孟恒信，馬振國(guó)

（山西電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

智能化變電站對(duì)時(shí)鐘同步的依賴程度不同于常規(guī)變電站，常規(guī)變電站電流電壓信號(hào)采集于常規(guī)電磁電流電壓互感器，是電模擬信號(hào)，信號(hào)的數(shù)字化變換都是由保護(hù)或測(cè)量設(shè)備自己完成的，各信號(hào)之間的同步是設(shè)備自身保證的，傳送給設(shè)備的同步時(shí)鐘源只起到變電站所有設(shè)備時(shí)鐘統(tǒng)一便于事故分析的作用。智能變電站電流電壓信號(hào)采集及數(shù)字化轉(zhuǎn)換是在電子互感器或合并單元分散完成的。若采用電子互感器，合并單元需要對(duì)各相電子互感器采集卡來的電流電壓信號(hào)進(jìn)行同步；若采用常規(guī)互感器，由合并單元完成信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換，合并單元需要對(duì)來自不同合并單元的信號(hào)進(jìn)行同步，一旦信號(hào)失去同步，就不能保證各信號(hào)在同一時(shí)刻采樣，使采樣信號(hào)之間產(chǎn)生相位差，從而影響智能設(shè)備測(cè)量精度，造成保護(hù)設(shè)備的誤動(dòng)或拒動(dòng)。因此，智能變電站信號(hào)的同步技術(shù)顯得尤為重要。

1 智能變電站需要同步的信號(hào)種類

電力系統(tǒng)的絕大多數(shù)參數(shù)都是時(shí)間的函數(shù)，需要與事件發(fā)生的時(shí)刻同步采集，保證各信號(hào)之間的相對(duì)時(shí)間關(guān)系，各信號(hào)之間失去同步將無(wú)法工作。就目前國(guó)內(nèi)智能變電站技術(shù)現(xiàn)狀而言，對(duì)信號(hào)同步有嚴(yán)格要求的設(shè)備主要集中在間隔層和過程層，它們主要包括合并單元，變壓器保護(hù)、母線保護(hù)、線路保護(hù)等。對(duì)于合并單元，它需要對(duì)來自不同相別電子互感器的電流電壓信號(hào)進(jìn)行同步；對(duì)于跨間隔母線和變壓器保護(hù)、測(cè)控設(shè)備需要對(duì)來自不同間隔合并單元電流電壓信號(hào)進(jìn)行同步；線路電流縱差保護(hù)既需要對(duì)本端的電流電壓信號(hào)進(jìn)行同步，同時(shí)還需要與對(duì)端的電流電壓的信號(hào)進(jìn)行同步。另外，在整個(gè)信息傳輸過程中各智能設(shè)備的面向通用對(duì)象的變電站事件GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event）控制指令還必須與相關(guān)的電流電壓信號(hào)保持同步等。

2 信號(hào)同步方法

2.1 合并單元電流電壓信號(hào)同步

當(dāng)合并單元從電子互感器采集卡采集IEC 60044-8格式的電流電壓信號(hào)時(shí)，合并單元依靠?jī)?nèi)部時(shí)鐘源控制各電子互感器同步采集，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的同步；當(dāng)合并單元從常規(guī)互感器采集模擬電流電壓信號(hào)時(shí)，信號(hào)采集卡在合并單元內(nèi)部，同樣依靠?jī)?nèi)部時(shí)鐘源控制，實(shí)現(xiàn)各信號(hào)之間的同步采集。

分析上述這兩種情況可以看出，只要合并單元內(nèi)部時(shí)鐘源走時(shí)穩(wěn)定，不是時(shí)快時(shí)慢，同步采集信號(hào)之間就不會(huì)產(chǎn)生相角測(cè)量誤差，也不會(huì)失去同步，其主要原因是它們由一個(gè)時(shí)鐘源控制。在實(shí)際工程中，合并單元不僅僅只有上述兩種情況，常會(huì)出現(xiàn)既有本單元直接從采集卡采集的電流電壓信號(hào)，還有從另一個(gè)合并單元來的信號(hào)，如線路合并單元需要引入母線合并單元的電壓信號(hào)等，此時(shí)兩個(gè)合并單元之間必須實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步或數(shù)據(jù)同步。

對(duì)于時(shí)鐘同步，一般是采用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源通過串行時(shí)間碼 IRIG-B（Inter Range Instrumentation Group）或IEEE-1588網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)制合并單元的內(nèi)部時(shí)鐘與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘一致，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的同步采集，它的同步精度及穩(wěn)定性取決于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源精度和穩(wěn)定性，對(duì)時(shí)鐘源要求較高。對(duì)于數(shù)據(jù)同步則可以采用插值再采樣同步技術(shù)[1]，實(shí)現(xiàn)電流電壓信號(hào)之間的同步，當(dāng)選擇了合理的插值算法后，信號(hào)的同步精度及穩(wěn)定性取決于軟件設(shè)計(jì)的合理性及合并單元的時(shí)鐘穩(wěn)定性，對(duì)時(shí)鐘源的要求較低，但數(shù)據(jù)同步對(duì)信號(hào)的傳輸延時(shí)穩(wěn)定性要求較高，需采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直連的通訊方式，盡可能地不采用網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)椴捎镁W(wǎng)絡(luò)時(shí)信號(hào)傳輸延時(shí)不固定，信號(hào)同步誤差較大。

2.2 保護(hù)和測(cè)控設(shè)備電流電壓信號(hào)同步

對(duì)于單間隔保護(hù)及測(cè)控設(shè)備，如線路保護(hù)及測(cè)控，如果保護(hù)或測(cè)控的電流電壓信號(hào)來自一個(gè)合并單元，它們的各電流、電壓采集信號(hào)之間不需要再進(jìn)行同步處理，因?yàn)樵诤喜卧呀?jīng)實(shí)現(xiàn)。如果電流電壓信號(hào)來自不同的合并單元，則仍需要進(jìn)行再同步處理，處理方法一般采用插值再采樣同步技術(shù)?？玳g隔母線和變壓器保護(hù)及測(cè)控設(shè)備的電流電壓信號(hào)一般不會(huì)來自一個(gè)合并單元，信號(hào)之間仍需要同步，同步方法一般也是采用插值再采樣同步。當(dāng)然，不同的設(shè)備生產(chǎn)廠家同步方法可能存在差異，但基本上都是將數(shù)據(jù)同步作為主要同步手段，時(shí)鐘同步只作為一種輔助同步手段，以保證時(shí)鐘源不可靠時(shí)保護(hù)不誤動(dòng)。

2.3 不同合并單元信號(hào)轉(zhuǎn)換延時(shí)校正

由于不同間隔合并單元轉(zhuǎn)換電流電壓的轉(zhuǎn)換延時(shí)不一致，有的合并單元將電流電壓轉(zhuǎn)換成IEC61850-9-2信號(hào)時(shí)的轉(zhuǎn)換延時(shí)可能是1 000 μs，有的則可能是1 500 μs，那么不同轉(zhuǎn)換延時(shí)的信號(hào)到達(dá)合并單元或保護(hù)時(shí)，勢(shì)必會(huì)再次出現(xiàn)不同步現(xiàn)象。如某間隔的電流需要同母線電壓間隔的合并單元合并，需要在電流合并單元內(nèi)將電壓合并單元來的電壓進(jìn)行校正，使之與本合并單元的電流同步。又如跨間隔母線差動(dòng)和變壓器差動(dòng)保護(hù)需要從不同間隔合并單元采集電流信號(hào)進(jìn)行校正。

目前，合并單元及保護(hù)的校正方法基本相同，都是利用采樣值SV（Sampled Value） 數(shù)據(jù)集中所帶的通道延時(shí)來識(shí)別，并加以校正。每一個(gè)合并單元在設(shè)計(jì)制造成產(chǎn)品后，它的數(shù)據(jù)采集方法、采集延時(shí)已經(jīng)固定，將實(shí)測(cè)的該類型合并單元轉(zhuǎn)換延時(shí)填入SV數(shù)據(jù)集中的采集延時(shí)通道，保護(hù)或合并單元識(shí)別到這一延時(shí)信息后，將相關(guān)通道信號(hào)進(jìn)行滯后或超前處理，即1 000 μs延時(shí)信號(hào)滯后處理500μs或1 500 μs延時(shí)信號(hào)超前處理500 μs，實(shí)現(xiàn)相關(guān)信號(hào)的同步。對(duì)于對(duì)端為常規(guī)保護(hù)的線路電流縱差保護(hù)，本端差動(dòng)保護(hù)須對(duì)信號(hào)進(jìn)行超前處理，處理后的信號(hào)與常規(guī)變電站保持一致，再通過與常規(guī)變電站保護(hù)一樣的方法實(shí)現(xiàn)兩側(cè)信號(hào)的同步。

2.4 GOOSE 控制及狀態(tài)信號(hào)與相關(guān)SV信號(hào)同步

GOOSE信號(hào)分為狀態(tài)信號(hào)和控制信號(hào)，對(duì)于狀態(tài)信號(hào)，一般情況下是通過智能終端送上來的開關(guān)、刀閘位置信號(hào)及反映其他設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的指示信號(hào)，控制信號(hào)一般是保護(hù)或測(cè)控等裝置送下去的跳閘或操作指令，它們之間以及與相關(guān)SV信號(hào)之間也必須實(shí)現(xiàn)同步，但對(duì)同步的要求不同于合并單元和保護(hù)、測(cè)控設(shè)備對(duì)SV信號(hào)之間的同步要求，SV信號(hào)之間的同步要求是μs級(jí)的，誤差100 μs將產(chǎn)生1.8°相角差，將對(duì)保護(hù)或測(cè)控的測(cè)量產(chǎn)生誤差，影響其動(dòng)作行為，嚴(yán)重時(shí)可能造成電網(wǎng)事故。GOOSE信號(hào)之間以及它們與相關(guān)SV信號(hào)之間的同步要求可以是ms級(jí)的，它的同步誤差僅影響保護(hù)測(cè)控等設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間，一般不會(huì)造成電網(wǎng)事故。因此，GOOSE信號(hào)之間以及它們與相關(guān)SV信號(hào)之間的同步可以通過標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源實(shí)現(xiàn)同步，對(duì)時(shí)鐘源的要求相對(duì)較低，短時(shí)時(shí)鐘源消失可通過智能設(shè)備自守時(shí)功能得以保證。

3 信號(hào)同步技術(shù)

3.1 基于外部源的IRIG-B碼硬接線時(shí)鐘同步

變電站設(shè)置統(tǒng)一的GPS或北斗標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源輸出精確的秒脈沖給各需要同步的智能設(shè)備，各智能設(shè)備收到秒脈沖后將自身的時(shí)鐘強(qiáng)制與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源同步，在1 s內(nèi)各智能設(shè)備按自身的晶振守時(shí)功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的同步采集，在1 s內(nèi)使用高精度、高穩(wěn)定度的晶振，信號(hào)誤差是很小的。

3.2 基于IEEE 1588的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步

IEEE 1588[3]是用于測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)中的高精度網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步協(xié)議，能夠達(dá)到ns級(jí)同步精度。協(xié)議定義的各種類型同步報(bào)文均是基于用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議和網(wǎng)際協(xié)議UDP/IP（User Datagram Protocol/Internet Protocol）發(fā)送的，尤其適合于在以太網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)。IEEE 1588系統(tǒng)包括多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)1588時(shí)鐘，時(shí)鐘之間通過網(wǎng)絡(luò)相連，并由網(wǎng)絡(luò)中最準(zhǔn)確的時(shí)鐘基于報(bào)文傳輸?shù)姆绞酵剿衅渌麜r(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)各智能設(shè)備時(shí)鐘同步。

3.3 基于插值算法的數(shù)據(jù)同步

由于利用時(shí)鐘同步技術(shù)完成各電流電壓信號(hào)之間的同步，對(duì)時(shí)鐘源的要求太高，一旦時(shí)鐘源不穩(wěn)定，將有可能引起保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)或拒動(dòng)，造成電網(wǎng)事故，這是不允許的。因此，在保護(hù)設(shè)備和合并單元的數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)多采用了插值算法，實(shí)現(xiàn)各相關(guān)信號(hào)的數(shù)據(jù)同步，確保在時(shí)鐘源不穩(wěn)定時(shí)保護(hù)動(dòng)作行為正確。

插值算法的基本原理就是利用已采集到的不一定同步的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過函數(shù)在有限點(diǎn)處的取值狀況估算出該函數(shù)在同步點(diǎn)值的一種數(shù)據(jù)同步方法。如圖1所示，假定f（X1）和f（X2）為需要進(jìn)行數(shù)據(jù)同步的2個(gè)函數(shù)（信號(hào)），X11、X12、X13為函數(shù)f（X1）鄰近的3個(gè)采樣點(diǎn)，X21、X22、X23為函數(shù)f（X2）臨近的3個(gè)采樣點(diǎn)，插值算法就是利用鄰近的采樣點(diǎn)，通過線性Lagrange[2、4]（或其他方法）方法估算出t時(shí)刻兩個(gè)函數(shù)的值（采樣值），實(shí)現(xiàn)兩個(gè)信號(hào)的數(shù)據(jù)同步。

圖1 插值再采樣算法示意圖

由于插值再采樣算法中需要用到兩相鄰間隔（如t12至t13間隔）時(shí)間值，所以，插值再采樣要求采樣值必須等間隔傳輸，否則插值算法會(huì)導(dǎo)致信號(hào)畸變。為保證采樣值等間隔傳輸，最好采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸或簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)傳輸，以減少網(wǎng)絡(luò)不確定延遲誤差。智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范Q/GDW 441—2010要求報(bào)文的發(fā)送、傳輸和接收處理的延時(shí)抖動(dòng)不得超過10μs。

4 故障錄波信號(hào)的同步技術(shù)的思考

目前，在建或已建成智能變電站故障信號(hào)的錄波多采用網(wǎng)絡(luò)方式，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)采集錄波信號(hào)的較少，當(dāng)采用全站或某一電壓等級(jí)的網(wǎng)絡(luò)錄波方式時(shí)，各信號(hào)之間的同步將出現(xiàn)一個(gè)新的問題，即網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時(shí)不固定問題，雖然全站各智能設(shè)備都進(jìn)行了時(shí)鐘同步處理，各設(shè)備的時(shí)鐘源均為一個(gè)時(shí)鐘，但經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸后，由于網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時(shí)不固定，故障錄波器記錄下的各信號(hào)之間將產(chǎn)生一定的時(shí)間誤差。如1臺(tái)錄波器記錄的1個(gè)元件的SV信號(hào)和GOOSE信號(hào)來自兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，SV信號(hào)和GOOSE信號(hào)之間必然產(chǎn)生時(shí)間誤差，即便是SV信號(hào)和GOOSE信號(hào)來自同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，由于這兩個(gè)信號(hào)的傳輸機(jī)制不一致，也必然會(huì)產(chǎn)生時(shí)間誤差。從而造成保護(hù)記錄的故障錄波圖與故障錄波器記錄的同一事件的故障錄波圖出現(xiàn)不一致的情況，給日后事故分析帶來麻煩，這一點(diǎn)必須有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)。

故障錄器需要打印或顯示故障錄波波形時(shí)，目前波形時(shí)標(biāo)對(duì)齊方法有如下幾種。

a）讀取記錄數(shù)據(jù)（SV和GOOSE）信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)標(biāo)，采用波形信號(hào)時(shí)標(biāo)對(duì)齊顯示或打印的方法校正由于網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)帶來的時(shí)間誤差。

b）故障錄器記錄數(shù)據(jù)（SV和GOOSE） 到達(dá)錄波器的時(shí)刻，以故障錄波器錄波記錄時(shí)刻對(duì)齊波形數(shù)據(jù)。

c）上述兩種時(shí)標(biāo)對(duì)齊方法都采用，即在一張錄波圖中同時(shí)標(biāo)注兩個(gè)時(shí)標(biāo)，以便于事故分析。

由于智能變電站故障錄波方式的變化，所以選用故障錄波器型號(hào)及功能時(shí)應(yīng)特別注意，最好能選用在一張錄波圖中同時(shí)標(biāo)注兩個(gè)時(shí)標(biāo)的故障波器。另外，在進(jìn)行事故分析以前必須先了解錄波圖的時(shí)標(biāo)對(duì)齊方式，以免造成分析偏差。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，各設(shè)備制造廠家對(duì)智能變電站信號(hào)同步技術(shù)都已經(jīng)基本掌握，處理方法大同小異。在實(shí)際工程中，運(yùn)行維護(hù)和調(diào)試單位必須對(duì)信號(hào)同步問題有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)，一方面督促各設(shè)備廠家做好智能變電站內(nèi)信號(hào)的同步工作，另一方面在運(yùn)行過程中注意防范信號(hào)失步風(fēng)險(xiǎn)，提高智能變電站安全運(yùn)行水平。

［1］ 郭樂，潘濟(jì)猛，盧家力，等.插值算法在智能變電站中的應(yīng)用［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2010，30（10）：103-105.

［2］ 周斌，魯國(guó)剛，黃國(guó)方，等.基于線性Lagrange插值法的變電站IED采樣值接口方法［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31（3）：86-90.

［3］ 胡國(guó)，唐成虹，徐子安，等.數(shù)字化變電站新型合并單元的研制［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（24）：51-54.

［4］ 周斌，沈健，張何，等.一種新型變電站智能設(shè)備采樣值接口方案［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（增）：398-401.