一種基于電網(wǎng)頻率值的配電終端對時方法

劇晶晶

（齊魯工業(yè)大學（山東省科學院） 電氣工程與自動化學院，山東 濟南 250353）

0 引 言

在智能配電網(wǎng)中，配電自動化是實現(xiàn)全自動控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。配電自動化功能豐富，能夠?qū)崟r采集和分析智能配電網(wǎng)的運行數(shù)據(jù)，并判斷故障類型自動設(shè)置隔離[1]。配電自動化的重要組成部分是饋線自動化。饋線自動化的主要設(shè)備為配電終端（FTU），安裝在饋線分段開關(guān)處。饋線上配電終端在故障檢測、通信和執(zhí)行配電主站下發(fā)命令時，都要依賴統(tǒng)一的時間基準。國家電網(wǎng)要求配電終端的對時精度不大于10 ms。因此，本文提出了一種基于電網(wǎng)頻率值的配電終端對時方法。

1 電網(wǎng)時鐘同步方式

電網(wǎng)時鐘同步方式主要有衛(wèi)星時鐘同步技術(shù)、NTP/SNTP網(wǎng)絡(luò)時鐘同步技術(shù)和IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)時鐘同步技術(shù)。衛(wèi)星時鐘同步技術(shù)包括GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有高精度和高時效的特點。GPS衛(wèi)星授時是GPS建立的專用時間系統(tǒng)，搭載有原子鐘。它的秒長與UTC（世界協(xié)調(diào)時間）秒長保持一致，目前已在我國電力系統(tǒng)中大規(guī)模使用，但可靠性和自主性存在隱患[2]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)則是我國自主研發(fā)并提供導(dǎo)航定位與授時服務(wù)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要能為用戶提供單向授時和雙向授時兩種授時方式，其中單向授時的精度約為100 ns，雙向授時的精度約為20 ns[3]。NTP/SNTP協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議和簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議，通過交換時間服務(wù)器（Server）和客戶端（Client）的時間戳，計算客戶端（Client）相對于服務(wù)器（Server）的時延和偏差來進行時鐘同步。NTP網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議在局域網(wǎng)中的對時精度是1 ms，而在廣域網(wǎng)中的對時精度是10～100 ms[4-5]。NTP網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議具有成本低和無需硬件支持的優(yōu)點。IEEE 1588時鐘同步協(xié)議對時精度高，主要分為兩個版本——第一版本（即PTP協(xié)議）能夠?qū)崿F(xiàn)亞毫秒級的高精度同步，第二版本可實現(xiàn)亞微秒級的高精度同步[6]。相比之下，IEEE 1588協(xié)議在精度和安全性上要優(yōu)于NTP網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議，但成本較高，且需要通過軟硬件結(jié)合的方式實現(xiàn)同步。

2 對時原理

在電力系統(tǒng)運行中，由于負荷隨機波動，導(dǎo)致有功功率不平衡，造成系統(tǒng)頻率實時偏移。可見，系統(tǒng)頻率的偏移是由負荷決定的，且無法避免。電網(wǎng)頻率值實時變化，且同一時刻不同地點采集計算的電網(wǎng)頻率值相同。根據(jù)這一特點，利用電網(wǎng)頻率值進行比對，計算時鐘偏差，實現(xiàn)了配電終端之間的時鐘同步，適用于同一配電線路上的所有配電終端或者同一母線上的不同配電線路上的配電終端之間保持時鐘同步。

3 系統(tǒng)設(shè)計

饋線自動化系統(tǒng)包括變電站配電終端（FTU00）、饋線上分段開關(guān)處配電終端（FTU11、FTU12、FTU13）以及通信系統(tǒng)，如圖1所示。通信網(wǎng)絡(luò)是各配電終端之間的通信通道。

圖1 饋線自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

變電站配電終端FTU00與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)直接連接，以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獲取的時間基準作為標準時鐘源，同時將此時鐘源信息下發(fā)給FTU11、FTU12以及FTU13終端。饋線上配電終端FTU11、FTU12以及FTU13負責監(jiān)視并采集饋線上的電力參數(shù)信息，實現(xiàn)控制分段開關(guān)的功能，同時接收FTU00下發(fā)的標準時鐘源信息，以校正饋線上配電終端的本地時鐘[7-8]。對時的時間戳由64位無符號浮點數(shù)組成，前32位為整數(shù)部分，后32位為小數(shù)部分，單位為秒，時間相對于1900年1月1日0點。周波頻率值用32位無符號整數(shù)表示。該數(shù)字除以1 000后，即為頻率的真實值，單位為Hz。

4 基于電網(wǎng)頻率值的配電終端對時方法

配電終端對時通信過程如圖2所示。

圖2 配電終端對時通信過程圖

變電站母線處配電終端FTU00向饋線1分段開關(guān)處的所有配電終端發(fā)送報文，即以FTU00的時鐘信息為標準時鐘源，對饋線1分段開關(guān)處的配電終端FTU11、FTU12以及FTU13進行時鐘同步。FTU11發(fā)送對時請求命令給FTU00，同時啟動FTU11的信號采集功能（以采集AB線電壓上的周波信號為例）。根據(jù)周波信號進行頻率計算，并記錄每個周波的起始（0°相位）時刻（T10、T11、T12等）和頻率值（f11、f12、f13等）。FTU00收到對時請求命令后，立即開始采集本線路上的周波信號（以AB線電壓為例）并進行頻率計算，記錄第1個周波起始（0°相位）時刻T0和之后連續(xù)3個周波的頻率值f01、f02、f03）。連續(xù)3個周波的頻率值計算完成后，F(xiàn)TU00將記錄的第1個周波起始時刻和之后的連續(xù)3個周波的頻率值打包發(fā)送給FTU11，即發(fā)送對時應(yīng)答命令。FTU11收到對時應(yīng)答命令后，停止本終端的頻率計算。

FTU11開始進行頻率值比對。若FTU11從開始發(fā)送對時請求命令到收到對時應(yīng)答共記錄了N個周波的頻率值，則從第1頻率值f11開始進行比對，一直到第N-2個頻率值，計算公式為：

式中：f0(i+1)表示FTU00記錄的頻率值；f1(i+k)表示FTU11記錄的第k個頻率值，k從1開始，到N-2結(jié)束。當ρ值最小時，F(xiàn)TU00與FTU11兩配電終端的頻率值近似相等。根據(jù)頻率值特點，若不同配電終端采集計算的電網(wǎng)頻率值相等，其時刻一定相同。因此，計算并比較得到最小的ρ值，此時對應(yīng)的頻率為f1k，即可認為FTU11上的時刻T1(k-1)與FTU00上的時刻T0相同，計算兩處的時鐘偏差Δt為：

FTU11糾正時鐘偏差，即：

饋線1上分段開關(guān)處的其他配電終端FTU12和FTU13的對時方法同上。

5 結(jié) 論

饋線上配電終端在故障檢測、通信和執(zhí)行配電主站下發(fā)命令時，要依賴統(tǒng)一的時間基準。本文根據(jù)電網(wǎng)頻率實時變化且同一時刻不同地點采集計算的電網(wǎng)頻率值相同的特點，利用電網(wǎng)頻率值進行比對，計算時鐘偏差，實現(xiàn)了配電終端之間的時鐘同步。本方法適用于同一配電線路上所有配電終端或者同一母線上不同配電線路上的配電終端之間保持時鐘同步。