變電站對時與同步的應用分析

張鐘毓 楊璽 梁進國 吳方林 嚴浩 李蔚

【摘要】 對時與同步是變電站內比較普遍的兩種應用。文中給出了對時與同步在傳統及智能變電站的應用場景，并對其中的應用演變進行了分析，對通過不同間隔層、過程層裝置的應用實例，分別對于不同情況下的對時、同步對于各裝置的影響及作用展開深層次的分析，并給出傳統站、智能站應用的不同給出對時與同步的發展依賴關系。

【關鍵詞】 對時 同步 點對點采樣 組網采樣 合并單元

The Analysis of Time Synchronization and Synchronism in Substation Zhang Zhongyu， YangXi， Liang Jinguo， Wu Fanglin， Yan Hao， Li Wei （Wuhan power supply company. Wuhan 430000， China）

Abstract：Time synchronization and syntonization are the most universal techniques. The different applications of these techniques in traditional substation and smart substation are described and the evolution was been analyzed. Furthermore， in the circumstance of the application instance in bay device and process device， the impacts of time synchronization and syntonization was been pointed out. At same time， the relation sheep of time synchronization and syntonization are clarified.

Key words： Time Synchronize； Syntonize； P2P Sample； Network Sample； Merging Unit

引言

在變電站的網絡組成上，對時網絡通常都是不可缺少的一環。在傳統變電站，其對時網絡如圖1所示，對時主要作用于站控層和間隔層設備；而在目前更新的智能變電站，在增加了帶智能設備的過程層后，其對時網絡如圖2所示[1] [2] [3]。

Fig. 1 Time synchronization network in traditional substation

對時的作用一是給變電站內各個二次設備統一時間基準：如對于保護動作后，保護裝置的動作報告與錄波器記錄的事后事故分析。

對時的作用二是對于變電站內的某些二次設備提供數據同步：如對于PMU記錄的矢量數據，只有各個站內的數據是同步的，才能夠在調度側對于多個變電站PMU送來的數據做潮流分析等應用計算。

Fig. 2 Time synchronization network in smart substation

而還有一些二次設備，其可能是可以沒有對時，但其主要功能卻不能沒有同步，如分布式母差保護裝置的各個子站，其采樣數據必須是同步的，才能夠保證母差保護裝置的主站計算各個間隔形成的差流的相位關系是正確的。

由此可見，有必要分析變電站內比較典型的對時及同步的應用二次設備。

一、傳統變電站內的分布式母差保護

傳統變電站的分布式母差組成基本圖圖3所示。其中，母差保護子站（簡稱子站）功能為采集一個或多個間隔的電流數據，并上送給母差保護主站（簡稱主站）；同時，接收并執行主站下發的跳閘命令。隨著不同廠家實現的方式不同，子站還可能承擔著本間隔后備保護的功能。而主站的功能則為：接收子站采集的電流數據，并自己采集母線電壓數據，一般電壓做輔助判據，根據各個子站上送的電流實現大差或小差保護，并根據保護動作條件，下發跳閘命令給各個子站。

對于保護設備而言，其主要功能即為其保護邏輯。目前智能變電站經常提出的保護行為不依賴于對時[8]，而對于傳統站的母差保護而言，這個問題根本就是不存在的。其核心點即在于主站與子站是中斷同步運行的，差動保護的行為只依賴于母差保護主站自身的晶振。在相對較短的時間內（如1個周波），即便主站自身的晶振精度不是很高，也不會有多大的偏差，而在系統運行過程中的連續數據流中，僅僅取其中的一個或幾個周波的快照，是不需要關心保護自身的晶振與一次系統傳變來的電流工頻之間的偏差的。該關系表達示意圖如圖4所示。

而從另一角度分析：若母差保護的主站和子站全部只接對時，而相互之間不再有同步，再來分析其中的影響。

首先，對于對時，一般均接入站內的對時網絡，舉例一種比較常見的情況即為站內IRIG-B差分對時網（如圖1、2所示）。該對時網絡的時鐘源及為站內時鐘。此時，主站與子站的之間的晶振及全部被同步到外部對時。由于主子站的保護邏輯一般均在CPU的中斷內執行，此時即要求主子站的中斷產生均基于外部對時。即需要將外部的秒脈沖分頻產生內部的中斷頻率如1.2k，保護中斷即在該頻率下運行，子站完成采樣、主站完成差動保護計算。在正常情況下，整個母差保護系統運行是完全正常的，但由于某些變電站地理位置情況等因素，站內的對時源有可能一段時間失去了外部衛星對時信號，此時對時總線上的IRIG-B碼即為站內時鐘自己的晶振維護的。雖然站內時鐘晶振一般均為精度很高的恒溫晶振，但終究會隨著時間的流逝而與衛星時間滑開的越來越大。而當一旦其重新捕捉到了外部衛星后，則立刻完成對時同步。而此時對于母差保護即出現了所謂的一次跳變，而采樣數據也會有最大可能半個中斷周期的跳變（設中斷1.2k，則最大可能為416us，對應電氣角度7.5度），這對于保護行為是不利的。在保護實際處理上，則是需要短時閉鎖保護邏輯或其他技術方法來解決該問題的。

二、傳統變電站的線路縱差保護

與母差保護相比，線路縱差保護為站間保護，其縱差保護的實現也依賴于兩站電氣數據的同步性，其典型工作過程如圖5所示。

圖中，本側電流的ADC采樣時刻為T1，對側相同時刻ADC開始采樣，但經過光纖通道傳輸以后，由于有了光纖通道的延時，對側采樣數據在到達本側裝置后，其時標變成了T（1），本側裝置若要準確使用二者數據做差動邏輯，則必須要準確知道光纖的傳輸延時。

同時，在傳統的光纖縱差保護中，由于兩側ADC的同時采樣是通過設定兩個裝置的主從時鐘來決定的，其中，從時鐘側需要將其采樣中斷調整為與主時鐘側一致。這樣才能夠保證兩側的電流數據差僅僅相差的是光纖傳輸延時，否則，數據接收方還必須補償兩側的ADC采樣時刻的偏差。進一步分析，一般情況下，不同廠家的縱差保護裝置是不能相互配合的，而其中一個最主要原因就是不同廠家的采樣環節的延時是不同的。

故對于中斷調整為一致即為保證兩側的采樣同步，而調整通道延時即可以理解為線路縱差保護裝置的內部二次同步。

三、智能變電站的合并單元

智能變電站中的合并單元用于接收多個電子式互感器的遠端模塊（采集卡）采集的電流電壓數據，并做數據合并后再將其發送給保護、計量等其他間隔層設備。

3.1 合并單元的采集控制

在智能變電站中，合并單元是需要接入對時的，而此時對時的作用更多的是同步的意義。從合并單元對遠端模塊的數據采集的影響來看，在電子式互感器的數據采集過程可以分為獨立采集和受控采集：獨立采集即遠端模塊按自己的晶振節拍自主控制其ADC的采樣開始轉換點，而受控采集則是合并單元向遠端模塊發送采樣同步脈沖，遠端模塊的才ADC采樣開始跟隨本采樣同步脈沖。

電氣量數據采集后能夠被間隔層設備最終應用的本質是要保證數據是電氣同步的。由此也可以看出遠端模塊的獨立采樣和受控采樣對于合并單元需要處理的不同：對于獨立采樣，由于要求合并單元輸出數據為對時的0時刻同步數據，故合并單元必須對獨立采樣的數據進行二次重采樣，保證二次重采樣的時刻點與外部對時的0時刻絕對同步；而對于受控采樣，由于其采樣脈沖由合并單元發出，合并單元保證其采樣脈沖即是與外部對時0時刻同步的，即合并單元無需二次重采樣。

3.2合并單元接入對時的必要性

合并單元除給保護、測控提供數據外，還需要給PMU、錄波器等提供數據。對于保護而言，在點對點接入采樣的情況下，是無需合并單元接入對時的，但對于組網采樣情況下、則合并單元必須提供時標對齊的數據，數據接收方才能夠將數據做對其處理。

四、智能變電站的母差保護

在智能變電站的母差保護中，當散熱等額外約束條件可以解決時，一般廠家實現均為單臺裝置，而不再有傳統站的分布式母差。從概念上而言，不考慮傳統站分布式母差保護的子站中的后備保護功能，則可以理解為在智能站中，傳統分布式母差保護的子站已經被智能站中的合并單元（模擬量數據采集）和智能終端（開關量數據采集、繼電器出口）所替代。

在智能變電站的母差保護中，依然存在同步問題。這是由于目前國網標準提出了保護不依賴于對時的要求。而本點要求一般是基于站內的電氣量數據傳輸是通過組網方式來完成的。當以網絡方式傳輸電氣量數據時，由于其經過了交換機，同時考慮經過交換機的級聯，故其采樣延時不再準確。而合并單元為了提供時標可參考的數據，其輸出數據是包括了采樣計數器（smpl_cnt），對于目前一般合并單元的4k采樣速率，該計數器在0～3999之間變化。同時，合并單元保證采樣計數器為0時，就是外部時鐘秒翻轉時刻。

母差保護在接收到多個間隔合并單元的電流數據后，需要進行一次數據處理以滿足其自身需求。一般情況下，即為保護重采樣過程。本過程有兩個目的：

1.降低合并單元送來的數據速率為本保護自身的工作頻率。（目前保護的工作速率不同廠家時間有所不同，如1.2k，2k等）

2.同步合并單元數據到保護本身的中斷時鐘上。

對于目的1，無需過多說明；而對于目的2，則需要給出進一步分析。出于母差保護不接收對時的情況，則保護本身的晶振與合并單元發來數據之間時有滑差的，該滑差的實質即為保護本身的晶振與外部時鐘源的晶振偏差。同傳統站分布式母差保護相同，智能站的母差保護也是通過重采樣的方式來消除這兩者之間的晶振偏差。使得保護運行過程中，不會出現某次中斷沒有數據，或某次中斷數據過多而無法處理的情況。

其重采樣工作過程基本如圖6所示。

五、結語

本文通過對于傳統站、智能站內典型裝置的對時與同步應用給出了較為具體的分析?？梢钥闯?，在傳統站下，對時與同步關系相對獨立，概念上也較為清晰；但在智能站場合下，對于間隔層與過程層裝置，對時是起到了雙重作用：對時與同步。理解上述概念，對于更好的設計變電站的組網方式，以及廠家相關裝置的實現方式會有較好的幫助。

參 考 文 獻

[1] 電力系統的時間同步系統 第1部分：技術規范 DL/T 1100.1 [S] 2009Time Synchronism systems of power system Part 1： Technical specification. DL/T 1100.1 [S] 2009

[2] IRIG Serial Time Code Formats. IRIG STANDARD 200-98

[3] 智能變電站繼電保護技術規范 Q/GDW 441 — 2010.

Technical Specifications of Protection for Smart Substation. Q/GDW 441 — 2010

[4] 劉 偉，倪傳坤等，智能變電站分布式母線保護實現方案[J]。電力系統保護與控制，2011，39（16），139-141，146。

[5] 李文正， 李寶偉等，智能變電站光纖差動保護同步方案研究[J]。電力系統保護與控制，2012，40（16），136-140。