智能變電站時(shí)間同步在線監(jiān)測(cè)研究

陳志剛彭學(xué)軍張道農(nóng)

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102；2.華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，北京 100120）

智能變電站時(shí)間同步在線監(jiān)測(cè)研究

陳志剛1彭學(xué)軍1張道農(nóng)2

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102；2.華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，北京 100120）

本文闡述了目前智能變電站廣泛采用的對(duì)時(shí)方案以及時(shí)間同步對(duì)智能變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的意義，介紹了一種基于 SNTP乒乓原理來實(shí)現(xiàn)智能變電站內(nèi)所有自動(dòng)化設(shè)備的時(shí)間同步在線監(jiān)測(cè)方案，提出了一種基于同步脈沖監(jiān)測(cè)裝置來實(shí)現(xiàn)合并單元采樣同步脈沖的監(jiān)測(cè)方案，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采樣同步脈沖，同時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及自身狀態(tài)通過MMS上送到變電站站控層網(wǎng)絡(luò)，并通過試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了其可靠性。此方案對(duì)于提高采用SV數(shù)據(jù)組網(wǎng)模式的智能變電站的可靠性有一定的參考意義。

智能變電站；時(shí)間同步；在線監(jiān)測(cè)；合并單元

隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和自動(dòng)化水平的提高，電網(wǎng)調(diào)度實(shí)行分層多級(jí)管理，為保證電網(wǎng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，各種以計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)為基礎(chǔ)的自動(dòng)化裝置被廣泛應(yīng)用，不僅變電站、發(fā)電廠和調(diào)度中心內(nèi)部眾多與時(shí)間有密切關(guān)系的自動(dòng)化設(shè)備和數(shù)字化控制系統(tǒng)對(duì)統(tǒng)一、精確授時(shí)的依賴程度越來越高，而且電網(wǎng)內(nèi)對(duì)發(fā)生事件的記錄，如電網(wǎng)故障時(shí)刻的確認(rèn)、事件記錄和告警時(shí)間的準(zhǔn)確統(tǒng)一等對(duì)時(shí)間精度的要求越來越高。建設(shè)統(tǒng)一時(shí)間同步網(wǎng)，既可實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)各系統(tǒng)在統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)下的運(yùn)行監(jiān)控，也可以通過各開關(guān)動(dòng)作的先后順序來分析事故的原因及發(fā)展過程［1］。

目前廠站的時(shí)鐘設(shè)備的同步狀態(tài)及對(duì)時(shí)精度尚缺乏必要的檢測(cè)措施及手段；廠站的時(shí)鐘設(shè)備與被對(duì)時(shí)設(shè)備間采用開環(huán)的模式，生產(chǎn)維護(hù)人員無法掌握站內(nèi)被對(duì)時(shí)設(shè)備的對(duì)時(shí)狀態(tài)及對(duì)時(shí)精度。這些問題導(dǎo)致在涉及多個(gè)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)故障的事故后分析時(shí)暴露出站內(nèi)及站間保護(hù)、后臺(tái)等事件記錄時(shí)間不一致的問題，這不僅會(huì)影響對(duì)事故的全面、客觀、準(zhǔn)確分析，而且還影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性［2］。

為解決廠站的時(shí)鐘同步在線監(jiān)視的短板，國家電網(wǎng)公司發(fā)布了技術(shù)要求［3］，從低建設(shè)成本、低管理成本、低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的角度出發(fā)，利用SNTP乒乓原理和分層管理的模式，通過軟件的方式實(shí)現(xiàn)了調(diào)度端到廠站端的各種自動(dòng)化設(shè)備的對(duì)時(shí)狀態(tài)和對(duì)時(shí)精度的監(jiān)控。

與常規(guī)變電站相比，智能變電站的結(jié)構(gòu)體系存在巨大的差異。智能變電站的二次系統(tǒng)通常包含電子式互感器、合并單元、交換機(jī)、保護(hù)、測(cè)控等設(shè)備，互感器、保護(hù)以及斷路器之間復(fù)雜的電纜硬導(dǎo)線連接被光纖所代替。保護(hù)測(cè)控等設(shè)備的電流電壓采樣值輸入也由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸入，保護(hù)測(cè)控設(shè)備的模擬信號(hào)采樣由裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)變?yōu)楦骱喜卧獙?shí)現(xiàn)，這些變化對(duì)智能變電站的時(shí)鐘同步系統(tǒng)提出了更高的要求［4］。

本文介紹了目前變電站時(shí)間同步在線監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀以及存在的一些問題，并提出了一種針對(duì)智能變電站合并單元采樣同步脈沖的監(jiān)測(cè)方案，此方案對(duì)于提高采用 SV數(shù)據(jù)組網(wǎng)模式的智能變電站的可靠性有一定的參考意義。

1 傳統(tǒng)時(shí)間同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為解決廠站端時(shí)間同步設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視問題，國網(wǎng)公司系統(tǒng)內(nèi)主要有兩種時(shí)間同步在線監(jiān)測(cè)方案。

1）山西電力時(shí)間同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

主站監(jiān)控系統(tǒng)通過DL/T 634.5104規(guī)約對(duì)廠站端時(shí)間同步裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要采集內(nèi)容包括時(shí)鐘運(yùn)行狀態(tài)信息、同步信息、擴(kuò)展鐘、業(yè)務(wù)板塊狀態(tài)，以及廠站頻率，如圖1所示。

圖1 山西電力時(shí)間同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2）華北網(wǎng)局電力時(shí)間同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

時(shí)間同步裝置提供空節(jié)點(diǎn)形式的天脈沖輸出至被授時(shí)裝置遙信開入，同時(shí)增加一臺(tái)時(shí)間同步在線監(jiān)測(cè)裝置來在線采集并分析被授時(shí)設(shè)備的遙信變位信息，并將時(shí)間誤差通過DL/T 634.5104規(guī)約上送到主站監(jiān)控系統(tǒng)，如圖2所示。

方案1中實(shí)現(xiàn)了主站對(duì)廠站時(shí)鐘裝置本身的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。而廠站主備時(shí)鐘也僅僅對(duì)站內(nèi)二次設(shè)備實(shí)現(xiàn)了單向授時(shí)，未能在廠站端乃至調(diào)度端實(shí)現(xiàn)對(duì)站內(nèi)二次設(shè)備之間授時(shí)信息的同步閉環(huán)監(jiān)測(cè)。

圖2 華北網(wǎng)局天脈沖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

方案2中實(shí)現(xiàn)了主站對(duì)廠站端部分二次設(shè)備的定時(shí)閉環(huán)監(jiān)測(cè)。該方案需要時(shí)鐘裝置除了給被授時(shí)裝置提供B碼對(duì)時(shí)信號(hào)外，還要提供一個(gè)天脈沖空節(jié)點(diǎn)，同時(shí)還需要增加時(shí)間監(jiān)測(cè)設(shè)備。

2 時(shí)間同步監(jiān)測(cè)管理

國家電網(wǎng)公司提出的變電站時(shí)間同步監(jiān)測(cè)管理方案從低建設(shè)成本、低管理成本、低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的角度出發(fā)，利用SNTP乒乓原理和分層管理的模式，在原有變電站自動(dòng)化系統(tǒng)上建立一套通信技術(shù)及軟件來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的時(shí)間同步狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)功能。不僅要對(duì)時(shí)鐘裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，更要將被授時(shí)系統(tǒng)及設(shè)備的時(shí)間同步工作狀態(tài)納入監(jiān)測(cè)范圍。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由時(shí)鐘裝置和被授時(shí)裝置構(gòu)成，其中被授時(shí)系統(tǒng)包括變電站監(jiān)控系統(tǒng)、智能組件、故障錄波器、PMU、測(cè)控裝置、繼電保護(hù)裝置和安全穩(wěn)定控制裝置等，如圖3所示。

圖3 變電站時(shí)間同步監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)

2.2 技術(shù)原則

1）廠站端

廠站端監(jiān)控主機(jī)作為站控層時(shí)間同步監(jiān)測(cè)管理者，基于SNTP乒乓原理實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘裝置、測(cè)控裝置、故障錄波裝置、PMU等的時(shí)間同步監(jiān)測(cè)；測(cè)控裝置作為間隔層時(shí)間同步監(jiān)測(cè)管理者，基于 SNTP乒乓原理通過 GOOSE實(shí)現(xiàn)對(duì)合并單元、智能終端等的時(shí)間同步監(jiān)測(cè)。

2）調(diào)度主站

調(diào)度主站前置網(wǎng)關(guān)機(jī)作為時(shí)間同步監(jiān)測(cè)管理者，通過DL/T 476或DL/T 634.5104，基于乒乓原理實(shí)現(xiàn)對(duì)廠站端通信網(wǎng)關(guān)機(jī)的時(shí)間同步監(jiān)測(cè)管理。

2.3 基本原理

變電站時(shí)間同步監(jiān)測(cè)使用SNTP作為基本監(jiān)測(cè)手段，并通過兩層保護(hù)措施來避免與對(duì)時(shí)服務(wù)沖突。

1）IP協(xié)議的訪問控制

對(duì)時(shí)服務(wù)端僅存在于時(shí)鐘裝置，監(jiān)測(cè)服務(wù)端存在于被監(jiān)測(cè)裝置，因此正確配置IP地址后，監(jiān)測(cè)的請(qǐng)求不會(huì)與對(duì)時(shí)請(qǐng)求混淆，保證了不同用途的SNTP服務(wù)不會(huì)沖突。

2）協(xié)議標(biāo)識(shí)的訪問控制

在 SNTP報(bào)文的 ReferenceIdentifier字段增加“TSSM”標(biāo)識(shí)，并且保證監(jiān)測(cè)服務(wù)端不應(yīng)響應(yīng)“TSSM”標(biāo)識(shí)以外的請(qǐng)求報(bào)文，對(duì)時(shí)服務(wù)端則不應(yīng)響應(yīng)標(biāo)識(shí)為“TSSM”的請(qǐng)求，從而保證了任何情況下兩者不會(huì)沖突。

時(shí)間同步監(jiān)測(cè) SNTP協(xié)議采用客戶/服務(wù)器模式，其中時(shí)間管理服務(wù)器為客戶端，被監(jiān)測(cè)設(shè)備為服務(wù)端。時(shí)間管理服務(wù)器定期向被監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)送報(bào)文，時(shí)間管理服務(wù)器按照被監(jiān)測(cè)設(shè)備返回的時(shí)鐘報(bào)文計(jì)算時(shí)鐘偏差。

圖4中時(shí)間管理服務(wù)器在T0時(shí)刻發(fā)送“監(jiān)測(cè)時(shí)鐘請(qǐng)求”；被監(jiān)測(cè)設(shè)備在T1時(shí)刻收到“監(jiān)測(cè)時(shí)鐘請(qǐng)求”報(bào)文，并在T2時(shí)刻返回“監(jiān)測(cè)時(shí)鐘請(qǐng)求結(jié)果”；時(shí)間管理服務(wù)器在 T3時(shí)刻收到“監(jiān)測(cè)時(shí)鐘請(qǐng)求結(jié)果”報(bào)文。通過計(jì)算可以得到時(shí)間管理服務(wù)器與被監(jiān)測(cè)設(shè)備之間的時(shí)間誤差Δt=［（T3-T2）+（T0-T1）］/2。

圖4 變電站時(shí)間同步監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)基本原理

2.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

時(shí)間同步狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)分為對(duì)時(shí)狀態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)自檢數(shù)據(jù)。其中對(duì)時(shí)狀態(tài)通過乒乓法測(cè)得，是時(shí)間同步管理的主要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)管理端發(fā)現(xiàn)被監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí)間同步異常時(shí)，管理端應(yīng)生成告警信息，并通過告警網(wǎng)關(guān)機(jī)或數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)上送相應(yīng)調(diào)控中心；設(shè)備狀態(tài)自檢的目的主要是被監(jiān)測(cè)設(shè)備自身基于可預(yù)見故障設(shè)置的策略，快速偵測(cè)自身的故障點(diǎn)。被授時(shí)設(shè)備和時(shí)鐘設(shè)備的狀態(tài)信息見表1、表2。

表1 被授時(shí)設(shè)備狀態(tài)信息

表2 時(shí)鐘設(shè)備狀態(tài)信息

3 合并單元時(shí)間同步監(jiān)測(cè)管理

3.1 現(xiàn)有方案

變電站時(shí)間同步監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)中，監(jiān)控主機(jī)通過測(cè)控裝置間接管理合并單元，測(cè)控裝置通過基于GOOSE的管理報(bào)文監(jiān)測(cè)合并單元的時(shí)間同步狀態(tài)，再將結(jié)果報(bào)告監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)。該方案實(shí)現(xiàn)了合并單元時(shí)標(biāo)毫秒級(jí)別的誤差測(cè)量，但無法滿足 SV組網(wǎng)條件下的采樣同步精度測(cè)量要求。

3.2 改進(jìn)方案

智能變電站合并單元部分采用SV組網(wǎng)的方式，有利于 SV采樣數(shù)據(jù)的共享和分析。但是該方式依賴于時(shí)間同步信號(hào)，當(dāng)時(shí)鐘源發(fā)生抖動(dòng)時(shí)，容易造成跨間隔保護(hù)裝置采樣數(shù)據(jù)的不同步，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)引起保護(hù)誤動(dòng)作。合并單元提供了一個(gè) 1PPS脈沖輸出接口用于測(cè)量其自身輸出的采樣同步脈沖精度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［5］要求其采樣值同步精度應(yīng)不大于1μs。

為了完善變電站時(shí)間同步監(jiān)測(cè)管理方案，本文提出采用同步脈沖監(jiān)測(cè)裝置（TMU）來實(shí)現(xiàn)合并單元同步脈沖的采集監(jiān)視，如圖5所示。TMU裝置接收全站統(tǒng)一的時(shí)間同步對(duì)時(shí)信號(hào)或獨(dú)立配置北斗、GPS衛(wèi)星源，裝置具備采集分析所有合并單元的同步脈沖信號(hào)的能力，分析誤差結(jié)果和自身的同步狀態(tài)實(shí)時(shí)通過DL/T 860和DL/T 634.5104通信規(guī)約上送至管理軟件，同時(shí)保護(hù)裝置也可以通過 GOOSE或MMS網(wǎng)絡(luò)獲得相應(yīng)間隔合并單元的同步狀態(tài)。

圖5 合并單元同步脈沖監(jiān)視基本原理

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

TMU裝置自身時(shí)間穩(wěn)定性直接影響監(jiān)測(cè)結(jié)果，而晶體老化會(huì)導(dǎo)致恒溫晶振的輸出頻率按照對(duì)數(shù)曲線發(fā)生變化［6］，因此TMU裝置需要通過外部時(shí)間源馴服自身的恒溫晶體，保證其本地時(shí)間的穩(wěn)定性。

晶體頻率隨時(shí)間的變化率（老化率）可以通過式（1）來表示。

式中，F(xiàn)表示晶體頻率；t表示時(shí)間。當(dāng)βt>>1時(shí)，式（1）可以做如下轉(zhuǎn)換:

利用時(shí)間馴服單元獲得的頻率，并結(jié)合線性回歸算法可以得到參數(shù)A、B，從而獲得中晶體的老化曲線。

圖6中的虛線部分為晶振頻率采樣數(shù)據(jù)，實(shí)線部分為采用一元線性回歸算法擬合的曲線。

3.4 試驗(yàn)平臺(tái)

為驗(yàn)證 TMU裝置的自身時(shí)間穩(wěn)定性以及監(jiān)測(cè)性能，本文按照?qǐng)D7搭建了測(cè)試平臺(tái)。其中合并單元通過時(shí)間同步裝置輸出的IRIG-B信號(hào)對(duì)時(shí)，TMU裝置實(shí)時(shí)采集時(shí)間同步裝置和合并單元輸出的1PPS脈沖。

通過測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)待測(cè)1PPS信號(hào)與TMU裝置相對(duì)抖動(dòng)不大于30ns，其精度及穩(wěn)定度滿足合并單元技術(shù)條件中規(guī)定的采樣值同步精度應(yīng)不大于 1μs的要求。

圖6 晶振頻率擬合曲線

圖7 試驗(yàn)平臺(tái)示意圖

圖8 時(shí)間同步裝置1PPS監(jiān)視數(shù)據(jù)

圖9 合并單元1PPS監(jiān)視數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文介紹了傳統(tǒng)變電站時(shí)間同步在線監(jiān)測(cè)的兩種方式以及基于SNTP乒乓原理變電站時(shí)間同步監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，提出一種通過同步脈沖監(jiān)測(cè)裝置來實(shí)現(xiàn)智能變電站合并單元采樣同步脈沖監(jiān)測(cè)方法，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及自身狀態(tài)，同時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及自身狀態(tài)通過 MMS上送到變電站站控層網(wǎng)絡(luò)，并通過試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了自身的精度和穩(wěn)定度。該方案可以解決目前智能變電站合并單元同步脈沖無法實(shí)時(shí)監(jiān)視的問題，對(duì)于提高采用 SV數(shù)據(jù)組網(wǎng)模式的智能變電站的可靠性有一定的參考意義。

［1］翁軍美.電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)備同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與應(yīng)用［D］.杭州：浙江大學(xué)，2010.

［2］于躍海，張道農(nóng)，胡永輝，等.電力系統(tǒng)時(shí)間同步方案［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32（7）：82-86.

［3］國家電網(wǎng)公司.關(guān)于開展廠站時(shí)鐘同步裝置應(yīng)用情況調(diào)研的通知［Z］.北京，2013.

［4］呂航，李力.變電站同步信號(hào)異常對(duì)保護(hù)裝置影響及對(duì)策［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36（19）：89-93.

［5］國家能源局.DL/T 282—2012.合并單元技術(shù)條件［S］.北京：中國電力出版社，2012.

［6］胡錦麟，施松江.晶體振蕩器的對(duì)數(shù)老化規(guī)律［J］.電子技術(shù)，1980，12（12）：17-19.

Online Monitoring of Time Synchronization in Smart Substation

Chen Zhigang1Peng Xuejun1Zhang Daonong2
（1.NARI-Relays Electric Co.，Ltd，Nanjing 211102；2.North China Power Engineering Co.，Ltd，Beijing 100120）

This paper describes the currently widely used in Smart Substation clock synchronization and time synchronization of smart substation safe and stable operation of the significance，introduces a kind of based on the principle of SNTP ping-pong to achieve all automation equipment in the substation intelligent time synchronization scheme of online monitoring system.A monitoring method based on the synchronized pulse monitoring device is proposed to realize the monitoring scheme of the merging unit sampling synchronous pulse，which is used for real-time monitoring of the synchronous pulse，and the monitoring data and its own state are sent to the substation station control network through MMS，and its reliability is verified by the test platform.This scheme has some reference value for improving the reliability of the intelligent substation using SV data networking mode.

smart substation； time synchronization； online monitoring； MU

陳志剛（1983-），男，江蘇南通人，工程師，主要從事電力系統(tǒng)時(shí)間同步設(shè)備、智能一次設(shè)備研發(fā)工作。