李 澄，陳 顥，寧 艷

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102)

隨著網(wǎng)絡(luò)和裝機(jī)容量的日益擴(kuò)大，電力系統(tǒng)運(yùn)行方式日趨復(fù)雜，系統(tǒng)內(nèi)線路或主變發(fā)生故障時(shí)，將引起系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)的主設(shè)備保護(hù)、后備保護(hù)或相鄰保護(hù)等多個(gè)保護(hù)的相繼動(dòng)作跳閘。為了分析整個(gè)事故的發(fā)生及演變過程，自動(dòng)化系統(tǒng)記錄的事件時(shí)標(biāo)起著關(guān)鍵作用，為此各變電站內(nèi)系統(tǒng)二次設(shè)備時(shí)間同步的正確性非常重要[1，2]。變電站中通過配置時(shí)鐘同步系統(tǒng)來保證事件時(shí)標(biāo)的正確性。另外，為了監(jiān)視時(shí)鐘同步系統(tǒng)的運(yùn)行情況，江蘇電網(wǎng)還建立了時(shí)鐘設(shè)備時(shí)間同步監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)時(shí)間同步系統(tǒng)的運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[3]。目前對(duì)變電站大量的二次設(shè)備對(duì)時(shí)狀態(tài)還沒有有效的監(jiān)視手段，只能到現(xiàn)場(chǎng)檢查二次設(shè)備的時(shí)間同步情況。

由于技術(shù)發(fā)展和設(shè)備更新的原因，變電站現(xiàn)存的二次設(shè)備種類復(fù)雜，型號(hào)繁多，對(duì)時(shí)間同步監(jiān)測(cè)主要存在的問題有：（1）傳統(tǒng)以及智能站二次設(shè)備都未設(shè)計(jì)時(shí)間同步狀態(tài)監(jiān)視功能和接口，必須找到不修改現(xiàn)有設(shè)備，實(shí)現(xiàn)同步監(jiān)視的方法。（2）各種二次設(shè)備的通信接口、規(guī)約不同。同步監(jiān)視獲得二次設(shè)備裝置的時(shí)間數(shù)據(jù)，必須通過通信接口，通信接口、規(guī)約不同阻礙了同步監(jiān)視的實(shí)現(xiàn)。（3）時(shí)間真實(shí)性問題。二次設(shè)備有很多是多處理器/板結(jié)構(gòu)的，裝置內(nèi)部同樣有時(shí)間同步系統(tǒng)，簡(jiǎn)單監(jiān)視裝置時(shí)間并不真實(shí)反映事件時(shí)標(biāo)時(shí)間的同步狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)有效、可行二次設(shè)備時(shí)間同步狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)，根據(jù)不同的二次設(shè)備對(duì)象，設(shè)計(jì)了分別適用于常規(guī)變電站和智能變電站的站內(nèi)二次設(shè)備時(shí)間同步監(jiān)測(cè)方案，然后各變電站以統(tǒng)一的接口接入時(shí)間同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 常規(guī)變電站監(jiān)測(cè)方案

目前，常規(guī)變電站大多采用基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)103協(xié)議完成二次設(shè)備與主站間的通信，早期的設(shè)備采用基于485的103協(xié)議或基于以太網(wǎng)的其他協(xié)議，為了能適應(yīng)所有現(xiàn)場(chǎng)的情況，對(duì)常規(guī)變電站二次設(shè)備時(shí)間同步的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)了2種方案：二次設(shè)備定時(shí)模擬事件方案和開關(guān)量遙信方案。

1.1 二次設(shè)備定時(shí)模擬事件方案

該方案基于網(wǎng)絡(luò)103協(xié)議，利用該協(xié)議的UDP組播信號(hào)量、事件信息的發(fā)布功能，通過定時(shí)發(fā)送帶時(shí)標(biāo)事件報(bào)文來實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備的時(shí)間同步狀態(tài)檢測(cè)，其具體過程如下：

（1）同步監(jiān)測(cè)裝置加入二次設(shè)備的廣播組；

（2）受監(jiān)測(cè)的二次設(shè)備按照固定的間隔模擬信號(hào)變位，每間隔連續(xù)發(fā)送3次具有時(shí)標(biāo)的特定開關(guān)量報(bào)文；

（3）同步監(jiān)測(cè)裝置以收到特定事件報(bào)文內(nèi)的時(shí)標(biāo)作為基準(zhǔn)時(shí)間T1，以接收到報(bào)文的時(shí)間作為報(bào)文的精確時(shí)間T0；

（4）同步監(jiān)測(cè)裝置將T0和T1發(fā)送到監(jiān)視后臺(tái)。監(jiān)視后臺(tái)通過比較T0和T1的差值來判斷二次設(shè)備的時(shí)間準(zhǔn)確性。

由于報(bào)文傳輸需要時(shí)間，當(dāng)裝置已同步時(shí)，該方案并不能確保T0和T1的差值為0，經(jīng)過實(shí)際設(shè)備試驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)，報(bào)文傳輸時(shí)間通常小于0.15 ms，偶爾T0和T1的差值會(huì)大于8 ms，由于二次設(shè)備事件時(shí)標(biāo)精度要求通常為1 ms，為此監(jiān)測(cè)后臺(tái)采用統(tǒng)計(jì)方法，過濾由于傳輸延遲導(dǎo)致誤差較大的數(shù)據(jù)點(diǎn)，綜合分析后才判定二次設(shè)備事件同步的狀態(tài)。

該方案只需在變電站增加同步監(jiān)測(cè)裝置，無(wú)需增加額外的物理接線和網(wǎng)絡(luò)，也不改動(dòng)現(xiàn)有的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，工程實(shí)施簡(jiǎn)單，工作量小且能夠滿足絕大部分設(shè)備的監(jiān)測(cè)要求，用戶較容易接受。

由于該方案需要對(duì)二次設(shè)備軟件進(jìn)行小的修改，對(duì)已投運(yùn)的變電站實(shí)現(xiàn)同步監(jiān)測(cè)存在一定困難，為此該方案適合新建常規(guī)變電站時(shí)使用。

1.2 開關(guān)量遙信方案

為滿足變電站改造要求以及對(duì)高精度要求設(shè)備的時(shí)間同步監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了開關(guān)量遙信方案，如圖1所示。具體過程如下：

（1）同步監(jiān)測(cè)裝置與二次設(shè)備均獨(dú)立與時(shí)間同步系統(tǒng)時(shí)鐘對(duì)時(shí)；

（2）同步監(jiān)測(cè)裝置在規(guī)定時(shí)刻T0通過硬接線向二次設(shè)備發(fā)送對(duì)時(shí)監(jiān)測(cè)脈沖信號(hào)；

（3）二次設(shè)備受監(jiān)測(cè)脈沖觸發(fā)生成帶時(shí)標(biāo)的事件，該事件包含二次設(shè)備時(shí)間T1；

（4）監(jiān)測(cè)裝置通過通訊接口監(jiān)測(cè)二次設(shè)備通訊報(bào)文，解析帶時(shí)標(biāo)的事件報(bào)文提取二次設(shè)備時(shí)間T1；

（5）根據(jù)T0和T1的差值，監(jiān)視后臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

圖1 常規(guī)變電站開關(guān)量遙信方案

該方案采用實(shí)際遙信量觸發(fā)事件，得到精確時(shí)標(biāo)，可以滿足高精度同步監(jiān)測(cè)的要求。另外實(shí)施時(shí)不需要改動(dòng)已投運(yùn)設(shè)備的功能，通過485/以太網(wǎng)絡(luò)UDP偵聽特定報(bào)文即能實(shí)現(xiàn)同步監(jiān)測(cè)，該方案適合于已投運(yùn)變電站的改造，缺點(diǎn)是改造工作量較大，相同較復(fù)雜。

2 智能變電站監(jiān)測(cè)方案

目前智能變電站正逐漸成為主流，智能站全站采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，過程層數(shù)據(jù)以GOOSE報(bào)文形式通過交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸[4-6]。因此，利用智能站過程層網(wǎng)絡(luò)的便利條件，用傳統(tǒng)變電站模擬事件方案的方法設(shè)計(jì)了智能站二次設(shè)備時(shí)間同步監(jiān)測(cè)方案，如圖2所示。

（1）同步監(jiān)測(cè)裝置接入過程層網(wǎng)絡(luò)；

（2）二次設(shè)備定時(shí)發(fā)送帶時(shí)標(biāo)的GOOSE報(bào)文；

（3）監(jiān)測(cè)裝置接收GOOSE報(bào)文并進(jìn)行解析，以收到GOOSE報(bào)文的時(shí)間作為基準(zhǔn)時(shí)間T0，以報(bào)文中數(shù)據(jù)集中指定字段的時(shí)標(biāo)為二次設(shè)備時(shí)間T1；

（4）根據(jù)T0和T1的差值，監(jiān)視后臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

圖2 智能變電站二次設(shè)備定時(shí)模擬事件方案

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中要求GOOSE的處理傳輸時(shí)間小于4 ms，為此T0和T1的時(shí)差理論上小于4 ms（實(shí)測(cè)GOOSE處理傳輸時(shí)間一般小于2 ms），為此，在智能變電站中采用該方法實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步監(jiān)測(cè)性能較傳統(tǒng)站更有保證；另外，GOOSE是智能變電站的基本功能，實(shí)現(xiàn)同步監(jiān)測(cè)一般不需要修改二次設(shè)備的軟件，僅需修改配置即可。

3 同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由分布在各變電站的同步監(jiān)測(cè)裝置和監(jiān)視后臺(tái)組成。

同步監(jiān)測(cè)裝置負(fù)責(zé)站內(nèi)二次設(shè)備時(shí)間同步監(jiān)視，屏蔽每個(gè)站具體的同步監(jiān)視實(shí)現(xiàn)方案，以統(tǒng)一的通信規(guī)約與監(jiān)視后臺(tái)通信；另外，同步監(jiān)測(cè)裝置還完成站內(nèi)時(shí)鐘設(shè)備時(shí)間同步的監(jiān)測(cè)。

監(jiān)視后臺(tái)系統(tǒng)完成所有二次設(shè)備同步狀態(tài)的分析和判斷以及各變電站時(shí)鐘設(shè)備時(shí)間同步的監(jiān)測(cè)。

3.1 同步監(jiān)測(cè)裝置

同步監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其主要功能如下：

（1）與站內(nèi)時(shí)間同步系統(tǒng)接口。同步監(jiān)測(cè)裝置需要監(jiān)視站內(nèi)時(shí)間同步系統(tǒng)的狀態(tài)，也需要用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間打硬件時(shí)標(biāo)，從而與二次設(shè)備時(shí)間進(jìn)行比較。

（2）偵聽UDP/GOOSE，捕獲二次設(shè)備響應(yīng)的帶時(shí)標(biāo)的事件報(bào)文、以及GOOSE報(bào)文，由硬件記錄所接收?qǐng)?bào)文的時(shí)標(biāo)，保證時(shí)間監(jiān)測(cè)盡可能的精確。這個(gè)以太網(wǎng)接口不實(shí)現(xiàn)TCP/IP棧，僅接收而不發(fā)送報(bào)文，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的安全性不會(huì)受影響。

（3）偵聽485線路報(bào)文，實(shí)現(xiàn)早期設(shè)備的串口103報(bào)文的幀聽，用于傳統(tǒng)站開關(guān)量遙信方案。

（4）準(zhǔn)確時(shí)刻開出信號(hào)輸出。利用光耦以及固態(tài)繼電器（根據(jù)二次設(shè)備物理接口而定）在精確時(shí)刻發(fā)送同步測(cè)試脈沖，為保證輸出精確性，每組輸出還可補(bǔ)償線路延遲。

（5）與二次設(shè)備時(shí)間同步監(jiān)測(cè)后臺(tái)接口。此網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)TCP/IP棧，但不與UDP/GOOSE偵聽口有軟件/硬件上的關(guān)聯(lián)，保證跨站內(nèi)/站外網(wǎng)絡(luò)的隔離。

圖3 同步監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

3.2 同步監(jiān)視后臺(tái)

監(jiān)視后臺(tái)可以在變電站、地調(diào)和省調(diào)分級(jí)部署，實(shí)現(xiàn)對(duì)配置的站內(nèi)GPS時(shí)鐘的時(shí)間同步狀態(tài)和站內(nèi)二次設(shè)備對(duì)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，繪制數(shù)據(jù)曲線圖。

監(jiān)視后臺(tái)與監(jiān)測(cè)裝置之間采用TCP/IP的通信方式，通信規(guī)約為自定義格式。其中監(jiān)視后臺(tái)作為客戶端，監(jiān)測(cè)裝置作為服務(wù)端，兩者采取長(zhǎng)連接的通信方式。

監(jiān)視后臺(tái)根據(jù)監(jiān)測(cè)裝置上傳的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)時(shí)間源的偏差值，顯示二次設(shè)備對(duì)時(shí)狀態(tài)的有效性，并可以按照指定的時(shí)間段、監(jiān)測(cè)設(shè)備和二次設(shè)備分別或組合查詢。同時(shí)，還可以根據(jù)二次設(shè)備的型號(hào)等參數(shù)，從各角度對(duì)二次設(shè)備的對(duì)時(shí)精度進(jìn)行分析并繪制相應(yīng)的曲線圖。

監(jiān)視后臺(tái)接收到監(jiān)測(cè)裝置上傳的二次設(shè)備時(shí)間T1和基準(zhǔn)時(shí)間T0并進(jìn)行差值計(jì)算，若連續(xù)n（n≥3）個(gè)差值超過設(shè)定值時(shí)，則判定此二次設(shè)備的對(duì)時(shí)狀態(tài)有誤，并給出告警信息。某二次設(shè)備的對(duì)時(shí)精度曲線如圖4所示。從圖中可以看出，有2點(diǎn)的時(shí)間偏差值較大。但是由于這2點(diǎn)并沒有連續(xù)出現(xiàn)，因此可以判斷，該二次設(shè)備對(duì)時(shí)狀態(tài)正常。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖4 二次設(shè)備對(duì)時(shí)精度曲線

目前，變電站二次設(shè)備時(shí)間同步狀態(tài)尚未實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)功能。本文根據(jù)常規(guī)變電站和智能變電站的不同特點(diǎn)分別給出了各自的二次設(shè)備時(shí)間同步狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)方案及具體的實(shí)施過程。還介紹了方案中同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，包括同步監(jiān)測(cè)裝置和監(jiān)視后臺(tái)的結(jié)構(gòu)、原理及具體功能。

[1]李 澄，黃 偉，吳 剛.數(shù)字化變電站新技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用[J].江蘇電機(jī)工程，2007，26(S1)： 8-10.

[2]張 斌，倪益民，馬曉軍，等.變電站綜合智能組件探討[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34(21)：91-94.

[3]魯東海，孫純軍，王曉虎.智能變電站中在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31(1)：134-137.

[4]張清枝，左群業(yè)，何 剛，等.智能變電站網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)測(cè)試研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(21)：237-240.

[5]梁國(guó)堅(jiān)，段新輝，高新華.數(shù)字化變電站過程層網(wǎng)絡(luò)方案[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31(2)：94-98.

[6]樊 陳，倪益民，沈 健，等.IEEE1588在基于IEC 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)的合并單元中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35(6)：55-59.