二次設備時間同步狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

李 澄，陳 顥，寧 艷

(江蘇方天電力技術有限公司，江蘇 南京 211102)

隨著網(wǎng)絡和裝機容量的日益擴大，電力系統(tǒng)運行方式日趨復雜，系統(tǒng)內線路或主變發(fā)生故障時，將引起系統(tǒng)內相關的主設備保護、后備保護或相鄰保護等多個保護的相繼動作跳閘。為了分析整個事故的發(fā)生及演變過程，自動化系統(tǒng)記錄的事件時標起著關鍵作用，為此各變電站內系統(tǒng)二次設備時間同步的正確性非常重要[1，2]。變電站中通過配置時鐘同步系統(tǒng)來保證事件時標的正確性。另外，為了監(jiān)視時鐘同步系統(tǒng)的運行情況，江蘇電網(wǎng)還建立了時鐘設備時間同步監(jiān)測網(wǎng)絡，對時間同步系統(tǒng)的運行狀況實時監(jiān)測[3]。目前對變電站大量的二次設備對時狀態(tài)還沒有有效的監(jiān)視手段，只能到現(xiàn)場檢查二次設備的時間同步情況。

由于技術發(fā)展和設備更新的原因，變電站現(xiàn)存的二次設備種類復雜，型號繁多，對時間同步監(jiān)測主要存在的問題有：（1）傳統(tǒng)以及智能站二次設備都未設計時間同步狀態(tài)監(jiān)視功能和接口，必須找到不修改現(xiàn)有設備，實現(xiàn)同步監(jiān)視的方法。（2）各種二次設備的通信接口、規(guī)約不同。同步監(jiān)視獲得二次設備裝置的時間數(shù)據(jù)，必須通過通信接口，通信接口、規(guī)約不同阻礙了同步監(jiān)視的實現(xiàn)。（3）時間真實性問題。二次設備有很多是多處理器/板結構的，裝置內部同樣有時間同步系統(tǒng)，簡單監(jiān)視裝置時間并不真實反映事件時標時間的同步狀態(tài)。為了實現(xiàn)有效、可行二次設備時間同步狀態(tài)在線監(jiān)測，根據(jù)不同的二次設備對象，設計了分別適用于常規(guī)變電站和智能變電站的站內二次設備時間同步監(jiān)測方案，然后各變電站以統(tǒng)一的接口接入時間同步監(jiān)測系統(tǒng)。

1 常規(guī)變電站監(jiān)測方案

目前，常規(guī)變電站大多采用基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡103協(xié)議完成二次設備與主站間的通信，早期的設備采用基于485的103協(xié)議或基于以太網(wǎng)的其他協(xié)議，為了能適應所有現(xiàn)場的情況，對常規(guī)變電站二次設備時間同步的監(jiān)測設計了2種方案：二次設備定時模擬事件方案和開關量遙信方案。

1.1 二次設備定時模擬事件方案

該方案基于網(wǎng)絡103協(xié)議，利用該協(xié)議的UDP組播信號量、事件信息的發(fā)布功能，通過定時發(fā)送帶時標事件報文來實現(xiàn)二次設備的時間同步狀態(tài)檢測，其具體過程如下：

（1）同步監(jiān)測裝置加入二次設備的廣播組；

（2）受監(jiān)測的二次設備按照固定的間隔模擬信號變位，每間隔連續(xù)發(fā)送3次具有時標的特定開關量報文；

（3）同步監(jiān)測裝置以收到特定事件報文內的時標作為基準時間T1，以接收到報文的時間作為報文的精確時間T0；

（4）同步監(jiān)測裝置將T0和T1發(fā)送到監(jiān)視后臺。監(jiān)視后臺通過比較T0和T1的差值來判斷二次設備的時間準確性。

由于報文傳輸需要時間，當裝置已同步時，該方案并不能確保T0和T1的差值為0，經(jīng)過實際設備試驗及統(tǒng)計，報文傳輸時間通常小于0.15 ms，偶爾T0和T1的差值會大于8 ms，由于二次設備事件時標精度要求通常為1 ms，為此監(jiān)測后臺采用統(tǒng)計方法，過濾由于傳輸延遲導致誤差較大的數(shù)據(jù)點，綜合分析后才判定二次設備事件同步的狀態(tài)。

該方案只需在變電站增加同步監(jiān)測裝置，無需增加額外的物理接線和網(wǎng)絡，也不改動現(xiàn)有的系統(tǒng)結構，工程實施簡單，工作量小且能夠滿足絕大部分設備的監(jiān)測要求，用戶較容易接受。

由于該方案需要對二次設備軟件進行小的修改，對已投運的變電站實現(xiàn)同步監(jiān)測存在一定困難，為此該方案適合新建常規(guī)變電站時使用。

1.2 開關量遙信方案

為滿足變電站改造要求以及對高精度要求設備的時間同步監(jiān)測，設計了開關量遙信方案，如圖1所示。具體過程如下：

（1）同步監(jiān)測裝置與二次設備均獨立與時間同步系統(tǒng)時鐘對時；

（2）同步監(jiān)測裝置在規(guī)定時刻T0通過硬接線向二次設備發(fā)送對時監(jiān)測脈沖信號；

（3）二次設備受監(jiān)測脈沖觸發(fā)生成帶時標的事件，該事件包含二次設備時間T1；

（4）監(jiān)測裝置通過通訊接口監(jiān)測二次設備通訊報文，解析帶時標的事件報文提取二次設備時間T1；

（5）根據(jù)T0和T1的差值，監(jiān)視后臺進行統(tǒng)計和分析。

圖1 常規(guī)變電站開關量遙信方案

該方案采用實際遙信量觸發(fā)事件，得到精確時標，可以滿足高精度同步監(jiān)測的要求。另外實施時不需要改動已投運設備的功能，通過485/以太網(wǎng)絡UDP偵聽特定報文即能實現(xiàn)同步監(jiān)測，該方案適合于已投運變電站的改造，缺點是改造工作量較大，相同較復雜。

2 智能變電站監(jiān)測方案

目前智能變電站正逐漸成為主流，智能站全站采用IEC 61850標準，過程層數(shù)據(jù)以GOOSE報文形式通過交換機網(wǎng)絡傳輸[4-6]。因此，利用智能站過程層網(wǎng)絡的便利條件，用傳統(tǒng)變電站模擬事件方案的方法設計了智能站二次設備時間同步監(jiān)測方案，如圖2所示。

（1）同步監(jiān)測裝置接入過程層網(wǎng)絡；

（2）二次設備定時發(fā)送帶時標的GOOSE報文；

（3）監(jiān)測裝置接收GOOSE報文并進行解析，以收到GOOSE報文的時間作為基準時間T0，以報文中數(shù)據(jù)集中指定字段的時標為二次設備時間T1；

（4）根據(jù)T0和T1的差值，監(jiān)視后臺進行統(tǒng)計和分析。

圖2 智能變電站二次設備定時模擬事件方案

IEC 61850標準中要求GOOSE的處理傳輸時間小于4 ms，為此T0和T1的時差理論上小于4 ms（實測GOOSE處理傳輸時間一般小于2 ms），為此，在智能變電站中采用該方法實現(xiàn)時間同步監(jiān)測性能較傳統(tǒng)站更有保證；另外，GOOSE是智能變電站的基本功能，實現(xiàn)同步監(jiān)測一般不需要修改二次設備的軟件，僅需修改配置即可。

3 同步監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

同步監(jiān)測系統(tǒng)由分布在各變電站的同步監(jiān)測裝置和監(jiān)視后臺組成。

同步監(jiān)測裝置負責站內二次設備時間同步監(jiān)視，屏蔽每個站具體的同步監(jiān)視實現(xiàn)方案，以統(tǒng)一的通信規(guī)約與監(jiān)視后臺通信；另外，同步監(jiān)測裝置還完成站內時鐘設備時間同步的監(jiān)測。

監(jiān)視后臺系統(tǒng)完成所有二次設備同步狀態(tài)的分析和判斷以及各變電站時鐘設備時間同步的監(jiān)測。

3.1 同步監(jiān)測裝置

同步監(jiān)測裝置的結構如圖3所示，其主要功能如下：

（1）與站內時間同步系統(tǒng)接口。同步監(jiān)測裝置需要監(jiān)視站內時間同步系統(tǒng)的狀態(tài)，也需要用標準時間打硬件時標，從而與二次設備時間進行比較。

（2）偵聽UDP/GOOSE，捕獲二次設備響應的帶時標的事件報文、以及GOOSE報文，由硬件記錄所接收報文的時標，保證時間監(jiān)測盡可能的精確。這個以太網(wǎng)接口不實現(xiàn)TCP/IP棧，僅接收而不發(fā)送報文，二次設備網(wǎng)絡的安全性不會受影響。

（3）偵聽485線路報文，實現(xiàn)早期設備的串口103報文的幀聽，用于傳統(tǒng)站開關量遙信方案。

（4）準確時刻開出信號輸出。利用光耦以及固態(tài)繼電器（根據(jù)二次設備物理接口而定）在精確時刻發(fā)送同步測試脈沖，為保證輸出精確性，每組輸出還可補償線路延遲。

（5）與二次設備時間同步監(jiān)測后臺接口。此網(wǎng)絡接口實現(xiàn)TCP/IP棧，但不與UDP/GOOSE偵聽口有軟件/硬件上的關聯(lián)，保證跨站內/站外網(wǎng)絡的隔離。

圖3 同步監(jiān)測裝置結構

3.2 同步監(jiān)視后臺

監(jiān)視后臺可以在變電站、地調和省調分級部署，實現(xiàn)對配置的站內GPS時鐘的時間同步狀態(tài)和站內二次設備對時狀態(tài)進行檢測，并對歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析，繪制數(shù)據(jù)曲線圖。

監(jiān)視后臺與監(jiān)測裝置之間采用TCP/IP的通信方式，通信規(guī)約為自定義格式。其中監(jiān)視后臺作為客戶端，監(jiān)測裝置作為服務端，兩者采取長連接的通信方式。

監(jiān)視后臺根據(jù)監(jiān)測裝置上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)與基準時間源的偏差值，顯示二次設備對時狀態(tài)的有效性，并可以按照指定的時間段、監(jiān)測設備和二次設備分別或組合查詢。同時，還可以根據(jù)二次設備的型號等參數(shù)，從各角度對二次設備的對時精度進行分析并繪制相應的曲線圖。

監(jiān)視后臺接收到監(jiān)測裝置上傳的二次設備時間T1和基準時間T0并進行差值計算，若連續(xù)n（n≥3）個差值超過設定值時，則判定此二次設備的對時狀態(tài)有誤，并給出告警信息。某二次設備的對時精度曲線如圖4所示。從圖中可以看出，有2點的時間偏差值較大。但是由于這2點并沒有連續(xù)出現(xiàn)，因此可以判斷，該二次設備對時狀態(tài)正常。

4 結束語

圖4 二次設備對時精度曲線

目前，變電站二次設備時間同步狀態(tài)尚未實現(xiàn)在線監(jiān)測功能。本文根據(jù)常規(guī)變電站和智能變電站的不同特點分別給出了各自的二次設備時間同步狀態(tài)的在線監(jiān)測方案及具體的實施過程。還介紹了方案中同步監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，包括同步監(jiān)測裝置和監(jiān)視后臺的結構、原理及具體功能。

[1]李 澄，黃 偉，吳 剛.數(shù)字化變電站新技術特點及應用[J].江蘇電機工程，2007，26(S1)： 8-10.

[2]張 斌，倪益民，馬曉軍，等.變電站綜合智能組件探討[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，34(21)：91-94.

[3]魯東海，孫純軍，王曉虎.智能變電站中在線監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].電力自動化設備，2011，31(1)：134-137.

[4]張清枝，左群業(yè)，何 剛，等.智能變電站網(wǎng)絡對時測試研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(21)：237-240.

[5]梁國堅，段新輝，高新華.數(shù)字化變電站過程層網(wǎng)絡方案[J].電力自動化設備，2011，31(2)：94-98.

[6]樊 陳，倪益民，沈 健，等.IEEE1588在基于IEC 61850-9-2標準的合并單元中的應用[J].電力系統(tǒng)自動化，2011，35(6)：55-59.