智能電網(wǎng)同步時鐘技術(shù)

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(1.山東電力集團分司濟寧供電公司，山東 濟寧 272000；2.智能電網(wǎng)運行與控制湖南省重點實驗室(長沙理工大學)，湖南 長沙 410004)

智能電網(wǎng)同步時鐘技術(shù)

王毅1，鄒亮2，張峰1，李靖強1

(1.山東電力集團分司濟寧供電公司，山東 濟寧 272000；2.智能電網(wǎng)運行與控制湖南省重點實驗室(長沙理工大學)，湖南 長沙 410004)

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，對時間同步提出了更高的要求。IEEE1588時鐘同步協(xié)議能夠滿足智能電網(wǎng)對時間同步的苛刻要求，具有極大的發(fā)展?jié)摿?。簡要概述了目前智能電網(wǎng)時鐘同步存在的問題，提出了高精度衛(wèi)星同步時鐘和基于IEEE 1588協(xié)議的智能電網(wǎng)時間統(tǒng)一技術(shù)的技術(shù)方案。

同步時鐘；智能電網(wǎng) ；IEEE1588

1 引言

隨著超臨界、超超臨界機組相繼并網(wǎng)運行，大區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)，電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行對電力自動化設(shè)備提出了新的要求，特別是對時間同步，要求繼電保護裝置、自動化裝置、安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)(EMS)和生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)等基于統(tǒng)一的時間基準運行，以滿足事件順序記錄(SOE)、故障錄波、實時數(shù)據(jù)采集時間一致性要求，確保線路故障定位、相量和功角動態(tài)監(jiān)測、機組和電網(wǎng)參數(shù)校驗的準確性，以及電網(wǎng)事故分析和穩(wěn)定控制水平，以提高運行效率及其可靠性。

未來數(shù)字電力技術(shù)的推廣應(yīng)用，對時間同步的要求會更高[1,2]。

為智能電網(wǎng)的時間同步存在一系列難題，國家電網(wǎng)公司于2009年在智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究框架(初稿)中明確提出要研發(fā)適合智能電網(wǎng)應(yīng)用特點的時間統(tǒng)一系統(tǒng)[3]。IEEE1588(IEC61588)是一種新的、先進的時鐘同步協(xié)議，是智能電網(wǎng)首選的時鐘同步系統(tǒng)方案。本文首先對目前電力系統(tǒng)時鐘同步存在的問題作了簡要的概述，然后提出了高精度衛(wèi)星同步時鐘和基于IEEE 1588協(xié)議的智能電網(wǎng)時間統(tǒng)一系統(tǒng)的方案。對智能電網(wǎng)時間統(tǒng)一系統(tǒng)的建設(shè)提供了參考，具有一定的工程實用性。

2 目前智能電網(wǎng)時鐘同步存在的主要問題

2.1衛(wèi)星時鐘的安全性

在廣域時間同步系統(tǒng)中，關(guān)心的是相對時間同步。但是若能保證各節(jié)點的同步時鐘達到絕對時間同步，那么相對時間同步也自然滿足了。因此，要建立統(tǒng)一的廣域同步時間系統(tǒng)，就必須按照一個公共時間基準。當前國外的衛(wèi)星授時系統(tǒng)中，GPS 系統(tǒng)具有時間精度高，價格低廉等優(yōu)點，將其作為同步時鐘的公共時間基準具有突出的優(yōu)越性[4]。但是，民用GPS時鐘的可靠性并沒有得到保障，美國并不保證民用GPS的精度和可靠性。因此，在實際應(yīng)用中，GPS接收機產(chǎn)生的時鐘信號的精度和安全性難以得到保證，在正常工作條件下，最大偏差可能達1.6μs，而且在衛(wèi)星失步的情況下，偏差甚至達到上百毫秒[5]，美國甚至可以隨時關(guān)閉GPS時鐘。北斗系統(tǒng)投入使用前，電力行業(yè)的授時系統(tǒng)由于沒有得到自主的衛(wèi)星導航系統(tǒng)的支撐，被迫形成了對美國GPS、俄羅斯GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的完全依賴，導致其存在巨大的安全隱患，嚴重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

2.2同步時鐘誤差修正精度

GPS時鐘目前已是世界上應(yīng)用范圍最廣、精度最高的時間發(fā)布系統(tǒng)之一，GPS接收機接收到的GPS時鐘與國際標準時間UCT保持高度同步。但是，民用GPS 接收機接收到的GPS 時鐘因衛(wèi)星鐘差、星歷誤差、電離層誤差、多徑誤差、對流層誤差、接收機誤差、跟蹤衛(wèi)星過少誤差等因素的影響，精度和穩(wěn)定性難以得到保證。例如Motorola UTONCORE 型接收機，統(tǒng)計精度為50 ns (1R)，表示GPS 時鐘誤差落在1R 范圍(50 ns) 內(nèi)的概率為0.6828，落在2R范圍(100 ns) 內(nèi)的概率為0.9546；落在3R范圍(150ns) 內(nèi)的概率為0.9974[6-8]。根據(jù)文獻[9]對2個型號相同的GPS接收機產(chǎn)生的秒時鐘進行的比較測試，GPS時鐘在正常工作條件下最大偏差可能達1.6，在衛(wèi)星失步的情況下偏差甚至達到了上百個ms。

國內(nèi)外已把GLONASS 接收機和GPS 接收機結(jié)合起來使用，目的就是為了得到高精度和高可靠的時鐘信號。但是GPS/GLONASS 的組合導航儀一樣得不到美國和俄羅斯在精度和可靠性上的保證，并且這種時鐘的造價非常高。但與GLONASS 時鐘和GPS時鐘相比，其他時鐘(如晶振時鐘、原子鐘等) 穩(wěn)定性較高，單個的時間間隔的漂移非常小，不過運行時間過長累計誤差會較大[10,11]。國內(nèi)外已采用GPS時鐘同步守時鐘(晶振時鐘、原子鐘)方法產(chǎn)生高精度和高穩(wěn)定性的時鐘，正常運行時由GPS時鐘校正守時鐘，在GPS不穩(wěn)定時，由守時鐘代替GPS時鐘。但是現(xiàn)有的同步方法還未形成嚴密的數(shù)學模型和實現(xiàn)技術(shù)，只能消除因GPS衛(wèi)星短時失鎖產(chǎn)生的較大偏差，很難消除GPS接機時鐘信號的隨機偏差。若要產(chǎn)生高精度和高可靠的時鐘，則需要采用比GPS 時鐘精度更高的原子鐘對GPS 時鐘同步比較監(jiān)測，但該技術(shù)造價高，同時，也很難在工業(yè)現(xiàn)場推廣實現(xiàn)。

3 高精度衛(wèi)星同步時鐘的產(chǎn)生方案

高精度時鐘(修正后的秒時鐘)由計數(shù)器與比較器構(gòu)成的分頻電路產(chǎn)生，如圖1所示，由CPU設(shè)置比較值修正晶振秒時鐘的累計誤差，由鑒相器測量GPS秒時鐘誤差。每秒設(shè)置一次比較值，由前n次測量的GPS秒時鐘誤差和前n次比較值的歷史數(shù)據(jù)作為計算本次要設(shè)置的比較值。

圖1 GPS時鐘的在線監(jiān)測與修正原理圖

(1)消除電磁干擾信號的影響

如圖1所示，在GPS秒時鐘送入鑒相器進行相位比較前，需要作抗干擾檢測，以削弱和消除GPS干擾信號的影響。根據(jù)GPS秒脈沖總是在位于2s交界處出現(xiàn)的特點，采取CPU控制與門來屏蔽干擾信號：在CPU內(nèi)部設(shè)計一軟件時鐘，進行秒以下刻度的計時；軟件時鐘由輸入的修正后的秒時鐘信號進行復位，當軟件時鐘數(shù)值在[0.2～999.8ms]之間時，抗干擾控制信號是低電平，屏蔽在此期間出現(xiàn)的GPS秒脈沖信號；否則抗干擾控制信號變?yōu)楦唠娖剑试SGPS秒脈沖信號進入鑒相器作相位比較。這樣可以消除秒脈沖前后0.2ms以外出現(xiàn)的干擾信號影響。

(2)GPS接受機工作狀態(tài)的評估

GPS接受機的不正常工作狀態(tài)分為兩種，一種是由于跟蹤衛(wèi)星顆數(shù)過少，導致隨機誤差增大，另一種是由于干擾，GPS故障產(chǎn)生跳躍性的誤差。

(1)

其中，σs為GPS接受機說明書中對應(yīng)1σ的標稱誤差，k1為可靠系數(shù)，通常取1.5～5。上式成立時，認為GPS接受機工作在不正常狀態(tài)。

Nb>0.0026k2n

(2)

當上式成立時，認為GPS接受機工作不正常，其中k2為可靠系數(shù)，通常取2～10。

(3)GPS接受機正常運行條件下高精度時鐘的產(chǎn)生

(3)

從而可以在線調(diào)整CPU本次設(shè)置的比較值Sn+1，輸出修正后的秒時鐘，產(chǎn)生高精度秒時鐘。

(4)GPS接受機不正常運行條件下的高精度時鐘的產(chǎn)生

由于晶振時鐘單位時間的誤差較穩(wěn)定，誤差漂移小。在GPS接受機不正常運行條件下，晶振秒時鐘誤差的補償值恒定取GPS接受機不正常運行以前的n次補償值的平均值：

(4)

假設(shè)晶振的精度為1ns，晶振秒時鐘誤差漂移小于0.05ns，則在GPS接受機中斷運行1小時后，輸出的修正后的秒時鐘誤差小于180ns；考慮到極端情況，在GPS接受機中斷運行1天后，輸出的修正后秒時鐘誤差小于4320ns。一般GPS接受機中斷運行1小時，補償后輸出的時鐘能夠滿足一般控制領(lǐng)域的要求。

3 基于IEEE 1588協(xié)議的智能電網(wǎng)時間統(tǒng)一技術(shù)

在2002年年底頒布的IEEE1588是一個集成了網(wǎng)絡(luò)通信和在線修正計算的精密時鐘授時協(xié)議，其通過多播報文周期性的向網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點授時，因此，尤其適合在以太網(wǎng)上使用，其精度能夠達到亞微秒級。2008年，IEEE重新修訂了這個標準，IEEE1588(PTP)得到了更進一步完善，使其更能滿足智能電網(wǎng)授時精度的要求。

3.1 IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)時鐘的同步過程

IEEE 1588時鐘同步過程是通過兩個步驟來實現(xiàn)：時鐘偏移量測量和線路延遲量測量。

第一進行時鐘偏移量測量，主時鐘在Ta1時刻向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一個Sync時鐘同步報文，同時在物理層精確記錄好發(fā)送時間Ta1，如圖2所示，在Tb1時刻從時鐘收到Sync時鐘同步報文，并且精確記錄下來接收時間Tb1。接著主時鐘通過Follow_up時鐘跟隨報文發(fā)送之前記錄的精確時間信息Ta1，這樣就完成了時鐘偏移量測量。

然后進行線路延時量測量，從時鐘在接收到Follow_up 報文后在Tb2時刻發(fā)送一個Delay_Req 延時請求信息包并記錄精確發(fā)送時間Tb2，主時鐘收到Delay_Req 報文后，記錄精確接收時間Ta2，同時把精確時間Ta2標記在延時響應(yīng)信息包Delay_Resp 中并發(fā)送給從時鐘，從時鐘接收到Delay_Resp 后，則可根據(jù)IEEE1588協(xié)議算法計算出時鐘偏移時差和線路延時誤差為：

(5)

(6)

其中:Toff-delay為時鐘偏移量，Tdelay為線路延時量。在理想條件下，傳輸延時線路是對稱的，并且Toff-delay、Tdelay值是一個定值。

圖2 PTP時鐘的同步過程

3.2智能電網(wǎng)時間統(tǒng)一技術(shù)

智能電網(wǎng)實現(xiàn)了在變電站內(nèi)部通過光纖以太網(wǎng)交互數(shù)據(jù)，IEEE1588(PTP)作為一種網(wǎng)絡(luò)對時技術(shù)，其功能或設(shè)備都布置在變電站光纖以太網(wǎng)內(nèi)，不再單獨組網(wǎng)。依托光纖以太網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)智能電網(wǎng)時鐘同步系統(tǒng)的構(gòu)建，為其提供高精度、高可靠性的同步時間。智能電網(wǎng)時間統(tǒng)一系統(tǒng)基本模型如圖3。選擇北斗時鐘和GPS 時鐘的組合授時作為智能變電站站內(nèi)的時鐘源， 即變電站中的根時鐘節(jié)點，提供精確、穩(wěn)定的時間標準。基于該模型實現(xiàn)智能電網(wǎng)同步網(wǎng)絡(luò)的資源優(yōu)化配置和同步鏈路的合理組織，確保智能電網(wǎng)的時間同步。

圖3 智能電網(wǎng)時間統(tǒng)一系統(tǒng)模型

4 結(jié)語

精確時鐘同步技術(shù)對智能電網(wǎng)的建設(shè)具有十分重要的意義。本文提出了高精度衛(wèi)星同步時鐘和基于IEEE 1588協(xié)議的智能電網(wǎng)時間統(tǒng)一技術(shù)的技術(shù)方案，該方案具有一定的工程實用性。

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ApplicationofSynchronousClockTechniqueinSmartGrid

WANGYi1,ZOULiang2,ZHANGFeng1,LIJing-qiang1

(1.Jining Power Supply Corporation,Shandong Electricity Group Corporation,Jining 272100，China;2.Hunan Province Key Laboratory of Smart Grids Operation and Control (Changsha University of Science and Technology),Changsha 410004,China)

With the development of smart grid,higher requirements on synchronous clock are put forward.The time synchronization requirements in smart grid can be satisfied by IEEE1588 clock synchronization protocol.A brief overview of the existing problems on synchronous clock in smart grid is provided in this paper,the technology scheme of high precision satellite synchronous clock and time unification technology in smart grid based on IEEE 1588 protocol is proposed.

synchronous clock;smart grid;IEEE 1588

1004-289X(2013)05-0020-04

國家自然科學基金項目(61233008)、(51207013)；

湖南省科技重大專項(2012FJ1003)資助；

湖南省高校產(chǎn)業(yè)化培育項目(12CY007)資助。

TM71

B

2013-07-04