唐志軍，翟博龍，鄧超平

（國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，福建 福州 350007）

0 引言

數(shù)字化智能變電站電網(wǎng)技術(shù)是電網(wǎng)發(fā)展的大趨勢(shì)。數(shù)字化變電站作為智能電網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，基本特征為一次設(shè)備智能化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、運(yùn)行管理自動(dòng)化等。智能化電站新增的合并單元、智能終端、電子互感器、輔助控制系統(tǒng)等設(shè)備的采樣高度依賴時(shí)間同步系統(tǒng)。時(shí)間同步的精度和穩(wěn)定性是提高線路故障測(cè)距、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)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素,直接關(guān)系到電網(wǎng)穩(wěn)定控制和事故分析，同時(shí)也是提高電網(wǎng)運(yùn)行效率和可靠性，以及適應(yīng)大電網(wǎng)互聯(lián)、特高壓輸電等發(fā)展的關(guān)鍵需求。

本文在分析變電站時(shí)間同步系統(tǒng)及其衛(wèi)星/有線對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)天地互備組網(wǎng)時(shí)間同步運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)上，針對(duì)可能發(fā)生的各種同步故障環(huán)節(jié)，研究自動(dòng)化智能監(jiān)測(cè)綜合技術(shù)，統(tǒng)籌設(shè)計(jì)系統(tǒng)檢驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備，為智能變電站組網(wǎng)的時(shí)間同步系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)及全壽命周期管理提供重要技術(shù)支撐手段。

1 檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架

鑒于國(guó)內(nèi)目前檢測(cè)時(shí)間同步特性需要幾種單獨(dú)的設(shè)備，包括時(shí)間同步測(cè)試儀、網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析儀等等，通過復(fù)雜的連線、配置和手動(dòng)記錄分析方式聯(lián)合完成。而且，單臺(tái)設(shè)備被局限于只能進(jìn)行某些方面的時(shí)間同步特性測(cè)試，難以實(shí)現(xiàn)全面系統(tǒng)性檢測(cè)?，F(xiàn)有監(jiān)測(cè)條件下的同步性能測(cè)試設(shè)備，存在種類多、操作復(fù)雜、比較昂貴、測(cè)試手段不夠全面、測(cè)試結(jié)果的判定偏于主觀等種種不足。我們?cè)趯?duì)影響高精度時(shí)間同步特性檢測(cè)各種因素進(jìn)行系統(tǒng)性綜合分析研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了智能變電站“高精度時(shí)鐘同步檢驗(yàn)系統(tǒng)”。該系統(tǒng)能接收、測(cè)試、分析變電站“授時(shí)系統(tǒng)”輸出給站內(nèi)“被（授時(shí)）同步裝置”的通用“同步信號(hào)”；同時(shí)還能模擬產(chǎn)生這些“同步信號(hào)”，仿真輸出給“被同步裝置”，用以測(cè)試被同步裝置對(duì)“同步信號(hào)”的響應(yīng)能力、同步性能以及裝置自身的守時(shí)能力；并且還能受控仿真、輸出異常的“同步信號(hào)”和帶誤碼的時(shí)間碼信號(hào)，測(cè)試被同步裝置的“同步性能”及其“魯棒性”。此外，通過對(duì)被同步裝置反饋信號(hào)/數(shù)據(jù)的記錄、分析，由智能主控單元對(duì)“授時(shí)系統(tǒng)”及其“被同步裝置”的信號(hào)完整性進(jìn)行分析評(píng)估。

2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

研究高精度時(shí)間同步特性檢測(cè)技術(shù)的基本思路和技術(shù)路線如圖1 所示，即研究影響高精度時(shí)間同步特性及其檢測(cè)技術(shù)的共性支撐技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)化軟件平臺(tái)、時(shí)間同信號(hào)特性測(cè)量技術(shù)、時(shí)間碼信號(hào)特性/誤碼類型分析、解碼技術(shù)以及通用測(cè)試軟件平臺(tái)開發(fā)等等。在此基礎(chǔ)上，分析研究各個(gè)技術(shù)模塊，研制高精度時(shí)間同步特性檢測(cè)系統(tǒng)的主控單元及其軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，使之具備完整的時(shí)間同步特性檢測(cè)功能。

圖1 技術(shù)路線圖Fig.1 Technology roadmap

2.1 共性支撐技術(shù)研究

為研制智能變電站高精度時(shí)間同步特性檢測(cè)系統(tǒng)，我們開展了若干共性支撐技術(shù)研究。

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)的主控單元及軟件系統(tǒng)

針對(duì)變電站授時(shí)系統(tǒng)及其被同步裝置的工況特點(diǎn)，為研制其同步特性檢測(cè)系統(tǒng)，除研究共性支撐技術(shù)外，還就智能主控單元及被其監(jiān)控子單元的相關(guān)軟硬件技術(shù)開展深入研究。采用仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)可控的同步/誤碼時(shí)間同步信號(hào)輸出，實(shí)時(shí)模擬授時(shí)系統(tǒng)的各種運(yùn)行工況，并監(jiān)測(cè)其運(yùn)行、動(dòng)作反饋信息，通過與其它測(cè)試單元的交互通訊，完成二次（設(shè)備）系統(tǒng)的特性測(cè)試，以此考核二次（設(shè)備）系統(tǒng)行為的選擇性、正確性和可靠性。

主控單元軟件系統(tǒng)主要采用分步式、跨平臺(tái)開發(fā)技術(shù)，可以運(yùn)行在linux/unix/windows 等操作系統(tǒng)上，包括測(cè)試工程管理、測(cè)試儀配置參數(shù)管理、變更測(cè)試項(xiàng)目及流程管理、測(cè)試報(bào)告生成及管理、設(shè)備缺陷管理等。主控單元還協(xié)調(diào)管控以下單元。

（1）GPS/北斗信號(hào)接收定時(shí)單元。該單元由GPS/北斗（雙系統(tǒng)）接收定時(shí)模塊和接收天線、饋線及相關(guān)管控軟件構(gòu)成，用于接收衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)，校準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)自身的時(shí)鐘和守時(shí)精度[1]，輸出用于馴服本地頻標(biāo)的高精度1pps 和TOD 時(shí)間，準(zhǔn)確度優(yōu)于50ns，并作為與外站授時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步的主要參考。

（2）高精度時(shí)間同步基準(zhǔn)源單元。該單元高精度自守時(shí)，采用銣原子鐘或OCXO 實(shí)現(xiàn)，銣原子鐘守時(shí)精度優(yōu)于2us/天。同時(shí)，采用現(xiàn)代閉環(huán)控制守時(shí)理論和卡爾曼數(shù)字濾波技術(shù)，利用衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)做為基準(zhǔn)，對(duì)銣鐘或OCXO 進(jìn)行控制和馴服，生成高度準(zhǔn)確、高度穩(wěn)定的時(shí)間參考，作為整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間同步基準(zhǔn)源，準(zhǔn)確度要優(yōu)于±0.1us，真正復(fù)現(xiàn)“UTC 時(shí)間基準(zhǔn)”。

（3）時(shí)間同步信號(hào)測(cè)試單元。該單元以基準(zhǔn)源輸出的1pps 為參考，精確測(cè)量并同步顯示當(dāng)前輸入的被測(cè)時(shí)間（同步）信號(hào)與基準(zhǔn)源的偏差[2]；可同時(shí)管控多路接入的被測(cè)時(shí)間同步信號(hào)，自動(dòng)識(shí)別被測(cè)信號(hào)類型，支持多種時(shí)間信號(hào)不同參數(shù)的高精度測(cè)量，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種被同步裝置/智能設(shè)備的時(shí)延特性進(jìn)行測(cè)試。

（4）時(shí)間同步信號(hào)仿真單元。該單元用于仿真授時(shí)系統(tǒng)的各種運(yùn)行工況，包括正常運(yùn)行、信號(hào)失步、信號(hào)誤碼等，仿真輸出授時(shí)同步信號(hào)，并以時(shí)間基準(zhǔn)源為參考，可控輸出（相對(duì)于基準(zhǔn)源的）不同偏差的時(shí)間同步信號(hào)，模擬授時(shí)系統(tǒng)的正常或失步工況[3]，使其輸出的時(shí)間同步信號(hào)的特性、內(nèi)容可控。

（5）網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄及分析單元。該單元主要功能包括網(wǎng)絡(luò)報(bào)文采集、網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄、異常報(bào)警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)檢索和提??；進(jìn)行在線監(jiān)聽/監(jiān)測(cè)、記錄涉及到時(shí)間同步特性的網(wǎng)絡(luò)通信報(bào)文，并對(duì)記錄的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文進(jìn)行分析，準(zhǔn)確定位和分析各種同步/異步工作狀態(tài)改變事件，為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和設(shè)備的設(shè)計(jì)、改進(jìn)提供有效的手段。

2.3 同步信號(hào)檢測(cè)

檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)被測(cè)站所接收的衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)以及授時(shí)系統(tǒng)同步裝置輸出的同步信號(hào)，進(jìn)行檢測(cè)、分析，判定同步信號(hào)的質(zhì)量，包括以下幾個(gè)方面：

（1）檢測(cè)脈沖信號(hào)、IRIG 系列時(shí)間報(bào)文、串口對(duì)時(shí)報(bào)文的準(zhǔn)確度及相關(guān)參數(shù)，包括脈沖的上升沿寬度、時(shí)間準(zhǔn)確度、脈沖寬度、脈沖信號(hào)幅值與調(diào)制比、頻率抖動(dòng)、時(shí)間質(zhì)量位等，其實(shí)現(xiàn)的方法和手段如下：

一是由FPGA 模塊和PowerPC 模塊獲取并解析衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)，根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)的統(tǒng)計(jì)平均值，馴服內(nèi)部時(shí)鐘源（銣鐘），保證內(nèi)部時(shí)鐘的1PPS（秒脈沖）準(zhǔn)確度與UTC時(shí)間差值小于50ns[4]，作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各種檢驗(yàn)測(cè)量判定的參考基準(zhǔn)。

二是由采樣電路及FPGA 模塊對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行高精度采樣，F(xiàn)PGA 獲取該信號(hào)由低電平到高電平的上升時(shí)間（上升沿寬度）。

三是FPGA 通過比較待測(cè)信號(hào)上升沿相對(duì)于基準(zhǔn)源內(nèi)部時(shí)鐘分頻的1PPS 前沿的時(shí)刻偏差，得到待測(cè)信號(hào)(相對(duì)于時(shí)間基準(zhǔn)) 的時(shí)間準(zhǔn)確度。

四是由FPGA 和PowerPC 模塊獲取待測(cè)信號(hào)的上升時(shí)刻及下降時(shí)刻，計(jì)算出脈沖寬度。

五是采樣電路獲取采樣值后,由FPGA 將其傳遞到CPU，由CPU 計(jì)算出信號(hào)幅值；CPU 也可獲取IRIG-B（AC）碼的碼元周期，計(jì)算出編碼信號(hào)的調(diào)制比。

六是PowerPC 模塊對(duì)IRIG 系列時(shí)間報(bào)文內(nèi)容進(jìn)行解析，獲取時(shí)間質(zhì)量位、校驗(yàn)位等碼元信息，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)行正、誤判斷。

七是系統(tǒng)同時(shí)支持對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行單次測(cè)量或連續(xù)測(cè)量，其每次測(cè)量結(jié)果可由PowerPC 模塊實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到外掛存儲(chǔ)器中，達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間不間斷測(cè)試和累計(jì)統(tǒng)計(jì)分析的目的。

（2）對(duì)于TTL、RS232、RS485、空接點(diǎn)等各類不同（類型）電平的待測(cè)信號(hào)，進(jìn)行電平自動(dòng)識(shí)別及輸入電路切換；此法也適用于測(cè)試光纖信號(hào)[5]。

（3）FPGA 模塊對(duì)待測(cè)的PTP-1588 及NTP/SNTP 報(bào)文，可以加蓋硬件時(shí)間戳，實(shí)時(shí)發(fā)出響應(yīng)報(bào)文并加蓋發(fā)送時(shí)間戳，從而測(cè)量時(shí)標(biāo)的準(zhǔn)確度以及報(bào)文時(shí)間的準(zhǔn)確度[6]，并顯示待測(cè)信號(hào)的MAC 地址、路徑延遲、端口編號(hào)、準(zhǔn)確度等信息。

（4）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的液晶顯示屏可實(shí)時(shí)顯示多通道待測(cè)信號(hào)的波形、檢測(cè)結(jié)果，飛梭和按鍵可進(jìn)行界面操作，根據(jù)外界指令控制界面的切換及顯示，進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)人機(jī)互動(dòng)。

2.4 可控同步/誤碼信號(hào)仿真輸出

鑒于被同步裝置在收到錯(cuò)誤或者偏移的同步信號(hào)的情況下，不同設(shè)備會(huì)采取不同的響應(yīng)策略，而其所采取的策略是否合理即會(huì)影響其自身甚至下游鏈路其他設(shè)備的同步特性。因此，本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)，既有模擬授時(shí)系統(tǒng)輸出正確的時(shí)間同步信號(hào)，又可模擬運(yùn)行、仿真輸出可控的、異常的（包括誤碼的）時(shí)間同步信號(hào)，用以測(cè)量被同步裝置的響應(yīng)特性和魯棒性。系統(tǒng)可檢測(cè)以下幾個(gè)方面：

（1）系統(tǒng)收到授時(shí)系統(tǒng)輸出的同步信號(hào)后，解析之，仿真模擬，并據(jù)以修改本檢測(cè)系統(tǒng)裝置輸出同步信號(hào)的時(shí)間參數(shù)，用于對(duì)被同步裝置檢測(cè)；同時(shí)也可以控制、修改輸出同步信號(hào)的時(shí)間間隔，支持手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。

（2）由FPGA 控制輸出的pps/ppm/pph 脈沖的波形，調(diào)整脈沖在時(shí)間軸上的位置，使其偏離技術(shù)規(guī)范允許的偏差范圍；調(diào)整脈沖的間隔時(shí)間；調(diào)高或調(diào)低脈沖的電平，或延展/壓縮脈沖寬度達(dá)到指定的脈寬；改變脈沖上升沿的斜率、調(diào)整上升沿時(shí)間，使爬升速率變陡或變緩。由FPGA 調(diào)整此類脈沖特性，用以測(cè)試被同步裝置在各種輸入條件下的響應(yīng)性能。

（3）系統(tǒng)可控模擬輸出IRIG 系列時(shí)間報(bào)文特性及報(bào)文內(nèi)容。既可以按電力相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，缺省輸出IRIG-B（DC）碼，每秒1 幀，包含100 個(gè)碼元，每個(gè)碼元10ms[7]，脈沖上升時(shí)間≤100ns，抖動(dòng)時(shí)間≤200ns，秒準(zhǔn)時(shí)沿的時(shí)間準(zhǔn)確度優(yōu)于1us 等相關(guān)參數(shù)；還可以通過修改碼元寬度和速率，對(duì)此類參數(shù)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)設(shè)置，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)定若干偏移值，輸出可控的其他IRIG 系列時(shí)間報(bào)文。

（4）針對(duì)目前使用的網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)報(bào)文存在對(duì)時(shí)協(xié)議有多個(gè)選擇，測(cè)試數(shù)據(jù)不直觀，解析復(fù)雜等問題[8]，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不但可以檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，進(jìn)行同步準(zhǔn)確度及報(bào)文時(shí)標(biāo)的正確度測(cè)試；同時(shí)，還能夠作為時(shí)間服務(wù)器，輸出多種網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)報(bào)文，對(duì)輸出報(bào)文的格式、內(nèi)容與同步特性進(jìn)行人為設(shè)定，用以檢測(cè)測(cè)試，進(jìn)行同步性能分析評(píng)估。

2.5 可控同步/誤同步/誤碼效果反饋檢測(cè)

由于同步信號(hào)與被同步裝置之間的鏈路通常是單向的或主從方式，被同步裝置在接收到同步信號(hào)后，如何相應(yīng)及其響應(yīng)特性，對(duì)于發(fā)出同步信號(hào)的主動(dòng)方來說往往是不可知的。因此，如何驗(yàn)證被同步裝置的動(dòng)作和響應(yīng)的正確性，也是重點(diǎn)研究的一項(xiàng)指標(biāo)。為此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了“反饋數(shù)據(jù)記錄分析單元”，用來檢測(cè)被同步裝置在收到正確（同步）、偏移（誤同步）和錯(cuò)誤（誤碼）的同步信號(hào)的情況下，可能采取的響應(yīng)策略；并通過輸出模擬信號(hào)可控，同時(shí)監(jiān)測(cè)、分析被同步裝置的反饋的報(bào)文，獲得其響應(yīng)特性。檢測(cè)包括以下幾個(gè)方面：

（1）被同步裝置在收到可控誤碼的同步信號(hào)后，檢測(cè)其自身的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)否出現(xiàn)異常。以合并單元MU 為例，其不但接收同步信號(hào)，同時(shí)也會(huì)向其下游鏈路發(fā)送同步信息。利用MU 的這一特性，將可控的同步信號(hào)發(fā)送到MU，再檢測(cè)其對(duì)外輸出的對(duì)時(shí)信號(hào)，從而檢測(cè)在誤碼輸出的情況下被同步裝置的響應(yīng)特性及其魯棒性。

（2）本系統(tǒng)使用同步/異步數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的采樣值報(bào)文、時(shí)間報(bào)文等數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，提取報(bào)文中的時(shí)標(biāo)信息并分析其穩(wěn)定性、完整性，從而檢測(cè)被同步裝置在接收帶誤碼信息的同步信號(hào)情況下，能在何種程度上進(jìn)行正確判定與處理。

2.6 被同步裝置自守時(shí)能力檢測(cè)

被同步裝置接收到同步信號(hào)并校正其內(nèi)置時(shí)鐘后，撤除同步信號(hào)，裝置依靠?jī)?nèi)置時(shí)鐘繼續(xù)運(yùn)行。在此情況下，各個(gè)被同步裝置的自守時(shí)能力會(huì)存在差異。本系統(tǒng)對(duì)各被同步裝置的自守時(shí)能力進(jìn)行檢測(cè)和對(duì)比，并檢測(cè)各裝置之間的同步性。一是通過對(duì)被同步裝置進(jìn)行被授時(shí)和不予授時(shí)的對(duì)比測(cè)試，檢測(cè)其自守時(shí)能力；二是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有多路測(cè)試，能同時(shí)監(jiān)控多臺(tái)被同步裝置，檢測(cè)多臺(tái)裝置的協(xié)作同步性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，變電站時(shí)間同步裝置存在的問題較為復(fù)雜,對(duì)上百臺(tái)自動(dòng)化設(shè)備時(shí)間同步情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，還有相當(dāng)難度。當(dāng)下進(jìn)行的在變電站監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上完善時(shí)間同步特性檢測(cè)、監(jiān)控功能的工作將有效解決上述問題。智能變電站的時(shí)間同步裝置、保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、故障錄波器及IED 設(shè)備等采用IEC 60870-5-104 和IEC 61850《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》協(xié)議，將自身時(shí)間同步狀態(tài)信息傳至變電站同步特性檢測(cè)、監(jiān)控系統(tǒng), 檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)完成信息的采集、分析和存儲(chǔ), 并將結(jié)果實(shí)時(shí)上送給調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)。調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)對(duì)變電站監(jiān)控系統(tǒng)上送的信息進(jìn)行綜合分析管理能力, 并納入智能電網(wǎng)綜合智能告警信息系統(tǒng)。

本文綜合分析、研究設(shè)計(jì)的智能變電站的高精度同步特性檢測(cè)系統(tǒng)，不僅能對(duì)智能變電站授時(shí)系統(tǒng)的同步信號(hào)進(jìn)行解析與統(tǒng)計(jì)，給出檢測(cè)參考源信號(hào)的正確率、穩(wěn)定性與完整性指標(biāo)；對(duì)同步系統(tǒng)完整的鏈路進(jìn)行全面科學(xué)的檢測(cè)評(píng)估；支持智能電網(wǎng)同步系統(tǒng)的同步特性檢測(cè)與工況監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)分層管理，集中監(jiān)測(cè)。這將填補(bǔ)我國(guó)智能變電站時(shí)間同步特性檢測(cè)全套解決方案方面的空白，為開發(fā)全新的時(shí)間同步特性檢測(cè)系統(tǒng)拋磚引玉，對(duì)提高智能變電站基礎(chǔ)理論研究水平、保障智能變電站可靠運(yùn)行——電站授時(shí)系統(tǒng)嚴(yán)重故障時(shí)，該系統(tǒng)可以替代原授時(shí)系統(tǒng)的部分功能，應(yīng)急使用——具有重要意義。

[1]劉浩，鄭建勇.應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的GPS 同步時(shí)鐘[J].繼電器,2012,1.

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