基于組網(wǎng)的智能變電站采樣對時問題探討

朱繼紅，須雷，董雋，劉東超，劉鵬

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京211106）

基于組網(wǎng)的智能變電站采樣對時問題探討

朱繼紅，須雷，董雋，劉東超，劉鵬

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京211106）

在智能變電站中，網(wǎng)絡(luò)采樣模式下的對時系統(tǒng)對時策略以及過程層設(shè)備合并單元的數(shù)據(jù)同步機(jī)制起著重要作用。對時系統(tǒng)異常情況下對合并單元的影響，以及合并單元對異常對時系統(tǒng)的處理機(jī)制都決定了數(shù)據(jù)同步的準(zhǔn)確性。針對采樣同步對時系統(tǒng)和合并單元的對時策略進(jìn)行探討，分析多種可能發(fā)生的異常對時情況及由此導(dǎo)致偽同步現(xiàn)象，給出了對時系統(tǒng)應(yīng)對策略和合并單元的同步機(jī)制。

合并單元；GPS；北斗；同步

0 引言

目前國內(nèi)已廣泛開展智能變電站的建設(shè)工作，MU（合并單元）作為智能變電站過程層的關(guān)鍵設(shè)備，其作用非常重要。關(guān)于電子式互感器到合并單元的數(shù)據(jù)同步，以及合并單元之間級聯(lián)的各種數(shù)據(jù)同步已有較多的研究，但多數(shù)都是基于正常情況下的同步研究，就異常情況下的同步則沒有給出更多的分析方法和研究結(jié)果。

從智能變電站過程層建設(shè)的方案來看：國家電網(wǎng)公司傾向于基于點對點的IEC 61850-9-2的方案；南方電網(wǎng)公司傾向于110 kV及以下采用組網(wǎng)IEC 61850-9-2的方案，220 kV及以上采用點對點方案；國外更加傾向于組網(wǎng)的方式。另外，在點對點方案下，如測控裝置、故障錄波器、網(wǎng)絡(luò)分析儀等也都使用了組網(wǎng)的數(shù)據(jù)。從長遠(yuǎn)來看，組網(wǎng)在數(shù)據(jù)共享、解決過程層設(shè)備發(fā)熱等問題上具有很大優(yōu)勢，因此合并單元的同步問題是一個值得認(rèn)真對待和探討的問題。

1 衛(wèi)星對時系統(tǒng)

1.1 對時系統(tǒng)簡介

對時系統(tǒng)在智能變電站中相比常規(guī)變電站扮演了更為重要的角色。常規(guī)變電站都是直接將電流、電壓電纜拉到不同的保護(hù)控制設(shè)備中，保護(hù)控制設(shè)備通過自己的同步采樣完成模擬量的同步，對時系統(tǒng)往往只用于裝置時間對時，以及SOE等事件的對時，和采樣本身無關(guān)。智能變電站中的對時系統(tǒng)，除了承擔(dān)常規(guī)變電站中的作用外，更重要的是還要給采樣時刻對時，實際上有時間同步和采樣同步2個功能。

1.2 對時系統(tǒng)方案

以下基于組網(wǎng)來分析對時系統(tǒng)的行為。IEC 61850-9-2規(guī)定，當(dāng)SmpSynch（同步位）為真時，GPS秒對時信號來臨的時刻所采樣數(shù)據(jù)的SmpC-nt（樣本計數(shù)器）為零[1]。各個間隔之間通過樣本計數(shù)器來進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，避免了數(shù)據(jù)的再同步。

站內(nèi)較為完備的對時系統(tǒng)方案如圖1所示[2]。從安全性考慮，往往配置2套主時鐘源，一套為北斗時鐘源，另一套為GPS時鐘源。2套主時鐘源互為備份，相互對時，從時鐘通過一定的策略選擇時鐘源后輸出信號。

圖1 智能變電站站內(nèi)對時系統(tǒng)

1.2.1 主時鐘源抖動的異常處理

分析主時鐘源可能產(chǎn)生抖動的情況。假設(shè)主時鐘源重啟上電，之后主時鐘源有可能在短時間之內(nèi)就能和衛(wèi)星信號同步，也有可能較長時間還未同步上。如果主時鐘源較長時間不輸出同步信號給從時鐘，會導(dǎo)致過程層設(shè)備因長時間采樣數(shù)據(jù)不同步而閉鎖相關(guān)保護(hù)。

對此，給出一種合理的主時鐘源上電后執(zhí)行順序，如圖2所示。除非遇到天氣不好、天線安裝不妥等問題，一般情況下，對時系統(tǒng)5 min內(nèi)就能與衛(wèi)星同步。目前，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求MU具備10 min的守時能力，因此5 min內(nèi)不輸出同步脈沖還是可以承受的，且2套主時鐘源同時掉電的概率較小。

圖2 主時鐘上電輸出順序

1.2.2 主時鐘源同步方式

主時鐘在規(guī)定時間內(nèi)沒有跟蹤到任何有效的衛(wèi)星信號后，按照自己的時間體系輸出對時信號，當(dāng)最終衛(wèi)星信號跟蹤有效后，存在一個問題：當(dāng)前輸出的對時信號P1和衛(wèi)星對時信號P2之間必然會存在時間差。對此，如圖3所示，可通過2種方式來消除時間差：一是快拉方式，即P1直接同步到P2上，這種方式優(yōu)點是能夠立即同步，缺點是對時秒間隔信號會劇烈抖動；二是慢拉方式，即P1每秒調(diào)整微妙級的時間，緩慢同步到P2上，這種方式優(yōu)點是避免秒間隔劇烈抖動，但可能造成同步時間很長。

圖3 快拉慢拉同步方式

假設(shè)最惡劣的情況下，P1和P2之間差500 ms，如果采用慢拉方式每秒調(diào)整步長為3 μs，則2個信號需要500 000/3=46.296 h才能夠同步上，耗時很長，基于組網(wǎng)的同步方式無法接受。對此，提出一種可以兼顧同步快速性和時鐘穩(wěn)定性的方法：主時鐘源上電5 min后如果沒能和有效衛(wèi)星對時信號成功同步，則首次同步有效衛(wèi)星信號時采用快拉方式進(jìn)行，一旦同步上以后無論何種情況下P1和P2之間再產(chǎn)生任何時間差均按照慢拉方式進(jìn)行同步，即主時鐘源最多只能進(jìn)行一次快拉，觸發(fā)再次上電。

智能變電站中主時鐘源與衛(wèi)星同步一段時間后，自身就具備較好的守時能力。目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求是55 μs/h[3]，但無法滿足智能變電站的需求，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)正在修訂，守時指標(biāo)將會提高至1 μs/h，一般以12 h為測量時間。由此可知，一旦同步后，主時鐘失去有效衛(wèi)星后對時源即進(jìn)入守時狀態(tài)，當(dāng)有效衛(wèi)星對時源再次來臨時，守時保證兩者時間差不會太大，由慢拉方式就能夠迅速同步。

1.2.3 時鐘源的輸出

從圖1中可以看出，從時鐘直接給MU進(jìn)行對時，所以其對時行為直接影響保護(hù)的性能。從時鐘同時接收A，B 2套主時鐘源的對時，一般來說A，B有不同的優(yōu)先級，假設(shè)A＞B，則僅當(dāng)A套無效B套有效時選擇B套，否則優(yōu)先選擇A套。從時鐘對時原理類似于主時鐘源，不同的是主時鐘源通過衛(wèi)星進(jìn)行同步，而從時鐘源由主時鐘源進(jìn)行同步。由于從時鐘直接對MU進(jìn)行授時，所以當(dāng)從時鐘上電重啟后應(yīng)立即輸出對時信號，否則會發(fā)生保護(hù)失效的情況。為了加快同步進(jìn)程，允許從時鐘在上電后和真正有效的主時鐘在同步過程中進(jìn)行一次快拉，之后只能通過慢拉方式進(jìn)行調(diào)整。

從以上分析可知，無論是主時鐘源還是從時鐘源，在上電過程中僅首次同步允許快拉方式，而其它任何情況下都采用慢拉方式是較為合理的。目的是防止時鐘抖動過大，同步時間過長，導(dǎo)致數(shù)據(jù)同步異常閉鎖相關(guān)保護(hù)控制設(shè)備。

2 MU采樣同步

MU作為數(shù)字化采樣環(huán)節(jié)的核心設(shè)備，能否正確同步數(shù)據(jù)對保護(hù)控制設(shè)備至關(guān)重要。點對點方式下，發(fā)送延遲固定基于插值同步的方式不依賴于時鐘同步，時鐘對采樣同步幾乎無影響；組網(wǎng)方式下，時鐘決定了MU的同步精度，如果出現(xiàn)偽同步的情況（SmpSynch為真，而實際上數(shù)據(jù)卻未同步），后果將不堪設(shè)想。

當(dāng)對時系統(tǒng)正常時，MU的同步比較簡單，只需將采樣點秒同步時刻對齊即可。但異常情況下的處理往往比較復(fù)雜，如果處理策略不恰當(dāng)，則會導(dǎo)致極端情況發(fā)生。

2.1 守時指標(biāo)

守時的概念為：如果接收單元失去外部時間基準(zhǔn)信號，則時鐘進(jìn)入時間保持狀態(tài)，這時保持時鐘和標(biāo)準(zhǔn)時鐘仍能保證一定的時間準(zhǔn)確度?？梢娛貢r主要是針對外部時間基準(zhǔn)消失的情況來進(jìn)行定義的。

MU在國家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中提到對守時性能的要求是10 min內(nèi)守時誤差小于4 μs[4]；在南方電網(wǎng)目前有1 h內(nèi)守時誤差小于10 μs和2 h內(nèi)守時誤差小于20 μs 2種提法。試驗室條件下的MU滿足相應(yīng)的守時指標(biāo)后，現(xiàn)場MU卻未必能夠保證這個指標(biāo)?，F(xiàn)場的守時指標(biāo)是一個系統(tǒng)指標(biāo)，除了決定于MU的晶振、守時算法外，還決定于對時源的精度。由于守時是需要基于時鐘馴服的，如果馴服有問題則再好的晶振和守時算法都是徒勞，可見對時系統(tǒng)在組網(wǎng)智能站中的關(guān)鍵地位。另外，守時指標(biāo)是一個絕對值的概念，對2臺1 h內(nèi)守時誤差小于10 μs的MU而言，可能1臺MU往標(biāo)準(zhǔn)時鐘的一個方向偏，而另外一臺MU可能往反方向偏，最終1 h后2臺MU的指標(biāo)卻相差了20 μs。

MU的晶振在守時過程中是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。由于晶振受溫度影響比較大，普通晶振無辦法滿足守時的要求，一般會選取溫補晶振或恒溫晶振來彌補溫度對晶振頻率的影響。經(jīng)過對比試驗后，發(fā)現(xiàn)采用0.2 ppm的恒溫晶振可滿足守時要求，試驗結(jié)果如表1所示。恒溫晶振并不是解決了溫度對晶體的影響，而是通過恒溫槽給晶體提供了一個穩(wěn)定的溫度環(huán)境。

表1 0.2 ppm恒溫晶振守時測試

2.2 MU守時

2.2.1 時鐘源異常引起的偽同步

目前各廠家MU產(chǎn)品的守時策略并不統(tǒng)一。有的廠家不僅在外部對時信號消失的情況下才進(jìn)入守時，當(dāng)對時源切換出現(xiàn)問題時（如A套主時鐘源切到B套主時鐘源，而2套時鐘源輸出有較大差距），產(chǎn)生了較大的抖動（如圖4所示），合并單元也進(jìn)入了守時狀態(tài)。當(dāng)守時結(jié)束后，合并單元先置失步后再和對時信號進(jìn)行同步。正常情況下，如果站內(nèi)所有的合并單元都采用該策略，可確保MU同步。但若發(fā)生異常情況，如在MU1守時過程中MU2因異常發(fā)生重啟，重啟后的MU2必然會直接跟上時鐘源，此時MU1和MU2的SmpSynch同時為真，但數(shù)據(jù)卻相差了t3時刻，出現(xiàn)了偽同步情況，當(dāng)t3較大時，基于差動原理的保護(hù)就會誤動。

可見，如果對時源和MU認(rèn)可的秒脈沖出現(xiàn)長時間的偏離情況（簡稱狀態(tài)1），此時采取簡單的守時并不可取。為了提高M(jìn)U的時鐘防誤能力，當(dāng)狀態(tài)1出現(xiàn)時，MU可以先進(jìn)入守時狀態(tài)，這樣就具有了一定的容錯能力；當(dāng)守時時間超過Δt1時（比如3個秒脈沖），偏差還沒有恢復(fù)，則MU直接置采樣失步，然后確認(rèn)時鐘源的有效性，最后再和時鐘源進(jìn)行同步。

圖4 時鐘切換抖動中的偽同步

為防止圖4中的偽同步情況發(fā)生，需設(shè)制一個門檻，即當(dāng)MU重啟后，需要對對時信號確認(rèn)Δt2（比如5個秒脈沖）后才認(rèn)為其有效，且必須保證Δt2＞Δt1（如圖5所示）。Δt2＞Δt1的條件確保了同一廠家的MU不會出問題。由于不同廠家的MU對Δt1和Δt2的取值不一樣，就會出現(xiàn)即使廠家各自滿足Δt2＞Δt1的條件，在配合時也會出現(xiàn)誤同步的現(xiàn)象。所以需要各廠家采樣同步的對時策略達(dá)成共識，并遵循相同的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 消除時鐘抖動切換帶來的偽同步

另一種異常情況是：假設(shè)MU1，MU2已與時間同步系統(tǒng)同步，此時若MU1的對時回路意外斷開導(dǎo)致對時信號長時間消失，MU1將進(jìn)入守時模式。與此同時，同步時鐘源發(fā)生了異常的切換狀態(tài)，MU2經(jīng)過短時間守時后和時鐘源同步上，這時又出現(xiàn)了偽同步現(xiàn)象（如圖6所示）。但對于這種對時回路斷鏈且同時發(fā)生時鐘源異常切換情況下的偽同步，目前還沒有比較好的解決方案。

2.2.2 對時系統(tǒng)機(jī)制

對時系統(tǒng)存在慢拉和快拉方式，運行過程中主要還是以慢拉方式為主，為了減少抖動，有的廠家會以每秒調(diào)整固定的幾微秒（比如3 μs）的方法慢慢向標(biāo)準(zhǔn)對時源靠攏。如果所有的MU都運行正常且對時回路也正常，那么所有MU應(yīng)該也會逐步地跟蹤慢調(diào)的時鐘。

圖6 對時斷鏈引起的偽同步

假設(shè)慢調(diào)過程中，時鐘源發(fā)出的對時信號是固定的（ΔP+Δt），此處ΔP是對時源默認(rèn)的秒間隔，Δt是每秒調(diào)整的步長，那么對于MU而言，其收到對時信號是穩(wěn)定的間隔為（ΔP+Δt）的對時信號。所以（ΔP+Δt）秒間隔數(shù)據(jù)非常容易地進(jìn)入了MU守時數(shù)據(jù)之中，如果MU是以64 s統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行守時的，則慢拉過程持續(xù)64 s以上MU每秒守時的數(shù)據(jù)也就變?yōu)榱耍é+Δt）。這個值極可能和標(biāo)準(zhǔn)秒間隔相差很多。如果此時MU對時回路出現(xiàn)斷鏈，則斷鏈的MU會以（ΔP+Δt）秒間隔數(shù)據(jù)進(jìn)行守時，而在此MU守時的過程中對時源完成了慢拉過程，假設(shè)秒間隔變?yōu)榱甩1（ΔP1≠ΔP+Δt），則對時回路正常的MU和守時的MU之間隨著時間增長同步誤差逐步拉大，最終可能會造成保護(hù)誤動。

2.2.3 解決方法

如前文所述，如果采用固定秒間隔（ΔP+Δt）來進(jìn)行慢拉，則MU無法分辨此過程為慢拉過程。建議采用抖動慢拉調(diào)整方式，避免偽同步情況的發(fā)生（如圖7所示）：即第n秒間隔為（ΔP+ Δt1），第n+1秒間隔為（ΔP+Δt2），第n+2秒間隔為（ΔP+Δt1），則MU可以計算出前后2個秒間隔的差值ΔT=abs（Δt2-Δt1），當(dāng)此ΔT大于某門檻值ΔH時，則當(dāng)前秒間隔不計入守時統(tǒng)計數(shù)據(jù)。根據(jù)智能電網(wǎng)對對時系統(tǒng)的時間精度要求為1 μs以內(nèi)，假設(shè)慢拉過程期望的調(diào)整速度平均為3 μs/s，設(shè)Δt1=2 μs，Δt2=4 μs，ΔH=1 μs，則ΔT＞ΔH，慢拉過程中MU不會將統(tǒng)計數(shù)據(jù)計入守時數(shù)據(jù)。

為了保證守時的可靠性，建議加強守時數(shù)據(jù)統(tǒng)計進(jìn)入的門檻，比如連續(xù)5次前后對時信號的ΔT＜ΔH才認(rèn)為對時間隔的數(shù)據(jù)是合格的，才能用于守時算法。

圖7 抖動慢拉方式

2.2.4 其他影響守時指標(biāo)的因素

還有一些情況也有可能導(dǎo)致守時出錯。下面列舉說明：

（1）目前各廠家均采用了恒溫晶振來滿足守時指標(biāo)的需要。但恒溫晶振即使在對時時鐘源非常穩(wěn)定的情況下也未必可以滿足守時指標(biāo)。如果裝置先前一直處于電源關(guān)閉狀態(tài)，突然上電，則恒溫晶振需要一定的時間來恒定溫度。如果采用這段時間內(nèi)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)作為守時依據(jù)，則晶振頻率并未穩(wěn)定，守時效果將會受影響，所以進(jìn)行守時算法設(shè)計時必須要考慮晶振的這些特性。

（2）假設(shè)1臺MU經(jīng)過1 h的守時試驗，和標(biāo)準(zhǔn)對時信號相差4 μs，那么其3 h的守時指標(biāo)也不能推算為12 μs。這是因為晶振的老化指標(biāo)會對守時產(chǎn)生很大的影響，極大多數(shù)情況下MU的3 h守時誤差比12 μs差很多。假設(shè)某恒溫晶振的老化指標(biāo)為6 ppb/天，晶振頻率為20 MHz（50 ns），12 h前其1 s的CLK數(shù)為2e7個，受老化影響，12 s后最惡劣情況下1 s和原來誤差為：

因此使用12 h前的守時數(shù)據(jù)來進(jìn)行守時，則僅因晶振老化帶來的誤差在2 h內(nèi)就有可能達(dá)到3×2×3 600=21 600 ns=21.6 μs，這還沒有考慮2 h守時過程中的晶振老化數(shù)據(jù)。

可見，當(dāng)時鐘源處在長時間的慢拉過程中，根據(jù)先前的分析，慢拉過程中的對時間隔數(shù)據(jù)不計入守時統(tǒng)計數(shù)據(jù)，所以合并單元的守時時間應(yīng)該隨慢拉時間增長而減少，設(shè)計守時算法應(yīng)予以注意。

3 結(jié)語

分析了目前比較可靠的智能站過程層設(shè)備對時方案，即主備時鐘源加上從時鐘的方式，給出了對時系統(tǒng)上電時的一些處理策略，并針對主備時鐘非正常切換時的異常行為提出慢拉快拉、抖動慢拉的解決方法。針對異常情況下的合并單元守時性能，提出了可能存在的異常情況，并給出了分析以及應(yīng)對方法。

對時系統(tǒng)比較復(fù)雜，對此總體思路是：對時系統(tǒng)時間源在正常運行過程中應(yīng)該不出現(xiàn)時鐘跳變的情況，對時調(diào)整應(yīng)以慢拉方式進(jìn)行。守時指標(biāo)并不是個體指標(biāo)，而是系統(tǒng)指標(biāo)，需要考慮合并單元的當(dāng)前運行狀況以及對時源的情況，并在守時算法中體現(xiàn)出來。

當(dāng)前比較迫切的任務(wù)是出臺一個對時標(biāo)準(zhǔn)、守時策略，以統(tǒng)一各個廠家在異常情況下的處理機(jī)制，才能做到各個廠家MU產(chǎn)品的配合無死區(qū)，防止偽同步的發(fā)生。即將發(fā)布的國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《智能變電站合并單元技術(shù)規(guī)范》，將對采樣對時的策略有所規(guī)定，能夠解決不少問題。

[1]IEC 61850-9-2∶Communication networks and systems Part in substations 9-2∶Specific Communication Service Mapping（SCSM）Sampled values over ISO/IEC 8802-3[S].

[2]Q/CSG 110018-2011南方電網(wǎng)數(shù)字及時間同步系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范[S].2011.

[3]DL/T 1100.1-2009電力系統(tǒng)的時間同步規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2009.

[4]Q/GDW 383-2009智能變電站技術(shù)導(dǎo)則[S].北京：中國電力出版社，2009.

[5]張曉華，熊浩清，楊紅旗，等.數(shù)字化變電站的一起同步采樣事故分析及變時間窗綜合糾錯對時方案.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（23）∶17-23.

（本文編輯：方明霞）

Discussion on Intelligent Substation Sampling Synchronization Based on Network Sampling

ZHU Jihong，XU Lei，DONG Jun，LIU Dongchao，LIU Peng
（Nanjing NR Electric Co.，Ltd.，Nanjing 211106，China）

In intelligent substation,the strategy of time synchronization system in network sampling mode and data synchronization mechanism of merging unit of process layer equipment play an important role.The influence of time synchronization system abnormity on merging unit and influence of merging unit on the processing mechanism of abnormal system decide data synchronization accuracy.The paper discusses synchronization strategy of synchronization system and merging unit on the basis of sampling synchronization and analyzes various potential synchronization abnormities and the consequential pseudo-synchronization；moreover，it presents strategy of time synchronization system and synchronization mechanism of merging unit.

merging unit；GPS；BeiDou；synchronization

TM762

：B

：1007-1881（2016）02-0018-05

2015-10-30

朱繼紅(1978)，男，高級工程師，從事數(shù)字化變電站過程層方面的研究工作。