變電站對(duì)時(shí)與同步的應(yīng)用分析

張鐘毓 楊璽 梁進(jìn)國(guó) 吳方林 嚴(yán)浩 李蔚

【摘要】 對(duì)時(shí)與同步是變電站內(nèi)比較普遍的兩種應(yīng)用。文中給出了對(duì)時(shí)與同步在傳統(tǒng)及智能變電站的應(yīng)用場(chǎng)景，并對(duì)其中的應(yīng)用演變進(jìn)行了分析，對(duì)通過不同間隔層、過程層裝置的應(yīng)用實(shí)例，分別對(duì)于不同情況下的對(duì)時(shí)、同步對(duì)于各裝置的影響及作用展開深層次的分析，并給出傳統(tǒng)站、智能站應(yīng)用的不同給出對(duì)時(shí)與同步的發(fā)展依賴關(guān)系。

【關(guān)鍵詞】 對(duì)時(shí) 同步 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)采樣 組網(wǎng)采樣 合并單元

The Analysis of Time Synchronization and Synchronism in Substation Zhang Zhongyu， YangXi， Liang Jinguo， Wu Fanglin， Yan Hao， Li Wei （Wuhan power supply company. Wuhan 430000， China）

Abstract：Time synchronization and syntonization are the most universal techniques. The different applications of these techniques in traditional substation and smart substation are described and the evolution was been analyzed. Furthermore， in the circumstance of the application instance in bay device and process device， the impacts of time synchronization and syntonization was been pointed out. At same time， the relation sheep of time synchronization and syntonization are clarified.

Key words： Time Synchronize； Syntonize； P2P Sample； Network Sample； Merging Unit

引言

在變電站的網(wǎng)絡(luò)組成上，對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通常都是不可缺少的一環(huán)。在傳統(tǒng)變電站，其對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，對(duì)時(shí)主要作用于站控層和間隔層設(shè)備；而在目前更新的智能變電站，在增加了帶智能設(shè)備的過程層后，其對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)如圖2所示[1] [2] [3]。

Fig. 1 Time synchronization network in traditional substation

對(duì)時(shí)的作用一是給變電站內(nèi)各個(gè)二次設(shè)備統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)：如對(duì)于保護(hù)動(dòng)作后，保護(hù)裝置的動(dòng)作報(bào)告與錄波器記錄的事后事故分析。

對(duì)時(shí)的作用二是對(duì)于變電站內(nèi)的某些二次設(shè)備提供數(shù)據(jù)同步：如對(duì)于PMU記錄的矢量數(shù)據(jù)，只有各個(gè)站內(nèi)的數(shù)據(jù)是同步的，才能夠在調(diào)度側(cè)對(duì)于多個(gè)變電站PMU送來(lái)的數(shù)據(jù)做潮流分析等應(yīng)用計(jì)算。

Fig. 2 Time synchronization network in smart substation

而還有一些二次設(shè)備，其可能是可以沒有對(duì)時(shí)，但其主要功能卻不能沒有同步，如分布式母差保護(hù)裝置的各個(gè)子站，其采樣數(shù)據(jù)必須是同步的，才能夠保證母差保護(hù)裝置的主站計(jì)算各個(gè)間隔形成的差流的相位關(guān)系是正確的。

由此可見，有必要分析變電站內(nèi)比較典型的對(duì)時(shí)及同步的應(yīng)用二次設(shè)備。

一、傳統(tǒng)變電站內(nèi)的分布式母差保護(hù)

傳統(tǒng)變電站的分布式母差組成基本圖圖3所示。其中，母差保護(hù)子站（簡(jiǎn)稱子站）功能為采集一個(gè)或多個(gè)間隔的電流數(shù)據(jù)，并上送給母差保護(hù)主站（簡(jiǎn)稱主站）；同時(shí)，接收并執(zhí)行主站下發(fā)的跳閘命令。隨著不同廠家實(shí)現(xiàn)的方式不同，子站還可能承擔(dān)著本間隔后備保護(hù)的功能。而主站的功能則為：接收子站采集的電流數(shù)據(jù)，并自己采集母線電壓數(shù)據(jù)，一般電壓做輔助判據(jù)，根據(jù)各個(gè)子站上送的電流實(shí)現(xiàn)大差或小差保護(hù)，并根據(jù)保護(hù)動(dòng)作條件，下發(fā)跳閘命令給各個(gè)子站。

對(duì)于保護(hù)設(shè)備而言，其主要功能即為其保護(hù)邏輯。目前智能變電站經(jīng)常提出的保護(hù)行為不依賴于對(duì)時(shí)[8]，而對(duì)于傳統(tǒng)站的母差保護(hù)而言，這個(gè)問題根本就是不存在的。其核心點(diǎn)即在于主站與子站是中斷同步運(yùn)行的，差動(dòng)保護(hù)的行為只依賴于母差保護(hù)主站自身的晶振。在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)（如1個(gè)周波），即便主站自身的晶振精度不是很高，也不會(huì)有多大的偏差，而在系統(tǒng)運(yùn)行過程中的連續(xù)數(shù)據(jù)流中，僅僅取其中的一個(gè)或幾個(gè)周波的快照，是不需要關(guān)心保護(hù)自身的晶振與一次系統(tǒng)傳變來(lái)的電流工頻之間的偏差的。該關(guān)系表達(dá)示意圖如圖4所示。

而從另一角度分析：若母差保護(hù)的主站和子站全部只接對(duì)時(shí)，而相互之間不再有同步，再來(lái)分析其中的影響。

首先，對(duì)于對(duì)時(shí)，一般均接入站內(nèi)的對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，舉例一種比較常見的情況即為站內(nèi)IRIG-B差分對(duì)時(shí)網(wǎng)（如圖1、2所示）。該對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘源及為站內(nèi)時(shí)鐘。此時(shí)，主站與子站的之間的晶振及全部被同步到外部對(duì)時(shí)。由于主子站的保護(hù)邏輯一般均在CPU的中斷內(nèi)執(zhí)行，此時(shí)即要求主子站的中斷產(chǎn)生均基于外部對(duì)時(shí)。即需要將外部的秒脈沖分頻產(chǎn)生內(nèi)部的中斷頻率如1.2k，保護(hù)中斷即在該頻率下運(yùn)行，子站完成采樣、主站完成差動(dòng)保護(hù)計(jì)算。在正常情況下，整個(gè)母差保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行是完全正常的，但由于某些變電站地理位置情況等因素，站內(nèi)的對(duì)時(shí)源有可能一段時(shí)間失去了外部衛(wèi)星對(duì)時(shí)信號(hào)，此時(shí)對(duì)時(shí)總線上的IRIG-B碼即為站內(nèi)時(shí)鐘自己的晶振維護(hù)的。雖然站內(nèi)時(shí)鐘晶振一般均為精度很高的恒溫晶振，但終究會(huì)隨著時(shí)間的流逝而與衛(wèi)星時(shí)間滑開的越來(lái)越大。而當(dāng)一旦其重新捕捉到了外部衛(wèi)星后，則立刻完成對(duì)時(shí)同步。而此時(shí)對(duì)于母差保護(hù)即出現(xiàn)了所謂的一次跳變，而采樣數(shù)據(jù)也會(huì)有最大可能半個(gè)中斷周期的跳變（設(shè)中斷1.2k，則最大可能為416us，對(duì)應(yīng)電氣角度7.5度），這對(duì)于保護(hù)行為是不利的。在保護(hù)實(shí)際處理上，則是需要短時(shí)閉鎖保護(hù)邏輯或其他技術(shù)方法來(lái)解決該問題的。

二、傳統(tǒng)變電站的線路縱差保護(hù)

與母差保護(hù)相比，線路縱差保護(hù)為站間保護(hù)，其縱差保護(hù)的實(shí)現(xiàn)也依賴于兩站電氣數(shù)據(jù)的同步性，其典型工作過程如圖5所示。

圖中，本側(cè)電流的ADC采樣時(shí)刻為T1，對(duì)側(cè)相同時(shí)刻ADC開始采樣，但經(jīng)過光纖通道傳輸以后，由于有了光纖通道的延時(shí)，對(duì)側(cè)采樣數(shù)據(jù)在到達(dá)本側(cè)裝置后，其時(shí)標(biāo)變成了T（1），本側(cè)裝置若要準(zhǔn)確使用二者數(shù)據(jù)做差動(dòng)邏輯，則必須要準(zhǔn)確知道光纖的傳輸延時(shí)。

同時(shí)，在傳統(tǒng)的光纖縱差保護(hù)中，由于兩側(cè)ADC的同時(shí)采樣是通過設(shè)定兩個(gè)裝置的主從時(shí)鐘來(lái)決定的，其中，從時(shí)鐘側(cè)需要將其采樣中斷調(diào)整為與主時(shí)鐘側(cè)一致。這樣才能夠保證兩側(cè)的電流數(shù)據(jù)差僅僅相差的是光纖傳輸延時(shí)，否則，數(shù)據(jù)接收方還必須補(bǔ)償兩側(cè)的ADC采樣時(shí)刻的偏差。進(jìn)一步分析，一般情況下，不同廠家的縱差保護(hù)裝置是不能相互配合的，而其中一個(gè)最主要原因就是不同廠家的采樣環(huán)節(jié)的延時(shí)是不同的。

故對(duì)于中斷調(diào)整為一致即為保證兩側(cè)的采樣同步，而調(diào)整通道延時(shí)即可以理解為線路縱差保護(hù)裝置的內(nèi)部二次同步。

三、智能變電站的合并單元

智能變電站中的合并單元用于接收多個(gè)電子式互感器的遠(yuǎn)端模塊（采集卡）采集的電流電壓數(shù)據(jù)，并做數(shù)據(jù)合并后再將其發(fā)送給保護(hù)、計(jì)量等其他間隔層設(shè)備。

3.1 合并單元的采集控制

在智能變電站中，合并單元是需要接入對(duì)時(shí)的，而此時(shí)對(duì)時(shí)的作用更多的是同步的意義。從合并單元對(duì)遠(yuǎn)端模塊的數(shù)據(jù)采集的影響來(lái)看，在電子式互感器的數(shù)據(jù)采集過程可以分為獨(dú)立采集和受控采集：獨(dú)立采集即遠(yuǎn)端模塊按自己的晶振節(jié)拍自主控制其ADC的采樣開始轉(zhuǎn)換點(diǎn)，而受控采集則是合并單元向遠(yuǎn)端模塊發(fā)送采樣同步脈沖，遠(yuǎn)端模塊的才ADC采樣開始跟隨本采樣同步脈沖。

電氣量數(shù)據(jù)采集后能夠被間隔層設(shè)備最終應(yīng)用的本質(zhì)是要保證數(shù)據(jù)是電氣同步的。由此也可以看出遠(yuǎn)端模塊的獨(dú)立采樣和受控采樣對(duì)于合并單元需要處理的不同：對(duì)于獨(dú)立采樣，由于要求合并單元輸出數(shù)據(jù)為對(duì)時(shí)的0時(shí)刻同步數(shù)據(jù)，故合并單元必須對(duì)獨(dú)立采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次重采樣，保證二次重采樣的時(shí)刻點(diǎn)與外部對(duì)時(shí)的0時(shí)刻絕對(duì)同步；而對(duì)于受控采樣，由于其采樣脈沖由合并單元發(fā)出，合并單元保證其采樣脈沖即是與外部對(duì)時(shí)0時(shí)刻同步的，即合并單元無(wú)需二次重采樣。

3.2合并單元接入對(duì)時(shí)的必要性

合并單元除給保護(hù)、測(cè)控提供數(shù)據(jù)外，還需要給PMU、錄波器等提供數(shù)據(jù)。對(duì)于保護(hù)而言，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接入采樣的情況下，是無(wú)需合并單元接入對(duì)時(shí)的，但對(duì)于組網(wǎng)采樣情況下、則合并單元必須提供時(shí)標(biāo)對(duì)齊的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收方才能夠?qū)?shù)據(jù)做對(duì)其處理。

四、智能變電站的母差保護(hù)

在智能變電站的母差保護(hù)中，當(dāng)散熱等額外約束條件可以解決時(shí)，一般廠家實(shí)現(xiàn)均為單臺(tái)裝置，而不再有傳統(tǒng)站的分布式母差。從概念上而言，不考慮傳統(tǒng)站分布式母差保護(hù)的子站中的后備保護(hù)功能，則可以理解為在智能站中，傳統(tǒng)分布式母差保護(hù)的子站已經(jīng)被智能站中的合并單元（模擬量數(shù)據(jù)采集）和智能終端（開關(guān)量數(shù)據(jù)采集、繼電器出口）所替代。

在智能變電站的母差保護(hù)中，依然存在同步問題。這是由于目前國(guó)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)提出了保護(hù)不依賴于對(duì)時(shí)的要求。而本點(diǎn)要求一般是基于站內(nèi)的電氣量數(shù)據(jù)傳輸是通過組網(wǎng)方式來(lái)完成的。當(dāng)以網(wǎng)絡(luò)方式傳輸電氣量數(shù)據(jù)時(shí)，由于其經(jīng)過了交換機(jī)，同時(shí)考慮經(jīng)過交換機(jī)的級(jí)聯(lián)，故其采樣延時(shí)不再準(zhǔn)確。而合并單元為了提供時(shí)標(biāo)可參考的數(shù)據(jù)，其輸出數(shù)據(jù)是包括了采樣計(jì)數(shù)器（smpl_cnt），對(duì)于目前一般合并單元的4k采樣速率，該計(jì)數(shù)器在0～3999之間變化。同時(shí)，合并單元保證采樣計(jì)數(shù)器為0時(shí)，就是外部時(shí)鐘秒翻轉(zhuǎn)時(shí)刻。

母差保護(hù)在接收到多個(gè)間隔合并單元的電流數(shù)據(jù)后，需要進(jìn)行一次數(shù)據(jù)處理以滿足其自身需求。一般情況下，即為保護(hù)重采樣過程。本過程有兩個(gè)目的：

1.降低合并單元送來(lái)的數(shù)據(jù)速率為本保護(hù)自身的工作頻率。（目前保護(hù)的工作速率不同廠家時(shí)間有所不同，如1.2k，2k等）

2.同步合并單元數(shù)據(jù)到保護(hù)本身的中斷時(shí)鐘上。

對(duì)于目的1，無(wú)需過多說明；而對(duì)于目的2，則需要給出進(jìn)一步分析。出于母差保護(hù)不接收對(duì)時(shí)的情況，則保護(hù)本身的晶振與合并單元發(fā)來(lái)數(shù)據(jù)之間時(shí)有滑差的，該滑差的實(shí)質(zhì)即為保護(hù)本身的晶振與外部時(shí)鐘源的晶振偏差。同傳統(tǒng)站分布式母差保護(hù)相同，智能站的母差保護(hù)也是通過重采樣的方式來(lái)消除這兩者之間的晶振偏差。使得保護(hù)運(yùn)行過程中，不會(huì)出現(xiàn)某次中斷沒有數(shù)據(jù)，或某次中斷數(shù)據(jù)過多而無(wú)法處理的情況。

其重采樣工作過程基本如圖6所示。

五、結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)于傳統(tǒng)站、智能站內(nèi)典型裝置的對(duì)時(shí)與同步應(yīng)用給出了較為具體的分析?？梢钥闯?，在傳統(tǒng)站下，對(duì)時(shí)與同步關(guān)系相對(duì)獨(dú)立，概念上也較為清晰；但在智能站場(chǎng)合下，對(duì)于間隔層與過程層裝置，對(duì)時(shí)是起到了雙重作用：對(duì)時(shí)與同步。理解上述概念，對(duì)于更好的設(shè)計(jì)變電站的組網(wǎng)方式，以及廠家相關(guān)裝置的實(shí)現(xiàn)方式會(huì)有較好的幫助。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 電力系統(tǒng)的時(shí)間同步系統(tǒng) 第1部分：技術(shù)規(guī)范 DL/T 1100.1 [S] 2009Time Synchronism systems of power system Part 1： Technical specification. DL/T 1100.1 [S] 2009

[2] IRIG Serial Time Code Formats. IRIG STANDARD 200-98

[3] 智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范 Q/GDW 441 — 2010.

Technical Specifications of Protection for Smart Substation. Q/GDW 441 — 2010

[4] 劉 偉，倪傳坤等，智能變電站分布式母線保護(hù)實(shí)現(xiàn)方案[J]。電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（16），139-141，146。

[5] 李文正， 李寶偉等，智能變電站光纖差動(dòng)保護(hù)同步方案研究[J]。電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（16），136-140。