智能變電站時鐘同步檢驗系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

唐志軍，翟博龍，鄧超平

（國網(wǎng)福建省電力有限公司 電力科學研究院，福建 福州 350007）

0 引言

數(shù)字化智能變電站電網(wǎng)技術(shù)是電網(wǎng)發(fā)展的大趨勢。數(shù)字化變電站作為智能電網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，基本特征為一次設(shè)備智能化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、運行管理自動化等。智能化電站新增的合并單元、智能終端、電子互感器、輔助控制系統(tǒng)等設(shè)備的采樣高度依賴時間同步系統(tǒng)。時間同步的精度和穩(wěn)定性是提高線路故障測距、相量和功角動態(tài)監(jiān)測、機組和電網(wǎng)參數(shù)校驗準確性的關(guān)鍵因素,直接關(guān)系到電網(wǎng)穩(wěn)定控制和事故分析，同時也是提高電網(wǎng)運行效率和可靠性，以及適應(yīng)大電網(wǎng)互聯(lián)、特高壓輸電等發(fā)展的關(guān)鍵需求。

本文在分析變電站時間同步系統(tǒng)及其衛(wèi)星/有線對時網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)天地互備組網(wǎng)時間同步運行狀態(tài)的基礎(chǔ)上，針對可能發(fā)生的各種同步故障環(huán)節(jié)，研究自動化智能監(jiān)測綜合技術(shù)，統(tǒng)籌設(shè)計系統(tǒng)檢驗檢測設(shè)備，為智能變電站組網(wǎng)的時間同步系統(tǒng)運行、維護及全壽命周期管理提供重要技術(shù)支撐手段。

1 檢測系統(tǒng)構(gòu)架

鑒于國內(nèi)目前檢測時間同步特性需要幾種單獨的設(shè)備，包括時間同步測試儀、網(wǎng)絡(luò)報文分析儀等等，通過復(fù)雜的連線、配置和手動記錄分析方式聯(lián)合完成。而且，單臺設(shè)備被局限于只能進行某些方面的時間同步特性測試，難以實現(xiàn)全面系統(tǒng)性檢測。現(xiàn)有監(jiān)測條件下的同步性能測試設(shè)備，存在種類多、操作復(fù)雜、比較昂貴、測試手段不夠全面、測試結(jié)果的判定偏于主觀等種種不足。我們在對影響高精度時間同步特性檢測各種因素進行系統(tǒng)性綜合分析研究基礎(chǔ)上，設(shè)計了智能變電站“高精度時鐘同步檢驗系統(tǒng)”。該系統(tǒng)能接收、測試、分析變電站“授時系統(tǒng)”輸出給站內(nèi)“被（授時）同步裝置”的通用“同步信號”；同時還能模擬產(chǎn)生這些“同步信號”，仿真輸出給“被同步裝置”，用以測試被同步裝置對“同步信號”的響應(yīng)能力、同步性能以及裝置自身的守時能力；并且還能受控仿真、輸出異常的“同步信號”和帶誤碼的時間碼信號，測試被同步裝置的“同步性能”及其“魯棒性”。此外，通過對被同步裝置反饋信號/數(shù)據(jù)的記錄、分析，由智能主控單元對“授時系統(tǒng)”及其“被同步裝置”的信號完整性進行分析評估。

2 檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

研究高精度時間同步特性檢測技術(shù)的基本思路和技術(shù)路線如圖1 所示，即研究影響高精度時間同步特性及其檢測技術(shù)的共性支撐技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)化軟件平臺、時間同信號特性測量技術(shù)、時間碼信號特性/誤碼類型分析、解碼技術(shù)以及通用測試軟件平臺開發(fā)等等。在此基礎(chǔ)上，分析研究各個技術(shù)模塊，研制高精度時間同步特性檢測系統(tǒng)的主控單元及其軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，使之具備完整的時間同步特性檢測功能。

圖1 技術(shù)路線圖Fig.1 Technology roadmap

2.1 共性支撐技術(shù)研究

為研制智能變電站高精度時間同步特性檢測系統(tǒng)，我們開展了若干共性支撐技術(shù)研究。

2.2 檢測系統(tǒng)的主控單元及軟件系統(tǒng)

針對變電站授時系統(tǒng)及其被同步裝置的工況特點，為研制其同步特性檢測系統(tǒng)，除研究共性支撐技術(shù)外，還就智能主控單元及被其監(jiān)控子單元的相關(guān)軟硬件技術(shù)開展深入研究。采用仿真技術(shù)實現(xiàn)可控的同步/誤碼時間同步信號輸出，實時模擬授時系統(tǒng)的各種運行工況，并監(jiān)測其運行、動作反饋信息，通過與其它測試單元的交互通訊，完成二次（設(shè)備）系統(tǒng)的特性測試，以此考核二次（設(shè)備）系統(tǒng)行為的選擇性、正確性和可靠性。

主控單元軟件系統(tǒng)主要采用分步式、跨平臺開發(fā)技術(shù)，可以運行在linux/unix/windows 等操作系統(tǒng)上，包括測試工程管理、測試儀配置參數(shù)管理、變更測試項目及流程管理、測試報告生成及管理、設(shè)備缺陷管理等。主控單元還協(xié)調(diào)管控以下單元。

（1）GPS/北斗信號接收定時單元。該單元由GPS/北斗（雙系統(tǒng)）接收定時模塊和接收天線、饋線及相關(guān)管控軟件構(gòu)成，用于接收衛(wèi)星時鐘信號，校準檢測系統(tǒng)自身的時鐘和守時精度[1]，輸出用于馴服本地頻標的高精度1pps 和TOD 時間，準確度優(yōu)于50ns，并作為與外站授時系統(tǒng)實現(xiàn)同步的主要參考。

（2）高精度時間同步基準源單元。該單元高精度自守時，采用銣原子鐘或OCXO 實現(xiàn)，銣原子鐘守時精度優(yōu)于2us/天。同時，采用現(xiàn)代閉環(huán)控制守時理論和卡爾曼數(shù)字濾波技術(shù)，利用衛(wèi)星授時信號做為基準，對銣鐘或OCXO 進行控制和馴服，生成高度準確、高度穩(wěn)定的時間參考，作為整個檢測系統(tǒng)的時間同步基準源，準確度要優(yōu)于±0.1us，真正復(fù)現(xiàn)“UTC 時間基準”。

（3）時間同步信號測試單元。該單元以基準源輸出的1pps 為參考，精確測量并同步顯示當前輸入的被測時間（同步）信號與基準源的偏差[2]；可同時管控多路接入的被測時間同步信號，自動識別被測信號類型，支持多種時間信號不同參數(shù)的高精度測量，并可實現(xiàn)對各種被同步裝置/智能設(shè)備的時延特性進行測試。

（4）時間同步信號仿真單元。該單元用于仿真授時系統(tǒng)的各種運行工況，包括正常運行、信號失步、信號誤碼等，仿真輸出授時同步信號，并以時間基準源為參考，可控輸出（相對于基準源的）不同偏差的時間同步信號，模擬授時系統(tǒng)的正常或失步工況[3]，使其輸出的時間同步信號的特性、內(nèi)容可控。

（5）網(wǎng)絡(luò)報文記錄及分析單元。該單元主要功能包括網(wǎng)絡(luò)報文采集、網(wǎng)絡(luò)報文記錄、異常報警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)檢索和提取；進行在線監(jiān)聽/監(jiān)測、記錄涉及到時間同步特性的網(wǎng)絡(luò)通信報文，并對記錄的網(wǎng)絡(luò)報文進行分析，準確定位和分析各種同步/異步工作狀態(tài)改變事件，為監(jiān)測系統(tǒng)和設(shè)備的設(shè)計、改進提供有效的手段。

2.3 同步信號檢測

檢測系統(tǒng)對被測站所接收的衛(wèi)星授時信號以及授時系統(tǒng)同步裝置輸出的同步信號，進行檢測、分析，判定同步信號的質(zhì)量，包括以下幾個方面：

（1）檢測脈沖信號、IRIG 系列時間報文、串口對時報文的準確度及相關(guān)參數(shù)，包括脈沖的上升沿寬度、時間準確度、脈沖寬度、脈沖信號幅值與調(diào)制比、頻率抖動、時間質(zhì)量位等，其實現(xiàn)的方法和手段如下：

一是由FPGA 模塊和PowerPC 模塊獲取并解析衛(wèi)星授時信號，根據(jù)衛(wèi)星信號的統(tǒng)計平均值，馴服內(nèi)部時鐘源（銣鐘），保證內(nèi)部時鐘的1PPS（秒脈沖）準確度與UTC時間差值小于50ns[4]，作為監(jiān)測系統(tǒng)各種檢驗測量判定的參考基準。

二是由采樣電路及FPGA 模塊對待測信號進行高精度采樣，F(xiàn)PGA 獲取該信號由低電平到高電平的上升時間（上升沿寬度）。

三是FPGA 通過比較待測信號上升沿相對于基準源內(nèi)部時鐘分頻的1PPS 前沿的時刻偏差，得到待測信號(相對于時間基準) 的時間準確度。

四是由FPGA 和PowerPC 模塊獲取待測信號的上升時刻及下降時刻，計算出脈沖寬度。

五是采樣電路獲取采樣值后,由FPGA 將其傳遞到CPU，由CPU 計算出信號幅值；CPU 也可獲取IRIG-B（AC）碼的碼元周期，計算出編碼信號的調(diào)制比。

六是PowerPC 模塊對IRIG 系列時間報文內(nèi)容進行解析，獲取時間質(zhì)量位、校驗位等碼元信息，依據(jù)標準要求，進行正、誤判斷。

七是系統(tǒng)同時支持對待測信號進行單次測量或連續(xù)測量，其每次測量結(jié)果可由PowerPC 模塊實時存儲到外掛存儲器中，達到長時間不間斷測試和累計統(tǒng)計分析的目的。

（2）對于TTL、RS232、RS485、空接點等各類不同（類型）電平的待測信號，進行電平自動識別及輸入電路切換；此法也適用于測試光纖信號[5]。

（3）FPGA 模塊對待測的PTP-1588 及NTP/SNTP 報文，可以加蓋硬件時間戳，實時發(fā)出響應(yīng)報文并加蓋發(fā)送時間戳，從而測量時標的準確度以及報文時間的準確度[6]，并顯示待測信號的MAC 地址、路徑延遲、端口編號、準確度等信息。

（4）監(jiān)測系統(tǒng)的液晶顯示屏可實時顯示多通道待測信號的波形、檢測結(jié)果，飛梭和按鍵可進行界面操作，根據(jù)外界指令控制界面的切換及顯示，進行有效的實時人機互動。

2.4 可控同步/誤碼信號仿真輸出

鑒于被同步裝置在收到錯誤或者偏移的同步信號的情況下，不同設(shè)備會采取不同的響應(yīng)策略，而其所采取的策略是否合理即會影響其自身甚至下游鏈路其他設(shè)備的同步特性。因此，本文設(shè)計的檢測系統(tǒng)，既有模擬授時系統(tǒng)輸出正確的時間同步信號，又可模擬運行、仿真輸出可控的、異常的（包括誤碼的）時間同步信號，用以測量被同步裝置的響應(yīng)特性和魯棒性。系統(tǒng)可檢測以下幾個方面：

（1）系統(tǒng)收到授時系統(tǒng)輸出的同步信號后，解析之，仿真模擬，并據(jù)以修改本檢測系統(tǒng)裝置輸出同步信號的時間參數(shù)，用于對被同步裝置檢測；同時也可以控制、修改輸出同步信號的時間間隔，支持手動控制和自動控制。

（2）由FPGA 控制輸出的pps/ppm/pph 脈沖的波形，調(diào)整脈沖在時間軸上的位置，使其偏離技術(shù)規(guī)范允許的偏差范圍；調(diào)整脈沖的間隔時間；調(diào)高或調(diào)低脈沖的電平，或延展/壓縮脈沖寬度達到指定的脈寬；改變脈沖上升沿的斜率、調(diào)整上升沿時間，使爬升速率變陡或變緩。由FPGA 調(diào)整此類脈沖特性，用以測試被同步裝置在各種輸入條件下的響應(yīng)性能。

（3）系統(tǒng)可控模擬輸出IRIG 系列時間報文特性及報文內(nèi)容。既可以按電力相關(guān)標準規(guī)定，缺省輸出IRIG-B（DC）碼，每秒1 幀，包含100 個碼元，每個碼元10ms[7]，脈沖上升時間≤100ns，抖動時間≤200ns，秒準時沿的時間準確度優(yōu)于1us 等相關(guān)參數(shù)；還可以通過修改碼元寬度和速率，對此類參數(shù)實現(xiàn)手動設(shè)置，針對標準值設(shè)定若干偏移值，輸出可控的其他IRIG 系列時間報文。

（4）針對目前使用的網(wǎng)絡(luò)對時報文存在對時協(xié)議有多個選擇，測試數(shù)據(jù)不直觀，解析復(fù)雜等問題[8]，本系統(tǒng)設(shè)計，不但可以檢測網(wǎng)絡(luò)報文，進行同步準確度及報文時標的正確度測試；同時，還能夠作為時間服務(wù)器，輸出多種網(wǎng)絡(luò)對時報文，對輸出報文的格式、內(nèi)容與同步特性進行人為設(shè)定，用以檢測測試，進行同步性能分析評估。

2.5 可控同步/誤同步/誤碼效果反饋檢測

由于同步信號與被同步裝置之間的鏈路通常是單向的或主從方式，被同步裝置在接收到同步信號后，如何相應(yīng)及其響應(yīng)特性，對于發(fā)出同步信號的主動方來說往往是不可知的。因此，如何驗證被同步裝置的動作和響應(yīng)的正確性，也是重點研究的一項指標。為此，本系統(tǒng)設(shè)計了“反饋數(shù)據(jù)記錄分析單元”，用來檢測被同步裝置在收到正確（同步）、偏移（誤同步）和錯誤（誤碼）的同步信號的情況下，可能采取的響應(yīng)策略；并通過輸出模擬信號可控，同時監(jiān)測、分析被同步裝置的反饋的報文，獲得其響應(yīng)特性。檢測包括以下幾個方面：

（1）被同步裝置在收到可控誤碼的同步信號后，檢測其自身的運行狀態(tài)會否出現(xiàn)異常。以合并單元MU 為例，其不但接收同步信號，同時也會向其下游鏈路發(fā)送同步信息。利用MU 的這一特性，將可控的同步信號發(fā)送到MU，再檢測其對外輸出的對時信號，從而檢測在誤碼輸出的情況下被同步裝置的響應(yīng)特性及其魯棒性。

（2）本系統(tǒng)使用同步/異步數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析技術(shù)，對網(wǎng)絡(luò)中的采樣值報文、時間報文等數(shù)據(jù)進行解析，提取報文中的時標信息并分析其穩(wěn)定性、完整性，從而檢測被同步裝置在接收帶誤碼信息的同步信號情況下，能在何種程度上進行正確判定與處理。

2.6 被同步裝置自守時能力檢測

被同步裝置接收到同步信號并校正其內(nèi)置時鐘后，撤除同步信號，裝置依靠內(nèi)置時鐘繼續(xù)運行。在此情況下，各個被同步裝置的自守時能力會存在差異。本系統(tǒng)對各被同步裝置的自守時能力進行檢測和對比，并檢測各裝置之間的同步性。一是通過對被同步裝置進行被授時和不予授時的對比測試，檢測其自守時能力；二是本系統(tǒng)設(shè)計有多路測試，能同時監(jiān)控多臺被同步裝置，檢測多臺裝置的協(xié)作同步性能。

3 結(jié)束語

目前，變電站時間同步裝置存在的問題較為復(fù)雜,對上百臺自動化設(shè)備時間同步情況進行實時監(jiān)控，還有相當難度。當下進行的在變電站監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上完善時間同步特性檢測、監(jiān)控功能的工作將有效解決上述問題。智能變電站的時間同步裝置、保護裝置、測控裝置、故障錄波器及IED 設(shè)備等采用IEC 60870-5-104 和IEC 61850《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》協(xié)議，將自身時間同步狀態(tài)信息傳至變電站同步特性檢測、監(jiān)控系統(tǒng), 檢測監(jiān)控系統(tǒng)完成信息的采集、分析和存儲, 并將結(jié)果實時上送給調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)。調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)對變電站監(jiān)控系統(tǒng)上送的信息進行綜合分析管理能力, 并納入智能電網(wǎng)綜合智能告警信息系統(tǒng)。

本文綜合分析、研究設(shè)計的智能變電站的高精度同步特性檢測系統(tǒng)，不僅能對智能變電站授時系統(tǒng)的同步信號進行解析與統(tǒng)計，給出檢測參考源信號的正確率、穩(wěn)定性與完整性指標；對同步系統(tǒng)完整的鏈路進行全面科學的檢測評估；支持智能電網(wǎng)同步系統(tǒng)的同步特性檢測與工況監(jiān)測實現(xiàn)分層管理，集中監(jiān)測。這將填補我國智能變電站時間同步特性檢測全套解決方案方面的空白，為開發(fā)全新的時間同步特性檢測系統(tǒng)拋磚引玉，對提高智能變電站基礎(chǔ)理論研究水平、保障智能變電站可靠運行——電站授時系統(tǒng)嚴重故障時，該系統(tǒng)可以替代原授時系統(tǒng)的部分功能，應(yīng)急使用——具有重要意義。

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