宋文慶，薛占鈺，張同剛，楊　賢，李　珊

（1.國網天津市電力公司檢修公司，天津　300000；2.保定鈺鑫電氣科技有限公司，河北　保定　071051）

變電站時間同步監(jiān)測管理技術研究

宋文慶1，薛占鈺2，張同剛2，楊賢2，李珊2

（1.國網天津市電力公司檢修公司，天津300000；2.保定鈺鑫電氣科技有限公司，河北保定071051）

變電站各監(jiān)測設備的數據依賴統(tǒng)一時鐘進行分析處理?，F(xiàn)行時間同步監(jiān)測管理技術方案多采用自定義規(guī)約，即便考慮了時間偏差，都是基于通信報文下發(fā)傳輸時延與上送傳輸時延一致的情況下制定的，達不到高精度的要求。提出一種對變電站二次設備時間同步情況實時監(jiān)測的方法，該方法通過變電站二次設備自動生成時間B碼信號，接入B碼對比裝置，比較設備B碼信號和GPS生成的B碼信號，信號不一致立刻告警。其監(jiān)測精度高，可以監(jiān)測設備毫秒級的時間誤差，為電網故障分析提供精準時間支持。

B碼對比裝置；時間同步；變電站監(jiān)測；統(tǒng)一時鐘；精確校時

0　引言

隨著變電站自動化水平的提高，電力系統(tǒng)對統(tǒng)一時鐘的要求愈來愈迫切［1-2］，統(tǒng)一時鐘既可以實現(xiàn)全站在GPS時間基準下的運行監(jiān)控，也可以通過各開關動作的準確時間來分析事故的原因與過程［3］。統(tǒng)一時鐘是保證電力系統(tǒng)安全運行、提高運行水平的一個重要措施。DL/T 670—2010《微機母線保護設備通用技術條件》［4］及DL/T 663—1999《220 kV～500 kV電力系統(tǒng)故障動態(tài)記錄設備檢測要求》［5］，都明確要求對變電站設備進行校時。

大部分變電站已經安裝了統(tǒng)一時鐘，對變電站設備統(tǒng)一進行對時。220 kV變電站二次設備的對時接口方式分為3種［6］：脈沖同步信號對時、串行口對時、IRIG-B對時。

變電站的對時系統(tǒng)如圖1所示，主要包括GPS天線、GPS對時設備、對時信號線纜、二次設備等多個環(huán)節(jié)，各個環(huán)節(jié)均有可能引起對時故障，造成變電站內時間無法完全統(tǒng)一。變電站二次設備由其用途決定，時間精度要求也不盡相同，從毫秒級到微秒級不等［7］，且不能發(fā)現(xiàn)自身的時間錯誤，在發(fā)生電網故障時，變電站各個設備的時間不一致會造成上送到調度的繼電保護動作時刻不準確，給電網故障分析和繼電保護動作正確性分析帶來困難，甚至引起誤判。為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生，對變電站各設備的時間進行在線監(jiān)測成為迫切需要解決的工作。國家電網公司2014年下發(fā)了《國調中心關于加強電力系統(tǒng)時間同步運行管理工作的通知》，要求處理以上問題［8］。

圖1　變電站主要對時方式示意

1　現(xiàn)行時間同步監(jiān)測管理技術方案

1.1自定義規(guī)約直接讀取設備時間進行核對

很多裝置具備讀取設備時間功能，變電站管理機可以通過設備的通信口，利用設備廠家自定義的通信規(guī)約，讀取設備的當前時間，然后把讀取的時間與管理機時間進行比對，如果兩個時間有差異，則認為設備時間異常，如圖2所示。

圖2　現(xiàn)行時間同步監(jiān)測流程

該方式利用其自定義的通信協(xié)議，上送設備時間，以達到時間檢測的目的。這種時間同步檢測方式，雖然能達到時間檢測的目的，但各個廠家的規(guī)約不統(tǒng)一，通信接口各異，實現(xiàn)起來比較麻煩，現(xiàn)場調試工作量大；未考慮通信時延，時間校核粗略，校核精度只能到秒級，校核效果不好。

1.2國家電網公司定義標準規(guī)約進行時間核對

管理機在進行時間監(jiān)測管理時，可采用定期輪詢方式，輪詢周期可調。管理機與變電站設備之間應優(yōu)先采用網絡（NTP）方式，也可采用串口報文。根據變電站現(xiàn)場情況的不同，國家電網公司對不同變電站制定了不同的時間監(jiān)測標準規(guī)約，主要規(guī)約如表1所示。

表1　時間監(jiān)測標準主要規(guī)約

考慮到通信傳輸過程中造成的時延，在計算時間偏差時采用如圖3所示的時間偏差算法。時序圖中Δt=［（T3-T2）+（T0-T1）］/2，其中T0，T3時標由管理端給出，被監(jiān)測對象（響應端）返回T1，T2時標［9］。

圖3　時間偏差監(jiān)測時序

時間偏差監(jiān)測方法對變電站現(xiàn)場情況進行了區(qū)分，根據變電站現(xiàn)場不同情況，確定了不同的偏差監(jiān)測方式，主要包括常規(guī)變電站的NTP規(guī)約方式、103規(guī)約方式、104規(guī)約方式和智能變電站的GOOSE方式；考慮通信報文傳輸過程的時延，確定了時間偏差算法；時間偏差計算精度可以精確到毫秒；時間核對精度得到一定程度的提高，能準確監(jiān)測到10 ms級的時間偏差。

但因其主要通過軟件算法進行時間偏差監(jiān)測，也存一些缺點，各個變電站現(xiàn)場情況不同，時間偏差監(jiān)測方式不同，現(xiàn)場軟件改進工作量大，對施工人員素質要求較高；時間偏差算法是在假定通信報文下發(fā)傳輸時延與上送傳輸時延一致的情況下制定的，但報文傳輸時延可能會因各種因素產生變化，如傳輸網絡、發(fā)送端和接收端繁忙程度，接收端和發(fā)送端差異等都會引起報文傳輸時延的變化，這就可能會引起計算出的時間偏差誤差太大，誤差有可能會到10～100 ms，不能達到時間校核的目的。

2　IRIG-B碼電信號比對技術方案

2.1方案概述

在變電站內，各種設備根據自身時間生成IRIG-B碼信號，并把該信號傳輸到B碼信號校核設備；B碼信號校核設備在接入變電站運行設備B碼信號的同時，接入GPS設備的B碼信號；GPS設備的B碼信號作為標準信號，與變電站內其他運行設備的B碼信號進行電信號比對，比對結果信號輸出到時間同步監(jiān)測管理設備，具體框圖如圖4所示。

圖4　IRIG-B碼電信號比對方案

2.2IRIG-B碼信號介紹

IRIG時間編碼序列是由美國國防部下屬的靶場儀器組（IRIG）提出并被普遍應用的時間信息傳輸系統(tǒng)。該時碼序列分為G，A，B，E，H，D共6種編碼格式，應用最廣泛的是IRIG-B格式，簡稱B碼。其突出優(yōu)點是將時間同步信號和秒、分、時、天等時間碼信息加載到頻率為1kHz的信號載體中［10-12］。目前變電站中通常使用的信號載體是物理信號為RS-422電平的雙絞線。GPS系統(tǒng)接受衛(wèi)星時間信號，輸出IRIG-B時間碼序列，變電站智能設備可以掛在統(tǒng)一的對時總線上進行時間同步。變電站的智能設備采用B碼對時，就不再需要進行基于現(xiàn)場總線的通信報文對時，同時也不需要GPS輸出脈沖對時信號。B碼信號是每秒一幀的時間串碼，其基本的碼元是“0”碼元、“1”碼元和“P”碼元，每個碼元占用10 ms時間，一幀串碼含100個碼元。碼元“0”和“1”對應的脈沖寬度為2 ms和5 ms，“P”碼元是位置碼元，對應的脈沖寬度為8 ms。

連續(xù)兩個“P”碼元表明整秒的開始，第二個“P”碼元的脈沖前沿是“準時”參考點，定義其為“Pr”。每10個碼元有一個位置碼元，共有10個，定義其為P1，P2，…，B碼時間格式的時序為秒—分—時—天，所占信息位為秒7位、分7位、時6位、天10位，其位置在P0～P5之間［4］。若從“Pr”開始對碼元進行編號，分別定義為第 0，1，2，…，99碼元，則“秒”信息位于第1，2，3，4，6，7，8碼元，“分”信息位于第10，11，12，13，15，16，17碼元，“時”信息位于第20，21，22，23，25，26碼元，“天”信 息位 于 第30，31，32，33，35，36，37，38，40，41碼元。天、時、分、秒用BCD碼表示，個位在前，十位在后，個位和十位間有一個脈沖寬度為2 ms的索引標志碼元。如圖5所示。

圖5　一幀B碼脈沖序列結構

控制功能碼位于P5～P8之間。從P8碼元開始是SBS時間碼，SBS時間碼是直接用二進制的秒信號表示一天時間的時間編碼方法，共17位二進制信號，每天重復。

2.3變電站設備B碼信號生成

為了對變電站設備的運行時間進行監(jiān)測，變電站設備需要在設備中根據設備自己的運行時間生成IRIG-B信號，通過設備的單獨通信通道（422端口或485端口）輸出到B碼對比裝置，要求IRIG-B信號采用直流，便于比對。此前變電站設備一般在接收到對時信號后只是對設備的軟時鐘進行校正，未考慮對設備的采樣脈沖進行校正，這就造成各個設備的采樣脈沖差異很大；當前多數二次設備的采樣速率大約為1.2 k/s，不大于24 k/s，如果采樣脈沖不一致的話，兩個不同設備的采樣時間最大可相差近1 ms，相角將近差18°，采樣數據的時間一致性很差，對分析電網故障造成障礙。因此，要求變電站設備在接收到對時信號后，首先要校正采樣脈沖，然后才進行設備軟時鐘校對，以保證整個變電站的二次運行設備采樣脈沖統(tǒng)一。變電站設備對時流程如圖6所示。

圖6　變電站二次設備對時流程

2.4B碼對比裝置

B碼對比裝置同時接入要進行監(jiān)測時間的變電站運行設備生成的IRIG-B碼信號和GPS設備產生的標準B碼信號，每個運行設備生成的IRIG-B碼信號在B碼對比裝置與標準B碼信號組成B碼對，單獨通過硬件比較器進行比對，當B碼信號有差異時，比較器自動輸出高電平信號，高電平信號直接接入時間同步檢測設備的IO口。具體原理如圖7所示，其中虛線框中的部分為B碼比對設備的內部硬件。

圖7　B碼對比裝置原理

2.5時間同步檢測設備

時間同步檢測設備的IO口連接到B碼對比裝置的比較器輸出引腳，通過對不同IO口的實時采集，監(jiān)視相對應的運行設備時間偏差。當發(fā)現(xiàn)某IO口有高電平輸入，則可以斷定該接口對應的運行設備時間異常，時間同步檢測設備發(fā)出告警信息，提示用戶。

2.6模擬分析

為了確定B碼對比裝置的有效性，我們通過仿真器，模擬了兩組不同B碼信號，兩組信號相差1 s，同時輸入到比較器的兩個輸入引腳，兩組信號如圖8所示。

圖8　B碼信號

通過示波器，對比較器輸出引腳進行了監(jiān)視，監(jiān)視得到的信號波形如圖9所示。這說明時鐘同步檢測設備可以檢測到該信號中高電平的存在，正確發(fā)出設備時間異常告警信號。

圖9　比較器輸出引腳信號

3　結語

IRIG-B碼電信號比對方案采用硬件直接對B碼信號進行電信號對比，精度高，可以檢測到毫秒級的時間誤差；可以精準監(jiān)測各個運行設備的時間同步情況，對設備毫秒級的時間失步也可以做到有效告警，為變電站設備的可靠運行及設備故障判斷提供依據；B碼比對設備采用比較器對信號進行比對，電路簡單，實現(xiàn)方便；時間同步檢測設備采用常規(guī)的信號采樣電路，原理簡單；施工方式簡單一致，各種變電站場合均可應用，適合推廣。

IRIG-B碼電信號比對滿足現(xiàn)在各種類型變電站的時間監(jiān)測要求，為電力系統(tǒng)電網故障分析提供有效的精準時間支持，為分析總結電網故障節(jié)省時間，有效增加電力公司經濟效益。

［1］傅鴻志，朱祖儀.關于電網時間統(tǒng)一系統(tǒng)的探討［J］.電力系統(tǒng)自動化，1994，18（10）：44-46.

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［3］李瑞生，張克元，馮秋芳.電力系統(tǒng)自動化GPS精確對時的解決方案［J］.繼電器，1999，27（5）：31-32.

［4］DL/T 670—2010微機母線保護設備通用技術條件［S］.

［5］DL/T 663—1999 220 kV～500 kV電力系統(tǒng)故障動態(tài)記錄設備檢測要求［S］.

［6］于躍海，張道農，胡永輝，等.電力系統(tǒng)時間同步方案［J］.電力系統(tǒng)自動化，2008（7）：82-86.

［7］楊京渝.智能變電站高精度時鐘同步方法研究［D］.長沙：長沙理工大學，2013：20-25.

［8］國家電力調度通信中心.國調中心關于加強電力系統(tǒng)時間同步運行管理工作的通知［Z］.2014.

［9］鐘磊.IEEE1588在數字化變電站時鐘同步方面的應用［J］.電子世界，2013（1）：54-55.

［10］陳超.基于GPS的智能變電站高精度時鐘設計與實現(xiàn) ［D］.南京：南京理工大學，2014：66-68.

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Time Synchronization Monitoring and Control Technology in Substations

SONG Wenqing1，XUE Zhanyu2，ZHANG Tonggang2，YANG Xian2，LI Shan2
（1.State Grid Tianjin Electric Power Maintenance Company，Tianjin 300000，China；2.Baoding Yuxin Electrical Technology Co.，Ltd.，Baoding，071051，China）

Data analyzing and processing of monitoring equipment in the substation depend on unified clock.The existing time synchronization monitoring and management technology schemes mostly use the custom protocol and are formulated based on the delay of sending communication message and receiving on favorable.Even if with time deviation taken into account，schemes can not meet requirements of high precision.A method of real-time monitoring time synchronization of secondary equipment in substations is presented.The method needs B code signal automatic generation of the secondary equipment and compares it with the B code signal from GPS in B code comparison device，and alarm is immediately given out when they be found inconsistent. The method has high monitoring precision and it can monitor the millisecond time error and can provide accurate time effective support for power system fault analysis.

B code comparison device；time synchronization；substation monitoring；uniform clock；precise timing

TM63

A

1007-9904（2015）11-0020-05

2015-08-05

宋文慶（1977），男，高級工程師，從事繼電保護相關工作；薛占鈺 （1969），男，從事電力系統(tǒng)自動化相關工作；張同剛 （1972），男，工程師，從事電力系統(tǒng)自動化相關工作；楊賢 （1983），女，從事電力系統(tǒng)自動化相關工作；李珊（1989），女，從事電力系統(tǒng)自動化相關工作。