一種新型的時(shí)鐘監(jiān)測管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，對時(shí)間同步的要求越來越高，需要更加準(zhǔn)確、安全、可靠的時(shí)鐘源，為電力系統(tǒng)各類設(shè)備提供精準(zhǔn)的時(shí)間。目前電力系統(tǒng)中未實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)統(tǒng)一授時(shí)，而是各站獨(dú)立設(shè)立時(shí)間同步系統(tǒng)，各自為區(qū)域內(nèi)設(shè)備授時(shí)，各級時(shí)間同步系統(tǒng)的時(shí)間偏差直接造成被授時(shí)設(shè)備的時(shí)間存在偏差。各分站時(shí)鐘未統(tǒng)一進(jìn)行監(jiān)測、管理，出現(xiàn)偏差后無法實(shí)時(shí)感知并告警。特別在電力系統(tǒng)智能變電站中，各類裝置需要時(shí)間同步，以保證各類裝置動(dòng)作順序正確且適應(yīng)電信號以光速運(yùn)行的環(huán)境條件，如果時(shí)間不同步，嚴(yán)重情況下有可能將造成系統(tǒng)癱瘓[1]。

針對以上情況，本文提出了一種新的時(shí)鐘監(jiān)控管理方式，通過對各級時(shí)間同步系統(tǒng)的時(shí)間精確度進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測，對過大的時(shí)間偏差進(jìn)行及時(shí)預(yù)警和排除，確保電力生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 系統(tǒng)組成及應(yīng)用

時(shí)鐘監(jiān)測管理系統(tǒng)由中心站時(shí)鐘管理設(shè)備、分站時(shí)鐘監(jiān)測單元和時(shí)鐘監(jiān)測管理系統(tǒng)軟件組成。

系統(tǒng)主要在中心站部署一套時(shí)鐘管理設(shè)備及時(shí)鐘監(jiān)測管理系統(tǒng)軟件，完成對下轄的各級站點(diǎn)的時(shí)間同步信息進(jìn)行統(tǒng)一的采集、監(jiān)測、管理、統(tǒng)計(jì)、分析及預(yù)警等。各分站分別部署一套時(shí)鐘監(jiān)測單元及分站時(shí)鐘監(jiān)測軟件，完成對本地時(shí)間信號的采集、測量和初步分析；將采集到的本地時(shí)間信號與接收到的中心站基準(zhǔn)時(shí)鐘進(jìn)行比對，同時(shí)將結(jié)果通過SDH通信網(wǎng)絡(luò)上傳至中心站時(shí)鐘管理設(shè)備，再由時(shí)鐘監(jiān)測管理系統(tǒng)軟件完成數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。系統(tǒng)的原理框圖和應(yīng)用框圖如圖1、圖2所示。

系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

圖1 時(shí)鐘監(jiān)測管理系統(tǒng)原理框圖

圖2 時(shí)鐘監(jiān)測管理系統(tǒng)應(yīng)用圖

3 設(shè)備方案

3.1 硬件方案設(shè)計(jì)

時(shí)鐘監(jiān)測單元包括主功能模塊、時(shí)鐘信號采集模塊、電源模塊三部分，其組成框圖如圖3所示。

圖3 設(shè)備組成框圖

設(shè)備各模塊的功能描述如下。

（1）主功能模塊：主功能模塊為設(shè)備的核心單元，包括處理器、存儲(chǔ)和內(nèi)存3個(gè)核心部件，主要完成整體控制、信息交互、任務(wù)調(diào)度等功能。

（2）時(shí)鐘信號采集模塊：主要完成時(shí)間信號的采集。

（3）電源模塊：主要完成設(shè)備所需電源的轉(zhuǎn)換，為設(shè)備內(nèi)部各板卡工作提供所需電壓。

3.1.1 主功能模塊設(shè)計(jì)

主功能模塊為設(shè)備的核心單元，主要功能模塊包括主板、內(nèi)存、存儲(chǔ)。其模塊示意如圖4所示。

圖4 主功能模塊電路板設(shè)計(jì)圖

主功能模塊的主要功能如下。

（1）完成數(shù)據(jù)的處理及傳輸；

（2）完成設(shè)備狀態(tài)收集管理、業(yè)務(wù)配置、告警管理等；

（3）支持異常斷電數(shù)據(jù)安全保護(hù)；

（4）支持BCH ECC糾錯(cuò)能力66bit/1KB；

（5）支持靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗均衡算法。

3.1.2 時(shí)鐘信號采集模塊設(shè)計(jì)

時(shí)鐘信號采集模塊由數(shù)據(jù)處理單元、信號輸出單元、IRIG-B碼輸入單元、脈沖輸入單元、時(shí)間報(bào)文輸入單元和NTP/PTP網(wǎng)絡(luò)輸入單元等組成。時(shí)鐘信號采集模塊組成框圖如圖5、圖6所示。

圖5 時(shí)鐘信號采集單元原理組成框圖

圖6 時(shí)鐘信號采集單元電路板設(shè)計(jì)圖

（1）數(shù)據(jù)處理單元：完成數(shù)據(jù)的處理、GPS/北斗、脈沖和IRIG-B碼同步電路的發(fā)生；

（2）信號接收單元：完成外部中心時(shí)鐘的接收（包括北斗、GPS、IRIG-B碼等）；

（3）信號輸出單元：完成本地?cái)?shù)據(jù)的輸出，輸出的接口類型包括NTP/PTP、IRIG-B碼、RS-422/485接口等。

（4）脈沖輸入單元：完成對脈沖信號的輸入采集。

（5）時(shí)間報(bào)文輸入單元：完成對時(shí)間報(bào)文信號的輸入采集。

（6）NTP/PTP網(wǎng)絡(luò)輸入單元：通過NTP/PTP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議完成對網(wǎng)絡(luò)對時(shí)信號的輸入采集。

（7）IRIG-B碼輸入單元：完成對IRIG-B碼信號的輸入采集。

3.2 軟件方案設(shè)計(jì)

3.2.1 軟件概述

時(shí)鐘監(jiān)測管理系統(tǒng)軟件主要完成對時(shí)鐘檢測設(shè)備的配置管理、狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、告警管理、統(tǒng)計(jì)分析和遠(yuǎn)程升級維護(hù)功能，通過圖形化的方式，直觀的反應(yīng)各分站的時(shí)間同步狀態(tài)、時(shí)鐘監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，方便用戶對時(shí)間偏差過大的站點(diǎn)進(jìn)行故障定位和提前感知預(yù)警，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2.2 軟件組成

時(shí)鐘監(jiān)測管理系統(tǒng)軟件由中心站時(shí)鐘監(jiān)控管理軟件和分站時(shí)鐘監(jiān)測單元軟件組成。中心站時(shí)鐘監(jiān)控管理軟件主要完成對時(shí)間監(jiān)測系統(tǒng)的參數(shù)配置，監(jiān)控各分站的時(shí)間同步狀態(tài)以及監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，存儲(chǔ)各分站點(diǎn)上報(bào)的采集信息，查看告警信息、采集信息統(tǒng)計(jì)分析和遠(yuǎn)程升級維護(hù)功能。分站時(shí)鐘監(jiān)測單元軟件主要完成對本站的參數(shù)配置，采集時(shí)間同步信息和設(shè)備狀態(tài)，并上報(bào)中心站時(shí)鐘監(jiān)控管理軟件。時(shí)鐘監(jiān)測管理系統(tǒng)軟件應(yīng)用框圖如圖7所示。

圖7 時(shí)鐘監(jiān)測軟件應(yīng)用框圖

3.2.3 中心站時(shí)鐘監(jiān)控管理軟件

3.2.3.1 軟件功能

中心站時(shí)鐘監(jiān)控管理軟件主要由配置管理、狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、告警管理、統(tǒng)計(jì)分析、遠(yuǎn)程升級維護(hù)等功能組成。其軟件功能組成圖如圖8所示。

圖8 中心站時(shí)鐘監(jiān)控管理軟件功能組成圖

（1）配置管理：具備對系統(tǒng)中各監(jiān)測設(shè)備的參數(shù)、分站信息、時(shí)間偏差閾值配置功能；

（2）狀態(tài)監(jiān)控：具備各分站時(shí)間同步狀態(tài)、各監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)、時(shí)間偏差告警的監(jiān)控功能；

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：具備對各分站采集上報(bào)的信息進(jìn)行匯聚，并打標(biāo)分類儲(chǔ)存，以便用戶能快速查詢、統(tǒng)計(jì)關(guān)注的信息；

（4）告警管理：具備查詢、導(dǎo)出、刪除歷史告警信息，查看當(dāng)前告警信息功能。

（5）統(tǒng)計(jì)分析：具備通過時(shí)間段、設(shè)備類型、站點(diǎn)名稱、統(tǒng)計(jì)類型等條件，統(tǒng)計(jì)出監(jiān)測設(shè)備的歷史告警次數(shù)、時(shí)差最大值、最小值等信息，并提供導(dǎo)出功能；

（6）遠(yuǎn)程升級維護(hù)：具備監(jiān)控各分站時(shí)鐘監(jiān)測單元軟件版本、設(shè)備狀態(tài)，遠(yuǎn)程更新分站時(shí)鐘監(jiān)測單元程序的功能。

3.2.3.2 業(yè)務(wù)流程（如圖9所示）

圖9 中心站時(shí)鐘監(jiān)控管理軟件業(yè)務(wù)流程

（1）配置系統(tǒng)參數(shù)信息（各分站名稱、監(jiān)測設(shè)備IP、時(shí)間偏差閾值等信息）；

（2）啟動(dòng)監(jiān)控模式，中心站管理軟件向各分站時(shí)鐘監(jiān)測單元軟件發(fā)送監(jiān)控指令；

（3）接收各分站的上報(bào)的信息，并分類打標(biāo)存儲(chǔ)，對接收到信息進(jìn)行分析處理，在界面視圖上，呈現(xiàn)各分站的時(shí)間同步狀態(tài)、設(shè)備參數(shù)、告警等信息；

（4）用戶可以根據(jù)需要，查看歷史狀態(tài)信息或者統(tǒng)計(jì)歷史采集信息；

（5）如果分站時(shí)鐘監(jiān)測單元軟件版本有更新，可以通過遠(yuǎn)程升級維護(hù)功能進(jìn)行遠(yuǎn)程更新。

3.2.4 分站時(shí)鐘監(jiān)測單元軟件

3.2.4.1 軟件功能

分站時(shí)鐘監(jiān)測單元軟件主要由配置管理、數(shù)據(jù)采集功能組成。其功能組成圖如圖10所示。

圖10 分站時(shí)鐘監(jiān)測管理軟件功能組成

（1）配置管理：具備本站的系統(tǒng)參數(shù)信息；

（2）數(shù)據(jù)采集：采集本站監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)、參數(shù)、本地時(shí)鐘、中心時(shí)鐘，分析計(jì)算時(shí)間偏差值，將判斷結(jié)果和設(shè)備參數(shù)上報(bào)中心站時(shí)鐘監(jiān)控管理軟件；

（3）遠(yuǎn)程升級維護(hù)：具備遠(yuǎn)程下載更新分站時(shí)鐘監(jiān)測管理軟件功能。

3.2.4.2 業(yè)務(wù)流程（如圖11所示）

（1）配置系統(tǒng)參數(shù)信息（監(jiān)聽端口、監(jiān)測設(shè)備IP、中心站IP地址等信息）；

圖11 分站時(shí)鐘監(jiān)測單元軟件業(yè)務(wù)流程

（2）啟動(dòng)接收站點(diǎn)指令線程，當(dāng)收到中心站監(jiān)控指令，啟動(dòng)采集本站數(shù)據(jù)線程，當(dāng)收到中心站停止指令，停止采集本站數(shù)據(jù)線程狀態(tài)復(fù)位；

（3）分析處理采集信息，將本地時(shí)鐘與中心時(shí)鐘進(jìn)行比對，判斷偏差值是否大于閾值，將判斷結(jié)果和設(shè)備參數(shù)上報(bào)中心站時(shí)鐘監(jiān)控軟件。

4 結(jié)束語

本文提出的新型時(shí)鐘監(jiān)測管理系統(tǒng)，一是解決了對各級時(shí)間同步系統(tǒng)的時(shí)間精確度進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測，對過大的時(shí)間偏差進(jìn)行及時(shí)預(yù)警和排除，確保了電力生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行，得到了有效的保障措施。二是解決了系統(tǒng)中各分變電站的授時(shí)時(shí)間（精度）與主變電站的本地基準(zhǔn)時(shí)間之間的偏差，對主站與從站間的漂移（頻偏）時(shí)間進(jìn)行校正并保持精密同步，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的時(shí)間同步精度，實(shí)現(xiàn)全電網(wǎng)時(shí)間統(tǒng)一。