電力系統(tǒng)時鐘同步技術(shù)分析

（國網(wǎng)四川雅安電力（集團）股份有限公司，四川 雅安 625000）

在電力系統(tǒng)中，它是時間相關(guān)的系統(tǒng)、在基于時間軸的波形中，通過電壓、電流、相角、功角的變化，來對電網(wǎng)穩(wěn)定運行提供了有利的保障，在時間同步中的有要求是：繼電保護裝置、自動化裝置、安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)和生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)要基于統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)運行。這樣來滿足同步采樣、系統(tǒng)的穩(wěn)定性判別、線路故障及逆行那個具體的定位、故障錄波、故障進行分析以及故障反演時間一致性的要求。這些能夠提高電網(wǎng)系統(tǒng)運行的效率。

1 電力系統(tǒng)時間同步及其原理

在當(dāng)前，電力系統(tǒng)的時間同步中主要的通過確定變電站內(nèi)GPS和北斗衛(wèi)星授時系統(tǒng)統(tǒng)一狀態(tài)，以及對于一些比較陳舊的變電站要進行時間同步的配置。時間同步就是一種最基本的技術(shù)應(yīng)用，在電力系統(tǒng)的運用中，時間同步也在不斷的更新，不斷的提高技術(shù)以及工藝。但是在GPS和北斗衛(wèi)星授時系統(tǒng)中由于設(shè)備的品牌不同這就使得站內(nèi)、站與站之間的時間不能夠統(tǒng)一。在運行的過程中時間接受系統(tǒng)之間不能夠相互通用，這就會造成內(nèi)部之間的運行不能夠不能確定準(zhǔn)確的備份，不能夠保障整個系統(tǒng)運行的可靠性。因此在電力系統(tǒng)的設(shè)備更新的狀態(tài)中要逐漸的擴展到發(fā)電廠、變電站控制中心、調(diào)度中心等相關(guān)的電力系統(tǒng)，加強對時間同步的技術(shù)，并且在該系統(tǒng)中要基于不同的授時源要建立時間同步，而且之間要互為熱備用。更廣泛的應(yīng)用電力系統(tǒng)的時間同步技術(shù)。

現(xiàn)代的時鐘同步的原理就是在電力系統(tǒng)中安裝了各種自動化的設(shè)備主要有監(jiān)控裝置、PMU、故障錄波器、微機保護裝置、分時電能表等。這些自動化設(shè)備的內(nèi)部都有實時時鐘，但是這些電子鐘也有可能出現(xiàn)的誤差是：初始值設(shè)備的不夠準(zhǔn)確；石英晶體振蕩頻率誤差及其頻率振蕩的溫度漂移和老化漂移；電路中電容量的變化等。因此要對這些電子鐘進行校準(zhǔn)，其中的原理就與我們?nèi)粘Ｉ钪械膶κ直硪粯?，隔一定實踐要對時間基準(zhǔn)信號進行設(shè)置一次。在當(dāng)前主要的是利用GPS和北斗衛(wèi)星授時系統(tǒng)取得時間基準(zhǔn)信號，并且能夠換成各種自動化設(shè)備需要的實踐信號輸出。這就實現(xiàn)了各個自動化設(shè)備的時間的統(tǒng)一。將這種時鐘同步的技術(shù)運用到電力系統(tǒng)中去。

2 電力系統(tǒng)對于實踐同步的需求

在電力自動化設(shè)備對于時間同步的精度有不同的要求，但是根據(jù)一般的電力系統(tǒng)來說，其中授時精度可以大致的分為4種，具體的表現(xiàn)如下文所述。

2.1 在電力系統(tǒng)時間同步的系統(tǒng)中，實踐同步準(zhǔn)確度不大于1μs

這其中包括線路行波故障測距裝置、同步相量裝置、雷電定位系統(tǒng)的裝置、電子式互感器的合并單元等相關(guān)的裝置。

2.2 時間同步準(zhǔn)確度不大于1ms

這其中包括故障錄波器、SOE裝置、電氣測控單元、PMU、功角測量系統(tǒng)、保護測控一體化裝置、事件順序記錄裝置等一系列的裝置。

2.3 時間同步準(zhǔn)確不大于10ms

這其中包括微機保護裝置、安全自動化裝置、饋線終端裝置、變壓器終端裝置、配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)等

2.4 時間同步準(zhǔn)確不大于1s

這其中包括的有：電能量采集裝置、負(fù)荷，用電監(jiān)控終端裝置、電氣設(shè)備在線狀態(tài)檢測終端裝置或者是自動化記錄、控制、調(diào)度中心數(shù)字顯示時鐘、火電廠以及水電廠、變電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)、監(jiān)控與采集數(shù)據(jù)、EMS、電能量計費系統(tǒng)、繼電保護以及保障信息管理系統(tǒng)主站、電力市場技術(shù)支持聯(lián)系系統(tǒng)等一些主站、還有就是負(fù)荷監(jiān)控，用電管理系統(tǒng)主站、配電網(wǎng)自動化、管理系統(tǒng)的主站、調(diào)度管理信息系統(tǒng)、企業(yè)管理信息系統(tǒng)等相關(guān)的管理系統(tǒng)。

3 電力系統(tǒng)內(nèi)時間同步技術(shù)

時鐘同步技術(shù)能夠使電力系統(tǒng)重數(shù)量比較多、分布廣泛的智能電子設(shè)備獲得統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)，因此這種技術(shù)對于電網(wǎng)的實時監(jiān)控、并網(wǎng)管理和安全保護具有很重要的意義。其中比較常見的電力系統(tǒng)時間同步技術(shù)有：

3.1 脈沖對時

這種脈沖對時也叫做硬對時，其基本的工作原理就是利用脈沖的準(zhǔn)時沿即上升沿或者是下降沿來進行校準(zhǔn)被授時設(shè)備。根據(jù)脈沖對時的優(yōu)點可以了解到授時精度比較的高、在使用的過程中被動點的適應(yīng)性比較強，但是它存在的缺點是僅僅能夠校準(zhǔn)到秒，剩下其他的數(shù)據(jù)都需要人工預(yù)置進行。其中比較常用的脈沖對時的信號有1PPS、1PPH等信號。

3.2 串口報文對時

這種對時也稱為軟對時。它是通過利用一組時間數(shù)據(jù)并且按照一定的格式進行的，在串行通信的接口發(fā)送給被授時裝置。被授時裝置就會利用這組數(shù)據(jù)預(yù)設(shè)的內(nèi)部時鐘。串口報文對時的優(yōu)點是：數(shù)據(jù)比較的全面、不需要任何人工的預(yù)置，但是其中也存在著缺點：授時精度比較低，報文的格式需要授時和被授時裝置雙方進行約定。其中常用的串行通信接口有RS-232。RS-422或者是RS-485等接口通信。

3.3 時間編碼方式對時

這種時鐘同步技術(shù)主要是為了解決兩種對時方式的矛盾，通常在常用的過程中采用比較多的兩種對時方式結(jié)合的方法。也就是脈沖和串口相結(jié)合的兩種方式。但是在輸送的過程中需要同時輸送兩種信號，這就造成了信號的矛盾，因此為了解決這種矛盾，目前采用的是國際上通用的時間格式碼，它的原理是將脈沖對時的準(zhǔn)時沿和串口報文對時的數(shù)據(jù)結(jié)合在一起。這樣就能夠組成一個脈沖串。最終來輸送時間信息。因此被授時設(shè)備就能夠通過這個脈沖串中解析春準(zhǔn)時沿和一組時間數(shù)據(jù)。這種碼被稱為IRIG-B碼，通過研究表明：時間編制碼方式對時的優(yōu)點是數(shù)據(jù)比較的全面，其中對時的精度比較的高，在這其中不需要設(shè)置人和的人工預(yù)置，但是它在運行的過程中其中的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，很有可能帶來一些困擾。

3.4 網(wǎng)絡(luò)方式對時

網(wǎng)絡(luò)方式的對時主要的是基于時間協(xié)議NTP，精確時間協(xié)議PTP。其中當(dāng)前比較簡單的網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議SNTP應(yīng)用的比較多。在網(wǎng)絡(luò)時鐘傳輸時：傳輸?shù)氖且?990年1月1日0時0分0秒算起時間戳的用戶數(shù)據(jù)協(xié)議報文。這里運用的是64位進行表示，其中前32位為秒后32為秒等分?jǐn)?shù)。在網(wǎng)絡(luò)中保溫的往返時間是可以估算的。最常用的是采用補償算法來達(dá)到最終精確對時的目的。其中PTP所具備的的雙重優(yōu)點，在電力系統(tǒng)中能夠滿足對時間精度的要求，PTP系統(tǒng)是支持PTP時鐘同步協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，一個PTP系統(tǒng)通常包括PTP時鐘同步設(shè)備和各種普通設(shè)備、終端等。其中PTP協(xié)議將報文劃分為兩種PTP事件消息和PTP普通消息。網(wǎng)絡(luò)授時方式可以接入網(wǎng)絡(luò)的任何系統(tǒng)提供對時。

4 影響時鐘同步精度的因素

影響時鐘同步精度的因素有兩個：時間戳數(shù)據(jù)精度、路徑延遲對稱情況。

5 電力系統(tǒng)中GPS和北斗衛(wèi)星授時系統(tǒng)時鐘同步技術(shù)的作用

在電力系統(tǒng)中時鐘同步技術(shù)的作用是能夠相位測量，在電力系統(tǒng)中的電壓和電流波形基本上是通過正弦波、頻率、幅值和相角弦波的三個要素，這在電力系統(tǒng)中，頻率是相同的，幅值比較容易測量。其中相角測量是一個難題；對于故障測距。在電力系統(tǒng)中，輸電線路會經(jīng)常發(fā)生各種故障，但是由于線路比較長，并且地形比較復(fù)雜，但是GPS和北斗衛(wèi)星授時系統(tǒng)應(yīng)用輸電線路發(fā)生故障時，故點將產(chǎn)生線路兩端以光速進行的行波，如果能在同一時間基準(zhǔn)下記錄兩端首次接受到的行波時刻，就很容易確定出故障點的位置，這就是行波測距的原理；雷電監(jiān)測系統(tǒng)。在雷電閃產(chǎn)生電磁波往空間各個方向傳播時，各個基站測=接收到電磁波的時間和電磁波的幅值，同時能夠傳送到中心站，這樣就可以測量出雷閃位置以及雷電流的大??；繼電保護。GPS和北斗衛(wèi)星授時系統(tǒng)的繼電保護有：線路差勁保護和保護聯(lián)合調(diào)試。

通過GPS和北斗衛(wèi)星授時系統(tǒng)衛(wèi)星同步時鐘技術(shù)在電力系統(tǒng)中的使用，能夠有效的減少檢修和運行人員的工作量，能夠使變電站內(nèi)部的運行設(shè)備得到統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的時間基準(zhǔn)，這樣就方便了設(shè)備運行，提高了電力系統(tǒng)中自動化的水平。

結(jié)語

通過同步技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，在滿足同步精度的要求中，采用了組合方式進行授時，其中借用GPS和北斗衛(wèi)星授時系統(tǒng)技術(shù)與PTP技術(shù)，在一套運行管理系統(tǒng)中存在著多種方式中正常的運行，能夠充分的應(yīng)用授時時鐘，這樣就提供了有效的信息。將一種相對于比較成熟的頻率同步技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，能夠不斷的研發(fā)出新的時間同步的技術(shù)，這就為以后頻率同步與實踐同步技術(shù)的統(tǒng)一奠定了良好的基礎(chǔ)，因此，要不斷的進行研究，將這種時鐘同步技術(shù)應(yīng)用到變電站、發(fā)電廠、調(diào)控中心、水電站等一些電力系統(tǒng)中，將這種技術(shù)不斷的引進、應(yīng)用，為提高我國的電力系統(tǒng)的技術(shù)進步做出更大的貢獻。

[1]王國棟，杜志偉.基于GPS和北斗衛(wèi)星授時系統(tǒng)的同步時鐘研制及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子世界，2011（15）.

[2]王鵬程，梁志廣.基于FPGA的IEEE1588協(xié)議的實現(xiàn)及其在電力系統(tǒng)中廣泛測量中的應(yīng)用[J].電力技術(shù)研究，2010（24）.

[3]基于FPGA的電力系統(tǒng)時鐘同步技術(shù)實現(xiàn)[J].電力科學(xué)與工程，2009（12）.