智能化變電站時鐘同步精度測試方法研究

馬成久，張武洋

（東北電力科學(xué)研究院有限公司，遼寧沈陽 110006）

智能化變電站是目前電力系統(tǒng)發(fā)展的重要方向之一，智能化變電站的技術(shù)與常規(guī)變電站的技術(shù)有很大的不同，智能化變電站采用的是非常規(guī)互感器、智能化的一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備等，由于新技術(shù)的引進(jìn)及實際應(yīng)用，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提出了新的課題。

智能化變電站安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)之一就是時鐘同步問題。因為智能化變電站用網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備取代了常規(guī)變電站的硬接線方式，所有采樣數(shù)據(jù)由傳統(tǒng)的模擬量變?yōu)楣饫w傳輸?shù)臄?shù)字量，這就給電力系統(tǒng)安全防護(hù)設(shè)備采樣數(shù)據(jù)的實時性和采樣時刻的同一性提出了更高的要求。

對于智能化變電站的時鐘同步精度測試目前還沒有一個完整的體系，相關(guān)部門只是針對智能化變電站各對時IED設(shè)備的對時精度提出了要求，但沒有指出具體測試方法。因此，在相關(guān)對時精度標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合各種不同對時方式原理，制定了一種準(zhǔn)確度高、測試方法簡單，并適合理論研究和現(xiàn)場調(diào)試的時鐘同步精度測試方法。

1 智能化變電站時鐘同步精度測試

目前，關(guān)于時鐘同步精度的測試方法還沒有一個統(tǒng)一的要求，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)只是對時鐘同步的精度提出了明確的要求。為了按照相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對智能化變電站的時鐘精度和各被授時IED的時鐘同步精度進(jìn)行測試，提出了一種原理簡單、操作方便的時鐘同步測試方法。該方法針對IRIG－B碼、秒脈沖、RS485和IEEE1588等對時方式采用相同機(jī)理的對時測試方法進(jìn)行時鐘同步精度測試。

1.1 智能化變電站同步對時

脈沖對時也稱硬對時，是利用脈沖的準(zhǔn)時沿（上升沿或下降沿）來校準(zhǔn)被授時設(shè)備。常用的脈沖對時信號有秒脈沖（1PPS）和分脈沖（1PPM），有些情況下也會用時脈（1PPH），其中1PPM和1PPH也可以通過累計1PPS得到。脈沖對時信號分為有源脈沖和無源接點。有源脈沖電源由授時設(shè)備提供，電壓等級常用的有TTL電平+5 V、24 V和差分電平±5 V;無源接點等效于斷路器，準(zhǔn)時閉合/斷開，被授時設(shè)備自身提供電源，通過無源接點轉(zhuǎn)換為有源脈沖。實際應(yīng)用中常用無源接點，因而授時設(shè)備與被授時設(shè)備之間不需約定電壓等級。脈沖對時的優(yōu)點是授時精度高，使用無源接點時，適應(yīng)性強;缺點是只能校準(zhǔn)到秒（用1PPS），其數(shù)據(jù)需要人工預(yù)置。

IRIG－B是每秒一幀的串行時間碼，最符合實際使用習(xí)慣，而且傳輸也較容易，IRIG－B（DC）碼的同步精度可達(dá)亞微秒級，IRIG－B（AC）碼的同步精度一般為10～20 ms。

IEEE1588是一種網(wǎng)絡(luò)對時方法，網(wǎng)絡(luò)時鐘傳輸是以1900年1月1日00:00:00為計算時間起始點用戶數(shù)據(jù)協(xié)議（UDP）報文。網(wǎng)絡(luò)中報文往返時間是可以估算的，因此，采用補償算法可以達(dá)到精確對時目的。IEEE1588v2的核心思想是采用主從時鐘方式，對時間信息進(jìn)行編碼，周期性時鐘發(fā)布（一般是announce報文2 s 1次，sync報文1 s 1次），利用網(wǎng)絡(luò)鏈路的對稱性和延時測量技術(shù)，實現(xiàn)主從時鐘頻率、相位和絕對時間同步，PTP的關(guān)鍵是延時測量。IEEE1588v2的時間同步模式有普通時鐘（OC）、邊界時鐘（BC）、End－to－End透傳時鐘和Peer－to－Peer透傳時鐘。

1.2 智能化變電站同步對時精度測試

首先應(yīng)選用一款時鐘同步精度較高的時鐘源（如銫鐘等原子鐘）作為被測設(shè)備的比照標(biāo)準(zhǔn)源，然后將標(biāo)準(zhǔn)源和被測設(shè)備分別鎖定同一時間信號源（如GPS或北斗），待2臺設(shè)備的時鐘與GPS （或北斗）時間信號同步鎖定，時鐘信號輸出穩(wěn)定后，將被測設(shè)備的時鐘同步信號（B碼、IEEE1588、秒脈沖等）輸入標(biāo)準(zhǔn)源，完成時鐘同步精度測試。采用該方式的時鐘同步精度測試試驗，要求標(biāo)準(zhǔn)源的精度要高于被測設(shè)備精度2個等級以上，以確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，具體測試接線圖如圖1所示。

圖1 智能化變電站時鐘同步對時精度測試圖

2 智能化變電站時鐘同步精度測試實例

2.1 IEEE1588時鐘同步精度測試

由于IRIG－B碼和秒脈沖同步對時方法已比較成熟，因此，針對智能化變電站時鐘同步精度測試方法，只對IEEE1588精密時鐘協(xié)議對時精度進(jìn)行測試。試驗過程如下:任選某一廠家的主時鐘設(shè)備（支持IEEE1588）和1臺時鐘精度等級高的原子鐘標(biāo)準(zhǔn)源（支持IEEE1588測試），對該時鐘廠家的主時鐘IEEE1588輸出時鐘同步精度進(jìn)行測試，試驗接線如圖2所示，測試時間為30 min。

2.2 IEEE1588時鐘同步精度測試結(jié)果

圖2 IEEE1588時鐘同步精度測試接線

圖2為IEEE1588時鐘同步精度測試每s采樣1次，30 min連續(xù)測試，得IEEE1588時鐘同步精度測試數(shù)據(jù)（如圖3所示）。由圖3試驗數(shù)據(jù)可得IEEE1588時鐘同步精度是ns級，符合其對時協(xié)議要求精度，說明該測試方法對于時鐘同步精度測試可行。

圖3 IEEE1588時鐘同步精度測試結(jié)果

3 結(jié)束語

在實際仿真分析的基礎(chǔ)上，提出的時鐘同步精度測試方法可以對智能化變電站主時鐘及各被授時設(shè)備的同步對時精度進(jìn)行有效、精確的測試，對于實驗室的研究和工程現(xiàn)場的調(diào)試也提供了便捷、準(zhǔn)確的測試方法。但對同步精度測試標(biāo)準(zhǔn)源的精度要求和經(jīng)交換機(jī)后同步對時精度的測試方法還需進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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