范三龍，李永征

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牽引變電所多時(shí)鐘源對(duì)時(shí)策略研究

范三龍，李永征

為了構(gòu)建可靠的牽引變電所時(shí)鐘同步系統(tǒng)，在分析牽引變電所典型時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的基礎(chǔ)上，介紹了牽引變電所的主要時(shí)鐘源屬性，提出了通信管理機(jī)和保護(hù)測(cè)控裝置各自基于優(yōu)先級(jí)的對(duì)時(shí)策略，利用誤差傳遞公式計(jì)算了各級(jí)時(shí)鐘失效后的守時(shí)時(shí)間，為牽引變電所二次設(shè)備時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

變電所自動(dòng)化系統(tǒng)；時(shí)鐘同步；誤差傳遞公式

0 引言

時(shí)鐘同步對(duì)于電力系統(tǒng)的故障分析、監(jiān)視控制及運(yùn)行管理具有重要意義，統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)是進(jìn)行分析、故障處理和運(yùn)行管理的基礎(chǔ)[1]。我國高速鐵路牽引網(wǎng)采用全并聯(lián)AT供電方式，其分段保護(hù)和故障測(cè)距需同步采集牽引網(wǎng)沿線的信息，因此整條供電臂的時(shí)鐘需要保持一定的同步精度[2]，牽引變電所的時(shí)鐘同步尤顯重要。

牽引變電所自動(dòng)化系統(tǒng)有多個(gè)時(shí)鐘源（單一時(shí)鐘源無法構(gòu)建可靠的時(shí)鐘同步系統(tǒng)），時(shí)鐘源的運(yùn)行又存在不確定性。對(duì)時(shí)方案需根據(jù)不同時(shí)鐘源的運(yùn)行情況進(jìn)行選擇，同時(shí)還應(yīng)具有足夠的靈活性，以便在某些時(shí)鐘源失效后，對(duì)時(shí)系統(tǒng)仍然可以可靠運(yùn)行。只有不同時(shí)鐘源對(duì)時(shí)方式互相協(xié)調(diào)，才能構(gòu)建精確、可靠的時(shí)鐘同步系統(tǒng)，本文將對(duì)牽引變電所多時(shí)鐘源的對(duì)時(shí)策略進(jìn)行研究。

1 牽引變電所時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)

牽引變電所時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)主要由調(diào)度中心、衛(wèi)星時(shí)鐘裝置（模塊）、遠(yuǎn)動(dòng)服務(wù)器（通信管理機(jī)）、保護(hù)測(cè)控裝置、所內(nèi)監(jiān)控計(jì)算機(jī)（當(dāng)?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)）等構(gòu)成。為保持全線變電所時(shí)鐘的統(tǒng)一，通常采用通信報(bào)文對(duì)時(shí)與脈沖校正、IRIG-B碼（簡(jiǎn)稱B碼）專網(wǎng)授時(shí)、SNTP、IEC61588等時(shí)鐘同步協(xié)議[3]。圖1和圖2所示為2種典型變電所自動(dòng)化系統(tǒng)的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，圖中標(biāo)出了授時(shí)信號(hào)至變電所二次設(shè)備的連接方式。

圖1 通信報(bào)文配合脈沖對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2 獨(dú)立衛(wèi)星時(shí)鐘裝置對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖1中，變電所自動(dòng)化系統(tǒng)采用秒脈沖配合通信報(bào)文對(duì)時(shí)方式。通信管理機(jī)是系統(tǒng)的時(shí)鐘中心，其內(nèi)置衛(wèi)星時(shí)鐘模塊，在衛(wèi)星時(shí)鐘工作正常時(shí)，從衛(wèi)星時(shí)鐘模塊獲得精確時(shí)鐘，同時(shí)獲取秒脈沖；當(dāng)衛(wèi)星時(shí)鐘失效時(shí)，從調(diào)度中心獲得時(shí)鐘，并自行產(chǎn)生秒脈沖。通信管理機(jī)通過秒脈沖和網(wǎng)絡(luò)通信報(bào)文為保護(hù)、測(cè)控裝置對(duì)時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)通信報(bào)文為所內(nèi)監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)時(shí)。早期常規(guī)變電所一般采用該對(duì)時(shí)方案。

圖2中，變電所自動(dòng)化系統(tǒng)采用獨(dú)立衛(wèi)星時(shí)鐘裝置對(duì)時(shí)。獨(dú)立衛(wèi)星時(shí)鐘裝置是系統(tǒng)的時(shí)鐘中心，其作為所內(nèi)主時(shí)鐘，利用IRIG-B碼485差分信號(hào)為保護(hù)、測(cè)控裝置對(duì)時(shí)，配置SNTP接口為所內(nèi)監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)時(shí)。如果衛(wèi)星時(shí)鐘裝置故障，則由通信管理機(jī)接受調(diào)度中心對(duì)時(shí)，并作為主時(shí)鐘為站內(nèi)設(shè)備對(duì)時(shí)。數(shù)字化變電所一般采用該對(duì)時(shí)方案。

2 變電所的時(shí)鐘源分析

2.1 調(diào)度主站對(duì)時(shí)

鐵路牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)主要由調(diào)度中心及變電所、分區(qū)所、開閉所等調(diào)度站構(gòu)成，電力調(diào)度中心通過專用的電力遠(yuǎn)動(dòng)通道對(duì)變電所、分區(qū)所等實(shí)施監(jiān)控。變電所通常均接入各級(jí)調(diào)度系統(tǒng)，調(diào)度中心主站和變電所通信管理機(jī)之間通過通信報(bào)文對(duì)時(shí)，然后由管理機(jī)為所內(nèi)設(shè)備對(duì)時(shí)。調(diào)度主站通常情況下均配置衛(wèi)星時(shí)鐘，具有很高的時(shí)鐘精度。但鐵路電力遠(yuǎn)動(dòng)的通道有多種類型[4]，通過通信報(bào)文對(duì)時(shí)，由于通信延時(shí)不太確定，對(duì)通信和報(bào)文處理延時(shí)的修正不盡完美，導(dǎo)致調(diào)度對(duì)時(shí)的誤差一般為幾十毫秒甚至上百毫秒。

對(duì)于支持SNTP協(xié)議的通信管理機(jī)，也可以使用SNTP對(duì)時(shí)。由于SNTP對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)做了較好的修正，在廣域的調(diào)度通信網(wǎng)內(nèi)對(duì)時(shí)精度可達(dá)50 ms以內(nèi)，高于通信報(bào)文對(duì)時(shí)精度。

調(diào)度主站可能不止一個(gè)，不同主站和管理機(jī)之間有如下3種對(duì)時(shí)方式：

（1）系統(tǒng)時(shí)鐘：即該主站的對(duì)時(shí)改寫系統(tǒng)時(shí)鐘，同時(shí)影響整個(gè)變電所的時(shí)鐘基準(zhǔn)。

（2）獨(dú)立時(shí)鐘：當(dāng)收到調(diào)度主站的通信對(duì)時(shí)報(bào)文后，不改寫管理機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘，而是記錄該主站時(shí)鐘與通信管理機(jī)時(shí)鐘的差。將事件信息發(fā)送給該主站時(shí)，需要使用該時(shí)鐘差修正報(bào)文中的時(shí)標(biāo)，以保持與該主站的時(shí)鐘一致。目前已很少采用該對(duì)時(shí)方式。

（3）不對(duì)時(shí)：即忽略該主站的通信對(duì)時(shí)功能。

對(duì)于鐵路變電所，鐵路電力調(diào)度為主調(diào)度，地方電力公司調(diào)度中心通常只進(jìn)行信號(hào)監(jiān)視，并不操作。在對(duì)時(shí)的配置上，需配置鐵路電調(diào)對(duì)時(shí)系統(tǒng)，其他調(diào)度主站不對(duì)時(shí)。

2.2 衛(wèi)星時(shí)鐘對(duì)時(shí)

衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)是一種以人造地球衛(wèi)星為載體的全球覆蓋、全天候工作的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)航、定位及授時(shí)。目前世界上主要有美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲空間局的伽利略計(jì)劃、中國的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。美國的GPS在系統(tǒng)可靠性、用戶設(shè)備產(chǎn)業(yè)化等方面具有一定優(yōu)勢(shì)，中國的北斗則在迅速崛起。北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)可以全天候?qū)ξ覈I(lǐng)土、領(lǐng)海及周邊地區(qū)進(jìn)行定位及授時(shí)[5]，在國內(nèi)電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

衛(wèi)星時(shí)鐘由內(nèi)置于通信管理機(jī)中的接收模塊或獨(dú)立的衛(wèi)星時(shí)鐘裝置，以及外置接收天線組成，通常配置GPS接收模塊和北斗接收模塊組成冗余系統(tǒng)，接收多顆衛(wèi)星的信號(hào)獲取時(shí)鐘，精度可以達(dá)到優(yōu)于500 ns的級(jí)別，若采用更高級(jí)別的模塊，精度還可以大幅提高。

衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)受天線的狀態(tài)及天氣影響嚴(yán)重。天線一般安裝于室外，且在其上方不能有遮擋，常年的室外風(fēng)吹雨淋，容易出現(xiàn)故障導(dǎo)致跟蹤不到衛(wèi)星。當(dāng)跟蹤到的衛(wèi)星數(shù)量較少或完全跟蹤不到衛(wèi)星時(shí)，衛(wèi)星時(shí)鐘模塊的時(shí)鐘精度就會(huì)降低，甚至只能依靠內(nèi)部的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片提供時(shí)間。

納秒級(jí)高精度的衛(wèi)星時(shí)鐘只存在于模塊內(nèi)部，還需要通過對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)給保護(hù)測(cè)控裝置對(duì)時(shí)。衛(wèi)星時(shí)鐘的常見輸出信號(hào)有脈沖信號(hào)、串行口時(shí)間報(bào)文、IRIG-B碼、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間報(bào)文（NTP/SNTP）等。脈沖信號(hào)和B碼屬于硬對(duì)時(shí)（需專用對(duì)時(shí)網(wǎng)）。脈沖信號(hào)只能將各個(gè)裝置時(shí)鐘的毫秒值對(duì)齊，時(shí)分秒等必須通過軟件方式由衛(wèi)星時(shí)鐘（或管理機(jī)）發(fā)送給各個(gè)裝置。3種常用的時(shí)間協(xié)議如圖3所示。

衛(wèi)星時(shí)鐘的脈沖信號(hào)在到達(dá)裝置的回路過程中會(huì)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、媒介、器件延時(shí)等，裝置在接收到對(duì)時(shí)脈沖后，還需經(jīng)過CPU中斷的響應(yīng)時(shí)間（一般在微秒級(jí)），裝置最終可獲得的時(shí)鐘精度約為50ms。所以，通常無需采用更高精度等級(jí)的衛(wèi)星時(shí)鐘接收模塊。

衛(wèi)星時(shí)鐘的運(yùn)行信息可以通過監(jiān)視衛(wèi)星時(shí)鐘對(duì)應(yīng)的串口報(bào)文或通過硬結(jié)點(diǎn)開入信息獲得。衛(wèi)星時(shí)鐘模塊定期輸出天線、衛(wèi)星狀態(tài)等信息，可據(jù)此判斷衛(wèi)星時(shí)鐘時(shí)間的有效性。

圖3 3種時(shí)間協(xié)議示意圖

衛(wèi)星時(shí)鐘可以作為精密時(shí)間協(xié)議（Precision Time Protocol，PTP）的主時(shí)鐘。精密時(shí)間協(xié)議是IEC61588定義的高精度網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步協(xié)議，其目的是為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分布式測(cè)量和控制系統(tǒng)各組成部分之間的高精度同步，其精度可達(dá)亞微秒級(jí)[3]。由于IEC61588需要衛(wèi)星時(shí)鐘、交換機(jī)、裝置以太網(wǎng)端口的支持，目前成本較高，且穩(wěn)定性存在問題，尚未普及。

2.3 當(dāng)?shù)乇O(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)時(shí)

當(dāng)?shù)乇O(jiān)控計(jì)算機(jī)的時(shí)間來源于SNTP時(shí)間服務(wù)器或管理機(jī)通信對(duì)時(shí)，也可以手動(dòng)校準(zhǔn)計(jì)算機(jī)的時(shí)間。變電所內(nèi)通常沒有Internet連接，不能從網(wǎng)絡(luò)上獲得時(shí)間。

當(dāng)?shù)乇O(jiān)控計(jì)算機(jī)不主動(dòng)為裝置對(duì)時(shí)，其對(duì)時(shí)功能可作為所內(nèi)時(shí)鐘失效時(shí)的臨時(shí)對(duì)時(shí)方案，或作為一種時(shí)鐘的調(diào)試手段。在調(diào)度對(duì)時(shí)、衛(wèi)星時(shí)鐘對(duì)時(shí)均不可用時(shí)，可采用當(dāng)?shù)乇O(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)時(shí)。通過保護(hù)綜合管理的對(duì)時(shí)功能給通信管理機(jī)、保護(hù)測(cè)控裝置等手動(dòng)對(duì)時(shí)，或通過站內(nèi)通信規(guī)約報(bào)文對(duì)時(shí)。當(dāng)計(jì)算機(jī)的時(shí)間由人工設(shè)定時(shí)，精度只能在秒級(jí)。

3 通信管理機(jī)基于優(yōu)先級(jí)的對(duì)時(shí)策略

通信管理機(jī)是常規(guī)變電所的對(duì)時(shí)中心，在調(diào)度對(duì)時(shí)和衛(wèi)星時(shí)鐘對(duì)時(shí)方式下，時(shí)鐘首先由通信管理機(jī)接收，然后再轉(zhuǎn)發(fā)給所內(nèi)設(shè)備。在長期運(yùn)行中，衛(wèi)星時(shí)鐘會(huì)因?yàn)樘炀€或模塊原因出現(xiàn)故障，調(diào)度的通信也會(huì)因?yàn)楦鞣N原因中斷，此時(shí)時(shí)鐘源會(huì)發(fā)生變化，管理機(jī)必須具有足夠的靈活性應(yīng)對(duì)不同的運(yùn)行模式。管理機(jī)對(duì)不同的時(shí)鐘源采取了優(yōu)先級(jí)策略，以協(xié)調(diào)各時(shí)鐘源的對(duì)時(shí)功能。各時(shí)鐘源優(yōu)先級(jí)如表1所示。

通信管理機(jī)的初始優(yōu)先級(jí)是0，即未對(duì)時(shí)，當(dāng)接收到后臺(tái)計(jì)算機(jī)的對(duì)時(shí)后，優(yōu)先級(jí)變?yōu)?，當(dāng)接收到更高級(jí)別的時(shí)鐘源（衛(wèi)星時(shí)鐘、調(diào)度主站等）對(duì)時(shí)后，將優(yōu)先級(jí)設(shè)為該更高級(jí)別時(shí)鐘源的優(yōu)先級(jí)。只有當(dāng)對(duì)時(shí)的時(shí)鐘源優(yōu)先級(jí)大于或等于通信管理機(jī)當(dāng)前的時(shí)鐘優(yōu)先級(jí)時(shí)，通信管理機(jī)才會(huì)接受該次對(duì)時(shí)，避免低精度時(shí)鐘源的對(duì)時(shí)降低通信管理機(jī)時(shí)鐘精度。當(dāng)通信管理機(jī)的時(shí)鐘有效后，才向外發(fā)送對(duì)時(shí)，避免在本身時(shí)鐘無效情況下為裝置對(duì)時(shí)。

表1 通信管理機(jī)的時(shí)鐘源優(yōu)先級(jí)

通信管理機(jī)接受某個(gè)高優(yōu)先級(jí)時(shí)鐘源的對(duì)時(shí)后，將當(dāng)前優(yōu)先級(jí)設(shè)為該時(shí)鐘源的優(yōu)先級(jí)。當(dāng)高優(yōu)先級(jí)時(shí)鐘源失效后（長期收不到有效的對(duì)時(shí)，或者衛(wèi)星斷線等），通信管理機(jī)依靠自身的時(shí)鐘守時(shí)。經(jīng)過一定的守時(shí)時(shí)間，當(dāng)誤差積累達(dá)到低一級(jí)時(shí)鐘源的誤差后，自動(dòng)降低優(yōu)先級(jí)到下一個(gè)精度級(jí)別。

守時(shí)時(shí)間精度主要由裝置采用的時(shí)鐘晶振精度決定。普通晶振精度為5×10-6（5ppm）ms，對(duì)應(yīng)每天誤差432 ms。守時(shí)時(shí)間根據(jù)守時(shí)誤差在不同優(yōu)先級(jí)間的誤差傳遞公式計(jì)算。

設(shè)=(1,2, ...,x)，則絕對(duì)誤差傳遞公式為

D= (?/ ?1)D1+ (?/ ?2)D2+ ... + (?/ ?x)Dx（1）

如果高優(yōu)先級(jí)時(shí)鐘失效時(shí)的時(shí)刻為1，其誤差為D1；守時(shí)的單位時(shí)間誤差為D2= 5×10-6；經(jīng)過時(shí)間后，守時(shí)后的時(shí)刻=1+，則

D= (?/ ?1)D1+ (?/ ?2)D2= 1×D1+D2（2）

據(jù)此可計(jì)算出表1中的守時(shí)時(shí)間。

4 保護(hù)測(cè)控裝置基于優(yōu)先級(jí)的對(duì)時(shí)策略

變電所內(nèi)一般會(huì)同時(shí)存在多個(gè)時(shí)鐘源，需要采取措施解決多個(gè)時(shí)鐘源為所內(nèi)設(shè)備（保護(hù)測(cè)控裝置）對(duì)時(shí)，或者設(shè)備之間交叉對(duì)時(shí)的情況。在保護(hù)測(cè)控裝置中采用多時(shí)鐘源優(yōu)先級(jí)策略，同樣是解決上述問題的有效方法。

變電所內(nèi)具備對(duì)時(shí)功能的設(shè)備包括：主/備通信管理機(jī)、通信服務(wù)器、所內(nèi)監(jiān)控計(jì)算機(jī)等，且通信管理機(jī)、通信服務(wù)器存在多臺(tái)配置的情況，同一主站還存在UDP、TCP等不同的通信對(duì)時(shí)方式。典型時(shí)鐘優(yōu)先級(jí)及各級(jí)守時(shí)時(shí)間如表2所示。

表2 保護(hù)測(cè)控裝置的時(shí)鐘源優(yōu)先級(jí)

5 應(yīng)用效果

多時(shí)鐘源優(yōu)先級(jí)對(duì)時(shí)策略已應(yīng)用于國電南自的NDT650/660牽引變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，不同時(shí)期的工程分別采用了圖1和圖2所示的對(duì)時(shí)方案。優(yōu)先級(jí)策略內(nèi)置于通信管理機(jī)和保護(hù)測(cè)控裝置中，同時(shí)，通過修改通信管理機(jī)和規(guī)約配置，或監(jiān)控計(jì)算機(jī)的配置文件，可以改變時(shí)鐘源的優(yōu)先級(jí)，或其他對(duì)時(shí)行為。優(yōu)先級(jí)對(duì)時(shí)策略對(duì)多個(gè)時(shí)鐘源的對(duì)時(shí)行為實(shí)現(xiàn)了有效協(xié)調(diào)，保證所內(nèi)設(shè)備獲得正確的時(shí)鐘，并避免了不同設(shè)備間交叉對(duì)時(shí)的情況，從而在整個(gè)供電臂獲得一致的時(shí)鐘。

6 結(jié)語

調(diào)度中心或衛(wèi)星時(shí)鐘為通信管理機(jī)對(duì)時(shí)，衛(wèi)星時(shí)鐘或通信管理機(jī)再為所內(nèi)的其他設(shè)備對(duì)時(shí)，是當(dāng)前牽引變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的典型對(duì)時(shí)模式。通信報(bào)文對(duì)時(shí)與脈沖校正、IRIG-B碼專網(wǎng)授時(shí)是目前的主要時(shí)鐘同步手段。通過通信管理機(jī)和保護(hù)測(cè)控裝置中的時(shí)鐘源優(yōu)先級(jí)策略，可以協(xié)調(diào)牽引變電所多個(gè)時(shí)鐘源的對(duì)時(shí)行為，構(gòu)建更可靠的時(shí)鐘同步系統(tǒng)。

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In order to establish reliable clock synchronization system for traction substation, and on the basis of analyzing the composition of typical clock synchronization network for traction substation, the paper introduces the property of master clock source of traction substation, puts forward the self-priority based time synchronization strategy for communication management unit and protection and monitoring device, and the calculation of punctual time by error propagation formula after failures of clocks of various levels, these will provide references for design of clock systems for secondary equipment in traction substation.

Automation system of substation; clock synchronization; error propagation formula

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.020

U224.9

B

1007-936X(2018)05-0077-04

2018-03-16

范三龍，李永征.國電南京自動(dòng)化股份有限公司，高級(jí)工程師。