劉奇 張婷婷 閆敏

前言

電網(wǎng)運行狀態(tài)發(fā)生變化之后，只有快速獲取到實時信息，才能保障事故處理的效率，即將變化的影響范圍控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)，以確保電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性、穩(wěn)定性、安全性。此外，快速獲取實時信息也能為事后分析提供便利，即分析事故的發(fā)生、發(fā)展過程，以實現(xiàn)對災(zāi)難性事故的發(fā)生進行有效的防控。但上述行為的實現(xiàn)均應(yīng)以統(tǒng)一的時間基準為基礎(chǔ)。在變電站中，電能計量系統(tǒng)、功能測量裝置、微機保護裝置、安全自動裝置、故障錄波器、測控裝置等均需配備統(tǒng)一的時鐘授時。本文筆者結(jié)合實踐經(jīng)驗，淺析時鐘同步技術(shù)在變電站中的應(yīng)用，以期為電力系統(tǒng)的監(jiān)視控制、故障分析、運行管理提供技術(shù)支撐。

一、時鐘同步源

時鐘同步源包括無線電授時、衛(wèi)星授時、網(wǎng)絡(luò)授時三種。

（一）無線電授時。中國的BPC是經(jīng)40～70kHz載波信號來傳輸標準時標。Loran-C是經(jīng)地波來傳輸脈沖信號，但Loran-C本就具備100kHz的頻率，因此易受電暈放電的干擾。OMEGA導(dǎo)航系統(tǒng)（10～14kHz）的作用距離較Loran-C更遠，且對延時時間的預(yù)測精度可達2～5μs，但OMEGA具有接收器成本高的缺點。（二）衛(wèi)星授時。衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)是以人造地球衛(wèi)星為載體的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有全天候工作、全球覆蓋及授時、定位、導(dǎo)航精度高的優(yōu)點。中國的衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)為北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。（三）網(wǎng)絡(luò)授時。網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議NTP及簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議SNTP是當(dāng)前常用的國際互聯(lián)網(wǎng)時間傳輸協(xié)議。NTP（隸屬TCP/IP協(xié)議族）采用時間同步算法，對時精度為1～50ms;SNTP是NTP的簡化版，對時精度<1ms，多在簡單的網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。IEC61850中要求的時間同步協(xié)議是SNTP，但IEEE1588才是變電站精確對時所需的時間同步協(xié)議。IEEE1588是用來使分布式網(wǎng)絡(luò)內(nèi)最精確的時鐘與被授時時鐘同步，且絕對兼容先前的以太網(wǎng)協(xié)議。IEEE1588具體定義的是精確時間協(xié)議PTP，即采用乒乓對時算法及在MAC層記錄時間戳，以使分布式總線中的執(zhí)行器、傳感器及終端設(shè)備中的時鐘實現(xiàn)亞微秒級同步，詳見圖1-1。

圖1-1 IEEE1588協(xié)議對時過程

IEEE1588時鐘同步過程分為偏移量測量與延遲量測量兩部分。偏移量時差，式中，T1—Sync報文發(fā)生的精確時標;T2—時鐘接收到Sync報文的時標;—網(wǎng)絡(luò)延時的假定值（Sync報文由主時鐘發(fā)出）。網(wǎng)絡(luò)延時，式中， T3—時鐘向主時鐘發(fā)出Delay-Req報文的時標;T4—主時鐘接收到Delay-Req報文的時標（Delay-Req報文由時鐘發(fā)出）。綜合上述兩個函數(shù)式后，便可得到、?？梢姡瑥臅r鐘便可修正得出與主時鐘統(tǒng)一的時間標準。測試結(jié)果顯示，IEEE1588可使時鐘同步精度<±3μs，且若采取相應(yīng)的補償算法，可使此精度值更高。

二、時鐘同步技術(shù)在變電站中的應(yīng)用

變電站內(nèi)常用的對時方案有脈沖對時（或稱硬對時）、通信對時（或稱軟對時）、綜合對時及編碼對時四種，同時GPS時鐘的精度、信號傳播、IED對時處理方案與守時鐘及IED對模擬量與開入量的處理方式均可能會產(chǎn)生誤差。因此，在對時鐘同步技術(shù)的應(yīng)用進行研究時，務(wù)必要考慮到上述問題。依此研究背景，本章節(jié)就時鐘同步技術(shù)在變電站中的應(yīng)用進行研究。

（一）故障錄波、故障定位及事故順序記錄 ?時鐘同步技術(shù)的應(yīng)用可使全網(wǎng)維持著統(tǒng)一的時間基準，如此通過對分散在變電站中的時間順序記錄、故障錄波數(shù)據(jù)進行收集，便可在全網(wǎng)中重現(xiàn)事故的發(fā)生、發(fā)展過程及監(jiān)視系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)。就時間順序記錄、故障錄波來講，對時精度應(yīng)≥1ms。基于GPS同步時鐘的電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)對故障點的定位方法為：對故障反饋信號傳至變電站的精確時間進行檢測;對不同變電站站點的時差關(guān)系進行對比。從理論角度來講，若能使對時精度≥1μs，則相應(yīng)的測距精度便可≥300m。

（二）兩個變電站之間的同步試驗 ?在變電站線路兩側(cè)利用GPS同步時鐘開展故障暫態(tài)同步試驗，可實現(xiàn)對高頻方向與距離保護裝置、電流差動保護裝置、相差保護裝置特性進行準確檢驗。方向與距離保護采用的是就地信息，即線路兩側(cè)僅需完成邏輯信號的交換，因此對時精度僅需控制在幾個ms之內(nèi);差動保護與相差保護要求對線路兩側(cè)的模擬量進行比較，因此對時精度應(yīng)超過1ms?；贕PS同步時鐘的電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)亦可在全網(wǎng)內(nèi)用來完成同步反事故演習(xí)。

（三）同步相量測量 ?當(dāng)前，在電力系統(tǒng)的實時監(jiān)測中，同步相量測量技術(shù)及基于同步相量測量技術(shù)的廣域監(jiān)測系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用。據(jù)調(diào)查結(jié)果表明，以GPS為同步時鐘源的同步相量測量裝置的應(yīng)用最為廣泛。研究表明，GPS的可用性與授時信息的精確度對同步向量測量的可靠性起著決定性的作用，因此相對精度應(yīng)≥1μs。

（四）電子式互感器的同步采樣 ?電子式互感器輸出的數(shù)字信號是采樣處理后的數(shù)字信號，因此各相電壓與電流互感器的輸出信號務(wù)必同步，以提高電子式互感器在繼電保護與其他裝置中的應(yīng)用效果。例如，在母線保護裝置中，所有呈間隔關(guān)系的電流采樣信號均應(yīng)保持同步，但在線路差動保護裝置中，此類電流采樣信號則應(yīng)在兩個變電站之間實現(xiàn)同步。若用于計量，則對時精度應(yīng)≥1μs;若用于輸電線路保護，則對時精度應(yīng)≥4μs。

三、討論

IEC 61850系列標準的推廣應(yīng)用使IEEE1588逐漸發(fā)展成為當(dāng)前重要的對時手段，如被用來實現(xiàn)電子式互感器的同步采樣等。當(dāng)前在變電站中應(yīng)用最為廣泛的當(dāng)屬GPS，且應(yīng)用效果相當(dāng)好，但GPS系統(tǒng)由美國軍方控制，即GPS的授時精度與可用性均受美國GPS政策的限制，因此存在不可依賴性，同時面對日漸激烈的國際局勢，GPS的應(yīng)用也存在更多的安全風(fēng)險。就中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來講，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用到氣象監(jiān)測、水文測報、艦船監(jiān)控中，且應(yīng)用效果可觀，因此應(yīng)加大研究力度，以使北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用范圍覆蓋到包括電力系統(tǒng)在內(nèi)的更多領(lǐng)域。總之，時鐘同步技術(shù)的應(yīng)用對保障電力系統(tǒng)良好的運行狀態(tài)具有重要作用。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，時間報文+脈沖信號的綜合對時方式仍為保證變電站對時精度的主要手段，而IEEE1588可能為變電站時鐘同步提供新的對時手段;北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可能為變電站時鐘同步提供繼GPS之后新的時鐘源。