宋文慶，薛占鈺，張同剛，楊　賢，李　珊

（1.國網(wǎng)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(shí)間同步監(jiān)測(cè)管理技術(shù)研究

宋文慶1，薛占鈺2，張同剛2，楊賢2，李珊2

（1.國網(wǎng)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(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)依賴統(tǒng)一時(shí)鐘進(jìn)行分析處理?，F(xiàn)行時(shí)間同步監(jiān)測(cè)管理技術(shù)方案多采用自定義規(guī)約，即便考慮了時(shí)間偏差，都是基于通信報(bào)文下發(fā)傳輸時(shí)延與上送傳輸時(shí)延一致的情況下制定的，達(dá)不到高精度的要求。提出一種對(duì)變電站二次設(shè)備時(shí)間同步情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法，該方法通過變電站二次設(shè)備自動(dòng)生成時(shí)間B碼信號(hào)，接入B碼對(duì)比裝置，比較設(shè)備B碼信號(hào)和GPS生成的B碼信號(hào)，信號(hào)不一致立刻告警。其監(jiān)測(cè)精度高，可以監(jiān)測(cè)設(shè)備毫秒級(jí)的時(shí)間誤差，為電網(wǎng)故障分析提供精準(zhǔn)時(shí)間支持。

B碼對(duì)比裝置；時(shí)間同步；變電站監(jiān)測(cè)；統(tǒng)一時(shí)鐘；精確校時(shí)

0　引言

隨著變電站自動(dòng)化水平的提高，電力系統(tǒng)對(duì)統(tǒng)一時(shí)鐘的要求愈來愈迫切［1-2］，統(tǒng)一時(shí)鐘既可以實(shí)現(xiàn)全站在GPS時(shí)間基準(zhǔn)下的運(yùn)行監(jiān)控，也可以通過各開關(guān)動(dòng)作的準(zhǔn)確時(shí)間來分析事故的原因與過程［3］。統(tǒng)一時(shí)鐘是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行、提高運(yùn)行水平的一個(gè)重要措施。DL/T 670—2010《微機(jī)母線保護(hù)設(shè)備通用技術(shù)條件》［4］及DL/T 663—1999《220 kV～500 kV電力系統(tǒng)故障動(dòng)態(tài)記錄設(shè)備檢測(cè)要求》［5］，都明確要求對(duì)變電站設(shè)備進(jìn)行校時(shí)。

大部分變電站已經(jīng)安裝了統(tǒng)一時(shí)鐘，對(duì)變電站設(shè)備統(tǒng)一進(jìn)行對(duì)時(shí)。220 kV變電站二次設(shè)備的對(duì)時(shí)接口方式分為3種［6］：脈沖同步信號(hào)對(duì)時(shí)、串行口對(duì)時(shí)、IRIG-B對(duì)時(shí)。

變電站的對(duì)時(shí)系統(tǒng)如圖1所示，主要包括GPS天線、GPS對(duì)時(shí)設(shè)備、對(duì)時(shí)信號(hào)線纜、二次設(shè)備等多個(gè)環(huán)節(jié)，各個(gè)環(huán)節(jié)均有可能引起對(duì)時(shí)故障，造成變電站內(nèi)時(shí)間無法完全統(tǒng)一。變電站二次設(shè)備由其用途決定，時(shí)間精度要求也不盡相同，從毫秒級(jí)到微秒級(jí)不等［7］，且不能發(fā)現(xiàn)自身的時(shí)間錯(cuò)誤，在發(fā)生電網(wǎng)故障時(shí)，變電站各個(gè)設(shè)備的時(shí)間不一致會(huì)造成上送到調(diào)度的繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)刻不準(zhǔn)確，給電網(wǎng)故障分析和繼電保護(hù)動(dòng)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(duì)變電站各設(shè)備的時(shí)間進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)成為迫切需要解決的工作。國家電網(wǎng)公司2014年下發(fā)了《國調(diào)中心關(guān)于加強(qiáng)電力系統(tǒng)時(shí)間同步運(yùn)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(duì)時(shí)方式示意

1　現(xiàn)行時(shí)間同步監(jiān)測(cè)管理技術(shù)方案

1.1自定義規(guī)約直接讀取設(shè)備時(shí)間進(jìn)行核對(duì)

很多裝置具備讀取設(shè)備時(shí)間功能，變電站管理機(jī)可以通過設(shè)備的通信口，利用設(shè)備廠家自定義的通信規(guī)約，讀取設(shè)備的當(dāng)前時(shí)間，然后把讀取的時(shí)間與管理機(jī)時(shí)間進(jìn)行比對(duì)，如果兩個(gè)時(shí)間有差異，則認(rèn)為設(shè)備時(shí)間異常，如圖2所示。

圖2　現(xiàn)行時(shí)間同步監(jiān)測(cè)流程

該方式利用其自定義的通信協(xié)議，上送設(shè)備時(shí)間，以達(dá)到時(shí)間檢測(cè)的目的。這種時(shí)間同步檢測(cè)方式，雖然能達(dá)到時(shí)間檢測(cè)的目的，但各個(gè)廠家的規(guī)約不統(tǒng)一，通信接口各異，實(shí)現(xiàn)起來比較麻煩，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作量大；未考慮通信時(shí)延，時(shí)間校核粗略，校核精度只能到秒級(jí)，校核效果不好。

1.2國家電網(wǎng)公司定義標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約進(jìn)行時(shí)間核對(duì)

管理機(jī)在進(jìn)行時(shí)間監(jiān)測(cè)管理時(shí)，可采用定期輪詢方式，輪詢周期可調(diào)。管理機(jī)與變電站設(shè)備之間應(yīng)優(yōu)先采用網(wǎng)絡(luò)（NTP）方式，也可采用串口報(bào)文。根據(jù)變電站現(xiàn)場(chǎng)情況的不同，國家電網(wǎng)公司對(duì)不同變電站制定了不同的時(shí)間監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約，主要規(guī)約如表1所示。

表1　時(shí)間監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)約

考慮到通信傳輸過程中造成的時(shí)延，在計(jì)算時(shí)間偏差時(shí)采用如圖3所示的時(shí)間偏差算法。時(shí)序圖中Δt=［（T3-T2）+（T0-T1）］/2，其中T0，T3時(shí)標(biāo)由管理端給出，被監(jiān)測(cè)對(duì)象（響應(yīng)端）返回T1，T2時(shí)標(biāo)［9］。

圖3　時(shí)間偏差監(jiān)測(cè)時(shí)序

時(shí)間偏差監(jiān)測(cè)方法對(duì)變電站現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行了區(qū)分，根據(jù)變電站現(xiàn)場(chǎng)不同情況，確定了不同的偏差監(jiān)測(cè)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(bào)文傳輸過程的時(shí)延，確定了時(shí)間偏差算法；時(shí)間偏差計(jì)算精度可以精確到毫秒；時(shí)間核對(duì)精度得到一定程度的提高，能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到10 ms級(jí)的時(shí)間偏差。

但因其主要通過軟件算法進(jìn)行時(shí)間偏差監(jiān)測(cè)，也存一些缺點(diǎn)，各個(gè)變電站現(xiàn)場(chǎng)情況不同，時(shí)間偏差監(jiān)測(cè)方式不同，現(xiàn)場(chǎng)軟件改進(jìn)工作量大，對(duì)施工人員素質(zhì)要求較高；時(shí)間偏差算法是在假定通信報(bào)文下發(fā)傳輸時(shí)延與上送傳輸時(shí)延一致的情況下制定的，但報(bào)文傳輸時(shí)延可能會(huì)因各種因素產(chǎn)生變化，如傳輸網(wǎng)絡(luò)、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(huì)引起報(bào)文傳輸時(shí)延的變化，這就可能會(huì)引起計(jì)算出的時(shí)間偏差誤差太大，誤差有可能會(huì)到10～100 ms，不能達(dá)到時(shí)間校核的目的。

2　IRIG-B碼電信號(hào)比對(duì)技術(shù)方案

2.1方案概述

在變電站內(nèi)，各種設(shè)備根據(jù)自身時(shí)間生成IRIG-B碼信號(hào)，并把該信號(hào)傳輸?shù)紹碼信號(hào)校核設(shè)備；B碼信號(hào)校核設(shè)備在接入變電站運(yùn)行設(shè)備B碼信號(hào)的同時(shí)，接入GPS設(shè)備的B碼信號(hào)；GPS設(shè)備的B碼信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，與變電站內(nèi)其他運(yùn)行設(shè)備的B碼信號(hào)進(jìn)行電信號(hào)比對(duì)，比對(duì)結(jié)果信號(hào)輸出到時(shí)間同步監(jiān)測(cè)管理設(shè)備，具體框圖如圖4所示。

圖4　IRIG-B碼電信號(hào)比對(duì)方案

2.2IRIG-B碼信號(hào)介紹

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

連續(xù)兩個(gè)“P”碼元表明整秒的開始，第二個(gè)“P”碼元的脈沖前沿是“準(zhǔn)時(shí)”參考點(diǎn)，定義其為“Pr”。每10個(gè)碼元有一個(gè)位置碼元，共有10個(gè)，定義其為P1，P2，…，B碼時(shí)間格式的時(shí)序?yàn)槊搿帧獣r(shí)—天，所占信息位為秒7位、分7位、時(shí)6位、天10位，其位置在P0～P5之間［4］。若從“Pr”開始對(duì)碼元進(jìn)行編號(hào)，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(shí)”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(shí)、分、秒用BCD碼表示，個(gè)位在前，十位在后，個(gè)位和十位間有一個(gè)脈沖寬度為2 ms的索引標(biāo)志碼元。如圖5所示。

圖5　一幀B碼脈沖序列結(jié)構(gòu)

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

2.3變電站設(shè)備B碼信號(hào)生成

為了對(duì)變電站設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)，變電站設(shè)備需要在設(shè)備中根據(jù)設(shè)備自己的運(yùn)行時(shí)間生成IRIG-B信號(hào)，通過設(shè)備的單獨(dú)通信通道（422端口或485端口）輸出到B碼對(duì)比裝置，要求IRIG-B信號(hào)采用直流，便于比對(duì)。此前變電站設(shè)備一般在接收到對(duì)時(shí)信號(hào)后只是對(duì)設(shè)備的軟時(shí)鐘進(jìn)行校正，未考慮對(duì)設(shè)備的采樣脈沖進(jìn)行校正，這就造成各個(gè)設(shè)備的采樣脈沖差異很大；當(dāng)前多數(shù)二次設(shè)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(gè)不同設(shè)備的采樣時(shí)間最大可相差近1 ms，相角將近差18°，采樣數(shù)據(jù)的時(shí)間一致性很差，對(duì)分析電網(wǎng)故障造成障礙。因此，要求變電站設(shè)備在接收到對(duì)時(shí)信號(hào)后，首先要校正采樣脈沖，然后才進(jìn)行設(shè)備軟時(shí)鐘校對(duì)，以保證整個(gè)變電站的二次運(yùn)行設(shè)備采樣脈沖統(tǒng)一。變電站設(shè)備對(duì)時(shí)流程如圖6所示。

圖6　變電站二次設(shè)備對(duì)時(shí)流程

2.4B碼對(duì)比裝置

B碼對(duì)比裝置同時(shí)接入要進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)間的變電站運(yùn)行設(shè)備生成的IRIG-B碼信號(hào)和GPS設(shè)備產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)B碼信號(hào)，每個(gè)運(yùn)行設(shè)備生成的IRIG-B碼信號(hào)在B碼對(duì)比裝置與標(biāo)準(zhǔn)B碼信號(hào)組成B碼對(duì)，單獨(dú)通過硬件比較器進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)B碼信號(hào)有差異時(shí)，比較器自動(dòng)輸出高電平信號(hào)，高電平信號(hào)直接接入時(shí)間同步檢測(cè)設(shè)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(duì)設(shè)備的內(nèi)部硬件。

圖7　B碼對(duì)比裝置原理

2.5時(shí)間同步檢測(cè)設(shè)備

時(shí)間同步檢測(cè)設(shè)備的IO口連接到B碼對(duì)比裝置的比較器輸出引腳，通過對(duì)不同IO口的實(shí)時(shí)采集，監(jiān)視相對(duì)應(yīng)的運(yùn)行設(shè)備時(shí)間偏差。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某IO口有高電平輸入，則可以斷定該接口對(duì)應(yīng)的運(yùn)行設(shè)備時(shí)間異常，時(shí)間同步檢測(cè)設(shè)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(duì)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(hào)，兩組信號(hào)相差1 s，同時(shí)輸入到比較器的兩個(gè)輸入引腳，兩組信號(hào)如圖8所示。

圖8　B碼信號(hào)

通過示波器，對(duì)比較器輸出引腳進(jìn)行了監(jiān)視，監(jiān)視得到的信號(hào)波形如圖9所示。這說明時(shí)鐘同步檢測(cè)設(shè)備可以檢測(cè)到該信號(hào)中高電平的存在，正確發(fā)出設(shè)備時(shí)間異常告警信號(hào)。

圖9　比較器輸出引腳信號(hào)

3　結(jié)語

IRIG-B碼電信號(hào)比對(duì)方案采用硬件直接對(duì)B碼信號(hào)進(jìn)行電信號(hào)對(duì)比，精度高，可以檢測(cè)到毫秒級(jí)的時(shí)間誤差；可以精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)各個(gè)運(yùn)行設(shè)備的時(shí)間同步情況，對(duì)設(shè)備毫秒級(jí)的時(shí)間失步也可以做到有效告警，為變電站設(shè)備的可靠運(yùn)行及設(shè)備故障判斷提供依據(jù)；B碼比對(duì)設(shè)備采用比較器對(duì)信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，電路簡單，實(shí)現(xiàn)方便；時(shí)間同步檢測(cè)設(shè)備采用常規(guī)的信號(hào)采樣電路，原理簡單；施工方式簡單一致，各種變電站場(chǎng)合均可應(yīng)用，適合推廣。

IRIG-B碼電信號(hào)比對(duì)滿足現(xiàn)在各種類型變電站的時(shí)間監(jiān)測(cè)要求，為電力系統(tǒng)電網(wǎng)故障分析提供有效的精準(zhǔn)時(shí)間支持，為分析總結(jié)電網(wǎng)故障節(jié)省時(shí)間，有效增加電力公司經(jīng)濟(jì)效益。

［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［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1994，18（10）：44-46.

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［4］DL/T 670—2010微機(jī)母線保護(hù)設(shè)備通用技術(shù)條件［S］.

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

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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(jí)工程師，從事繼電保護(hù)相關(guān)工作；薛占鈺 （1969），男，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化相關(guān)工作；張同剛 （1972），男，工程師，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化相關(guān)工作；楊賢 （1983），女，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化相關(guān)工作；李珊（1989），女，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化相關(guān)工作。