基于電網工頻分量周期值的時鐘同步技術

劇晶晶

（齊魯工業大學（山東省科學院）電氣工程與自動化學院，山東 濟南250353）

0 引 言

隨著我國電力系統的發展，風電、光伏發電等新型能源和儲能裝置開始越來越多地接入配電網，使其運行模式變得越來越復雜。為保證配電網供電質量和可靠性，需要不斷進行技術創新，提升電網性能，盡量降低因停電造成的社會經濟損失。2016年國家發改委、國家能源局提出了《電力發展“十三五”規劃》的綱領性文件，針對配電網方面發改委和能源局提出“升級改造配電網，推進智能電網建設”的目標，要求“滿足用電需求，提高供電質量，著力解決配電網薄弱問題，促進智能互聯，提高新能源消納能力，推動裝備升級與科技創新，加快構建現代化配電網[1]”。這就要求在電網運行保護和故障定位等方面做進一步優化，因此提出了智能配電網的概念。智能配電網可以智能優化配置電力資源，且供電質量和可靠性有所提高，符合我國能源戰略的需求，所以智能配電網是目前電力系統的重要研究方向。智能配電網中的饋線自動化是提升供電可靠性、減少短時停電的關鍵技術[2]。饋線上有多個配電終端，一切配電終端的統一協作均依賴于高精度的時間基準，采集到的線路數據信息才有效，才能正確反映饋線運行狀態[3]。因此，研究基于電網工頻分量周期值的時鐘同步技術很有必要。

1 時鐘同步技術的發展現狀

在電力系統實時控制中，時鐘同步作為基礎性條件尤其重要，同時可為電力系統的事后故障分析提供支持。一切電力設備的統一協作均依賴于高精度的時間基準。不同領域對時間精度的要求各不相同，在電力系統中各設備對時鐘同步的精度要求一般在1 μs～ 1 s。

饋線自動化的主要設備為配電終端（FTU），安裝于饋線上分段開關處，是配電網自動化的重要組成部分。饋線自動化中的配電終端對饋線上的電力參數信息進行檢測反饋，實現控制分段開關的功能。電力參數信息要有嚴格的時效性，饋線中的故障判斷、隔離和非故障區域恢復供電都依賴高度的時間一致性，否則檢測反饋結果將無任何意義。

2 電網常見時鐘同步方式

目前，電力系統時鐘同步技術中，最主要是在變電站內安裝GPS時間裝置，GPS衛星上搭載有原子鐘。原子鐘時間與世界標準時間UTC一致，可作為一切配電終端的標準時鐘源，由其向變電站配電終端下發時鐘信息，變電站配電終端再將此信息下發給各饋線上配電終端。各饋線上配電終端在接收到標準時鐘后，會據此校正本地時鐘，使全網配電終端時鐘保持一致[4-5]。GPS衛星授時是變電站內時鐘對時的主要方式，變電站由此獲取母時鐘源，授時精確無誤差。常用的時鐘同步協議有IEC 60870-5-101/104對時方法、網絡時間協議NTP/SNTP、IEEE 1588對時協議等。其中，IEC 60870-5-101/104的對時方法網絡延遲難以計算，誤差較大，精度通常在10～50 ms。NTP/SNTP協議是時間同步的標準互聯網協議，采用客戶端（Client）/服務器（Server）的工作方式，將其應用于配電自動化通信網絡中，對時精度在10 ms水平[6-7]。IEEE 1588對時精度較高，分為1588v1和1588v2兩個版本。1588v1版本時間同步精度可達亞毫秒級，1588v2版本時間同步精度可達亞微秒級[8]，但要通過軟硬件結合的方式，成本也相應增加。

3 基于電網工頻分量周期值比對的時鐘同步技術

在電力系統實際運行中，由于電力系統中負荷的隨機波動，造成電網系統頻率的偏移。因此，系統頻率沒有絕對的穩態。系統頻率偏移實質是由于有功功率不平衡導致的。系統頻率實時偏移引起工頻分量周期值實時變化。電網工頻分量周期值實時變化，且在同一時刻不同地點采集計算的工頻分量周期值都是相同的。因此，通過工頻分量周期值比對可實現時鐘同步。本文利用電網工頻分量周期值作為參考量來研究時鐘對時的方法，能夠有效提高配電線路上不同配電終端之間的對時精度。

<1)，且各件產品是否為不合格品相互獨立．

3.1 具體實現系統

變電站配電終端、饋線上配電終端（FTU）以及通信系統，如圖1所示。通信網絡為各配電終端（FTU）之間的通信提供通道。

變電站母線處的FTU功能：實時監測變電站母線上的電壓信息，并向饋線上配電終端下發標準時鐘源信息。

饋線上分段開關處的FTU功能：監測并采集饋線上的電壓信息、開關分合狀態，根據采集的數據分析判斷線路故障，同時接收標準時鐘源信息，以此校正饋線上FTU本地時鐘。

變電站母線處配電終端FTU0與變電站GPS直接連接，用于接收標準時鐘源信息。饋線1分段開關處的配電終端FTU11、FTU12、FTU13的時鐘信息始終與FTU0保持同步。所有配電終端都以AB線電壓信號為基礎。對時的時間戳由整數部分為頭32位、小數部分為后32位的64位無符號浮點數組成，以秒為單位，時間相對于1900年1月1日零點。

3.2 具體實施方案

系統對時方案如圖2所示。

（1）FTU0向同一饋線上所有配電終端（FTU11、FTU12、FTU13）發送標準時鐘源信息，以此同步饋線上的配電終端FTU11、FTU12、FTU13。

（2）FTU11向FTU0發送對時請求命令，同時FTU11開始采集AB線電壓信號并計算各周波工頻分量周期值，記錄每個周波的0°相位時刻。

圖1 饋線自動化系統結構圖

圖2 配電終端對時通信過程圖

（3）FTU0收到對時請求命令后，開始采集AB線電壓信號并計算各周波工頻分量周期值，計算5個周波為止，并記錄第1個周波0°相位時刻T0和之后的連續5個周波的開始時刻T01～T05。

（4）連續5個周波的周期值計算完成后，FTU0向FTU11發送對時響應命令，命令信息包含第1個周波的起始時刻和連續5個周波的起始時刻。

（5）FTU11收到FTU0發送的對時應答命令后，停止周期值計算。

（6）FTU11根據收到的對時應答信息計算FTU0采集的5個周波周期值，利用相鄰兩個周波的起始時刻計算周期值t0i，t0i=T0i-T0i-1，i從1開始。

（7）FTU11根據本地的各周波起始時刻計算周期值t1i，t1i=T1i-T1i-1，i從 1 開始。

（8）FTU11從本地第1個周期值開始，第N-5個周期值結束，與FTU0采集的5個周期值進行逐一比對，分別計算：

其中，t1(i+k-1)表示FTU11記錄的周期值，t0(i)表示FTU0記錄的周期值，k表示FTU11記錄的第k個周期值，k從1開始。選取ρ值最小時對應的k，此刻認為FTU11第k個周波開始對應的時刻T1k-1與FTU0返回的時刻T0相同，時鐘偏差為Toffset=T0-T1k-1。

（9）FTU11時間校正方式T=T+Toffset。

（10）FTU12、FTU13等配電終端對時方案與FTU11相同，步驟重復（1）～（9）。

4 結 論

在電力系統中，一切電力設備的統一協作均依賴于高精度的時間基準。在饋線自動化中，配電終端之間的時鐘同步是基礎性要求。本文利用電網工頻分量周期值是時刻變化的且不同地點同一時刻的電網工頻分量周期值相同的特點，以電網工頻分量周期值作為參考量來研究智能電網中各配電終端的對時方法，能夠有效提高配電線路上不同配電終端之間的對時精度。