智能電網高精度統一時鐘系統的關鍵技術

李劍鋒

摘 要

時間同步系統是智能化變電站的關鍵設備，同時也是通信支撐網的重要組成部分。目前電網的時鐘同步設備存在著分散獨立、缺乏統一標準和精度低誤差大等問題，制約著智能電網的發展，需要加大力度開展高精度統一時鐘系統的技術研究。

【關鍵詞】時鐘系統 高精度 切換 傳遞 誤差修正

時間同步系統給智能電網的運行、維護、計費確立統一的時間基準，為向用戶提供更優質的服務打下良好的基礎。對于智能電網生產系統，精確統一的時間可以保證與時間有關的設備的良好運行；對于智能電網電量計費系統，精確統一的時間可以保證計費的準確，避免與客戶的糾紛；對于智能電網維護部門，精確統一的時間有利于定位系統的故障原因分析，為解決問題提供準確的資料；對于智能電網電力試驗部門，精確統一的時間可以保證試驗結果的有效性和完整性。

高精度統一時鐘系統是電力行業近年來重點發展和推廣的關鍵技術，目前電力系統已開始分層次分階段構建全網時間同步系統，在發電廠、變電站、控制中心、調度中心建立集中和統一的電力系統時間同步系統，且要求系統能基于不同的授時源建立時間同步并互為熱備用，實現統一的全網時間基準，以保證電力系統自動化裝置和系統的正常運行和作用的發揮，保障電力系統的安全、穩定、可靠運行。

1 高精度統一時鐘的需求

高精度統一時鐘系統是電網智能電子設備對高精度統一時鐘的需求：

1.1 故障錄波、事件順序記錄和故障定位

采用統一時鐘同步技術之后，全網就可以維持一個統一的時間基準。這樣通過收集分散在各個變電站的故障錄波數據和事件順序記錄，可以在全網內更好地重現事故發生發展的過程，監視系統的運行狀態。對故障錄波和事件順序記錄來說，對時精度不宜低于1ms。基于衛星同步時鐘的電網故障定位系統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系來定位故障發生的位置。理論上講，對時精度達到1uS時，測距精度可以達到300m。

1.2 同步相量測量

同步相量測量技術及以其為基礎的廣域監測系統已在電網的實時監測中得到了應用。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確度，要求全網對時精度達到1uS。

1.3 兩個變電站間的同步試驗

可以利用衛星同步時鐘在線路兩側進行故障暫態同步試驗，來檢驗線路縱聯保護裝置，包括相差保護、電流差動保護、高頻距離保護、高頻方向保護裝置的特性。對于距離保護和方向保護，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內就可以了；但是差動保護、相差保護因為要比較兩側的模擬量，要求對時精度應達到uS級。

2 建設高精度統一時鐘系統的關鍵技術

2.1 高精度網絡授時技術

高精度網絡授時是未來電力系統特別是智能電網的發展方向。目前，電力系統網省調、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，已經不能適應電力系統的新需求，基于1588協議的PTP高精度網絡授時是實現全網高精度時間同步的核心。

高精度網絡授時技術包括網絡授時協議、接口、網絡授時精度和網絡管理等，為滿足高精度網絡授時的需求，高精度的時間戳處理技術和采用的網絡授時協議尤其重要。目前主要采用基于硬件層時間戳處理技術，時間戳精度達100納秒量級，采用IEEE1588 V2 高精度網絡授時協議。

2.2 通過E1業務或開銷通道傳輸時間，通道1+1保護

目前電網SDH網絡已經覆蓋所有地調、縣調、220KV及大多數110KV變電站。由于全網時間同步系統所占用的E1資源很少，可以通過E1業務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、環路自愈問題對時間傳遞精度的影響。當工作通道傳輸中斷或性能劣化到一定程度后，線路保護倒換功能將將主用傳輸自動轉到備用傳輸通道；環形網保護是當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，通道倒換和環路自愈時將重新選擇一條傳送通路，從而產生較大的抖動時延；通過采用雙向法在SDH網絡中傳遞時間信號時，常用SDH環形結構由于不能滿足任意兩個網元間收發路徑的對稱性，無法實現高精度的時間信號傳遞，可通過采用PTP精確時間傳輸協議來解決SDH網絡傳遞路徑不對稱的時延傳輸問題。

2.3 各級間的時間基準傳遞與傳輸時延誤差修正

當利用SDH網絡傳輸時間基準信號時，SDH網絡傳遞時間的通道特性將直接影響時間的傳遞質量，包括授時精度、時間可用率等指標。因此，在實施地面時間傳遞時，需要對通信通道進行專門的研究，通過分析通道的特性，提出時間傳遞技術的自適應補償方法；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網絡的傳輸時延包括：傳輸時延和網元節點的處理時延。

線纜傳輸的時延修正：在全網時間同步系統中，SDH傳送網絡的光纜、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生的時延進行誤差修正。目前普遍采用的是雙向時間比對法，通過收發端的高精度時間戳比對、自適應濾波等手段，基于PTP時間處理技術，可有效的自適應消除線路傳輸時延，傳輸時延修正誤差達百納秒量級。

SDH網元的時延抖動誤差修正：電力SDH網絡是在光纖上進行同步信息傳輸、復用、分插和交叉連接的網絡，其傳輸網絡和網元引起的時延誤差，主要包括因指針調整、映射處理等產生的時延抖動變化。通過雙向傳輸時間比對、自適應時延濾波等手段，完全可以消除因指針調整、映射處理等產生的時延抖動影響。

2.4 多時鐘源切換技術

高精度統一時鐘系統的時間基準源通常包括北斗、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：由于北斗與GPS系統存在系統差，雙系統切換時保證相位連續性技術難度很大。通過對北斗與GPS系統授時性能長期分析，提出了自主的北斗和GPS雙衛星系統秒時差處理模型。地面鏈路與衛星系統間存在較大的相差，通過高精度標示北斗、GPS、地面鏈路的授時系統差，采用自主完好性監測與智能估計、訓練等算法，通過對多時間基準源實時的相差統計、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源的授時融合難題。

3 結束語

開展智能電網高精度統一時鐘系統研究，解決目前時間同步技術應用情況混亂、技術水平參差不齊、技術方案不規范等問題，可滿足目前電網和未來智能電網的時間統一需求和對全網時間同步系統的管理要求，提高時間同步技術應用和運行管理水平。

作者單位

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