智能變電站時間同步在線監測研究

陳志剛彭學軍張道農

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102；2.華北電力設計院工程有限公司，北京 100120）

智能變電站時間同步在線監測研究

陳志剛1彭學軍1張道農2

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102；2.華北電力設計院工程有限公司，北京 100120）

本文闡述了目前智能變電站廣泛采用的對時方案以及時間同步對智能變電站安全穩定運行的意義，介紹了一種基于 SNTP乒乓原理來實現智能變電站內所有自動化設備的時間同步在線監測方案，提出了一種基于同步脈沖監測裝置來實現合并單元采樣同步脈沖的監測方案，用于實時監測采樣同步脈沖，同時將監測數據及自身狀態通過MMS上送到變電站站控層網絡，并通過試驗平臺驗證了其可靠性。此方案對于提高采用SV數據組網模式的智能變電站的可靠性有一定的參考意義。

智能變電站；時間同步；在線監測；合并單元

隨著電網規模的擴大和自動化水平的提高，電網調度實行分層多級管理，為保證電網安全和經濟運行，各種以計算機技術和通信技術為基礎的自動化裝置被廣泛應用，不僅變電站、發電廠和調度中心內部眾多與時間有密切關系的自動化設備和數字化控制系統對統一、精確授時的依賴程度越來越高，而且電網內對發生事件的記錄，如電網故障時刻的確認、事件記錄和告警時間的準確統一等對時間精度的要求越來越高。建設統一時間同步網，既可實現全網各系統在統一時間基準下的運行監控，也可以通過各開關動作的先后順序來分析事故的原因及發展過程［1］。

目前廠站的時鐘設備的同步狀態及對時精度尚缺乏必要的檢測措施及手段；廠站的時鐘設備與被對時設備間采用開環的模式，生產維護人員無法掌握站內被對時設備的對時狀態及對時精度。這些問題導致在涉及多個電網節點故障的事故后分析時暴露出站內及站間保護、后臺等事件記錄時間不一致的問題，這不僅會影響對事故的全面、客觀、準確分析，而且還影響分析結果的準確性［2］。

為解決廠站的時鐘同步在線監視的短板，國家電網公司發布了技術要求［3］，從低建設成本、低管理成本、低技術風險的角度出發，利用SNTP乒乓原理和分層管理的模式，通過軟件的方式實現了調度端到廠站端的各種自動化設備的對時狀態和對時精度的監控。

與常規變電站相比，智能變電站的結構體系存在巨大的差異。智能變電站的二次系統通常包含電子式互感器、合并單元、交換機、保護、測控等設備，互感器、保護以及斷路器之間復雜的電纜硬導線連接被光纖所代替。保護測控等設備的電流電壓采樣值輸入也由模擬信號轉變為數字信號輸入，保護測控設備的模擬信號采樣由裝置內實現變為各合并單元實現，這些變化對智能變電站的時鐘同步系統提出了更高的要求［4］。

本文介紹了目前變電站時間同步在線監測的現狀以及存在的一些問題，并提出了一種針對智能變電站合并單元采樣同步脈沖的監測方案，此方案對于提高采用 SV數據組網模式的智能變電站的可靠性有一定的參考意義。

1 傳統時間同步監測系統

為解決廠站端時間同步設備狀態監視問題，國網公司系統內主要有兩種時間同步在線監測方案。

1）山西電力時間同步監測系統

主站監控系統通過DL/T 634.5104規約對廠站端時間同步裝置進行監測，主要采集內容包括時鐘運行狀態信息、同步信息、擴展鐘、業務板塊狀態，以及廠站頻率，如圖1所示。

圖1 山西電力時間同步監測系統

2）華北網局電力時間同步監測系統

時間同步裝置提供空節點形式的天脈沖輸出至被授時裝置遙信開入，同時增加一臺時間同步在線監測裝置來在線采集并分析被授時設備的遙信變位信息，并將時間誤差通過DL/T 634.5104規約上送到主站監控系統，如圖2所示。

方案1中實現了主站對廠站時鐘裝置本身的實時監測。而廠站主備時鐘也僅僅對站內二次設備實現了單向授時，未能在廠站端乃至調度端實現對站內二次設備之間授時信息的同步閉環監測。

圖2 華北網局天脈沖監測系統

方案2中實現了主站對廠站端部分二次設備的定時閉環監測。該方案需要時鐘裝置除了給被授時裝置提供B碼對時信號外，還要提供一個天脈沖空節點，同時還需要增加時間監測設備。

2 時間同步監測管理

國家電網公司提出的變電站時間同步監測管理方案從低建設成本、低管理成本、低技術風險的角度出發，利用SNTP乒乓原理和分層管理的模式，在原有變電站自動化系統上建立一套通信技術及軟件來實現系統級的時間同步狀態在線監測功能。不僅要對時鐘裝置進行監測，更要將被授時系統及設備的時間同步工作狀態納入監測范圍。

2.1 系統構成

系統由時鐘裝置和被授時裝置構成，其中被授時系統包括變電站監控系統、智能組件、故障錄波器、PMU、測控裝置、繼電保護裝置和安全穩定控制裝置等，如圖3所示。

圖3 變電站時間同步監測管理系統

2.2 技術原則

1）廠站端

廠站端監控主機作為站控層時間同步監測管理者，基于SNTP乒乓原理實現對時鐘裝置、測控裝置、故障錄波裝置、PMU等的時間同步監測；測控裝置作為間隔層時間同步監測管理者，基于 SNTP乒乓原理通過 GOOSE實現對合并單元、智能終端等的時間同步監測。

2）調度主站

調度主站前置網關機作為時間同步監測管理者，通過DL/T 476或DL/T 634.5104，基于乒乓原理實現對廠站端通信網關機的時間同步監測管理。

2.3 基本原理

變電站時間同步監測使用SNTP作為基本監測手段，并通過兩層保護措施來避免與對時服務沖突。

1）IP協議的訪問控制

對時服務端僅存在于時鐘裝置，監測服務端存在于被監測裝置，因此正確配置IP地址后，監測的請求不會與對時請求混淆，保證了不同用途的SNTP服務不會沖突。

2）協議標識的訪問控制

在 SNTP報文的 ReferenceIdentifier字段增加“TSSM”標識，并且保證監測服務端不應響應“TSSM”標識以外的請求報文，對時服務端則不應響應標識為“TSSM”的請求，從而保證了任何情況下兩者不會沖突。

時間同步監測 SNTP協議采用客戶/服務器模式，其中時間管理服務器為客戶端，被監測設備為服務端。時間管理服務器定期向被監測設備發送報文，時間管理服務器按照被監測設備返回的時鐘報文計算時鐘偏差。

圖4中時間管理服務器在T0時刻發送“監測時鐘請求”；被監測設備在T1時刻收到“監測時鐘請求”報文，并在T2時刻返回“監測時鐘請求結果”；時間管理服務器在 T3時刻收到“監測時鐘請求結果”報文。通過計算可以得到時間管理服務器與被監測設備之間的時間誤差Δt=［（T3-T2）+（T0-T1）］/2。

圖4 變電站時間同步監測管理系統基本原理

2.4 監測數據

時間同步狀態在線監測的數據分為對時狀態測量數據和設備狀態自檢數據。其中對時狀態通過乒乓法測得，是時間同步管理的主要監測數據，當管理端發現被監測設備時間同步異常時，管理端應生成告警信息，并通過告警網關機或數據通信網關機上送相應調控中心；設備狀態自檢的目的主要是被監測設備自身基于可預見故障設置的策略，快速偵測自身的故障點。被授時設備和時鐘設備的狀態信息見表1、表2。

表1 被授時設備狀態信息

表2 時鐘設備狀態信息

3 合并單元時間同步監測管理

3.1 現有方案

變電站時間同步監測管理系統中，監控主機通過測控裝置間接管理合并單元，測控裝置通過基于GOOSE的管理報文監測合并單元的時間同步狀態，再將結果報告監控系統主機。該方案實現了合并單元時標毫秒級別的誤差測量，但無法滿足 SV組網條件下的采樣同步精度測量要求。

3.2 改進方案

智能變電站合并單元部分采用SV組網的方式，有利于 SV采樣數據的共享和分析。但是該方式依賴于時間同步信號，當時鐘源發生抖動時，容易造成跨間隔保護裝置采樣數據的不同步，嚴重時可能會引起保護誤動作。合并單元提供了一個 1PPS脈沖輸出接口用于測量其自身輸出的采樣同步脈沖精度，根據標準［5］要求其采樣值同步精度應不大于1μs。

為了完善變電站時間同步監測管理方案，本文提出采用同步脈沖監測裝置（TMU）來實現合并單元同步脈沖的采集監視，如圖5所示。TMU裝置接收全站統一的時間同步對時信號或獨立配置北斗、GPS衛星源，裝置具備采集分析所有合并單元的同步脈沖信號的能力，分析誤差結果和自身的同步狀態實時通過DL/T 860和DL/T 634.5104通信規約上送至管理軟件，同時保護裝置也可以通過 GOOSE或MMS網絡獲得相應間隔合并單元的同步狀態。

圖5 合并單元同步脈沖監視基本原理

3.3 關鍵技術

TMU裝置自身時間穩定性直接影響監測結果，而晶體老化會導致恒溫晶振的輸出頻率按照對數曲線發生變化［6］，因此TMU裝置需要通過外部時間源馴服自身的恒溫晶體，保證其本地時間的穩定性。

晶體頻率隨時間的變化率（老化率）可以通過式（1）來表示。

式中，F表示晶體頻率；t表示時間。當βt>>1時，式（1）可以做如下轉換:

利用時間馴服單元獲得的頻率，并結合線性回歸算法可以得到參數A、B，從而獲得中晶體的老化曲線。

圖6中的虛線部分為晶振頻率采樣數據，實線部分為采用一元線性回歸算法擬合的曲線。

3.4 試驗平臺

為驗證 TMU裝置的自身時間穩定性以及監測性能，本文按照圖7搭建了測試平臺。其中合并單元通過時間同步裝置輸出的IRIG-B信號對時，TMU裝置實時采集時間同步裝置和合并單元輸出的1PPS脈沖。

通過測試可以發現待測1PPS信號與TMU裝置相對抖動不大于30ns，其精度及穩定度滿足合并單元技術條件中規定的采樣值同步精度應不大于 1μs的要求。

圖6 晶振頻率擬合曲線

圖7 試驗平臺示意圖

圖8 時間同步裝置1PPS監視數據

圖9 合并單元1PPS監視數據

4 結論

本文介紹了傳統變電站時間同步在線監測的兩種方式以及基于SNTP乒乓原理變電站時間同步監測管理系統，提出一種通過同步脈沖監測裝置來實現智能變電站合并單元采樣同步脈沖監測方法，用于實時監測數據及自身狀態，同時將監測數據及自身狀態通過 MMS上送到變電站站控層網絡，并通過試驗平臺驗證了自身的精度和穩定度。該方案可以解決目前智能變電站合并單元同步脈沖無法實時監視的問題，對于提高采用 SV數據組網模式的智能變電站的可靠性有一定的參考意義。

［1］翁軍美.電網自動化系統時鐘設備同步實時監測系統研究與應用［D］.杭州：浙江大學，2010.

［2］于躍海，張道農，胡永輝，等.電力系統時間同步方案［J］.電力系統自動化，2008，32（7）：82-86.

［3］國家電網公司.關于開展廠站時鐘同步裝置應用情況調研的通知［Z］.北京，2013.

［4］呂航，李力.變電站同步信號異常對保護裝置影響及對策［J］.電力系統自動化，2012，36（19）：89-93.

［5］國家能源局.DL/T 282—2012.合并單元技術條件［S］.北京：中國電力出版社，2012.

［6］胡錦麟，施松江.晶體振蕩器的對數老化規律［J］.電子技術，1980，12（12）：17-19.

Online Monitoring of Time Synchronization in Smart Substation

Chen Zhigang1Peng Xuejun1Zhang Daonong2
（1.NARI-Relays Electric Co.，Ltd，Nanjing 211102；2.North China Power Engineering Co.，Ltd，Beijing 100120）

This paper describes the currently widely used in Smart Substation clock synchronization and time synchronization of smart substation safe and stable operation of the significance，introduces a kind of based on the principle of SNTP ping-pong to achieve all automation equipment in the substation intelligent time synchronization scheme of online monitoring system.A monitoring method based on the synchronized pulse monitoring device is proposed to realize the monitoring scheme of the merging unit sampling synchronous pulse，which is used for real-time monitoring of the synchronous pulse，and the monitoring data and its own state are sent to the substation station control network through MMS，and its reliability is verified by the test platform.This scheme has some reference value for improving the reliability of the intelligent substation using SV data networking mode.

smart substation； time synchronization； online monitoring； MU

陳志剛（1983-），男，江蘇南通人，工程師，主要從事電力系統時間同步設備、智能一次設備研發工作。