間架構(gòu)是在單點(diǎn)一級(jí)架構(gòu)和多點(diǎn)一級(jí)架構(gòu)基礎(chǔ)上建立起來(lái)，這種架構(gòu)必須在省市一級(jí)的供電企業(yè)建立時(shí)間中轉(zhuǎn)服務(wù)站，然后在每一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上建立一級(jí)同步時(shí)間節(jié)點(diǎn)，按照同步時(shí)間節(jié)點(diǎn)覆蓋的區(qū)域劃分不同的區(qū)域，不同的一級(jí)節(jié)點(diǎn)直屬電力企業(yè)客戶端節(jié)點(diǎn)或者同步時(shí)間范圍的中轉(zhuǎn)服務(wù)，省市中轉(zhuǎn)服務(wù)則為本省市所有的用時(shí)設(shè)備提供時(shí)間同步服務(wù)。二級(jí)同步架構(gòu)圖其實(shí)就是在多點(diǎn)一級(jí)架構(gòu)基礎(chǔ)上安裝中轉(zhuǎn)服務(wù)器，具體如圖3所示。

圖3 二級(jí)同步時(shí)間架

4 時(shí)間同步技術(shù)在電力信息系統(tǒng)的應(yīng)用

4.1 時(shí)間同步技術(shù)應(yīng)用在電力信息系統(tǒng)的時(shí)間同步系統(tǒng)

隨著電網(wǎng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，電力系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)精確度有了更高的要求。目前，國(guó)內(nèi)的電網(wǎng)僅僅具備不同站點(diǎn)內(nèi)部的局部時(shí)間同步，還無(wú)法做到整個(gè)電力系統(tǒng)時(shí)間同步的技術(shù)要求，所以還需要對(duì)其進(jìn)一步地研究。目前電力系統(tǒng)時(shí)間同步主要依靠變電站的GPS定位系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)統(tǒng)一，確保整個(gè)變電站時(shí)間同步技術(shù)，是電力信息化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的必要條件。各個(gè)站點(diǎn)依靠GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)顯示的時(shí)間，同時(shí)輔助NTP系統(tǒng)，電力系統(tǒng)不同站點(diǎn)內(nèi)部設(shè)備需要通過(guò)GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)授時(shí)時(shí)間，電網(wǎng)電力設(shè)備通過(guò)NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議校準(zhǔn)信息系統(tǒng)時(shí)間。因此，目前電力信息系統(tǒng)時(shí)間同步技術(shù)主要是以衛(wèi)星定位系統(tǒng)為主，NTP系統(tǒng)為輔。雖然不同站點(diǎn)內(nèi)部的時(shí)間同步系統(tǒng)比較精確，但是不同站點(diǎn)使用的都是獨(dú)立的衛(wèi)星系統(tǒng)，無(wú)法和整個(gè)電力系統(tǒng)進(jìn)行有效的銜接和確保一致性，這樣導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)時(shí)間不同步，因此，必須建立整個(gè)電力系統(tǒng)的時(shí)間同步系統(tǒng)。

4.2 時(shí)間同步技術(shù)應(yīng)用在電力信息化系統(tǒng)綜合時(shí)間同步方案

目前，國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是由SDH和以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，這兩種網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步協(xié)議不同，SDH網(wǎng)絡(luò)基于SDH時(shí)間同步協(xié)議建立起來(lái)的，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)則建立PTP時(shí)間同步協(xié)議基礎(chǔ)上。由于電力系統(tǒng)各個(gè)站點(diǎn)之間的距離比較遠(yuǎn)，依靠以太網(wǎng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的通信要求，造成網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，從而無(wú)法達(dá)到電力系統(tǒng)對(duì)時(shí)間精準(zhǔn)度的要求。所以一般來(lái)說(shuō)，兩個(gè)距離比較遠(yuǎn)的站點(diǎn)需要通過(guò)分組交換的形式進(jìn)行通訊，這樣會(huì)產(chǎn)生多級(jí)交換機(jī)和路由器，導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。IEEE1588同步時(shí)間協(xié)議雖然一定程度上可以實(shí)現(xiàn)秒級(jí)時(shí)間同步要求，但是需要安裝外部硬件設(shè)備輔助，所以需要對(duì)整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)硬件進(jìn)行升級(jí)，這樣會(huì)大大增加整個(gè)電網(wǎng)的建設(shè)成本?；诔杀究紤]，國(guó)內(nèi)的電力系統(tǒng)信息化系統(tǒng)大多數(shù)采用SDH時(shí)間同步協(xié)議，它對(duì)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)距離沒(méi)有特殊要求，可以確保電力系統(tǒng)在不需要更換網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備的前提下，確保電力信息系統(tǒng)時(shí)間同步要求，從而降低電網(wǎng)建設(shè)的成本。通過(guò)SDH時(shí)間同步協(xié)議，可以讓站點(diǎn)距離比較近，需要有線網(wǎng)絡(luò)連接的站點(diǎn)連接，利用有線時(shí)間同步技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)議，實(shí)現(xiàn)電力信息化系統(tǒng)的時(shí)間同步方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

電力信息化系統(tǒng)的有序運(yùn)行，需要時(shí)間同步技術(shù)的支撐，確保整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部信息實(shí)時(shí)共享，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力故障。目前，由于我國(guó)電網(wǎng)只有各個(gè)站點(diǎn)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，還無(wú)法達(dá)到系統(tǒng)時(shí)間同步，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)時(shí)間同步技術(shù)的研究。