城市軌道交通電力監控系統時鐘同步方式探討

羅 鵬

0 引言

城市軌道交通電力監控系統，簡稱SCADA 或PSCADA 系統。該系統對城軌供電系統主變電所、牽引變電所、降壓變電所等各類變電所內設備及相關供電設備運行實時監視、測量和控制，及時發現和處理供電系統內部的各種故障，為運營維護人員提供自動化、信息化管理平臺。

城市軌道交通電力監控系統經歷了人工監控系統、分立自動化系統和綜合監控系統3 個發展階段。

伴隨著計算機技術、通信技術、網絡技術等飛速發展，在建及新建的城市軌道交通電力監控系統均趨向于采用統一的軟、硬件平臺，實現各分立自動化系統的綜合集成。例如：西安地鐵和廣州、北京、上海等城市的大部分在建及新建項目均采用電力監控系統集成于綜合監控系統的方式。

當前，電力監控系統由設置在控制中心的電力調度系統，設置在各變電所內的全所綜合自動化系統，以及通信通道3 部分構成。

利用城市軌道交通內部的高效通信網絡，借助于計算機的高速計算能力和邏輯判斷功能，電力監控系統測量精度較高，能實時采集到相對完整的供電系統運行及故障信息。

1 城市軌道交通電力監控系統實時性要求

由于城市軌道交通供電系統的設備種類繁多、數量龐大，且存在機械、電氣等方面的緊密聯系，實際運行負荷和外部環境多變，故障的出現變得難以預測。而故障的爆發又是瞬時性的，其故障范圍及所造成的損失將隨時間的延長而急劇擴大。

因此，電力監控系統需要實時地反映供電系統的運行狀態，尤其是故障信息（包含系統暫態過程的電流、電壓波形，斷路器、電動隔離開關等設備及保護裝置動作的時序和時間，各種事件發生的時序和時間等），系統和運營人員才有可能正確地分析事件的前因后果，科學地判斷、處理故障，實現精確控制等，從而縮小故障范圍，降低人員傷亡和財產損失。

電力監控系統對于實時性有著近乎苛刻的要求。高實時性是電力監控系統的核心要求。

高實時性的實現，除了需要提高系統各設備對信息的處理速度，減少網絡信息傳輸的時間開銷外，系統內部精確的、統一的時鐘是其實現的基本前提。本文即探討城市軌道交通電力監控系統時鐘同步的實現方式。

時鐘同步系統主要由主時鐘、從時鐘和其間的同步對時網絡構成。

2 主時鐘的產生

時鐘同步系統需要一個高精度、高可靠性的基準時鐘源，并以此為主時鐘來校準系統內的其它各子時鐘/從時鐘，從而實現整個系統的時鐘同步功能。目前，可以用作時鐘源的授時系統主要有美國的GPS、歐洲的伽利略、中國的北斗導航定位系統等。

由于，GPS 傳遞的時間能與國際標準時間（UTC）保持高度同步，誤差甚至小于0.1 μs[1]，且具有高可靠性和使用方便等優點，已被廣泛用作外部時鐘源。

主時鐘系統需要對GPS 接收裝置接收的時鐘信號進行延時補償、轉換處理、擴展接口等操作，從而產生方便傳輸、接收，適宜于國內習慣的時鐘信號。

城市軌道交通電力監控系統通常在控制中心設置主時鐘，或者由通信系統負責提供，并按該時鐘來實現對整個系統的時鐘同步。

3 對時方式的選擇

由GPS 時鐘信號產生的主時鐘信號是非常精確的，但從時鐘設備相對于主時鐘設備在地域上是分散的，其設備性能、接口等均不相同，與主時鐘之間的網絡拓撲結構比較復雜。因而，采取何種對時方式實現主時鐘對從時鐘的校時，成為時鐘同步系統的關鍵。

目前，對時方式主要有串口通信校時、脈沖中斷校時和綜合校時方式3 種。

串口通信校時是通過向從時鐘設備發送時間報文的方式進行對時。其時間報文中包含了當前的時間信息（包括時、分、秒，年、月、日等），報文信息格式可采用ASCⅡ碼、BCD 碼等。時間報文在主時鐘和各從時鐘設備之間的通信網絡上傳輸，遵循時鐘同步的協議（主要有NTP、SNTP 和IEEE 1588 標準的PTP 協議等）進行校準處理。

基于串行通信實現對時的方式也決定其精度受通信網絡的影響。例如：協議轉換、傳輸延時、中斷處理等不確定性因素的影響，難以滿足時鐘同步對高精度的要求。

脈沖中斷校時是向從時鐘設備發送同步脈沖，從時鐘設備根據脈沖進行校時的對時方式。脈沖包括：秒脈沖、分脈沖和時脈沖。

在脈沖中斷校時方式中，同步誤差主要是由導線傳輸、脈沖信號處理等延時造成，該誤差一般僅為幾十μs[2]。其缺點是無法提供時間日期等信息，這就要求裝置自身具有記錄功能。

綜合校時方式結合了以上2 種對時方法的特點，綜合采用。即利用串行通信時間報文來確定當前時間的年、月、日、星期、時、分、秒等信息，同時利用秒脈沖信號進行時間修正，從而保證毫秒級時間精度的要求。

基于城市軌道交通電力監控系統的高實時性要求（事件的分辨率為毫秒級），以及需要記錄完整的時間信息，以實現邏輯判斷、精確控制、同步分合閘操作、事件順序記錄、事故追憶等功能方面的考慮，綜合對時方式是最佳選擇。

4 結束語

城市軌道交通電力監控系統為運營管理提供了自動化、信息化平臺，集成于綜合監控系統是其發展趨勢。高實時性是電力監控系統的核心要求。接收GPS 時鐘信號產生主時鐘（或者由通信系統負責提供），采用綜合對時方式實現系統的時鐘同步是其當前的最佳選擇。

隨著計算機技術、通信技術、網絡技術的發展，城市軌道交通電力監控系統及其時鐘同步方式也將改革創新，不斷提高城市軌道交通供電系統管理的自動化、信息化水平。

[1] 朱松林.變電站計算機監控系統及其應用[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2] 高翔.數字化變電站應用技術[M].北京：中國電力出版社，2008.