城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)鐘同步方式探討

羅 鵬

0 引言

城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱SCADA 或PSCADA 系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)城軌供電系統(tǒng)主變電所、牽引變電所、降壓變電所等各類變電所內(nèi)設(shè)備及相關(guān)供電設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、測(cè)量和控制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理供電系統(tǒng)內(nèi)部的各種故障，為運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員提供自動(dòng)化、信息化管理平臺(tái)。

城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)歷了人工監(jiān)控系統(tǒng)、分立自動(dòng)化系統(tǒng)和綜合監(jiān)控系統(tǒng)3 個(gè)發(fā)展階段。

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等飛速發(fā)展，在建及新建的城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)均趨向于采用統(tǒng)一的軟、硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各分立自動(dòng)化系統(tǒng)的綜合集成。例如：西安地鐵和廣州、北京、上海等城市的大部分在建及新建項(xiàng)目均采用電力監(jiān)控系統(tǒng)集成于綜合監(jiān)控系統(tǒng)的方式。

當(dāng)前，電力監(jiān)控系統(tǒng)由設(shè)置在控制中心的電力調(diào)度系統(tǒng)，設(shè)置在各變電所內(nèi)的全所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，以及通信通道3 部分構(gòu)成。

利用城市軌道交通內(nèi)部的高效通信網(wǎng)絡(luò)，借助于計(jì)算機(jī)的高速計(jì)算能力和邏輯判斷功能，電力監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)量精度較高，能實(shí)時(shí)采集到相對(duì)完整的供電系統(tǒng)運(yùn)行及故障信息。

1 城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求

由于城市軌道交通供電系統(tǒng)的設(shè)備種類繁多、數(shù)量龐大，且存在機(jī)械、電氣等方面的緊密聯(lián)系，實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷和外部環(huán)境多變，故障的出現(xiàn)變得難以預(yù)測(cè)。而故障的爆發(fā)又是瞬時(shí)性的，其故障范圍及所造成的損失將隨時(shí)間的延長(zhǎng)而急劇擴(kuò)大。

因此，電力監(jiān)控系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)地反映供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，尤其是故障信息（包含系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程的電流、電壓波形，斷路器、電動(dòng)隔離開關(guān)等設(shè)備及保護(hù)裝置動(dòng)作的時(shí)序和時(shí)間，各種事件發(fā)生的時(shí)序和時(shí)間等），系統(tǒng)和運(yùn)營(yíng)人員才有可能正確地分析事件的前因后果，科學(xué)地判斷、處理故障，實(shí)現(xiàn)精確控制等，從而縮小故障范圍，降低人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

電力監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性有著近乎苛刻的要求。高實(shí)時(shí)性是電力監(jiān)控系統(tǒng)的核心要求。

高實(shí)時(shí)性的實(shí)現(xiàn)，除了需要提高系統(tǒng)各設(shè)備對(duì)信息的處理速度，減少網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)臅r(shí)間開銷外，系統(tǒng)內(nèi)部精確的、統(tǒng)一的時(shí)鐘是其實(shí)現(xiàn)的基本前提。本文即探討城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)鐘同步的實(shí)現(xiàn)方式。

時(shí)鐘同步系統(tǒng)主要由主時(shí)鐘、從時(shí)鐘和其間的同步對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

2 主時(shí)鐘的產(chǎn)生

時(shí)鐘同步系統(tǒng)需要一個(gè)高精度、高可靠性的基準(zhǔn)時(shí)鐘源，并以此為主時(shí)鐘來(lái)校準(zhǔn)系統(tǒng)內(nèi)的其它各子時(shí)鐘/從時(shí)鐘，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘同步功能。目前，可以用作時(shí)鐘源的授時(shí)系統(tǒng)主要有美國(guó)的GPS、歐洲的伽利略、中國(guó)的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)等。

由于，GPS 傳遞的時(shí)間能與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（UTC）保持高度同步，誤差甚至小于0.1 μs[1]，且具有高可靠性和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用作外部時(shí)鐘源。

主時(shí)鐘系統(tǒng)需要對(duì)GPS 接收裝置接收的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償、轉(zhuǎn)換處理、擴(kuò)展接口等操作，從而產(chǎn)生方便傳輸、接收，適宜于國(guó)內(nèi)習(xí)慣的時(shí)鐘信號(hào)。

城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)通常在控制中心設(shè)置主時(shí)鐘，或者由通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供，并按該時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘同步。

3 對(duì)時(shí)方式的選擇

由GPS 時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生的主時(shí)鐘信號(hào)是非常精確的，但從時(shí)鐘設(shè)備相對(duì)于主時(shí)鐘設(shè)備在地域上是分散的，其設(shè)備性能、接口等均不相同，與主時(shí)鐘之間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。因而，采取何種對(duì)時(shí)方式實(shí)現(xiàn)主時(shí)鐘對(duì)從時(shí)鐘的校時(shí)，成為時(shí)鐘同步系統(tǒng)的關(guān)鍵。

目前，對(duì)時(shí)方式主要有串口通信校時(shí)、脈沖中斷校時(shí)和綜合校時(shí)方式3 種。

串口通信校時(shí)是通過(guò)向從時(shí)鐘設(shè)備發(fā)送時(shí)間報(bào)文的方式進(jìn)行對(duì)時(shí)。其時(shí)間報(bào)文中包含了當(dāng)前的時(shí)間信息（包括時(shí)、分、秒，年、月、日等），報(bào)文信息格式可采用ASCⅡ碼、BCD 碼等。時(shí)間報(bào)文在主時(shí)鐘和各從時(shí)鐘設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)上傳輸，遵循時(shí)鐘同步的協(xié)議（主要有NTP、SNTP 和IEEE 1588 標(biāo)準(zhǔn)的PTP 協(xié)議等）進(jìn)行校準(zhǔn)處理。

基于串行通信實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)的方式也決定其精度受通信網(wǎng)絡(luò)的影響。例如：協(xié)議轉(zhuǎn)換、傳輸延時(shí)、中斷處理等不確定性因素的影響，難以滿足時(shí)鐘同步對(duì)高精度的要求。

脈沖中斷校時(shí)是向從時(shí)鐘設(shè)備發(fā)送同步脈沖，從時(shí)鐘設(shè)備根據(jù)脈沖進(jìn)行校時(shí)的對(duì)時(shí)方式。脈沖包括：秒脈沖、分脈沖和時(shí)脈沖。

在脈沖中斷校時(shí)方式中，同步誤差主要是由導(dǎo)線傳輸、脈沖信號(hào)處理等延時(shí)造成，該誤差一般僅為幾十μs[2]。其缺點(diǎn)是無(wú)法提供時(shí)間日期等信息，這就要求裝置自身具有記錄功能。

綜合校時(shí)方式結(jié)合了以上2 種對(duì)時(shí)方法的特點(diǎn)，綜合采用。即利用串行通信時(shí)間報(bào)文來(lái)確定當(dāng)前時(shí)間的年、月、日、星期、時(shí)、分、秒等信息，同時(shí)利用秒脈沖信號(hào)進(jìn)行時(shí)間修正，從而保證毫秒級(jí)時(shí)間精度的要求。

基于城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)性要求（事件的分辨率為毫秒級(jí)），以及需要記錄完整的時(shí)間信息，以實(shí)現(xiàn)邏輯判斷、精確控制、同步分合閘操作、事件順序記錄、事故追憶等功能方面的考慮，綜合對(duì)時(shí)方式是最佳選擇。

4 結(jié)束語(yǔ)

城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)為運(yùn)營(yíng)管理提供了自動(dòng)化、信息化平臺(tái)，集成于綜合監(jiān)控系統(tǒng)是其發(fā)展趨勢(shì)。高實(shí)時(shí)性是電力監(jiān)控系統(tǒng)的核心要求。接收GPS 時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生主時(shí)鐘（或者由通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供），采用綜合對(duì)時(shí)方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的時(shí)鐘同步是其當(dāng)前的最佳選擇。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)及其時(shí)鐘同步方式也將改革創(chuàng)新，不斷提高城市軌道交通供電系統(tǒng)管理的自動(dòng)化、信息化水平。

[1] 朱松林.變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[2] 高翔.數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.