牽引變電所多時鐘源對時策略研究

范三龍，李永征

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牽引變電所多時鐘源對時策略研究

范三龍，李永征

為了構(gòu)建可靠的牽引變電所時鐘同步系統(tǒng)，在分析牽引變電所典型時鐘同步網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的基礎(chǔ)上，介紹了牽引變電所的主要時鐘源屬性，提出了通信管理機和保護測控裝置各自基于優(yōu)先級的對時策略，利用誤差傳遞公式計算了各級時鐘失效后的守時時間，為牽引變電所二次設(shè)備時鐘系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

變電所自動化系統(tǒng)；時鐘同步；誤差傳遞公式

0 引言

時鐘同步對于電力系統(tǒng)的故障分析、監(jiān)視控制及運行管理具有重要意義，統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)是進(jìn)行分析、故障處理和運行管理的基礎(chǔ)[1]。我國高速鐵路牽引網(wǎng)采用全并聯(lián)AT供電方式，其分段保護和故障測距需同步采集牽引網(wǎng)沿線的信息，因此整條供電臂的時鐘需要保持一定的同步精度[2]，牽引變電所的時鐘同步尤顯重要。

牽引變電所自動化系統(tǒng)有多個時鐘源（單一時鐘源無法構(gòu)建可靠的時鐘同步系統(tǒng)），時鐘源的運行又存在不確定性。對時方案需根據(jù)不同時鐘源的運行情況進(jìn)行選擇，同時還應(yīng)具有足夠的靈活性，以便在某些時鐘源失效后，對時系統(tǒng)仍然可以可靠運行。只有不同時鐘源對時方式互相協(xié)調(diào)，才能構(gòu)建精確、可靠的時鐘同步系統(tǒng)，本文將對牽引變電所多時鐘源的對時策略進(jìn)行研究。

1 牽引變電所時鐘同步網(wǎng)絡(luò)

牽引變電所時鐘同步網(wǎng)絡(luò)主要由調(diào)度中心、衛(wèi)星時鐘裝置（模塊）、遠(yuǎn)動服務(wù)器（通信管理機）、保護測控裝置、所內(nèi)監(jiān)控計算機（當(dāng)?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)）等構(gòu)成。為保持全線變電所時鐘的統(tǒng)一，通常采用通信報文對時與脈沖校正、IRIG-B碼（簡稱B碼）專網(wǎng)授時、SNTP、IEC61588等時鐘同步協(xié)議[3]。圖1和圖2所示為2種典型變電所自動化系統(tǒng)的時鐘網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，圖中標(biāo)出了授時信號至變電所二次設(shè)備的連接方式。

圖1 通信報文配合脈沖對時網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2 獨立衛(wèi)星時鐘裝置對時網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖1中，變電所自動化系統(tǒng)采用秒脈沖配合通信報文對時方式。通信管理機是系統(tǒng)的時鐘中心，其內(nèi)置衛(wèi)星時鐘模塊，在衛(wèi)星時鐘工作正常時，從衛(wèi)星時鐘模塊獲得精確時鐘，同時獲取秒脈沖；當(dāng)衛(wèi)星時鐘失效時，從調(diào)度中心獲得時鐘，并自行產(chǎn)生秒脈沖。通信管理機通過秒脈沖和網(wǎng)絡(luò)通信報文為保護、測控裝置對時，通過網(wǎng)絡(luò)通信報文為所內(nèi)監(jiān)控計算機對時。早期常規(guī)變電所一般采用該對時方案。

圖2中，變電所自動化系統(tǒng)采用獨立衛(wèi)星時鐘裝置對時。獨立衛(wèi)星時鐘裝置是系統(tǒng)的時鐘中心，其作為所內(nèi)主時鐘，利用IRIG-B碼485差分信號為保護、測控裝置對時，配置SNTP接口為所內(nèi)監(jiān)控計算機對時。如果衛(wèi)星時鐘裝置故障，則由通信管理機接受調(diào)度中心對時，并作為主時鐘為站內(nèi)設(shè)備對時。數(shù)字化變電所一般采用該對時方案。

2 變電所的時鐘源分析

2.1 調(diào)度主站對時

鐵路牽引供電遠(yuǎn)動系統(tǒng)主要由調(diào)度中心及變電所、分區(qū)所、開閉所等調(diào)度站構(gòu)成，電力調(diào)度中心通過專用的電力遠(yuǎn)動通道對變電所、分區(qū)所等實施監(jiān)控。變電所通常均接入各級調(diào)度系統(tǒng)，調(diào)度中心主站和變電所通信管理機之間通過通信報文對時，然后由管理機為所內(nèi)設(shè)備對時。調(diào)度主站通常情況下均配置衛(wèi)星時鐘，具有很高的時鐘精度。但鐵路電力遠(yuǎn)動的通道有多種類型[4]，通過通信報文對時，由于通信延時不太確定，對通信和報文處理延時的修正不盡完美，導(dǎo)致調(diào)度對時的誤差一般為幾十毫秒甚至上百毫秒。

對于支持SNTP協(xié)議的通信管理機，也可以使用SNTP對時。由于SNTP對網(wǎng)絡(luò)延時做了較好的修正，在廣域的調(diào)度通信網(wǎng)內(nèi)對時精度可達(dá)50 ms以內(nèi)，高于通信報文對時精度。

調(diào)度主站可能不止一個，不同主站和管理機之間有如下3種對時方式：

（1）系統(tǒng)時鐘：即該主站的對時改寫系統(tǒng)時鐘，同時影響整個變電所的時鐘基準(zhǔn)。

（2）獨立時鐘：當(dāng)收到調(diào)度主站的通信對時報文后，不改寫管理機的內(nèi)部時鐘，而是記錄該主站時鐘與通信管理機時鐘的差。將事件信息發(fā)送給該主站時，需要使用該時鐘差修正報文中的時標(biāo)，以保持與該主站的時鐘一致。目前已很少采用該對時方式。

（3）不對時：即忽略該主站的通信對時功能。

對于鐵路變電所，鐵路電力調(diào)度為主調(diào)度，地方電力公司調(diào)度中心通常只進(jìn)行信號監(jiān)視，并不操作。在對時的配置上，需配置鐵路電調(diào)對時系統(tǒng)，其他調(diào)度主站不對時。

2.2 衛(wèi)星時鐘對時

衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)是一種以人造地球衛(wèi)星為載體的全球覆蓋、全天候工作的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，可以實現(xiàn)精確導(dǎo)航、定位及授時。目前世界上主要有美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲空間局的伽利略計劃、中國的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。美國的GPS在系統(tǒng)可靠性、用戶設(shè)備產(chǎn)業(yè)化等方面具有一定優(yōu)勢，中國的北斗則在迅速崛起。北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)可以全天候?qū)ξ覈I(lǐng)土、領(lǐng)海及周邊地區(qū)進(jìn)行定位及授時[5]，在國內(nèi)電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

衛(wèi)星時鐘由內(nèi)置于通信管理機中的接收模塊或獨立的衛(wèi)星時鐘裝置，以及外置接收天線組成，通常配置GPS接收模塊和北斗接收模塊組成冗余系統(tǒng)，接收多顆衛(wèi)星的信號獲取時鐘，精度可以達(dá)到優(yōu)于500 ns的級別，若采用更高級別的模塊，精度還可以大幅提高。

衛(wèi)星時鐘信號受天線的狀態(tài)及天氣影響嚴(yán)重。天線一般安裝于室外，且在其上方不能有遮擋，常年的室外風(fēng)吹雨淋，容易出現(xiàn)故障導(dǎo)致跟蹤不到衛(wèi)星。當(dāng)跟蹤到的衛(wèi)星數(shù)量較少或完全跟蹤不到衛(wèi)星時，衛(wèi)星時鐘模塊的時鐘精度就會降低，甚至只能依靠內(nèi)部的實時時鐘芯片提供時間。

納秒級高精度的衛(wèi)星時鐘只存在于模塊內(nèi)部，還需要通過對時網(wǎng)絡(luò)給保護測控裝置對時。衛(wèi)星時鐘的常見輸出信號有脈沖信號、串行口時間報文、IRIG-B碼、網(wǎng)絡(luò)時間報文（NTP/SNTP）等。脈沖信號和B碼屬于硬對時（需專用對時網(wǎng)）。脈沖信號只能將各個裝置時鐘的毫秒值對齊，時分秒等必須通過軟件方式由衛(wèi)星時鐘（或管理機）發(fā)送給各個裝置。3種常用的時間協(xié)議如圖3所示。

衛(wèi)星時鐘的脈沖信號在到達(dá)裝置的回路過程中會經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、媒介、器件延時等，裝置在接收到對時脈沖后，還需經(jīng)過CPU中斷的響應(yīng)時間（一般在微秒級），裝置最終可獲得的時鐘精度約為50ms。所以，通常無需采用更高精度等級的衛(wèi)星時鐘接收模塊。

衛(wèi)星時鐘的運行信息可以通過監(jiān)視衛(wèi)星時鐘對應(yīng)的串口報文或通過硬結(jié)點開入信息獲得。衛(wèi)星時鐘模塊定期輸出天線、衛(wèi)星狀態(tài)等信息，可據(jù)此判斷衛(wèi)星時鐘時間的有效性。

圖3 3種時間協(xié)議示意圖

衛(wèi)星時鐘可以作為精密時間協(xié)議（Precision Time Protocol，PTP）的主時鐘。精密時間協(xié)議是IEC61588定義的高精度網(wǎng)絡(luò)時鐘同步協(xié)議，其目的是為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分布式測量和控制系統(tǒng)各組成部分之間的高精度同步，其精度可達(dá)亞微秒級[3]。由于IEC61588需要衛(wèi)星時鐘、交換機、裝置以太網(wǎng)端口的支持，目前成本較高，且穩(wěn)定性存在問題，尚未普及。

2.3 當(dāng)?shù)乇O(jiān)控計算機對時

當(dāng)?shù)乇O(jiān)控計算機的時間來源于SNTP時間服務(wù)器或管理機通信對時，也可以手動校準(zhǔn)計算機的時間。變電所內(nèi)通常沒有Internet連接，不能從網(wǎng)絡(luò)上獲得時間。

當(dāng)?shù)乇O(jiān)控計算機不主動為裝置對時，其對時功能可作為所內(nèi)時鐘失效時的臨時對時方案，或作為一種時鐘的調(diào)試手段。在調(diào)度對時、衛(wèi)星時鐘對時均不可用時，可采用當(dāng)?shù)乇O(jiān)控計算機對時。通過保護綜合管理的對時功能給通信管理機、保護測控裝置等手動對時，或通過站內(nèi)通信規(guī)約報文對時。當(dāng)計算機的時間由人工設(shè)定時，精度只能在秒級。

3 通信管理機基于優(yōu)先級的對時策略

通信管理機是常規(guī)變電所的對時中心，在調(diào)度對時和衛(wèi)星時鐘對時方式下，時鐘首先由通信管理機接收，然后再轉(zhuǎn)發(fā)給所內(nèi)設(shè)備。在長期運行中，衛(wèi)星時鐘會因為天線或模塊原因出現(xiàn)故障，調(diào)度的通信也會因為各種原因中斷，此時時鐘源會發(fā)生變化，管理機必須具有足夠的靈活性應(yīng)對不同的運行模式。管理機對不同的時鐘源采取了優(yōu)先級策略，以協(xié)調(diào)各時鐘源的對時功能。各時鐘源優(yōu)先級如表1所示。

通信管理機的初始優(yōu)先級是0，即未對時，當(dāng)接收到后臺計算機的對時后，優(yōu)先級變?yōu)?，當(dāng)接收到更高級別的時鐘源（衛(wèi)星時鐘、調(diào)度主站等）對時后，將優(yōu)先級設(shè)為該更高級別時鐘源的優(yōu)先級。只有當(dāng)對時的時鐘源優(yōu)先級大于或等于通信管理機當(dāng)前的時鐘優(yōu)先級時，通信管理機才會接受該次對時，避免低精度時鐘源的對時降低通信管理機時鐘精度。當(dāng)通信管理機的時鐘有效后，才向外發(fā)送對時，避免在本身時鐘無效情況下為裝置對時。

表1 通信管理機的時鐘源優(yōu)先級

通信管理機接受某個高優(yōu)先級時鐘源的對時后，將當(dāng)前優(yōu)先級設(shè)為該時鐘源的優(yōu)先級。當(dāng)高優(yōu)先級時鐘源失效后（長期收不到有效的對時，或者衛(wèi)星斷線等），通信管理機依靠自身的時鐘守時。經(jīng)過一定的守時時間，當(dāng)誤差積累達(dá)到低一級時鐘源的誤差后，自動降低優(yōu)先級到下一個精度級別。

守時時間精度主要由裝置采用的時鐘晶振精度決定。普通晶振精度為5×10-6（5ppm）ms，對應(yīng)每天誤差432 ms。守時時間根據(jù)守時誤差在不同優(yōu)先級間的誤差傳遞公式計算。

設(shè)=(1,2, ...,x)，則絕對誤差傳遞公式為

D= (?/ ?1)D1+ (?/ ?2)D2+ ... + (?/ ?x)Dx（1）

如果高優(yōu)先級時鐘失效時的時刻為1，其誤差為D1；守時的單位時間誤差為D2= 5×10-6；經(jīng)過時間后，守時后的時刻=1+，則

D= (?/ ?1)D1+ (?/ ?2)D2= 1×D1+D2（2）

據(jù)此可計算出表1中的守時時間。

4 保護測控裝置基于優(yōu)先級的對時策略

變電所內(nèi)一般會同時存在多個時鐘源，需要采取措施解決多個時鐘源為所內(nèi)設(shè)備（保護測控裝置）對時，或者設(shè)備之間交叉對時的情況。在保護測控裝置中采用多時鐘源優(yōu)先級策略，同樣是解決上述問題的有效方法。

變電所內(nèi)具備對時功能的設(shè)備包括：主/備通信管理機、通信服務(wù)器、所內(nèi)監(jiān)控計算機等，且通信管理機、通信服務(wù)器存在多臺配置的情況，同一主站還存在UDP、TCP等不同的通信對時方式。典型時鐘優(yōu)先級及各級守時時間如表2所示。

表2 保護測控裝置的時鐘源優(yōu)先級

5 應(yīng)用效果

多時鐘源優(yōu)先級對時策略已應(yīng)用于國電南自的NDT650/660牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)，不同時期的工程分別采用了圖1和圖2所示的對時方案。優(yōu)先級策略內(nèi)置于通信管理機和保護測控裝置中，同時，通過修改通信管理機和規(guī)約配置，或監(jiān)控計算機的配置文件，可以改變時鐘源的優(yōu)先級，或其他對時行為。優(yōu)先級對時策略對多個時鐘源的對時行為實現(xiàn)了有效協(xié)調(diào)，保證所內(nèi)設(shè)備獲得正確的時鐘，并避免了不同設(shè)備間交叉對時的情況，從而在整個供電臂獲得一致的時鐘。

6 結(jié)語

調(diào)度中心或衛(wèi)星時鐘為通信管理機對時，衛(wèi)星時鐘或通信管理機再為所內(nèi)的其他設(shè)備對時，是當(dāng)前牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)的典型對時模式。通信報文對時與脈沖校正、IRIG-B碼專網(wǎng)授時是目前的主要時鐘同步手段。通過通信管理機和保護測控裝置中的時鐘源優(yōu)先級策略，可以協(xié)調(diào)牽引變電所多個時鐘源的對時行為，構(gòu)建更可靠的時鐘同步系統(tǒng)。

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In order to establish reliable clock synchronization system for traction substation, and on the basis of analyzing the composition of typical clock synchronization network for traction substation, the paper introduces the property of master clock source of traction substation, puts forward the self-priority based time synchronization strategy for communication management unit and protection and monitoring device, and the calculation of punctual time by error propagation formula after failures of clocks of various levels, these will provide references for design of clock systems for secondary equipment in traction substation.

Automation system of substation; clock synchronization; error propagation formula

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.020

U224.9

B

1007-936X(2018)05-0077-04

2018-03-16

范三龍，李永征.國電南京自動化股份有限公司，高級工程師。