李劍鋒

摘 要

時間同步系統(tǒng)是智能化變電站的關(guān)鍵設(shè)備，同時也是通信支撐網(wǎng)的重要組成部分。目前電網(wǎng)的時鐘同步設(shè)備存在著分散獨立、缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和精度低誤差大等問題，制約著智能電網(wǎng)的發(fā)展，需要加大力度開展高精度統(tǒng)一時鐘系統(tǒng)的技術(shù)研究。

【關(guān)鍵詞】時鐘系統(tǒng) 高精度 切換 傳遞 誤差修正

時間同步系統(tǒng)給智能電網(wǎng)的運行、維護(hù)、計費確立統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)，為向用戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)打下良好的基礎(chǔ)。對于智能電網(wǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)，精確統(tǒng)一的時間可以保證與時間有關(guān)的設(shè)備的良好運行；對于智能電網(wǎng)電量計費系統(tǒng)，精確統(tǒng)一的時間可以保證計費的準(zhǔn)確，避免與客戶的糾紛；對于智能電網(wǎng)維護(hù)部門，精確統(tǒng)一的時間有利于定位系統(tǒng)的故障原因分析，為解決問題提供準(zhǔn)確的資料；對于智能電網(wǎng)電力試驗部門，精確統(tǒng)一的時間可以保證試驗結(jié)果的有效性和完整性。

高精度統(tǒng)一時鐘系統(tǒng)是電力行業(yè)近年來重點發(fā)展和推廣的關(guān)鍵技術(shù)，目前電力系統(tǒng)已開始分層次分階段構(gòu)建全網(wǎng)時間同步系統(tǒng)，在發(fā)電廠、變電站、控制中心、調(diào)度中心建立集中和統(tǒng)一的電力系統(tǒng)時間同步系統(tǒng)，且要求系統(tǒng)能基于不同的授時源建立時間同步并互為熱備用，實現(xiàn)統(tǒng)一的全網(wǎng)時間基準(zhǔn)，以保證電力系統(tǒng)自動化裝置和系統(tǒng)的正常運行和作用的發(fā)揮，保障電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠運行。

1 高精度統(tǒng)一時鐘的需求

高精度統(tǒng)一時鐘系統(tǒng)是電網(wǎng)智能電子設(shè)備對高精度統(tǒng)一時鐘的需求：

1.1 故障錄波、事件順序記錄和故障定位

采用統(tǒng)一時鐘同步技術(shù)之后，全網(wǎng)就可以維持一個統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)。這樣通過收集分散在各個變電站的故障錄波數(shù)據(jù)和事件順序記錄，可以在全網(wǎng)內(nèi)更好地重現(xiàn)事故發(fā)生發(fā)展的過程，監(jiān)視系統(tǒng)的運行狀態(tài)。對故障錄波和事件順序記錄來說，對時精度不宜低于1ms?；谛l(wèi)星同步時鐘的電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)可以通過檢測個變電站接收到故障反饋信號的精確時間、對比不同站點的時差關(guān)系來定位故障發(fā)生的位置。理論上講，對時精度達(dá)到1uS時，測距精度可以達(dá)到300m。

1.2 同步相量測量

同步相量測量技術(shù)及以其為基礎(chǔ)的廣域監(jiān)測系統(tǒng)已在電網(wǎng)的實時監(jiān)測中得到了應(yīng)用。目前投入運行的同步相量測量裝置都以GPS作為同步時鐘源。相量測量的可靠性依賴于GPS的可用性以及授時信息的準(zhǔn)確度，要求全網(wǎng)對時精度達(dá)到1uS。

1.3 兩個變電站間的同步試驗

可以利用衛(wèi)星同步時鐘在線路兩側(cè)進(jìn)行故障暫態(tài)同步試驗，來檢驗線路縱聯(lián)保護(hù)裝置，包括相差保護(hù)、電流差動保護(hù)、高頻距離保護(hù)、高頻方向保護(hù)裝置的特性。對于距離保護(hù)和方向保護(hù)，由于主要采用就地信息，線路兩端只交換邏輯信號，對時精度在幾個mS內(nèi)就可以了；但是差動保護(hù)、相差保護(hù)因為要比較兩側(cè)的模擬量，要求對時精度應(yīng)達(dá)到uS級。

2 建設(shè)高精度統(tǒng)一時鐘系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高精度網(wǎng)絡(luò)授時技術(shù)

高精度網(wǎng)絡(luò)授時是未來電力系統(tǒng)特別是智能電網(wǎng)的發(fā)展方向。目前，電力系統(tǒng)網(wǎng)省調(diào)、地市中心和廠站的裝置，普遍采用NTP授時；由于NTP/SNTP授時精度為1毫秒～100毫秒量級，已經(jīng)不能適應(yīng)電力系統(tǒng)的新需求，基于1588協(xié)議的PTP高精度網(wǎng)絡(luò)授時是實現(xiàn)全網(wǎng)高精度時間同步的核心。

高精度網(wǎng)絡(luò)授時技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)授時協(xié)議、接口、網(wǎng)絡(luò)授時精度和網(wǎng)絡(luò)管理等，為滿足高精度網(wǎng)絡(luò)授時的需求，高精度的時間戳處理技術(shù)和采用的網(wǎng)絡(luò)授時協(xié)議尤其重要。目前主要采用基于硬件層時間戳處理技術(shù)，時間戳精度達(dá)100納秒量級，采用IEEE1588 V2 高精度網(wǎng)絡(luò)授時協(xié)議。

2.2 通過E1業(yè)務(wù)或開銷通道傳輸時間，通道1+1保護(hù)

目前電網(wǎng)SDH網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋所有地調(diào)、縣調(diào)、220KV及大多數(shù)110KV變電站。由于全網(wǎng)時間同步系統(tǒng)所占用的E1資源很少，可以通過E1業(yè)務(wù)通道或開銷通道利用一條E1通路或n*64k通道等傳輸時間。

在基于E1傳遞時間信息的過程中，要特別注意通道倒換、環(huán)路自愈問題對時間傳遞精度的影響。當(dāng)工作通道傳輸中斷或性能劣化到一定程度后，線路保護(hù)倒換功能將將主用傳輸自動轉(zhuǎn)到備用傳輸通道；環(huán)形網(wǎng)保護(hù)是當(dāng)前傳輸鏈路斷或性能劣化到一定程度后，所引起的通道倒換。因此，在SDH傳輸中，通道倒換和環(huán)路自愈時將重新選擇一條傳送通路，從而產(chǎn)生較大的抖動時延；通過采用雙向法在SDH網(wǎng)絡(luò)中傳遞時間信號時，常用SDH環(huán)形結(jié)構(gòu)由于不能滿足任意兩個網(wǎng)元間收發(fā)路徑的對稱性，無法實現(xiàn)高精度的時間信號傳遞，可通過采用PTP精確時間傳輸協(xié)議來解決SDH網(wǎng)絡(luò)傳遞路徑不對稱的時延傳輸問題。

2.3 各級間的時間基準(zhǔn)傳遞與傳輸時延誤差修正

當(dāng)利用SDH網(wǎng)絡(luò)傳輸時間基準(zhǔn)信號時，SDH網(wǎng)絡(luò)傳遞時間的通道特性將直接影響時間的傳遞質(zhì)量，包括授時精度、時間可用率等指標(biāo)。因此，在實施地面時間傳遞時，需要對通信通道進(jìn)行專門的研究，通過分析通道的特性，提出時間傳遞技術(shù)的自適應(yīng)補(bǔ)償方法；通過分析時間傳遞的特殊要求，選擇合適的傳輸通道，以滿足高精度時間傳遞的需求。其中，SDH網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延包括：傳輸時延和網(wǎng)元節(jié)點的處理時延。

線纜傳輸?shù)臅r延修正：在全網(wǎng)時間同步系統(tǒng)中，SDH傳送網(wǎng)絡(luò)的光纜、電纜的長度、溫差等變化將對時間的傳遞影響較大，線路固定的傳輸時延基本上是固定值。因此，在時間傳遞過程中必須要對傳輸線纜產(chǎn)生的時延進(jìn)行誤差修正。目前普遍采用的是雙向時間比對法，通過收發(fā)端的高精度時間戳比對、自適應(yīng)濾波等手段，基于PTP時間處理技術(shù)，可有效的自適應(yīng)消除線路傳輸時延，傳輸時延修正誤差達(dá)百納秒量級。

SDH網(wǎng)元的時延抖動誤差修正：電力SDH網(wǎng)絡(luò)是在光纖上進(jìn)行同步信息傳輸、復(fù)用、分插和交叉連接的網(wǎng)絡(luò)，其傳輸網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)元引起的時延誤差，主要包括因指針調(diào)整、映射處理等產(chǎn)生的時延抖動變化。通過雙向傳輸時間比對、自適應(yīng)時延濾波等手段，完全可以消除因指針調(diào)整、映射處理等產(chǎn)生的時延抖動影響。

2.4 多時鐘源切換技術(shù)

高精度統(tǒng)一時鐘系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)源通常包括北斗、GPS時間源，以及來自地面鏈路傳送過來的地面時間源，各級的時間源融合、選擇和近似無損切換尤其重要。

北斗、GPS及地面鏈路多時間源自動切換技術(shù)：由于北斗與GPS系統(tǒng)存在系統(tǒng)差，雙系統(tǒng)切換時保證相位連續(xù)性技術(shù)難度很大。通過對北斗與GPS系統(tǒng)授時性能長期分析，提出了自主的北斗和GPS雙衛(wèi)星系統(tǒng)秒時差處理模型。地面鏈路與衛(wèi)星系統(tǒng)間存在較大的相差，通過高精度標(biāo)示北斗、GPS、地面鏈路的授時系統(tǒng)差，采用自主完好性監(jiān)測與智能估計、訓(xùn)練等算法，通過對多時間基準(zhǔn)源實時的相差統(tǒng)計、比對，實時修正多時鐘源的相差，能較好地解決了多時間基準(zhǔn)源的授時融合難題。

3 結(jié)束語

開展智能電網(wǎng)高精度統(tǒng)一時鐘系統(tǒng)研究，解決目前時間同步技術(shù)應(yīng)用情況混亂、技術(shù)水平參差不齊、技術(shù)方案不規(guī)范等問題，可滿足目前電網(wǎng)和未來智能電網(wǎng)的時間統(tǒng)一需求和對全網(wǎng)時間同步系統(tǒng)的管理要求，提高時間同步技術(shù)應(yīng)用和運行管理水平。

作者單位

廣東翰新科技有限公司 廣東省珠海市 519000