李 澄，陳 顥，寧 艷

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102)

隨著網(wǎng)絡(luò)和裝機容量的日益擴大，電力系統(tǒng)運行方式日趨復(fù)雜，系統(tǒng)內(nèi)線路或主變發(fā)生故障時，將引起系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)的主設(shè)備保護、后備保護或相鄰保護等多個保護的相繼動作跳閘。為了分析整個事故的發(fā)生及演變過程，自動化系統(tǒng)記錄的事件時標起著關(guān)鍵作用，為此各變電站內(nèi)系統(tǒng)二次設(shè)備時間同步的正確性非常重要[1，2]。變電站中通過配置時鐘同步系統(tǒng)來保證事件時標的正確性。另外，為了監(jiān)視時鐘同步系統(tǒng)的運行情況，江蘇電網(wǎng)還建立了時鐘設(shè)備時間同步監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，對時間同步系統(tǒng)的運行狀況實時監(jiān)測[3]。目前對變電站大量的二次設(shè)備對時狀態(tài)還沒有有效的監(jiān)視手段，只能到現(xiàn)場檢查二次設(shè)備的時間同步情況。

由于技術(shù)發(fā)展和設(shè)備更新的原因，變電站現(xiàn)存的二次設(shè)備種類復(fù)雜，型號繁多，對時間同步監(jiān)測主要存在的問題有：（1）傳統(tǒng)以及智能站二次設(shè)備都未設(shè)計時間同步狀態(tài)監(jiān)視功能和接口，必須找到不修改現(xiàn)有設(shè)備，實現(xiàn)同步監(jiān)視的方法。（2）各種二次設(shè)備的通信接口、規(guī)約不同。同步監(jiān)視獲得二次設(shè)備裝置的時間數(shù)據(jù)，必須通過通信接口，通信接口、規(guī)約不同阻礙了同步監(jiān)視的實現(xiàn)。（3）時間真實性問題。二次設(shè)備有很多是多處理器/板結(jié)構(gòu)的，裝置內(nèi)部同樣有時間同步系統(tǒng)，簡單監(jiān)視裝置時間并不真實反映事件時標時間的同步狀態(tài)。為了實現(xiàn)有效、可行二次設(shè)備時間同步狀態(tài)在線監(jiān)測，根據(jù)不同的二次設(shè)備對象，設(shè)計了分別適用于常規(guī)變電站和智能變電站的站內(nèi)二次設(shè)備時間同步監(jiān)測方案，然后各變電站以統(tǒng)一的接口接入時間同步監(jiān)測系統(tǒng)。

1 常規(guī)變電站監(jiān)測方案

目前，常規(guī)變電站大多采用基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)103協(xié)議完成二次設(shè)備與主站間的通信，早期的設(shè)備采用基于485的103協(xié)議或基于以太網(wǎng)的其他協(xié)議，為了能適應(yīng)所有現(xiàn)場的情況，對常規(guī)變電站二次設(shè)備時間同步的監(jiān)測設(shè)計了2種方案：二次設(shè)備定時模擬事件方案和開關(guān)量遙信方案。

1.1 二次設(shè)備定時模擬事件方案

該方案基于網(wǎng)絡(luò)103協(xié)議，利用該協(xié)議的UDP組播信號量、事件信息的發(fā)布功能，通過定時發(fā)送帶時標事件報文來實現(xiàn)二次設(shè)備的時間同步狀態(tài)檢測，其具體過程如下：

（1）同步監(jiān)測裝置加入二次設(shè)備的廣播組；

（2）受監(jiān)測的二次設(shè)備按照固定的間隔模擬信號變位，每間隔連續(xù)發(fā)送3次具有時標的特定開關(guān)量報文；

（3）同步監(jiān)測裝置以收到特定事件報文內(nèi)的時標作為基準時間T1，以接收到報文的時間作為報文的精確時間T0；

（4）同步監(jiān)測裝置將T0和T1發(fā)送到監(jiān)視后臺。監(jiān)視后臺通過比較T0和T1的差值來判斷二次設(shè)備的時間準確性。

由于報文傳輸需要時間，當裝置已同步時，該方案并不能確保T0和T1的差值為0，經(jīng)過實際設(shè)備試驗及統(tǒng)計，報文傳輸時間通常小于0.15 ms，偶爾T0和T1的差值會大于8 ms，由于二次設(shè)備事件時標精度要求通常為1 ms，為此監(jiān)測后臺采用統(tǒng)計方法，過濾由于傳輸延遲導(dǎo)致誤差較大的數(shù)據(jù)點，綜合分析后才判定二次設(shè)備事件同步的狀態(tài)。

該方案只需在變電站增加同步監(jiān)測裝置，無需增加額外的物理接線和網(wǎng)絡(luò)，也不改動現(xiàn)有的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，工程實施簡單，工作量小且能夠滿足絕大部分設(shè)備的監(jiān)測要求，用戶較容易接受。

由于該方案需要對二次設(shè)備軟件進行小的修改，對已投運的變電站實現(xiàn)同步監(jiān)測存在一定困難，為此該方案適合新建常規(guī)變電站時使用。

1.2 開關(guān)量遙信方案

為滿足變電站改造要求以及對高精度要求設(shè)備的時間同步監(jiān)測，設(shè)計了開關(guān)量遙信方案，如圖1所示。具體過程如下：

（1）同步監(jiān)測裝置與二次設(shè)備均獨立與時間同步系統(tǒng)時鐘對時；

（2）同步監(jiān)測裝置在規(guī)定時刻T0通過硬接線向二次設(shè)備發(fā)送對時監(jiān)測脈沖信號；

（3）二次設(shè)備受監(jiān)測脈沖觸發(fā)生成帶時標的事件，該事件包含二次設(shè)備時間T1；

（4）監(jiān)測裝置通過通訊接口監(jiān)測二次設(shè)備通訊報文，解析帶時標的事件報文提取二次設(shè)備時間T1；

（5）根據(jù)T0和T1的差值，監(jiān)視后臺進行統(tǒng)計和分析。

圖1 常規(guī)變電站開關(guān)量遙信方案

該方案采用實際遙信量觸發(fā)事件，得到精確時標，可以滿足高精度同步監(jiān)測的要求。另外實施時不需要改動已投運設(shè)備的功能，通過485/以太網(wǎng)絡(luò)UDP偵聽特定報文即能實現(xiàn)同步監(jiān)測，該方案適合于已投運變電站的改造，缺點是改造工作量較大，相同較復(fù)雜。

2 智能變電站監(jiān)測方案

目前智能變電站正逐漸成為主流，智能站全站采用IEC 61850標準，過程層數(shù)據(jù)以GOOSE報文形式通過交換機網(wǎng)絡(luò)傳輸[4-6]。因此，利用智能站過程層網(wǎng)絡(luò)的便利條件，用傳統(tǒng)變電站模擬事件方案的方法設(shè)計了智能站二次設(shè)備時間同步監(jiān)測方案，如圖2所示。

（1）同步監(jiān)測裝置接入過程層網(wǎng)絡(luò)；

（2）二次設(shè)備定時發(fā)送帶時標的GOOSE報文；

（3）監(jiān)測裝置接收GOOSE報文并進行解析，以收到GOOSE報文的時間作為基準時間T0，以報文中數(shù)據(jù)集中指定字段的時標為二次設(shè)備時間T1；

（4）根據(jù)T0和T1的差值，監(jiān)視后臺進行統(tǒng)計和分析。

圖2 智能變電站二次設(shè)備定時模擬事件方案

IEC 61850標準中要求GOOSE的處理傳輸時間小于4 ms，為此T0和T1的時差理論上小于4 ms（實測GOOSE處理傳輸時間一般小于2 ms），為此，在智能變電站中采用該方法實現(xiàn)時間同步監(jiān)測性能較傳統(tǒng)站更有保證；另外，GOOSE是智能變電站的基本功能，實現(xiàn)同步監(jiān)測一般不需要修改二次設(shè)備的軟件，僅需修改配置即可。

3 同步監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

同步監(jiān)測系統(tǒng)由分布在各變電站的同步監(jiān)測裝置和監(jiān)視后臺組成。

同步監(jiān)測裝置負責(zé)站內(nèi)二次設(shè)備時間同步監(jiān)視，屏蔽每個站具體的同步監(jiān)視實現(xiàn)方案，以統(tǒng)一的通信規(guī)約與監(jiān)視后臺通信；另外，同步監(jiān)測裝置還完成站內(nèi)時鐘設(shè)備時間同步的監(jiān)測。

監(jiān)視后臺系統(tǒng)完成所有二次設(shè)備同步狀態(tài)的分析和判斷以及各變電站時鐘設(shè)備時間同步的監(jiān)測。

3.1 同步監(jiān)測裝置

同步監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其主要功能如下：

（1）與站內(nèi)時間同步系統(tǒng)接口。同步監(jiān)測裝置需要監(jiān)視站內(nèi)時間同步系統(tǒng)的狀態(tài)，也需要用標準時間打硬件時標，從而與二次設(shè)備時間進行比較。

（2）偵聽UDP/GOOSE，捕獲二次設(shè)備響應(yīng)的帶時標的事件報文、以及GOOSE報文，由硬件記錄所接收報文的時標，保證時間監(jiān)測盡可能的精確。這個以太網(wǎng)接口不實現(xiàn)TCP/IP棧，僅接收而不發(fā)送報文，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的安全性不會受影響。

（3）偵聽485線路報文，實現(xiàn)早期設(shè)備的串口103報文的幀聽，用于傳統(tǒng)站開關(guān)量遙信方案。

（4）準確時刻開出信號輸出。利用光耦以及固態(tài)繼電器（根據(jù)二次設(shè)備物理接口而定）在精確時刻發(fā)送同步測試脈沖，為保證輸出精確性，每組輸出還可補償線路延遲。

（5）與二次設(shè)備時間同步監(jiān)測后臺接口。此網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)TCP/IP棧，但不與UDP/GOOSE偵聽口有軟件/硬件上的關(guān)聯(lián)，保證跨站內(nèi)/站外網(wǎng)絡(luò)的隔離。

圖3 同步監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)

3.2 同步監(jiān)視后臺

監(jiān)視后臺可以在變電站、地調(diào)和省調(diào)分級部署，實現(xiàn)對配置的站內(nèi)GPS時鐘的時間同步狀態(tài)和站內(nèi)二次設(shè)備對時狀態(tài)進行檢測，并對歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析，繪制數(shù)據(jù)曲線圖。

監(jiān)視后臺與監(jiān)測裝置之間采用TCP/IP的通信方式，通信規(guī)約為自定義格式。其中監(jiān)視后臺作為客戶端，監(jiān)測裝置作為服務(wù)端，兩者采取長連接的通信方式。

監(jiān)視后臺根據(jù)監(jiān)測裝置上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)與基準時間源的偏差值，顯示二次設(shè)備對時狀態(tài)的有效性，并可以按照指定的時間段、監(jiān)測設(shè)備和二次設(shè)備分別或組合查詢。同時，還可以根據(jù)二次設(shè)備的型號等參數(shù)，從各角度對二次設(shè)備的對時精度進行分析并繪制相應(yīng)的曲線圖。

監(jiān)視后臺接收到監(jiān)測裝置上傳的二次設(shè)備時間T1和基準時間T0并進行差值計算，若連續(xù)n（n≥3）個差值超過設(shè)定值時，則判定此二次設(shè)備的對時狀態(tài)有誤，并給出告警信息。某二次設(shè)備的對時精度曲線如圖4所示。從圖中可以看出，有2點的時間偏差值較大。但是由于這2點并沒有連續(xù)出現(xiàn)，因此可以判斷，該二次設(shè)備對時狀態(tài)正常。

4 結(jié)束語

圖4 二次設(shè)備對時精度曲線

目前，變電站二次設(shè)備時間同步狀態(tài)尚未實現(xiàn)在線監(jiān)測功能。本文根據(jù)常規(guī)變電站和智能變電站的不同特點分別給出了各自的二次設(shè)備時間同步狀態(tài)的在線監(jiān)測方案及具體的實施過程。還介紹了方案中同步監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，包括同步監(jiān)測裝置和監(jiān)視后臺的結(jié)構(gòu)、原理及具體功能。

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