電網(wǎng)時(shí)間同步系統(tǒng)的應(yīng)用

任玉佩，王志利，張 健

（1.大同供電公司，山西 大同 037008； 2.山西省電力公司檢修公司，山西 太原 030032；3.山西電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平的提高，電力系統(tǒng)對全站乃至全系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)間基準(zhǔn)的統(tǒng)一有了明確的要求。

如果沒有統(tǒng)一的時(shí)鐘，分散在不同地點(diǎn)的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、變電站自動(dòng)化系統(tǒng)、故障錄波裝置和繼電保護(hù)、安全自動(dòng)裝置等電力系統(tǒng)二次設(shè)備提供的事件記錄數(shù)據(jù)就不可避免地存在時(shí)間順序錯(cuò)位，難以準(zhǔn)確描述電力系統(tǒng)的事件順序和發(fā)展過程，無法給電網(wǎng)事故分析提供有效的分析依據(jù)。有了統(tǒng)一時(shí)鐘，即可實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)在同一時(shí)間基準(zhǔn)下的運(yùn)行監(jiān)控和事故后的故障分析，也可以通過各開關(guān)或裝置動(dòng)作的先后順序來分析事故的原因及發(fā)展過程。所以，統(tǒng)一精確的時(shí)間是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，提高運(yùn)行水平的一個(gè)重要措施。

要做到全電網(wǎng)時(shí)鐘時(shí)間基準(zhǔn)的統(tǒng)一，必須要有一個(gè)能夠?qū)θW(wǎng)不同地點(diǎn)、不同變電站的所有二次設(shè)備及裝置進(jìn)行授時(shí)的統(tǒng)一的時(shí)間同步系統(tǒng)。安全可靠、高精度的時(shí)間同步系統(tǒng)在電力自動(dòng)化系統(tǒng)中占有重要地位，是當(dāng)代電網(wǎng)乃至未來智能電網(wǎng)運(yùn)行的一項(xiàng)基本要求。

1 時(shí)間同步系統(tǒng)的現(xiàn)狀

目前，山西省電網(wǎng)內(nèi)各變電站大多配備了以全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS（Global Positioning System） 為主的分散式時(shí)間同步系統(tǒng)，用于1個(gè)變電站或1個(gè)系統(tǒng)、1臺(tái)裝置的時(shí)鐘校正。由于缺少統(tǒng)一的技術(shù)要求和配置標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有的時(shí)間同步系統(tǒng)配置不盡相同，傳輸方式各異，運(yùn)行情況也不夠穩(wěn)定，部分時(shí)鐘設(shè)備時(shí)間精度不能滿足要求?，F(xiàn)有變電站的時(shí)間同步系統(tǒng)校時(shí)一般有以下三種方式。

脈沖同步校時(shí)方式：GPS時(shí)鐘的同步脈沖用空接點(diǎn)方式輸入裝置，電力系統(tǒng)常用的脈沖信號(hào)為分脈沖或秒脈沖信號(hào)。

通過串行口或監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)校時(shí)方式：GPS時(shí)鐘裝置通過串行口或監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)向各裝置發(fā)送時(shí)間信息校時(shí)，串行口又分為RS232接口和RS422接口方式。

國際通用時(shí)間格式IRIG-B時(shí)間碼校時(shí)方式：IRIG-B（Inter-Range Instrumentation Group B） (以下簡稱“B碼”)為IRIG委員會(huì)的B標(biāo)準(zhǔn)，是專為時(shí)鐘的傳輸制定的時(shí)鐘碼，每秒輸出一幀按秒、分、時(shí)、日期的順序排列時(shí)間信息。IRIG-B信號(hào)有調(diào)制IRIG-B（AC） 和非調(diào)制IRIG-B（DC） 兩種[1]。

上述幾種校時(shí)方式中，脈沖同步校時(shí)方式僅提供整分鐘或整秒鐘的基準(zhǔn)脈沖，保護(hù)裝置接收到基準(zhǔn)脈沖后將自身時(shí)鐘的分鐘或秒鐘計(jì)數(shù)清零。該對時(shí)方式對分鐘或秒鐘的校時(shí)精度可達(dá)毫秒級(jí)，但無法對年、月、日、時(shí)、分等日期、時(shí)間數(shù)值進(jìn)行校正。

通過串行口或監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)校時(shí)方式是通過每間隔一定時(shí)間向裝置發(fā)送串行輸出的時(shí)間信息，對時(shí)信息中包括了年、月、日、時(shí)、分等日期、時(shí)間數(shù)值，但時(shí)間精度僅能達(dá)秒級(jí)。

過去電力系統(tǒng)中普遍將上述兩種校時(shí)方式同時(shí)使用，以達(dá)到既保證時(shí)間精度又保證日期、時(shí)間數(shù)值正確的目的，但這樣做的結(jié)果是GPS時(shí)鐘必須同時(shí)發(fā)送兩種方式的時(shí)鐘信號(hào)，使接口數(shù)量增加一倍，而被授時(shí)裝置必須能同時(shí)接受和處理兩種方式的時(shí)鐘信號(hào)，同時(shí)每面屏柜也必須有兩根對時(shí)信號(hào)電纜。

IRIG-B格式時(shí)間碼為國際通用時(shí)間格式碼，用于各系統(tǒng)的時(shí)間同步。它也是每秒一幀的時(shí)間串碼，在B碼時(shí)間格式中含有天、時(shí)、分、秒信息，碼元的“準(zhǔn)時(shí)”參考點(diǎn)是其脈沖前沿。時(shí)間精度可以達(dá)到微秒級(jí)。B碼校時(shí)方式在一組信號(hào)中達(dá)到了既保證時(shí)間精度又保證日期、時(shí)間數(shù)值正確的目的。有利于減少GPS時(shí)鐘的接口數(shù)量和電纜數(shù)量，也使運(yùn)行維護(hù)更為簡單方便，因此，在變電站的新建或改造工程中得到廣泛采用。

2 基準(zhǔn)時(shí)間源

電網(wǎng)或變電站的時(shí)間同步系統(tǒng)必須具備多種基準(zhǔn)時(shí)間源，以保證運(yùn)行的可靠性和授時(shí)的精確度。

2.1 GPS時(shí)間基準(zhǔn)

GPS衛(wèi)星時(shí)間基準(zhǔn)，是以美國的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)作為主時(shí)鐘源的授時(shí)系統(tǒng)，GPS時(shí)間同步技術(shù)是比較成熟并在國際上廣泛使用的時(shí)間同步技術(shù)，也是電力系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的一種技術(shù)，其精度可達(dá)到100 ns。

2.2 “北斗”時(shí)間基準(zhǔn)

“北斗”衛(wèi)星時(shí)間基準(zhǔn)，是以我國自行研制和建立的“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)”為主時(shí)鐘源的授時(shí)系統(tǒng)，它的建成結(jié)束了我國電力運(yùn)行時(shí)間完全依賴美國GPS系統(tǒng)的歷史，使得我國電力系統(tǒng)授時(shí)有了安全保障?！氨倍沸l(wèi)星”系統(tǒng)即將開放民用，單向授時(shí)精度可以達(dá)到100 ns。

2.3 原子鐘時(shí)間基準(zhǔn)

原子鐘是利用銣、銫等原子的穩(wěn)定振蕩頻率制成的極精密計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)誤差小于每年百萬分之一秒，設(shè)置于省級(jí)電網(wǎng)以上授時(shí)中心，作為內(nèi)部時(shí)鐘源。

2.4 授時(shí)系統(tǒng)自身守時(shí)能力

授時(shí)系統(tǒng)的時(shí)鐘裝置具有內(nèi)部守時(shí)功能，當(dāng)授時(shí)系統(tǒng)接收到外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，被外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)同步；當(dāng)接收不到外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，依靠內(nèi)部守時(shí)能力，使主時(shí)鐘輸出的時(shí)間同步信號(hào)仍能保持一定的準(zhǔn)確度。當(dāng)外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)接收恢復(fù)時(shí)，自動(dòng)回到正常工作狀態(tài)。

3 推薦使用的時(shí)間信號(hào)格式

3.1 國際通用時(shí)間格式碼校時(shí)方式

IRIG是國際通用時(shí)間格式碼，其中IRIG-B時(shí)間編碼被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)同步對時(shí)。其傳輸介質(zhì)可用雙絞線、同軸電纜或光纜，準(zhǔn)確度為1～10μs。B碼對時(shí)方式具有方法簡單、環(huán)節(jié)少的優(yōu)點(diǎn)，適用于較短距離的精確授時(shí)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)對時(shí)方式

網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP（Network Time Protocal），適用基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)。可以在廣域網(wǎng)和Ienternet中授時(shí)，時(shí)間精度達(dá)到毫秒級(jí)。NTP協(xié)議可根據(jù)客戶機(jī)和服務(wù)器之間數(shù)據(jù)包所攜帶的時(shí)間戳確定時(shí)間誤差，并通過一系列算法來消除網(wǎng)絡(luò)傳輸不確定性的影響，進(jìn)行動(dòng)態(tài)時(shí)延補(bǔ)償。

3.3 精確網(wǎng)絡(luò)對時(shí)方式

精確時(shí)鐘傳輸協(xié)議PTP(Precise Time Protocal)，是對NTP的一種改進(jìn)。它采用的是IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)，與NTP在軟件層打時(shí)間戳不同，PTP將時(shí)間戳打在硬件層，其精度高于NTP，時(shí)間精度達(dá)到10～100 ns[2]。

NTP和PTP協(xié)議需要以往返報(bào)文的時(shí)間戳來確定時(shí)延補(bǔ)償量，且要求報(bào)文往返路徑延時(shí)相等。變電站內(nèi)一般保護(hù)、測控、自動(dòng)裝置并不具備硬件時(shí)間戳功能，所以，該協(xié)議適用于上級(jí)授時(shí)中心對下級(jí)時(shí)間同步系統(tǒng)的授時(shí)，而不適用于變電站內(nèi)時(shí)間同步系統(tǒng)對本站裝置的授時(shí)。

4 時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)傳輸系統(tǒng)

4.1 時(shí)間信號(hào)傳遞方法

時(shí)間信號(hào)傳輸通道應(yīng)保證主時(shí)鐘發(fā)出的時(shí)間信號(hào)傳輸?shù)接脩粼O(shè)備時(shí)，能滿足用戶設(shè)備對時(shí)間信號(hào)質(zhì)量的要求，一般可在下列幾種通道中選用。

4.1.1 屏蔽雙絞線傳輸

用于傳輸RS-422、RS-485接口信號(hào)；IRIG-B（DC）碼信號(hào)，或傳輸靜態(tài)空接點(diǎn)脈沖信號(hào)，傳輸距離小于150 m。這種方式連接簡單，維護(hù)方便，但傳輸距離較短，主要用于在保護(hù)室內(nèi)傳輸授時(shí)信號(hào)。

4.1.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸

通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對多點(diǎn)的授時(shí)。網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)管，但由于主要用于以太網(wǎng)，對時(shí)精度較低。

4.1.3 光纖傳輸

用于遠(yuǎn)距離傳輸各種時(shí)間信號(hào)和需要高精度對時(shí)的場合。光纖的傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性高，傳輸時(shí)延最小且穩(wěn)定，是理想的信號(hào)傳輸通道。

4.2 傳輸通道的時(shí)延

時(shí)延是指從主時(shí)鐘接收到的時(shí)間信號(hào)到這個(gè)時(shí)間信號(hào)傳送到終端裝置所需要的時(shí)間，主要是時(shí)間信號(hào)通過傳輸通道和光電轉(zhuǎn)換等電子裝置產(chǎn)生的時(shí)間延遲。時(shí)延是不可避免的，不僅各個(gè)終端到同步時(shí)鐘擴(kuò)展箱的時(shí)延各不相同，各個(gè)同步時(shí)鐘擴(kuò)展箱到主時(shí)鐘的時(shí)延也不相同，所以需要采取補(bǔ)償措施進(jìn)行彌補(bǔ)。

建設(shè)全網(wǎng)統(tǒng)一的時(shí)間同步網(wǎng)，必須能夠精確補(bǔ)償時(shí)間信號(hào)傳輸時(shí)延造成的時(shí)間傳遞誤差，而穩(wěn)定的時(shí)延是保證時(shí)間同步質(zhì)量的重點(diǎn)。為保證對時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，較遠(yuǎn)距離的時(shí)間信號(hào)傳遞應(yīng)采用光纜傳輸。

5 變電站內(nèi)時(shí)間同步系統(tǒng)

根據(jù)山西省電網(wǎng)目前的現(xiàn)狀，應(yīng)當(dāng)首先建設(shè)好電網(wǎng)每個(gè)基本單元，即變電站內(nèi)的時(shí)間同步系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)來統(tǒng)一全站所有裝置的時(shí)鐘。這不但能確保變電站內(nèi)各系統(tǒng)在統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)下的運(yùn)行監(jiān)控和提高事故后的故障分析能力，而且也為將來建設(shè)全電網(wǎng)的時(shí)間同步系統(tǒng)打下了良好的基礎(chǔ)。

該系統(tǒng)應(yīng)具備可接受多個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)源（GPS/北斗衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)、上級(jí)時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)）的能力。過去僅以GPS衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)作為時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，近年來北斗衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)已逐漸成熟，并已開放民用。因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的時(shí)間同步僅使用GPS、北斗衛(wèi)星的單向授時(shí)功能，兩種衛(wèi)星在使用方便性上沒有區(qū)別，且授時(shí)精度基本一樣。國內(nèi)廠家已能生產(chǎn)同時(shí)接收GPS和北斗兩組衛(wèi)星信號(hào)的衛(wèi)星時(shí)鐘，它所提供的授時(shí)信號(hào)既可實(shí)現(xiàn)雙星互備，又不依賴于GPS，是一種高可靠性的時(shí)源鐘。所以，變電站的時(shí)間同步系統(tǒng)應(yīng)以GPS/北斗衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)為主基準(zhǔn)時(shí)間源，以上級(jí)時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)或原子鐘為備用基準(zhǔn)時(shí)間源，實(shí)現(xiàn)多種時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)互為備用。

當(dāng)GPS/北斗與外部時(shí)間基準(zhǔn)都能同時(shí)正常接收時(shí)，優(yōu)選GPS/北斗時(shí)間源，外部時(shí)間基準(zhǔn)自動(dòng)屏蔽；當(dāng)GPS/北斗不能正常接收時(shí)，自動(dòng)搜索接收外部時(shí)間信號(hào)，提取外部時(shí)間基準(zhǔn)；當(dāng)GPS/北斗與外部時(shí)間基準(zhǔn)均不正常時(shí)，由內(nèi)部高精度恒溫晶振時(shí)鐘守時(shí)，使輸出的時(shí)間同步信號(hào)仍能保證一定的準(zhǔn)確度；當(dāng)外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)接收恢復(fù)時(shí)，自動(dòng)切換到正常狀態(tài)工作。

變電站內(nèi)授時(shí)方式以IRIG-B碼為主，具備多制式信號(hào)輸出（串口、脈沖、網(wǎng)絡(luò)等），滿足多設(shè)備（系統(tǒng)信號(hào)輸出可以任意擴(kuò)展，可滿足任何規(guī)模任何方式的時(shí)間信號(hào)需求）的要求。變電站內(nèi)時(shí)鐘屏柜和被授時(shí)設(shè)備之間的距離較近，所以一般采用IRIG-B碼的直流（DC）碼，而不采用1 kHz正弦調(diào)制信號(hào)的交流（AC）碼方式，以提高授時(shí)精度并防止對其他電子設(shè)備造成干擾。

對于保護(hù)、測控裝置分散布置的多小室變電站，可由1面主時(shí)鐘屏和多面時(shí)鐘擴(kuò)展屏組成授時(shí)系統(tǒng)。主時(shí)鐘屏一般設(shè)在變電站的控制室，各小室設(shè)時(shí)鐘擴(kuò)展屏。主時(shí)鐘屏通過光纖給每個(gè)小室的時(shí)鐘擴(kuò)展屏下發(fā)B碼對時(shí)信號(hào)，再由各小室時(shí)鐘屏負(fù)責(zé)本小室二次設(shè)備的對時(shí)，從而做到全站各電子設(shè)備的時(shí)間統(tǒng)一。由于變電站內(nèi)時(shí)間基準(zhǔn)傳遞距離很近，信號(hào)時(shí)延不大，一般無需進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償。

6 省級(jí)電網(wǎng)授時(shí)中心至變電站

在省級(jí)電網(wǎng)公司授時(shí)中心應(yīng)設(shè)立基準(zhǔn)主時(shí)鐘（GPS/北斗衛(wèi)星時(shí)鐘＋原子鐘），作為整個(gè)省級(jí)電網(wǎng)的時(shí)間基準(zhǔn)。主時(shí)鐘采用冗余配置，輸入兩路GPS/北斗衛(wèi)星時(shí)鐘，同時(shí)可接受上級(jí)電網(wǎng)授時(shí)中心提供的時(shí)間同步信號(hào)。

由于省級(jí)電網(wǎng)授時(shí)中心至各變電站的距離較遠(yuǎn)，且傳輸通道情況復(fù)雜，因此，必須對時(shí)間信號(hào)進(jìn)行精確的時(shí)延補(bǔ)償，以消除時(shí)間基準(zhǔn)的傳遞誤差。出于對授時(shí)精度的要求，由省網(wǎng)授時(shí)中心至各變電站的授時(shí)方式應(yīng)采用PTP精確時(shí)鐘傳輸協(xié)議。

7 結(jié)束語

電力系統(tǒng)的日常運(yùn)行、事故分析、生產(chǎn)管理均需要高精度的時(shí)間基準(zhǔn)提供依據(jù)，因此，建立全網(wǎng)統(tǒng)一的時(shí)間同步系統(tǒng)比采用傳統(tǒng)的、分散的GPS時(shí)鐘設(shè)備有著明顯的優(yōu)勢。在建設(shè)變電站內(nèi)時(shí)間同步系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，逐步完善省級(jí)電網(wǎng)、區(qū)域電網(wǎng)或國家電網(wǎng)的時(shí)間同步，是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。只有充分完善了時(shí)間同步機(jī)制的電網(wǎng)，才能稱為真正意義上的現(xiàn)代化電網(wǎng)。

［1］ 王永輝，姬希軍，張寶燦，等.變電站自動(dòng)化系統(tǒng)GPS對時(shí)技術(shù)及應(yīng)用［J］.自動(dòng)化應(yīng)用，2010（3）：46-47.

［2］ 于鵬飛，喻強(qiáng)，鄧輝，等.IEEE 1588精確時(shí)間同步協(xié)議的應(yīng)用方案［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009（13）：99-103.