馮正偉，何祥文，楊 鑫

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司檢修公司，浙江 金華 321000）

0 引言

變電站同步系統(tǒng)主要作用是通過(guò)接收授時(shí)系統(tǒng)所發(fā)播的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)和信息來(lái)校準(zhǔn)本地時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)、信息的異地復(fù)制[1]。從而為變電站內(nèi)各類(lèi)運(yùn)行設(shè)備提供精確、安全、可靠的時(shí)間基準(zhǔn)，以滿(mǎn)足不同等級(jí)的時(shí)間同步精度要求。

與常規(guī)變電站相比，基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站大量的采用IED設(shè)備（智能電子設(shè)備），對(duì)時(shí)間同步精度有更高的要求。當(dāng)時(shí)間同步系統(tǒng)出現(xiàn)異?；蚴跁r(shí)通信中斷時(shí)，智能變電站內(nèi)的IED設(shè)備將失去外部的時(shí)鐘源，時(shí)間精度必將受到影響。

1 智能變電站主要對(duì)時(shí)方式

1.1 硬對(duì)時(shí)（脈沖對(duì)時(shí)）

主要有PPS（秒脈沖信號(hào)）、PPM（分脈沖信號(hào)），以及PPH（時(shí)脈沖信號(hào)）。對(duì)時(shí)脈沖是利用GPS（全球定位系統(tǒng)）所輸出的脈沖的上升沿（或下降沿）來(lái)進(jìn)行時(shí)間同步校準(zhǔn)[2]，對(duì)時(shí)精度高，但不包含年月日等時(shí)間信息，傳輸信道包括電纜和光纖。硬對(duì)時(shí)按接線(xiàn)方式可分成差分對(duì)時(shí)與空接點(diǎn)2種方式。

1.2 軟對(duì)時(shí)（串口報(bào)文對(duì)時(shí)）

主鐘通過(guò)串口以報(bào)文的形式發(fā)送時(shí)間信息，報(bào)文內(nèi)容包括年、月、日、時(shí)、分、秒等在內(nèi)的完整時(shí)間。待對(duì)時(shí)裝置通過(guò)串行口讀取同步時(shí)鐘每秒1次串行輸出的時(shí)間信息實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)，串口又分為RS232接口和RS485接口方式。一般精確度為ms級(jí)，輸出距離從幾十到上百米。串口對(duì)時(shí)往往和脈沖對(duì)時(shí)配合使用，彌補(bǔ)脈沖對(duì)時(shí)只能對(duì)時(shí)到秒的缺點(diǎn)。

1.3 編碼對(duì)時(shí)

目前普遍采用IRIG-B碼（美國(guó)靶場(chǎng)儀器組B型碼）對(duì)時(shí)，有調(diào)制和非調(diào)制2種。IRIG-B碼實(shí)際上是一種綜合對(duì)時(shí)方案，輸出的幀格式既包含了對(duì)時(shí)的準(zhǔn)時(shí)沿，又包含了串口報(bào)文對(duì)時(shí)的時(shí)間信息[2]。IRIG-B碼可靠性高、接口規(guī)范，因此得到了廣泛的應(yīng)用，但不便于組建時(shí)間同步網(wǎng)。根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同，B碼對(duì)時(shí)又分為光B碼和電B碼，對(duì)時(shí)精度可以達(dá)μs級(jí)。

1.4 網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)

網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)是以電力自動(dòng)化系統(tǒng)現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)提供的通信通道為依托，為接入網(wǎng)絡(luò)的任何系統(tǒng)提供對(duì)時(shí)。主時(shí)鐘將時(shí)間信息按特定協(xié)議封裝為數(shù)據(jù)幀，發(fā)送給各被授時(shí)裝置，被授時(shí)裝置接收到報(bào)文后通過(guò)協(xié)議解析，獲取當(dāng)前時(shí)刻信息，校正時(shí)間，達(dá)到與主時(shí)鐘時(shí)間同步的目的。

網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)方式的授時(shí)精度因所采用協(xié)議的不同而有所差異：其中NTP（網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議）授時(shí)精度可達(dá)到50 ms；SNTP（簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議）授時(shí)精度可達(dá)到1 s；PTP（精確時(shí)間協(xié)議）授時(shí)精度可達(dá)到1μs。目前變電站站控層網(wǎng)絡(luò)大多采用SNTP，而智能變電站的IEEE 1588協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)使用的為PTP[2]。

2 智能變電站時(shí)間同步系統(tǒng)典型方案

2.1 典型方案1

采用簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)SNTP和IRIG-B碼對(duì)時(shí)方式相結(jié)合，各層設(shè)備對(duì)時(shí)方式如表1所示。

表1 智能站時(shí)間同步系統(tǒng)（方案1）

其中站控層采用SNTP，將時(shí)間同步系統(tǒng)接入站控層MMS（制造報(bào)文規(guī)范）網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)傳輸；間隔層采用電B碼對(duì)時(shí)方式，通過(guò)電纜對(duì)間隔層保護(hù)裝置、測(cè)控裝置等設(shè)備點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸IRIG-B碼信號(hào)予以對(duì)時(shí)；過(guò)程層采用光B碼對(duì)時(shí)方式，通過(guò)光纜對(duì)過(guò)程層合并單元、智能終端等設(shè)備點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸IRIG-B碼信號(hào)予以對(duì)時(shí)，時(shí)間同步系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。

2.2 典型方案2

采用SNTP與IRIG-B碼對(duì)時(shí)和IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)方式相結(jié)合。其中站控層、間隔層對(duì)時(shí)方式同方案1；過(guò)程層采用IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)方式，將時(shí)間同步系統(tǒng)通過(guò)光纜接入過(guò)程層GOOSE（面向通用對(duì)象的變電站事件）網(wǎng)中心交換機(jī)，通過(guò)交換機(jī)對(duì)過(guò)程層的合并單元、智能終端等設(shè)備授時(shí)。

圖1 智能站時(shí)間同步系統(tǒng)（方案1）

該方案對(duì)過(guò)程層交換機(jī)要求較高，但對(duì)時(shí)精度高，并節(jié)約了與過(guò)程層點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的光纜及敷設(shè)施工，時(shí)間同步系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖2。

圖2 智能站時(shí)間同步系統(tǒng)（方案2）

2.3 典型方案3

智能變電站的所有設(shè)備全部采用IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)方式。

站控層、間隔層、過(guò)程層對(duì)時(shí)輸入均采用IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)方式。將時(shí)間同步系統(tǒng)同時(shí)接入MMS網(wǎng)、GOOSE網(wǎng)交換機(jī)，通過(guò)站控層MMS網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)站控層設(shè)備授時(shí)，通過(guò)過(guò)程層GOOSE網(wǎng)中心交換機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)間隔層、過(guò)程層設(shè)備授時(shí)。

該方案對(duì)過(guò)程層交換機(jī)要求較高，并且要求間隔層保護(hù)裝置、測(cè)控裝置等設(shè)備具備接收IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)的能力。但I(xiàn)EEE 15888對(duì)時(shí)精度高，并節(jié)約了時(shí)間同步系統(tǒng)的電纜、光纜及敷設(shè)施工，從而節(jié)約了大量的人力和物力。同時(shí)取消了專(zhuān)用的對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)智能站的通信網(wǎng)絡(luò)最終走向統(tǒng)一，這也是智能站對(duì)時(shí)系統(tǒng)將來(lái)的發(fā)展方向，時(shí)間同步系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖3。

圖3 智能站時(shí)間同步系統(tǒng)（方案3）

3 站控層設(shè)備對(duì)時(shí)異常分析

站控層設(shè)備包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、操作員工作站、遠(yuǎn)動(dòng)通信裝置、保護(hù)信息子站等，實(shí)現(xiàn)面向全站設(shè)備的監(jiān)視、控制、告警及信息交互功能，完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制、操作閉鎖以及同步相量采集、電能量采集、保護(hù)信息管理等相關(guān)功能[3]。

當(dāng)對(duì)時(shí)出現(xiàn)異?；蛲獠繒r(shí)鐘信號(hào)短時(shí)失去時(shí)，站控層設(shè)備將按照裝置內(nèi)部的時(shí)鐘進(jìn)行自守時(shí)。如數(shù)據(jù)服務(wù)器可通過(guò)其內(nèi)部的晶振時(shí)鐘進(jìn)行守時(shí)；現(xiàn)大多數(shù)廠(chǎng)商的遠(yuǎn)動(dòng)裝置內(nèi)部每個(gè)CPU板均具有獨(dú)立的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，裝置內(nèi)時(shí)鐘精度在外部時(shí)鐘源短時(shí)失去時(shí)，能滿(mǎn)足生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)時(shí)間精度的要求。

但當(dāng)外部時(shí)鐘長(zhǎng)時(shí)間失去時(shí)，各裝置之間的內(nèi)時(shí)鐘誤差會(huì)隨時(shí)間逐漸變大，最后將造成站控層各裝置之間的時(shí)間失步，以及站控層設(shè)備與系統(tǒng)電網(wǎng)之間的時(shí)間失步，這將給系統(tǒng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集以及事故分析帶來(lái)嚴(yán)重影響。

4 間隔層設(shè)備對(duì)時(shí)異常分析

4.1 保護(hù)裝置

由于縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)需要核對(duì)兩側(cè)電流向量關(guān)系，因此要求兩側(cè)相比較的電流向量必須是同一時(shí)刻的，這樣才能達(dá)到采樣同步，故其對(duì)采樣同步的要求較高。

縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)采用同步通信方式時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)采用不同的時(shí)鐘，可以分為發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘。其中接收時(shí)鐘均固定從接收碼流中提取，保證接收過(guò)程中沒(méi)有誤碼和滑碼產(chǎn)生。因此所提取的差動(dòng)保護(hù)時(shí)鐘即為差動(dòng)保護(hù)的發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)鐘，而發(fā)送時(shí)鐘又可以分為2種形式：

（1）采用裝置內(nèi)部晶振時(shí)鐘作為發(fā)送時(shí)鐘，簡(jiǎn)稱(chēng)為內(nèi)時(shí)鐘方式，也可以稱(chēng)為“主時(shí)鐘”；

（2）采用接收的外部時(shí)鐘作為發(fā)送時(shí)鐘，簡(jiǎn)稱(chēng)為外時(shí)鐘方式，也可以稱(chēng)為“從時(shí)鐘”。

縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)通道方式主要是有3種，根據(jù)保護(hù)通道的不同，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的發(fā)送時(shí)鐘設(shè)置的方式也不同，每種通道均有相應(yīng)的發(fā)送時(shí)鐘方式，如表2所示。

表2 縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)發(fā)送時(shí)鐘方式

目前智能站縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)通道基本都采用專(zhuān)用光纖通道和復(fù)用2 Mbps通道，兩側(cè)保護(hù)的時(shí)鐘方式都為內(nèi)時(shí)鐘方式。從采樣同步機(jī)理與通道時(shí)鐘方式分析可知，差動(dòng)保護(hù)之間采用同步均與“外時(shí)鐘”無(wú)關(guān)，僅與主機(jī)端“內(nèi)時(shí)鐘”有關(guān)。故當(dāng)“外時(shí)鐘”時(shí)鐘異常情況下，不影響電流差動(dòng)保護(hù)的采樣同步，因此不會(huì)影響縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的功能。

另外，對(duì)于光纖連接的母差保護(hù)、主變壓器保護(hù)，由于涉及跨間隔采樣同步問(wèn)題，現(xiàn)普遍采用插值再采樣同步的方法。嚴(yán)格要求合并單元等間隔脈沖采樣以及精確的傳變延時(shí)，保護(hù)裝置根據(jù)傳變延時(shí)補(bǔ)償和插值計(jì)算在同一時(shí)刻進(jìn)行重采樣，保證了各互感器采樣值的同步性。

由于各保護(hù)裝置的面板時(shí)鐘均取自同步時(shí)間系統(tǒng)時(shí)鐘，當(dāng)外部時(shí)鐘源異?；蛳r(shí)，保護(hù)裝置面板時(shí)鐘則轉(zhuǎn)為裝置的內(nèi)時(shí)鐘計(jì)時(shí)。當(dāng)外部時(shí)鐘長(zhǎng)時(shí)間消失后，由于內(nèi)時(shí)鐘與外部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的誤差會(huì)越來(lái)越大，這會(huì)使得差動(dòng)保護(hù)面板時(shí)鐘異常，這對(duì)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后的故障分析和SOE（事件順序）列表的順序會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重影響。

4.2 測(cè)控裝置

對(duì)于測(cè)控裝置一般內(nèi)部CPU單元設(shè)有單獨(dú)的內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘，當(dāng)外部時(shí)鐘源失去時(shí)，依靠?jī)?nèi)部時(shí)鐘源進(jìn)行自守時(shí)。但當(dāng)外部基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間失去時(shí)，遙測(cè)量的時(shí)標(biāo)信息會(huì)與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘出現(xiàn)較大誤差。

另外，當(dāng)外部時(shí)鐘失去后一般會(huì)觸發(fā)測(cè)控裝置的“對(duì)時(shí)異?！毙盘?hào)，同時(shí)有些測(cè)控裝置甚至?xí)|發(fā)“裝置告警”信號(hào)，可能會(huì)閉鎖某些測(cè)控裝置相關(guān)的功能。如某500kV變電站220kV繼保室內(nèi)同步時(shí)鐘擴(kuò)展裝置死機(jī)，站用變測(cè)控裝置發(fā)“裝置告警”信號(hào)，同時(shí)閉鎖了全站站用變有載調(diào)壓功能。因此，外部時(shí)鐘信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間失去時(shí)，將對(duì)測(cè)控裝置的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。

5 過(guò)程層設(shè)備對(duì)時(shí)異常分析

5.1 合并單元

合并單元應(yīng)能接收IEC 61588或B碼同步對(duì)時(shí)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)采集器間的采樣同步功能，采樣的同步誤差應(yīng)不大于±1μs。在外部同步信號(hào)消失后，至少能在10 min內(nèi)繼續(xù)滿(mǎn)足4μs同步精度要求[4]。

對(duì)于采用光纖點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的保護(hù)與合并單元，如上所述普遍采用了插值再采樣同步的方法。當(dāng)外部時(shí)間同步信號(hào)失去時(shí)，轉(zhuǎn)由合并單元裝置內(nèi)時(shí)鐘自守時(shí)，且內(nèi)守時(shí)滿(mǎn)足10 min內(nèi)誤差不大于4μs的精度要求。因此短時(shí)的時(shí)間同步信號(hào)丟失或波動(dòng)不會(huì)影響合并單元的采樣同步。

當(dāng)合并單元自守時(shí)達(dá)到10 min時(shí)，合并單元會(huì)上傳“時(shí)間同步異?！毙畔ⅲ顒?dòng)保護(hù)不受此信息影響。但時(shí)間失步后，對(duì)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的記錄、故障錄波的分析、SV（采樣值）采樣報(bào)文的分析等會(huì)產(chǎn)生影響。

當(dāng)合并單元靠自守時(shí)達(dá)到10 h后，同步誤差將達(dá)到250μs，即為1個(gè)采樣間隔時(shí)間。合并單元失去同步后如上所述將按自己的時(shí)鐘頻率進(jìn)行采樣傳輸，但不會(huì)影響采用直接采樣方式的繼電保護(hù)裝置。而對(duì)于采用網(wǎng)絡(luò)采樣方式的測(cè)控裝置而言，若某一間隔的電壓、電流取自不同的合并單元，當(dāng)合并單元失去同步后，將直接影響該間隔的功率計(jì)算誤差，例如3/2接線(xiàn)形式下的出線(xiàn)功率。

5.2 SV網(wǎng)絡(luò)采樣的合并單元

對(duì)于采用SV網(wǎng)絡(luò)采樣的保護(hù)裝置與合并單元，主要采用基于外時(shí)鐘同步方式實(shí)現(xiàn)采樣的同步。統(tǒng)一時(shí)鐘協(xié)調(diào)各互感器的采樣脈沖，全部互感器在同一時(shí)刻采集數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)標(biāo)定，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)同時(shí)性。當(dāng)合并單元裝置在對(duì)時(shí)異常發(fā)生后，裝置進(jìn)入自守時(shí)模式，守時(shí)10 min后因B碼波形信號(hào)仍未恢復(fù)正常，合并單元守時(shí)結(jié)束，并將上送遙測(cè)信號(hào)的數(shù)據(jù)品質(zhì)置為失步，保護(hù)裝置在收到品質(zhì)為失步的數(shù)據(jù)后，隨即閉鎖了差動(dòng)保護(hù)功能。

5.3 智能終端

智能變電站中智能終端為現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備提供了數(shù)字化接口，實(shí)現(xiàn)了常規(guī)一次設(shè)備的智能化。智能終端應(yīng)具備接收IEC 61588或B碼時(shí)鐘同步信號(hào)功能，裝置的對(duì)時(shí)精度誤差應(yīng)不大于±1 ms[5]。

智能終端可通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)B碼或IEEE 1588對(duì)時(shí)，裝置內(nèi)部CPU單元設(shè)置晶振時(shí)鐘。當(dāng)外部時(shí)間信號(hào)失去，可由其內(nèi)時(shí)鐘自守時(shí)。由于智能終端采集斷路器、隔離開(kāi)關(guān)等的相關(guān)遙信信號(hào)，并給SOE信號(hào)打上時(shí)標(biāo)再上傳后臺(tái)。當(dāng)外部時(shí)鐘失去，其內(nèi)時(shí)鐘誤差增大時(shí)，會(huì)造成后臺(tái)上傳的SOE信息時(shí)間混亂，不利于事故的分析和正常的監(jiān)控。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)在智能變電站領(lǐng)域的深入推廣和應(yīng)用，智能電子設(shè)備IED對(duì)時(shí)鐘精度要求已達(dá)到了T5等級(jí)（1μs），同時(shí)智能變電站中“三層兩網(wǎng)”的網(wǎng)絡(luò)歸一化結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)方式，也必將成為時(shí)間同步系統(tǒng)的發(fā)展方向。

智能化變電站中的時(shí)間同步關(guān)系到智能變電站的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，特別對(duì)于合并單元和保護(hù)裝置而言，一個(gè)是作為數(shù)字化采樣的源頭，一個(gè)是作為電力系統(tǒng)的保護(hù)三道防線(xiàn)之一，其重要性不言而喻。從上述分析可以看出時(shí)間同步系統(tǒng)的異常必將影響其合并單元采樣的精度，進(jìn)而影響保護(hù)裝置的功能。因此，日常運(yùn)行維護(hù)工作中，應(yīng)對(duì)站內(nèi)時(shí)間同步系統(tǒng)予以必要的關(guān)注。

[1]于躍海，張道農(nóng)，胡永輝，等.電力系統(tǒng)時(shí)間同步方案[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32（7）∶82-86.

[2]張坤，鄧志剛，張道農(nóng)，等.智能化變電站中多源自適應(yīng)時(shí)間同步系統(tǒng)[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26（3）∶30-34.

[3]胡剛，武振宇，宋庭會(huì).智能變電站實(shí)用知識(shí)問(wèn)答[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[4]Q/GDW 426-2010智能變電站合并單元技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[5]Q/GDW 428-2010智能變電站智能終端技術(shù)規(guī)范 [S].北京：中國(guó)電力出版社，2010.