智能時間監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究及應(yīng)用

摘 要：基于新型電力系統(tǒng)多能量流和信息流現(xiàn)狀對時間準(zhǔn)確度和同步性需求提高的背景，針對目前存在錯誤時間的情況，提出能準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)、預(yù)警、定位和糾正同步時間的方案，從而全面提升時間同步的支撐能力和保障水平，以支撐能源互聯(lián)網(wǎng)、交能融合、智慧城市建設(shè)。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；時間監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)；時間同步狀態(tài)

中圖分類號：TM734" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）18-0043-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.18.011

0" " 引言

電力系統(tǒng)是時間相關(guān)系統(tǒng)，無論電壓、電流變化還是功角變化，都是基于時間軸的波形。時間同步的準(zhǔn)確性是保障電力系統(tǒng)運(yùn)行控制和故障分析的重要條件[1-3]，其核心功能是為暫態(tài)、動態(tài)、穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)采集和電網(wǎng)故障分析提供時間同步服務(wù)。

對于電網(wǎng)系統(tǒng)的變電站，目前普遍采用了全球定位系統(tǒng)（GPS）和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為雙基準(zhǔn)時間（北斗為主）。在各電壓等級的變電站配置全站統(tǒng)一的時鐘，為監(jiān)控服務(wù)器、保護(hù)/測控裝置、故障錄波裝置、同步相量測量裝置、故障測距裝置和電氣設(shè)備在線監(jiān)測裝置等設(shè)備提供統(tǒng)一對時信號[4-6]。

在時間同步和準(zhǔn)確性方面，文獻(xiàn)[7]分析了電力系統(tǒng)時鐘同步系統(tǒng)組成、同步的方式，針對應(yīng)用需求，分別對主站、子站系統(tǒng)提出了電力系統(tǒng)時間同步典型配置方案。

為了確保變電站統(tǒng)一對時精度，文獻(xiàn)[8]開展了時間同步監(jiān)測技術(shù)的研究，初步實(shí)現(xiàn)了時間同步閉環(huán)的管理，為監(jiān)測電力設(shè)備時間同步精度的研究提供了技術(shù)手段和工作平臺。但同步監(jiān)測精度不高，且不能實(shí)現(xiàn)智能實(shí)時監(jiān)測和預(yù)警。

因此，研究智能實(shí)時監(jiān)測和預(yù)警，對提高電力設(shè)備時間同步度和監(jiān)測準(zhǔn)確度，準(zhǔn)確定位錯誤時間點(diǎn)，提升電力設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性，具有重要的實(shí)際意義。

1" " 系統(tǒng)架構(gòu)方案

本研究基于目前某地電網(wǎng)的情況，提出基于遠(yuǎn)程監(jiān)測的時間在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。

遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)分調(diào)度端監(jiān)測和變電站監(jiān)測技術(shù)，調(diào)度端監(jiān)測技術(shù)中監(jiān)測設(shè)備安裝于調(diào)度主站，變電站被測時間信號遠(yuǎn)程傳送至調(diào)度主站，由調(diào)度主站的監(jiān)測設(shè)備完成時間信號的偏差比較；變電站監(jiān)測技術(shù)中監(jiān)測設(shè)備安裝于變電站，調(diào)度主站的參照信號遠(yuǎn)程傳送至變電站，由變電站完成兩者的偏差比較。

遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢在于在調(diào)度主站或變電站安裝級別最高的參考時鐘，測量基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度可以做到最高，對時間監(jiān)測精確度的判斷也能更準(zhǔn)確。時間信號從變電站至調(diào)度主站的傳送過程中，需盡量減少各環(huán)節(jié)引入的時間差，同時需根據(jù)測試修正相關(guān)的誤差定量。

1.1" "實(shí)時監(jiān)測

時間監(jiān)測裝置能在站端配置時間，測量精度高，能夠?qū)崟r監(jiān)測時鐘設(shè)備（含主時鐘和從時鐘）、被授時設(shè)備，并根據(jù)應(yīng)用場合選擇合適的時間基準(zhǔn)信號、測量接口、輸出接口等，對電力設(shè)備信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，實(shí)時監(jiān)測的信息包含電力設(shè)備臺賬信息、時間偏差、時間監(jiān)測狀態(tài)等。

1.2" "誤差分析

時間監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)κ跁r設(shè)備（含主、從時鐘）進(jìn)行誤差分析，包括授時設(shè)備自身對時故障引起的誤差，授時回路時間延遲以及時間偏差修正引起的誤差。

1.3" "智能預(yù)警

智能時間監(jiān)測系統(tǒng)通過對授時設(shè)備的時間監(jiān)測，在時間偏差量超過告警閾值的情況下，發(fā)送告警信號至監(jiān)控后臺，并且時間監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時存儲了授時裝置的時間信息，因此能夠?qū)r間偏差的波動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提前判斷即將發(fā)生的對時故障情況，實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警功能。

2" " 關(guān)鍵技術(shù)

目前變電站同步時鐘裝置采用冗余配置，一般配置兩套主時鐘對時裝置，主時鐘源為北斗、GPS，主時鐘與從時鐘（被授時裝置）對時的時間同步基本原理如圖2所示。

如圖2所示，主時鐘在t1時刻向從時鐘發(fā)送sync同步報文，從時鐘t2時刻接收到sync報文，從報文中獲取t1，從時鐘在t3時刻向主時鐘發(fā)送報文Delay_Req延遲請求報文，主時鐘在t4時刻接收到報文，通過t1、t2、t3、t4可計算出平均路徑延遲Delay如式（1）所示：

考慮主、從時鐘間存在時間偏差Offset，可知：

因此，時間偏差Offset為：

通過所得出的平均路徑延遲Delay和主、從時鐘的時間偏差Offset，即可修正主、從時鐘并進(jìn)行時鐘同步。但該方式考慮的是網(wǎng)絡(luò)鏈路對稱的情況，即往返過程的延遲相等，一旦鏈路不對稱，將無法通過該方式消除偏差。

變電站時鐘監(jiān)測技術(shù)通過我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獲取精度更高的時間信號作為參考時鐘信號，同時在相同時刻獲取所監(jiān)測時鐘信號進(jìn)行比對，獲得偏差值，時鐘偏差值為時間監(jiān)測裝置的參考時鐘信號A與所監(jiān)測時鐘信號B的差值的絕對值，通過設(shè)定閾值確定是否需要發(fā)出告警信號，如不超過閾值，則該時刻的時間偏差在允許范圍內(nèi)，存儲時間信息；當(dāng)偏差值超過閾值時，時間監(jiān)測裝置向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送報警信息，提醒運(yùn)維人員及時處理，排除故障。具體的流程圖如圖3所示。

變電站時間監(jiān)測裝置還能通過數(shù)據(jù)網(wǎng)接收到調(diào)度端時鐘信號，實(shí)時監(jiān)測變電站與調(diào)度端的絕對時間誤差，確保變電站與調(diào)度端時鐘間不產(chǎn)生較大的時間偏差。調(diào)度端配置時間監(jiān)測裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)各變電站時間監(jiān)測信號的采集和展示，必要時還能下發(fā)修正時間參數(shù)來調(diào)整變電站的時鐘信息，糾正部分變電站可能存在的“錯誤”時間或補(bǔ)償調(diào)度端至變電站的通信鏈路的時間延遲。

3" " 工程應(yīng)用

目前湖南某220 kV智慧能源站實(shí)現(xiàn)了時間監(jiān)測裝置的應(yīng)用，220 kV智慧能源站內(nèi)配置有兩套支持北斗和GPS對時的主、從時鐘以及一套時間監(jiān)測裝置，兩套主、從時鐘分別組屏，時間監(jiān)測裝置組屏于第一套主、從時鐘屏柜內(nèi)；主、從時鐘輸出模塊能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)的1PPH/1PPM/1PPS、串行口信號、IRIG-B碼信號以及網(wǎng)絡(luò)報文信號。時間監(jiān)測裝置通過獨(dú)立天線獲取北斗衛(wèi)星時間信號，且支持1PPS/IRIG-B信號的輸入。時間監(jiān)測裝置通過IRIG-B端口獲取主、從時鐘的時間信號，一旦授時裝置時間偏差超過閾值，則時間監(jiān)測裝置將告警信息上傳至監(jiān)控系統(tǒng)，提醒運(yùn)維人員及時處理；時間監(jiān)測裝置能夠以一定的采樣頻率對時間監(jiān)測偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲以及可視化展示。通過圖4和圖5可知，設(shè)備時間偏差均小于400 ns，時間監(jiān)測裝置監(jiān)測精度均優(yōu)于0.1 ms。

4" " 結(jié)束語

本文通過對電力系統(tǒng)中時鐘同步的研究，提出了一種智能時間監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)時監(jiān)測電力設(shè)備的時間，提高電力設(shè)備時間同步度和監(jiān)測準(zhǔn)確度，準(zhǔn)確定位錯誤時間點(diǎn)，對提升電力設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性具有重要意義。該系統(tǒng)在智慧變電站中得到了應(yīng)用。

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收稿日期：2023-05-31

作者簡介：李容嵩（1973—），男，湖南長沙人，正高級工程師，從事電力管理工作。