陳碩CHEN Shuo；曲睿婷QU Rui-ting；王慧穎WANG Hui-ying

（國網(wǎng)遼寧省電力有限公司信息通信分公司，沈陽 110006）

0 引言

時(shí)間同步是通過接收授時(shí)系統(tǒng)所發(fā)播的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號和信息，對本地鐘進(jìn)行校準(zhǔn)即實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號、信息的異地復(fù)制，而電力行業(yè)承載著輸電、變電、配電、用電與調(diào)度的各個(gè)環(huán)節(jié)，其安全、可靠、高效、穩(wěn)定的運(yùn)行直接關(guān)聯(lián)社會生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)隨著國網(wǎng)公司大力推進(jìn)數(shù)字新基建基礎(chǔ)建設(shè)，推進(jìn)數(shù)字化、智能化的新一代電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)程，在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動通信、人工智能和區(qū)塊鏈為特征的數(shù)字電網(wǎng)對時(shí)間同步有廣泛的需求。為此，本文通過對結(jié)合電網(wǎng)的精密授時(shí)、高精度時(shí)間傳遞和時(shí)間同步進(jìn)行綜合分析研究，提出了面向電力應(yīng)用的時(shí)間同步網(wǎng)建設(shè)方案與監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)。

1 時(shí)間同步網(wǎng)技術(shù)分析

1.1 時(shí)間同步網(wǎng)概述

隨著時(shí)間同步技術(shù)的日益成熟，電力關(guān)鍵設(shè)施變電站內(nèi)的時(shí)間同步、以及調(diào)度主站與多個(gè)變電站之間的時(shí)間同步是電網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)和正常運(yùn)行的關(guān)鍵任務(wù)。尤其是電力標(biāo)準(zhǔn)IEC61850-901中定義了多種涉及變電站間的操作規(guī)范和協(xié)議內(nèi)容，如縱聯(lián)保護(hù)、站間互鎖、平行線路多相重合閘、電流差動保護(hù)、系統(tǒng)完整性保護(hù)以及自動化業(yè)務(wù)相關(guān)的操作，均要求主站以及各個(gè)廠站之間能夠滿足精度要求的時(shí)間同步[1]。

當(dāng)前，電力設(shè)施主要通過GPS同步來實(shí)現(xiàn)各個(gè)智能變電站之間的相對時(shí)間同步，并未實(shí)現(xiàn)真正的同源時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1 基于GPS的變電站間同步

由于GPS時(shí)鐘源作為國外技術(shù)體制的同步時(shí)鐘，存在著惡意降等級、易受天氣影響等技術(shù)和安全風(fēng)險(xiǎn)，因此必須能夠有可靠、高精度、高可靠的地面廣域時(shí)間同步機(jī)制。通過地面網(wǎng)絡(luò)部署廣域時(shí)間同步技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)一種GPS之外的實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)的時(shí)間同步，確保該范圍內(nèi)的多個(gè)變電站參考時(shí)鐘保持在要求的精度范圍內(nèi)，為多個(gè)變電站的統(tǒng)一管理提供時(shí)鐘精度的保障。

從技術(shù)上來看，電力系統(tǒng)地面時(shí)間同步機(jī)制至少包括三種：基于SDH的廣域時(shí)間同步技術(shù)、基于IEEE 1588精密時(shí)間同步協(xié)議的廣域同步技術(shù)，以及基于SDH+1588的廣域時(shí)間同步技術(shù)[2]。

1.2 時(shí)間同步網(wǎng)技術(shù)體制

1.2.1 基于SDH的廣域時(shí)間同步 調(diào)度主站與需要管理的多個(gè)變電站之間可以利用已有SDH網(wǎng)絡(luò)之間的時(shí)間同步機(jī)制，通過各級STM-N鏈路的隨路時(shí)鐘信號將時(shí)鐘基準(zhǔn)從源同步到目的網(wǎng)絡(luò)，這種機(jī)制能夠充分利用已有SDH資源，不需要搭建新的時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)成本和維護(hù)成本都比較低，但由于多級傳輸設(shè)備進(jìn)行時(shí)鐘逐級傳送時(shí)會因?yàn)樵O(shè)備的駐留時(shí)間引入時(shí)間誤差，通常只能夠達(dá)到3us的時(shí)鐘精度，不能夠滿足變電站時(shí)鐘1us以內(nèi)的時(shí)間同步精度要求，不適合在大規(guī)模多級SDH網(wǎng)絡(luò)中使用[3]。

1.2.2 基于IEEE 1588的廣域時(shí)間同步 自從2002年IEEE 1588精密時(shí)間同步協(xié)議發(fā)布以來，基于以太網(wǎng)的1588技術(shù)以其部署簡單、與數(shù)據(jù)無縫融合、高對時(shí)精度等一系列技術(shù)優(yōu)點(diǎn)迅速在智能變電站內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，能夠無縫與變電站內(nèi)部的IEEE 1588對時(shí)機(jī)制對接，實(shí)現(xiàn)整網(wǎng)1588的時(shí)間同步，便于進(jìn)行時(shí)鐘狀態(tài)和性能的實(shí)時(shí)監(jiān)控管理，而且能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)承載網(wǎng)絡(luò)的融合，不需要維護(hù)獨(dú)立的兩張網(wǎng)。

1.2.3 IEEE 1588 over SDH廣域時(shí)間同步技術(shù) 通過在FPGA中實(shí)現(xiàn)時(shí)延固定的E1成幀機(jī)制，確保了1588在SDH網(wǎng)絡(luò)中的固定時(shí)延傳輸，并通過非對稱時(shí)延補(bǔ)償機(jī)制在保持IEEE 1588對時(shí)精度的同時(shí)不必依賴與骨干網(wǎng)絡(luò)的1588能力，既能夠繼續(xù)利用現(xiàn)有SDH網(wǎng)絡(luò)的同步鏈路資源又能夠保持1588的對時(shí)精度，在成本和性能上取得了良好的均衡，將時(shí)間同步精度提高到1us以內(nèi)的廣域時(shí)間同步技術(shù)[4]。

1.3 時(shí)間同步監(jiān)測系統(tǒng)

時(shí)間同步在線監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)時(shí)間同步狀態(tài)的監(jiān)測，其中包括對提供時(shí)間同步信號的時(shí)間同步系統(tǒng)的時(shí)間狀態(tài)監(jiān)測以及對接收時(shí)間同步信號的各類系統(tǒng)（如調(diào)度自動化系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等）和設(shè)備（如繼電保護(hù)裝置、智能電子設(shè)備、時(shí)間順序記錄SOE、廠站自動控制設(shè)備、安全穩(wěn)定控制裝置、故障錄波器等）的時(shí)間同步狀態(tài)監(jiān)測，通過對監(jiān)測對象的時(shí)間同步狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和管理，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)時(shí)間同步同步狀態(tài)的管理。

2 時(shí)間同步關(guān)鍵技術(shù)剖析

2.1 電力系統(tǒng)常用授時(shí)接口剖析

電力系統(tǒng)中設(shè)備類型眾多，各類設(shè)備依其應(yīng)用的要求，其對時(shí)間同步的需求也不盡相同。為了滿足各類不同設(shè)備對時(shí)間同步需求，電力系統(tǒng)中采用了多種輸出接口及信號類型來構(gòu)建時(shí)間同步系統(tǒng)。常用輸出接口（硬件）包括：TTL直流電平輸出接口、RS-422/RS-485差分信號輸出接口、交流信號輸出接口、靜態(tài)空接點(diǎn)輸出接口、串行口輸出接口、RJ45以太網(wǎng)接口和光纖接口。

授時(shí)信號依據(jù)類型分為脈沖信號、報(bào)文信號、IRIG-B碼信號和網(wǎng)絡(luò)時(shí)間報(bào)文信號。其中脈沖信號包括1PPS（秒脈沖）、1PPM（分脈沖）、1PPH（時(shí)脈沖）和PPD（可編程脈沖）；IRIG-B碼遵循IEEE C37.118-2005標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)編碼形式分為DC（直流）和AC（交流）兩種；網(wǎng)絡(luò)時(shí)間報(bào)文信號分為NTP、PTP（IEEE1588）報(bào)文[5]。

2.2 時(shí)間同步系統(tǒng)授時(shí)信號剖析

電力系統(tǒng)時(shí)間同步系統(tǒng)為調(diào)度主站系統(tǒng)、變電站、電廠的所有被授時(shí)設(shè)備/系統(tǒng)提供授時(shí)信號，并且根據(jù)不同的設(shè)備/系統(tǒng)對時(shí)間精度的要求提供不同的授時(shí)信號以完成設(shè)備的時(shí)間同步[6][7]。①對故障錄波器、事件計(jì)錄儀、微機(jī)繼電保護(hù)及安全自動裝置、遠(yuǎn)動及微機(jī)監(jiān)控等系統(tǒng)，可采用規(guī)約軟授時(shí)的時(shí)間同步方式，必要情況下可采用規(guī)約軟授時(shí)＋脈沖授時(shí)方式，脈沖可根據(jù)要求配置為1PPS（秒脈沖）、1PPM（分脈沖）或1PPH（時(shí)脈沖）等，也可以采用授時(shí)精度較高的IRIG-B授時(shí)方式。②對PMU、行波測距系統(tǒng)、雷電定位系統(tǒng)等對時(shí)間精度要求較高的系統(tǒng)必須采用軟授時(shí)＋1PPS秒脈沖或IRIG-B授時(shí)方式以保證授時(shí)精度。③對信息子站和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等對時(shí)間要求較低的設(shè)備可采用NTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)。

2.3 時(shí)間同步通信協(xié)議剖析

在電力系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)授時(shí)模塊與主時(shí)鐘單元、時(shí)鐘裝置與變電站監(jiān)控系統(tǒng)之間的報(bào)文通信，電力系統(tǒng)應(yīng)用了現(xiàn)有的通信協(xié)議，如NUMA0813、串行通信口報(bào)文協(xié)議；基于DL/T 860（IEC61850）、IEC60875-5-104的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步裝置與變電站監(jiān)控系統(tǒng)間的管理通信。

3 時(shí)間同步網(wǎng)建設(shè)方案

3.1 電力時(shí)間同步網(wǎng)建設(shè)整體架構(gòu)

當(dāng)前電網(wǎng)?。▊洌┱{(diào)、市調(diào)、縣調(diào)及各級變電站均為獨(dú)立授時(shí)系統(tǒng)，通過北斗或GPS信號獲得時(shí)間源，通過時(shí)間服務(wù)器或時(shí)鐘屏為本地裝置提供時(shí)間信號，實(shí)現(xiàn)調(diào)度及各個(gè)變電站之間的相對時(shí)間同步，而并未實(shí)現(xiàn)真正的同源時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)。本文按照電網(wǎng)省級電力系統(tǒng)時(shí)間同步網(wǎng)由省內(nèi)各級調(diào)度機(jī)構(gòu)、變電站（發(fā)電廠）等的時(shí)間同步系統(tǒng)組成，為電力系統(tǒng)內(nèi)的各種系統(tǒng)和設(shè)備提供時(shí)間同步信號，以現(xiàn)有的頻率同步網(wǎng)及時(shí)鐘建設(shè)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了以關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)變電站PRC或省級LPR為一級時(shí)鐘主機(jī)，為省內(nèi)地調(diào)建立二級時(shí)鐘主機(jī)，各廠站建立三級時(shí)鐘主機(jī)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步網(wǎng)建設(shè)，具體整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 電力系統(tǒng)時(shí)間同步網(wǎng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)

3.2 電力時(shí)間同步網(wǎng)建設(shè)方案

3.2.1 各級時(shí)鐘主機(jī)信號源和頻率源 根據(jù)本文設(shè)計(jì)的電力時(shí)間同步網(wǎng)整體架構(gòu)，按照不同等級的時(shí)間同步要求，對時(shí)間同步信號進(jìn)行剖析設(shè)計(jì)，具體如表1所示。

表1 時(shí)間同步系統(tǒng)各級時(shí)鐘主機(jī)輸入輸出信號

3.2.2 調(diào)控中心時(shí)間同步方案 調(diào)度控制中心的時(shí)間同步通常包括安全I(xiàn)、II、III區(qū)的調(diào)度自動化系統(tǒng)、桌面辦公系統(tǒng)、電子掛鐘等系統(tǒng)和設(shè)備的時(shí)間同步。其中，調(diào)度自動化系統(tǒng)主要包括調(diào)度支持系統(tǒng)、電能量計(jì)費(fèi)、保護(hù)信息管理、電力市場技術(shù)支持、負(fù)荷監(jiān)控、用電管理、配電網(wǎng)自動化管理、調(diào)度生產(chǎn)和企業(yè)管理等系統(tǒng)的主站。在《電力系統(tǒng)時(shí)間同步系統(tǒng) 第1部分：技術(shù)規(guī)范》的“電力系統(tǒng)常用設(shè)備和系統(tǒng)對時(shí)間同步準(zhǔn)確度”中要求調(diào)度自動化系統(tǒng)時(shí)間精度優(yōu)于1s，在應(yīng)用中時(shí)間同步信號為網(wǎng)絡(luò)授時(shí)NTP或串口對時(shí)報(bào)文。

3.2.3 智能變電站時(shí)間同步系統(tǒng)方案 智能變電站時(shí)間同步系統(tǒng)通常設(shè)置在站控層，時(shí)間同步系統(tǒng)輸出各種時(shí)間同步信號對站內(nèi)各層被授時(shí)設(shè)備統(tǒng)一授時(shí)，建立統(tǒng)一的時(shí)間同步系統(tǒng)。

智能化變電站為提高時(shí)間同步系統(tǒng)安全性通常采用主備式時(shí)鐘架構(gòu)，另配置擴(kuò)展時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)站內(nèi)所有被授時(shí)設(shè)備的軟、硬授時(shí)需求，方案采用基于衛(wèi)星（北斗系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)）方式獲取精確時(shí)間信號，同時(shí)預(yù)留地面時(shí)鐘源接口，支持地面設(shè)備提供的時(shí)鐘信號。

3.2.4 全網(wǎng)時(shí)間同步實(shí)現(xiàn)方案 每級時(shí)鐘主機(jī)同時(shí)接收GPS對時(shí)信號、北斗對時(shí)信號、以及上一級調(diào)度通過SDH網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腜TP時(shí)間信號，并通過檢測三路時(shí)間源的相差和秒脈沖抖動、判斷哪一路時(shí)間源最穩(wěn)定，并以最穩(wěn)定的時(shí)間源作為本級時(shí)間基準(zhǔn)。由于省調(diào)至各地調(diào)、地調(diào)至各廠站的光纖通道路徑長度不一致，導(dǎo)致時(shí)間信號傳輸延遲不一致，進(jìn)而導(dǎo)致各級時(shí)鐘主機(jī)時(shí)間不一致，需要對時(shí)間信號進(jìn)行補(bǔ)償校正。利用各節(jié)點(diǎn)之間的光纖通道，每一級時(shí)鐘主機(jī)向下一級時(shí)鐘主機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送雙向測試數(shù)據(jù)包，用于檢測通道路徑造成的時(shí)間延遲，進(jìn)而對各級時(shí)鐘主機(jī)的時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償校正。

4 結(jié)束語

電力時(shí)間同步網(wǎng)建設(shè)為電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行提供技術(shù)保障，對電力系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)行、增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性和有效性具有重要的意義，本文通過對電力應(yīng)用的時(shí)鐘同步網(wǎng)技術(shù)及建設(shè)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)研究設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各調(diào)度、廠站時(shí)間的監(jiān)測、校對、錯(cuò)誤時(shí)間報(bào)警，為電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供有力支撐。