陳志剛彭學(xué)軍張道農(nóng)

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102；2.華北電力設(shè)計院工程有限公司，北京 100120）

智能變電站時間同步在線監(jiān)測研究

陳志剛1彭學(xué)軍1張道農(nóng)2

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102；2.華北電力設(shè)計院工程有限公司，北京 100120）

本文闡述了目前智能變電站廣泛采用的對時方案以及時間同步對智能變電站安全穩(wěn)定運行的意義，介紹了一種基于 SNTP乒乓原理來實現(xiàn)智能變電站內(nèi)所有自動化設(shè)備的時間同步在線監(jiān)測方案，提出了一種基于同步脈沖監(jiān)測裝置來實現(xiàn)合并單元采樣同步脈沖的監(jiān)測方案，用于實時監(jiān)測采樣同步脈沖，同時將監(jiān)測數(shù)據(jù)及自身狀態(tài)通過MMS上送到變電站站控層網(wǎng)絡(luò)，并通過試驗平臺驗證了其可靠性。此方案對于提高采用SV數(shù)據(jù)組網(wǎng)模式的智能變電站的可靠性有一定的參考意義。

智能變電站；時間同步；在線監(jiān)測；合并單元

隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴大和自動化水平的提高，電網(wǎng)調(diào)度實行分層多級管理，為保證電網(wǎng)安全和經(jīng)濟運行，各種以計算機技術(shù)和通信技術(shù)為基礎(chǔ)的自動化裝置被廣泛應(yīng)用，不僅變電站、發(fā)電廠和調(diào)度中心內(nèi)部眾多與時間有密切關(guān)系的自動化設(shè)備和數(shù)字化控制系統(tǒng)對統(tǒng)一、精確授時的依賴程度越來越高，而且電網(wǎng)內(nèi)對發(fā)生事件的記錄，如電網(wǎng)故障時刻的確認(rèn)、事件記錄和告警時間的準(zhǔn)確統(tǒng)一等對時間精度的要求越來越高。建設(shè)統(tǒng)一時間同步網(wǎng)，既可實現(xiàn)全網(wǎng)各系統(tǒng)在統(tǒng)一時間基準(zhǔn)下的運行監(jiān)控，也可以通過各開關(guān)動作的先后順序來分析事故的原因及發(fā)展過程［1］。

目前廠站的時鐘設(shè)備的同步狀態(tài)及對時精度尚缺乏必要的檢測措施及手段；廠站的時鐘設(shè)備與被對時設(shè)備間采用開環(huán)的模式，生產(chǎn)維護人員無法掌握站內(nèi)被對時設(shè)備的對時狀態(tài)及對時精度。這些問題導(dǎo)致在涉及多個電網(wǎng)節(jié)點故障的事故后分析時暴露出站內(nèi)及站間保護、后臺等事件記錄時間不一致的問題，這不僅會影響對事故的全面、客觀、準(zhǔn)確分析，而且還影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性［2］。

為解決廠站的時鐘同步在線監(jiān)視的短板，國家電網(wǎng)公司發(fā)布了技術(shù)要求［3］，從低建設(shè)成本、低管理成本、低技術(shù)風(fēng)險的角度出發(fā)，利用SNTP乒乓原理和分層管理的模式，通過軟件的方式實現(xiàn)了調(diào)度端到廠站端的各種自動化設(shè)備的對時狀態(tài)和對時精度的監(jiān)控。

與常規(guī)變電站相比，智能變電站的結(jié)構(gòu)體系存在巨大的差異。智能變電站的二次系統(tǒng)通常包含電子式互感器、合并單元、交換機、保護、測控等設(shè)備，互感器、保護以及斷路器之間復(fù)雜的電纜硬導(dǎo)線連接被光纖所代替。保護測控等設(shè)備的電流電壓采樣值輸入也由模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號輸入，保護測控設(shè)備的模擬信號采樣由裝置內(nèi)實現(xiàn)變?yōu)楦骱喜卧獙崿F(xiàn)，這些變化對智能變電站的時鐘同步系統(tǒng)提出了更高的要求［4］。

本文介紹了目前變電站時間同步在線監(jiān)測的現(xiàn)狀以及存在的一些問題，并提出了一種針對智能變電站合并單元采樣同步脈沖的監(jiān)測方案，此方案對于提高采用 SV數(shù)據(jù)組網(wǎng)模式的智能變電站的可靠性有一定的參考意義。

1 傳統(tǒng)時間同步監(jiān)測系統(tǒng)

為解決廠站端時間同步設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視問題，國網(wǎng)公司系統(tǒng)內(nèi)主要有兩種時間同步在線監(jiān)測方案。

1）山西電力時間同步監(jiān)測系統(tǒng)

主站監(jiān)控系統(tǒng)通過DL/T 634.5104規(guī)約對廠站端時間同步裝置進行監(jiān)測，主要采集內(nèi)容包括時鐘運行狀態(tài)信息、同步信息、擴展鐘、業(yè)務(wù)板塊狀態(tài)，以及廠站頻率，如圖1所示。

圖1 山西電力時間同步監(jiān)測系統(tǒng)

2）華北網(wǎng)局電力時間同步監(jiān)測系統(tǒng)

時間同步裝置提供空節(jié)點形式的天脈沖輸出至被授時裝置遙信開入，同時增加一臺時間同步在線監(jiān)測裝置來在線采集并分析被授時設(shè)備的遙信變位信息，并將時間誤差通過DL/T 634.5104規(guī)約上送到主站監(jiān)控系統(tǒng)，如圖2所示。

方案1中實現(xiàn)了主站對廠站時鐘裝置本身的實時監(jiān)測。而廠站主備時鐘也僅僅對站內(nèi)二次設(shè)備實現(xiàn)了單向授時，未能在廠站端乃至調(diào)度端實現(xiàn)對站內(nèi)二次設(shè)備之間授時信息的同步閉環(huán)監(jiān)測。

圖2 華北網(wǎng)局天脈沖監(jiān)測系統(tǒng)

方案2中實現(xiàn)了主站對廠站端部分二次設(shè)備的定時閉環(huán)監(jiān)測。該方案需要時鐘裝置除了給被授時裝置提供B碼對時信號外，還要提供一個天脈沖空節(jié)點，同時還需要增加時間監(jiān)測設(shè)備。

2 時間同步監(jiān)測管理

國家電網(wǎng)公司提出的變電站時間同步監(jiān)測管理方案從低建設(shè)成本、低管理成本、低技術(shù)風(fēng)險的角度出發(fā)，利用SNTP乒乓原理和分層管理的模式，在原有變電站自動化系統(tǒng)上建立一套通信技術(shù)及軟件來實現(xiàn)系統(tǒng)級的時間同步狀態(tài)在線監(jiān)測功能。不僅要對時鐘裝置進行監(jiān)測，更要將被授時系統(tǒng)及設(shè)備的時間同步工作狀態(tài)納入監(jiān)測范圍。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由時鐘裝置和被授時裝置構(gòu)成，其中被授時系統(tǒng)包括變電站監(jiān)控系統(tǒng)、智能組件、故障錄波器、PMU、測控裝置、繼電保護裝置和安全穩(wěn)定控制裝置等，如圖3所示。

圖3 變電站時間同步監(jiān)測管理系統(tǒng)

2.2 技術(shù)原則

1）廠站端

廠站端監(jiān)控主機作為站控層時間同步監(jiān)測管理者，基于SNTP乒乓原理實現(xiàn)對時鐘裝置、測控裝置、故障錄波裝置、PMU等的時間同步監(jiān)測；測控裝置作為間隔層時間同步監(jiān)測管理者，基于 SNTP乒乓原理通過 GOOSE實現(xiàn)對合并單元、智能終端等的時間同步監(jiān)測。

2）調(diào)度主站

調(diào)度主站前置網(wǎng)關(guān)機作為時間同步監(jiān)測管理者，通過DL/T 476或DL/T 634.5104，基于乒乓原理實現(xiàn)對廠站端通信網(wǎng)關(guān)機的時間同步監(jiān)測管理。

2.3 基本原理

變電站時間同步監(jiān)測使用SNTP作為基本監(jiān)測手段，并通過兩層保護措施來避免與對時服務(wù)沖突。

1）IP協(xié)議的訪問控制

對時服務(wù)端僅存在于時鐘裝置，監(jiān)測服務(wù)端存在于被監(jiān)測裝置，因此正確配置IP地址后，監(jiān)測的請求不會與對時請求混淆，保證了不同用途的SNTP服務(wù)不會沖突。

2）協(xié)議標(biāo)識的訪問控制

在 SNTP報文的 ReferenceIdentifier字段增加“TSSM”標(biāo)識，并且保證監(jiān)測服務(wù)端不應(yīng)響應(yīng)“TSSM”標(biāo)識以外的請求報文，對時服務(wù)端則不應(yīng)響應(yīng)標(biāo)識為“TSSM”的請求，從而保證了任何情況下兩者不會沖突。

時間同步監(jiān)測 SNTP協(xié)議采用客戶/服務(wù)器模式，其中時間管理服務(wù)器為客戶端，被監(jiān)測設(shè)備為服務(wù)端。時間管理服務(wù)器定期向被監(jiān)測設(shè)備發(fā)送報文，時間管理服務(wù)器按照被監(jiān)測設(shè)備返回的時鐘報文計算時鐘偏差。

圖4中時間管理服務(wù)器在T0時刻發(fā)送“監(jiān)測時鐘請求”；被監(jiān)測設(shè)備在T1時刻收到“監(jiān)測時鐘請求”報文，并在T2時刻返回“監(jiān)測時鐘請求結(jié)果”；時間管理服務(wù)器在 T3時刻收到“監(jiān)測時鐘請求結(jié)果”報文。通過計算可以得到時間管理服務(wù)器與被監(jiān)測設(shè)備之間的時間誤差Δt=［（T3-T2）+（T0-T1）］/2。

圖4 變電站時間同步監(jiān)測管理系統(tǒng)基本原理

2.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)

時間同步狀態(tài)在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)分為對時狀態(tài)測量數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)自檢數(shù)據(jù)。其中對時狀態(tài)通過乒乓法測得，是時間同步管理的主要監(jiān)測數(shù)據(jù)，當(dāng)管理端發(fā)現(xiàn)被監(jiān)測設(shè)備時間同步異常時，管理端應(yīng)生成告警信息，并通過告警網(wǎng)關(guān)機或數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機上送相應(yīng)調(diào)控中心；設(shè)備狀態(tài)自檢的目的主要是被監(jiān)測設(shè)備自身基于可預(yù)見故障設(shè)置的策略，快速偵測自身的故障點。被授時設(shè)備和時鐘設(shè)備的狀態(tài)信息見表1、表2。

表1 被授時設(shè)備狀態(tài)信息

表2 時鐘設(shè)備狀態(tài)信息

3 合并單元時間同步監(jiān)測管理

3.1 現(xiàn)有方案

變電站時間同步監(jiān)測管理系統(tǒng)中，監(jiān)控主機通過測控裝置間接管理合并單元，測控裝置通過基于GOOSE的管理報文監(jiān)測合并單元的時間同步狀態(tài)，再將結(jié)果報告監(jiān)控系統(tǒng)主機。該方案實現(xiàn)了合并單元時標(biāo)毫秒級別的誤差測量，但無法滿足 SV組網(wǎng)條件下的采樣同步精度測量要求。

3.2 改進方案

智能變電站合并單元部分采用SV組網(wǎng)的方式，有利于 SV采樣數(shù)據(jù)的共享和分析。但是該方式依賴于時間同步信號，當(dāng)時鐘源發(fā)生抖動時，容易造成跨間隔保護裝置采樣數(shù)據(jù)的不同步，嚴(yán)重時可能會引起保護誤動作。合并單元提供了一個 1PPS脈沖輸出接口用于測量其自身輸出的采樣同步脈沖精度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［5］要求其采樣值同步精度應(yīng)不大于1μs。

為了完善變電站時間同步監(jiān)測管理方案，本文提出采用同步脈沖監(jiān)測裝置（TMU）來實現(xiàn)合并單元同步脈沖的采集監(jiān)視，如圖5所示。TMU裝置接收全站統(tǒng)一的時間同步對時信號或獨立配置北斗、GPS衛(wèi)星源，裝置具備采集分析所有合并單元的同步脈沖信號的能力，分析誤差結(jié)果和自身的同步狀態(tài)實時通過DL/T 860和DL/T 634.5104通信規(guī)約上送至管理軟件，同時保護裝置也可以通過 GOOSE或MMS網(wǎng)絡(luò)獲得相應(yīng)間隔合并單元的同步狀態(tài)。

圖5 合并單元同步脈沖監(jiān)視基本原理

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

TMU裝置自身時間穩(wěn)定性直接影響監(jiān)測結(jié)果，而晶體老化會導(dǎo)致恒溫晶振的輸出頻率按照對數(shù)曲線發(fā)生變化［6］，因此TMU裝置需要通過外部時間源馴服自身的恒溫晶體，保證其本地時間的穩(wěn)定性。

晶體頻率隨時間的變化率（老化率）可以通過式（1）來表示。

式中，F(xiàn)表示晶體頻率；t表示時間。當(dāng)βt>>1時，式（1）可以做如下轉(zhuǎn)換:

利用時間馴服單元獲得的頻率，并結(jié)合線性回歸算法可以得到參數(shù)A、B，從而獲得中晶體的老化曲線。

圖6中的虛線部分為晶振頻率采樣數(shù)據(jù)，實線部分為采用一元線性回歸算法擬合的曲線。

3.4 試驗平臺

為驗證 TMU裝置的自身時間穩(wěn)定性以及監(jiān)測性能，本文按照圖7搭建了測試平臺。其中合并單元通過時間同步裝置輸出的IRIG-B信號對時，TMU裝置實時采集時間同步裝置和合并單元輸出的1PPS脈沖。

通過測試可以發(fā)現(xiàn)待測1PPS信號與TMU裝置相對抖動不大于30ns，其精度及穩(wěn)定度滿足合并單元技術(shù)條件中規(guī)定的采樣值同步精度應(yīng)不大于 1μs的要求。

圖6 晶振頻率擬合曲線

圖7 試驗平臺示意圖

圖8 時間同步裝置1PPS監(jiān)視數(shù)據(jù)

圖9 合并單元1PPS監(jiān)視數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文介紹了傳統(tǒng)變電站時間同步在線監(jiān)測的兩種方式以及基于SNTP乒乓原理變電站時間同步監(jiān)測管理系統(tǒng)，提出一種通過同步脈沖監(jiān)測裝置來實現(xiàn)智能變電站合并單元采樣同步脈沖監(jiān)測方法，用于實時監(jiān)測數(shù)據(jù)及自身狀態(tài)，同時將監(jiān)測數(shù)據(jù)及自身狀態(tài)通過 MMS上送到變電站站控層網(wǎng)絡(luò)，并通過試驗平臺驗證了自身的精度和穩(wěn)定度。該方案可以解決目前智能變電站合并單元同步脈沖無法實時監(jiān)視的問題，對于提高采用 SV數(shù)據(jù)組網(wǎng)模式的智能變電站的可靠性有一定的參考意義。

［1］翁軍美.電網(wǎng)自動化系統(tǒng)時鐘設(shè)備同步實時監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用［D］.杭州：浙江大學(xué)，2010.

［2］于躍海，張道農(nóng)，胡永輝，等.電力系統(tǒng)時間同步方案［J］.電力系統(tǒng)自動化，2008，32（7）：82-86.

［3］國家電網(wǎng)公司.關(guān)于開展廠站時鐘同步裝置應(yīng)用情況調(diào)研的通知［Z］.北京，2013.

［4］呂航，李力.變電站同步信號異常對保護裝置影響及對策［J］.電力系統(tǒng)自動化，2012，36（19）：89-93.

［5］國家能源局.DL/T 282—2012.合并單元技術(shù)條件［S］.北京：中國電力出版社，2012.

［6］胡錦麟，施松江.晶體振蕩器的對數(shù)老化規(guī)律［J］.電子技術(shù)，1980，12（12）：17-19.

Online Monitoring of Time Synchronization in Smart Substation

Chen Zhigang1Peng Xuejun1Zhang Daonong2
（1.NARI-Relays Electric Co.，Ltd，Nanjing 211102；2.North China Power Engineering Co.，Ltd，Beijing 100120）

This paper describes the currently widely used in Smart Substation clock synchronization and time synchronization of smart substation safe and stable operation of the significance，introduces a kind of based on the principle of SNTP ping-pong to achieve all automation equipment in the substation intelligent time synchronization scheme of online monitoring system.A monitoring method based on the synchronized pulse monitoring device is proposed to realize the monitoring scheme of the merging unit sampling synchronous pulse，which is used for real-time monitoring of the synchronous pulse，and the monitoring data and its own state are sent to the substation station control network through MMS，and its reliability is verified by the test platform.This scheme has some reference value for improving the reliability of the intelligent substation using SV data networking mode.

smart substation； time synchronization； online monitoring； MU

陳志剛（1983-），男，江蘇南通人，工程師，主要從事電力系統(tǒng)時間同步設(shè)備、智能一次設(shè)備研發(fā)工作。