，，，

(1.山東電力集團(tuán)分司濟(jì)寧供電公司，山東 濟(jì)寧 272000；2.智能電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)沙理工大學(xué))，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

智能電網(wǎng)同步時(shí)鐘技術(shù)

王毅1，鄒亮2，張峰1，李靖強(qiáng)1

(1.山東電力集團(tuán)分司濟(jì)寧供電公司，山東 濟(jì)寧 272000；2.智能電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)沙理工大學(xué))，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，對(duì)時(shí)間同步提出了更高的要求。IEEE1588時(shí)鐘同步協(xié)議能夠滿(mǎn)足智能電網(wǎng)對(duì)時(shí)間同步的苛刻要求，具有極大的發(fā)展?jié)摿?。?jiǎn)要概述了目前智能電網(wǎng)時(shí)鐘同步存在的問(wèn)題，提出了高精度衛(wèi)星同步時(shí)鐘和基于IEEE 1588協(xié)議的智能電網(wǎng)時(shí)間統(tǒng)一技術(shù)的技術(shù)方案。

同步時(shí)鐘；智能電網(wǎng) ；IEEE1588

1 引言

隨著超臨界、超超臨界機(jī)組相繼并網(wǎng)運(yùn)行，大區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)，電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)電力自動(dòng)化設(shè)備提出了新的要求，特別是對(duì)時(shí)間同步，要求繼電保護(hù)裝置、自動(dòng)化裝置、安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)(EMS)和生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)等基于統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)運(yùn)行，以滿(mǎn)足事件順序記錄(SOE)、故障錄波、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集時(shí)間一致性要求，確保線(xiàn)路故障定位、相量和功角動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、機(jī)組和電網(wǎng)參數(shù)校驗(yàn)的準(zhǔn)確性，以及電網(wǎng)事故分析和穩(wěn)定控制水平，以提高運(yùn)行效率及其可靠性。

未來(lái)數(shù)字電力技術(shù)的推廣應(yīng)用，對(duì)時(shí)間同步的要求會(huì)更高[1,2]。

為智能電網(wǎng)的時(shí)間同步存在一系列難題，國(guó)家電網(wǎng)公司于2009年在智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究框架(初稿)中明確提出要研發(fā)適合智能電網(wǎng)應(yīng)用特點(diǎn)的時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)[3]。IEEE1588(IEC61588)是一種新的、先進(jìn)的時(shí)鐘同步協(xié)議，是智能電網(wǎng)首選的時(shí)鐘同步系統(tǒng)方案。本文首先對(duì)目前電力系統(tǒng)時(shí)鐘同步存在的問(wèn)題作了簡(jiǎn)要的概述，然后提出了高精度衛(wèi)星同步時(shí)鐘和基于IEEE 1588協(xié)議的智能電網(wǎng)時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)的方案。對(duì)智能電網(wǎng)時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)的建設(shè)提供了參考，具有一定的工程實(shí)用性。

2 目前智能電網(wǎng)時(shí)鐘同步存在的主要問(wèn)題

2.1衛(wèi)星時(shí)鐘的安全性

在廣域時(shí)間同步系統(tǒng)中，關(guān)心的是相對(duì)時(shí)間同步。但是若能保證各節(jié)點(diǎn)的同步時(shí)鐘達(dá)到絕對(duì)時(shí)間同步，那么相對(duì)時(shí)間同步也自然滿(mǎn)足了。因此，要建立統(tǒng)一的廣域同步時(shí)間系統(tǒng)，就必須按照一個(gè)公共時(shí)間基準(zhǔn)。當(dāng)前國(guó)外的衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)中，GPS 系統(tǒng)具有時(shí)間精度高，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，將其作為同步時(shí)鐘的公共時(shí)間基準(zhǔn)具有突出的優(yōu)越性[4]。但是，民用GPS時(shí)鐘的可靠性并沒(méi)有得到保障，美國(guó)并不保證民用GPS的精度和可靠性。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，GPS接收機(jī)產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)的精度和安全性難以得到保證，在正常工作條件下，最大偏差可能達(dá)1.6μs，而且在衛(wèi)星失步的情況下，偏差甚至達(dá)到上百毫秒[5]，美國(guó)甚至可以隨時(shí)關(guān)閉GPS時(shí)鐘。北斗系統(tǒng)投入使用前，電力行業(yè)的授時(shí)系統(tǒng)由于沒(méi)有得到自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的支撐，被迫形成了對(duì)美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的完全依賴(lài)，導(dǎo)致其存在巨大的安全隱患，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2同步時(shí)鐘誤差修正精度

GPS時(shí)鐘目前已是世界上應(yīng)用范圍最廣、精度最高的時(shí)間發(fā)布系統(tǒng)之一，GPS接收機(jī)接收到的GPS時(shí)鐘與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UCT保持高度同步。但是，民用GPS 接收機(jī)接收到的GPS 時(shí)鐘因衛(wèi)星鐘差、星歷誤差、電離層誤差、多徑誤差、對(duì)流層誤差、接收機(jī)誤差、跟蹤衛(wèi)星過(guò)少誤差等因素的影響，精度和穩(wěn)定性難以得到保證。例如Motorola UTONCORE 型接收機(jī)，統(tǒng)計(jì)精度為50 ns (1R)，表示GPS 時(shí)鐘誤差落在1R 范圍(50 ns) 內(nèi)的概率為0.6828，落在2R范圍(100 ns) 內(nèi)的概率為0.9546；落在3R范圍(150ns) 內(nèi)的概率為0.9974[6-8]。根據(jù)文獻(xiàn)[9]對(duì)2個(gè)型號(hào)相同的GPS接收機(jī)產(chǎn)生的秒時(shí)鐘進(jìn)行的比較測(cè)試，GPS時(shí)鐘在正常工作條件下最大偏差可能達(dá)1.6，在衛(wèi)星失步的情況下偏差甚至達(dá)到了上百個(gè)ms。

國(guó)內(nèi)外已把GLONASS 接收機(jī)和GPS 接收機(jī)結(jié)合起來(lái)使用，目的就是為了得到高精度和高可靠的時(shí)鐘信號(hào)。但是GPS/GLONASS 的組合導(dǎo)航儀一樣得不到美國(guó)和俄羅斯在精度和可靠性上的保證，并且這種時(shí)鐘的造價(jià)非常高。但與GLONASS 時(shí)鐘和GPS時(shí)鐘相比，其他時(shí)鐘(如晶振時(shí)鐘、原子鐘等) 穩(wěn)定性較高，單個(gè)的時(shí)間間隔的漂移非常小，不過(guò)運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)累計(jì)誤差會(huì)較大[10,11]。國(guó)內(nèi)外已采用GPS時(shí)鐘同步守時(shí)鐘(晶振時(shí)鐘、原子鐘)方法產(chǎn)生高精度和高穩(wěn)定性的時(shí)鐘，正常運(yùn)行時(shí)由GPS時(shí)鐘校正守時(shí)鐘，在GPS不穩(wěn)定時(shí)，由守時(shí)鐘代替GPS時(shí)鐘。但是現(xiàn)有的同步方法還未形成嚴(yán)密的數(shù)學(xué)模型和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，只能消除因GPS衛(wèi)星短時(shí)失鎖產(chǎn)生的較大偏差，很難消除GPS接機(jī)時(shí)鐘信號(hào)的隨機(jī)偏差。若要產(chǎn)生高精度和高可靠的時(shí)鐘，則需要采用比GPS 時(shí)鐘精度更高的原子鐘對(duì)GPS 時(shí)鐘同步比較監(jiān)測(cè)，但該技術(shù)造價(jià)高，同時(shí)，也很難在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)推廣實(shí)現(xiàn)。

3 高精度衛(wèi)星同步時(shí)鐘的產(chǎn)生方案

高精度時(shí)鐘(修正后的秒時(shí)鐘)由計(jì)數(shù)器與比較器構(gòu)成的分頻電路產(chǎn)生，如圖1所示，由CPU設(shè)置比較值修正晶振秒時(shí)鐘的累計(jì)誤差，由鑒相器測(cè)量GPS秒時(shí)鐘誤差。每秒設(shè)置一次比較值，由前n次測(cè)量的GPS秒時(shí)鐘誤差和前n次比較值的歷史數(shù)據(jù)作為計(jì)算本次要設(shè)置的比較值。

圖1 GPS時(shí)鐘的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與修正原理圖

(1)消除電磁干擾信號(hào)的影響

如圖1所示，在GPS秒時(shí)鐘送入鑒相器進(jìn)行相位比較前，需要作抗干擾檢測(cè)，以削弱和消除GPS干擾信號(hào)的影響。根據(jù)GPS秒脈沖總是在位于2s交界處出現(xiàn)的特點(diǎn)，采取CPU控制與門(mén)來(lái)屏蔽干擾信號(hào)：在CPU內(nèi)部設(shè)計(jì)一軟件時(shí)鐘，進(jìn)行秒以下刻度的計(jì)時(shí)；軟件時(shí)鐘由輸入的修正后的秒時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行復(fù)位，當(dāng)軟件時(shí)鐘數(shù)值在[0.2～999.8ms]之間時(shí)，抗干擾控制信號(hào)是低電平，屏蔽在此期間出現(xiàn)的GPS秒脈沖信號(hào)；否則抗干擾控制信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，允許GPS秒脈沖信號(hào)進(jìn)入鑒相器作相位比較。這樣可以消除秒脈沖前后0.2ms以外出現(xiàn)的干擾信號(hào)影響。

(2)GPS接受機(jī)工作狀態(tài)的評(píng)估

GPS接受機(jī)的不正常工作狀態(tài)分為兩種，一種是由于跟蹤衛(wèi)星顆數(shù)過(guò)少，導(dǎo)致隨機(jī)誤差增大，另一種是由于干擾，GPS故障產(chǎn)生跳躍性的誤差。

(1)

其中，σs為GPS接受機(jī)說(shuō)明書(shū)中對(duì)應(yīng)1σ的標(biāo)稱(chēng)誤差，k1為可靠系數(shù)，通常取1.5～5。上式成立時(shí)，認(rèn)為GPS接受機(jī)工作在不正常狀態(tài)。

Nb>0.0026k2n

(2)

當(dāng)上式成立時(shí)，認(rèn)為GPS接受機(jī)工作不正常，其中k2為可靠系數(shù)，通常取2～10。

(3)GPS接受機(jī)正常運(yùn)行條件下高精度時(shí)鐘的產(chǎn)生

(3)

從而可以在線(xiàn)調(diào)整CPU本次設(shè)置的比較值Sn+1，輸出修正后的秒時(shí)鐘，產(chǎn)生高精度秒時(shí)鐘。

(4)GPS接受機(jī)不正常運(yùn)行條件下的高精度時(shí)鐘的產(chǎn)生

由于晶振時(shí)鐘單位時(shí)間的誤差較穩(wěn)定，誤差漂移小。在GPS接受機(jī)不正常運(yùn)行條件下，晶振秒時(shí)鐘誤差的補(bǔ)償值恒定取GPS接受機(jī)不正常運(yùn)行以前的n次補(bǔ)償值的平均值：

(4)

假設(shè)晶振的精度為1ns，晶振秒時(shí)鐘誤差漂移小于0.05ns，則在GPS接受機(jī)中斷運(yùn)行1小時(shí)后，輸出的修正后的秒時(shí)鐘誤差小于180ns；考慮到極端情況，在GPS接受機(jī)中斷運(yùn)行1天后，輸出的修正后秒時(shí)鐘誤差小于4320ns。一般GPS接受機(jī)中斷運(yùn)行1小時(shí)，補(bǔ)償后輸出的時(shí)鐘能夠滿(mǎn)足一般控制領(lǐng)域的要求。

3 基于IEEE 1588協(xié)議的智能電網(wǎng)時(shí)間統(tǒng)一技術(shù)

在2002年年底頒布的IEEE1588是一個(gè)集成了網(wǎng)絡(luò)通信和在線(xiàn)修正計(jì)算的精密時(shí)鐘授時(shí)協(xié)議，其通過(guò)多播報(bào)文周期性的向網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)授時(shí)，因此，尤其適合在以太網(wǎng)上使用，其精度能夠達(dá)到亞微秒級(jí)。2008年，IEEE重新修訂了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，IEEE1588(PTP)得到了更進(jìn)一步完善，使其更能滿(mǎn)足智能電網(wǎng)授時(shí)精度的要求。

3.1 IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘的同步過(guò)程

IEEE 1588時(shí)鐘同步過(guò)程是通過(guò)兩個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)：時(shí)鐘偏移量測(cè)量和線(xiàn)路延遲量測(cè)量。

第一進(jìn)行時(shí)鐘偏移量測(cè)量，主時(shí)鐘在Ta1時(shí)刻向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一個(gè)Sync時(shí)鐘同步報(bào)文，同時(shí)在物理層精確記錄好發(fā)送時(shí)間Ta1，如圖2所示，在Tb1時(shí)刻從時(shí)鐘收到Sync時(shí)鐘同步報(bào)文，并且精確記錄下來(lái)接收時(shí)間Tb1。接著主時(shí)鐘通過(guò)Follow_up時(shí)鐘跟隨報(bào)文發(fā)送之前記錄的精確時(shí)間信息Ta1，這樣就完成了時(shí)鐘偏移量測(cè)量。

然后進(jìn)行線(xiàn)路延時(shí)量測(cè)量，從時(shí)鐘在接收到Follow_up 報(bào)文后在Tb2時(shí)刻發(fā)送一個(gè)Delay_Req 延時(shí)請(qǐng)求信息包并記錄精確發(fā)送時(shí)間Tb2，主時(shí)鐘收到Delay_Req 報(bào)文后，記錄精確接收時(shí)間Ta2，同時(shí)把精確時(shí)間Ta2標(biāo)記在延時(shí)響應(yīng)信息包Delay_Resp 中并發(fā)送給從時(shí)鐘，從時(shí)鐘接收到Delay_Resp 后，則可根據(jù)IEEE1588協(xié)議算法計(jì)算出時(shí)鐘偏移時(shí)差和線(xiàn)路延時(shí)誤差為：

(5)

(6)

其中:Toff-delay為時(shí)鐘偏移量，Tdelay為線(xiàn)路延時(shí)量。在理想條件下，傳輸延時(shí)線(xiàn)路是對(duì)稱(chēng)的，并且Toff-delay、Tdelay值是一個(gè)定值。

圖2 PTP時(shí)鐘的同步過(guò)程

3.2智能電網(wǎng)時(shí)間統(tǒng)一技術(shù)

智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了在變電站內(nèi)部通過(guò)光纖以太網(wǎng)交互數(shù)據(jù)，IEEE1588(PTP)作為一種網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)技術(shù)，其功能或設(shè)備都布置在變電站光纖以太網(wǎng)內(nèi)，不再單獨(dú)組網(wǎng)。依托光纖以太網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)時(shí)鐘同步系統(tǒng)的構(gòu)建，為其提供高精度、高可靠性的同步時(shí)間。智能電網(wǎng)時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)基本模型如圖3。選擇北斗時(shí)鐘和GPS 時(shí)鐘的組合授時(shí)作為智能變電站站內(nèi)的時(shí)鐘源， 即變電站中的根時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，提供精確、穩(wěn)定的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)?；谠撃Ｐ蛯?shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)同步網(wǎng)絡(luò)的資源優(yōu)化配置和同步鏈路的合理組織，確保智能電網(wǎng)的時(shí)間同步。

圖3 智能電網(wǎng)時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)模型

4 結(jié)語(yǔ)

精確時(shí)鐘同步技術(shù)對(duì)智能電網(wǎng)的建設(shè)具有十分重要的意義。本文提出了高精度衛(wèi)星同步時(shí)鐘和基于IEEE 1588協(xié)議的智能電網(wǎng)時(shí)間統(tǒng)一技術(shù)的技術(shù)方案，該方案具有一定的工程實(shí)用性。

[1]傅鴻志,朱祖儀.關(guān)于電網(wǎng)時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)的探討.電力系統(tǒng)自動(dòng)化[J].1994,18(10):21-24.

[2]陳洪卿,朱纘震.電網(wǎng)時(shí)間同步技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù),2005,25(3):10-14.

[3]黎銳烽，曾祥君，王陽(yáng).智能電網(wǎng)技術(shù)(7) 時(shí)鐘同步技術(shù)[J].大眾用電,2011，29(8)：46-48.

[4]張鵬.基于 GPS 的電力系統(tǒng)同步時(shí)間服務(wù)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].華中科技大學(xué),2005.

[5]曾祥君,尹項(xiàng)根,林干,等.晶振信號(hào)同步 GPS信號(hào)產(chǎn)生高精度時(shí)鐘的方法及實(shí)現(xiàn)[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27(8):49-53.

[6]曾祥君,尹項(xiàng)根,K.K.Li,W.L.Chan.GPS時(shí)鐘在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與修正方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002，22(12):41-46.

[7]李澤文，姚建剛，曾祥君，等.基于數(shù)字鎖相原理的GPS高精度同步時(shí)鐘產(chǎn)生新方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33(18):82-86.

[8]李澤文，曾祥君，黃智偉，等.基于高精度晶振的GPS秒時(shí)鐘誤差在線(xiàn)修正方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30(13):55-58.

[9]高厚磊,賀家李,江世芳.基于GPS 的同步采樣及在保護(hù)與控制中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù),1995,19 (7):30-32.

[10]Pekka Eskelinen.Problems in Estimating Some Timing Uncertainties of Commercial Frequency and Time Standards[J].IEEE Trans on Instrumentation and Measurement,1999,48 (1):62-65.

[11]Phadke A G,Pickett B.Synchronized Sampling and Phasor Measurements for Relaying and Contro1[J].IEEE Trans on Power Delivery,1994,9 (1):442-452.

ApplicationofSynchronousClockTechniqueinSmartGrid

WANGYi1,ZOULiang2,ZHANGFeng1,LIJing-qiang1

(1.Jining Power Supply Corporation,Shandong Electricity Group Corporation,Jining 272100，China;2.Hunan Province Key Laboratory of Smart Grids Operation and Control (Changsha University of Science and Technology),Changsha 410004,China)

With the development of smart grid,higher requirements on synchronous clock are put forward.The time synchronization requirements in smart grid can be satisfied by IEEE1588 clock synchronization protocol.A brief overview of the existing problems on synchronous clock in smart grid is provided in this paper,the technology scheme of high precision satellite synchronous clock and time unification technology in smart grid based on IEEE 1588 protocol is proposed.

synchronous clock;smart grid;IEEE 1588

1004-289X(2013)05-0020-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61233008)、(51207013)；

湖南省科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2012FJ1003)資助；

湖南省高校產(chǎn)業(yè)化培育項(xiàng)目(12CY007)資助。

TM71

B

2013-07-04