時間同步誤差的電力自動化系統(tǒng)的定量分析

內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司錫林郭勒電業(yè)局 宗浩然

為了解決電力時間同步系統(tǒng)誤差問題，本文對電力時間同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及作業(yè)原理進行分析，提出了時間同步誤差來源。通過布設(shè)測試試驗，對系統(tǒng)測控準確度的影響、基于天氣因素的時間同步誤差對系統(tǒng)的影響展開研究。試驗結(jié)果表明，數(shù)字量類型裝置容易受合并單元和電子互感器的影響，因此降低了系統(tǒng)測控準確性，并且雷雨天氣下，隨著時間的推移，系統(tǒng)同步誤差越來越大，建議限制數(shù)字量誤差等級，提出有效解決措施。

1 電力時間同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電力時間同步系統(tǒng)主要由4個層次組成，位于最上方的是站間同步，最下方的是過程同步，中間兩層沿著從下至上的順序依次為間隔層同步、站控層同步。過程層與站間層作業(yè)同步性能要求偏高。其中，站間層采用的同步工具為北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)，根據(jù)地域變電站作業(yè)需求，對電力系統(tǒng)進行統(tǒng)一控制，使得數(shù)字量得以統(tǒng)一。

過程層內(nèi)的PTP、IRIG-B碼、脈沖等作業(yè)控制方式，使得電力系統(tǒng)作業(yè)得以同步，采用統(tǒng)一時間軸進行管理，使得不同間隔條件下的數(shù)字量得以統(tǒng)一，使得數(shù)字量可以從過程層布設(shè)的設(shè)備傳輸至變電站，而后向其他站發(fā)送信息，控制各個站的數(shù)字量同步性能。如果系統(tǒng)過程層出現(xiàn)問題，就會導(dǎo)致合并單元出現(xiàn)同步誤差，此時測得電子互感器作業(yè)狀況同樣存在同步誤差問題。

2 時間同步系統(tǒng)誤差來源的提出

2.1 氣象擾動因素影響下的誤差

系統(tǒng)作業(yè)狀態(tài)容易受天氣影響，如果當(dāng)前天氣為陰雨天，電離層會因云層厚度的增加而發(fā)生變化，導(dǎo)致信號發(fā)生改變，此時輸出的同步信號抖動幅度增加，出現(xiàn)多處不同步現(xiàn)象。該現(xiàn)象的產(chǎn)生并非人為因素造成，后期無法消除。每一次不同步問題的出現(xiàn)，都會致使誤差累積，隨著時間的推移，誤差影響量越來越大，不容忽視。

2.2 天線安裝擾動因素影響下的誤差

電力自動化系統(tǒng)設(shè)備的安裝容易受環(huán)境限制，部分設(shè)備安裝位置不是最佳位置，設(shè)備作業(yè)期間容易受到周圍環(huán)境干擾，導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。其中，天線安裝受限導(dǎo)致的誤差較為顯著。系統(tǒng)電線安裝位置與預(yù)期存在偏差，受山體等影響，產(chǎn)生的反射較多，輸出信號抖動幅度較大，致使信號同步性較差。

2.3 同步鏈路因素影響下的誤差

由于時鐘設(shè)備與自動化系統(tǒng)設(shè)備布設(shè)距離差異性較大，不同距離條件下耗費的信號傳輸時間不同，距離較遠的設(shè)備之間信號傳輸耗費的時間長一些。因此，鏈路因素對站內(nèi)信號傳輸同步性造成了一定影響。為了消除延時，需要采取修正處理。

2.4 電磁干擾擾動因素影響下的誤差

系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境中的電磁干擾較強，設(shè)計過程中必須注意強弱信號的拆分，避免兩種信號距離過近造成干擾。一旦發(fā)生干擾，設(shè)備作業(yè)期間就會產(chǎn)生錯誤同步。

3 時間同步誤差對電力自動化系統(tǒng)的影響定量分析

3.1 電力自動化系統(tǒng)測控準確度的影響試驗

（1）試驗原理本次實驗通過測試間隔層在時間同步誤差的變化下生成的數(shù)據(jù)，對兩者之間的影響關(guān)系進行驗證。如圖1所示為測試原理圖。

圖1 基于時間同步誤差的系統(tǒng)作業(yè)誤差測量的試驗原理

圖1中，合并單元與電子互感器是向變電站測控裝置發(fā)送數(shù)字量的設(shè)備。本次試驗以標(biāo)準交流信號源作為發(fā)送信號，分別向合并單元A和B發(fā)送相同的電流信號和電壓信號。其中，單元A正常，信號能夠正常與時鐘同步，而單元B接受到的信號為存在誤差的同步信號，該信號由同步系統(tǒng)分析儀定量給出。其中，同步信號的誤差大小為ε，將兩個單元接收到的信號整合到一起，發(fā)送到測控單元中，計算誤差ε影響下的功角測量誤差，記為Δφ，同時獲取功率因數(shù)，記為Φ。

（2）試驗結(jié)果分析

依據(jù)測量試驗原理，搭建測量環(huán)境，分別對功角測量誤差、功率因數(shù)進行測量，并記錄計算值，結(jié)果如表1所示。

表1 基于時間同步誤差的系統(tǒng)作業(yè)誤差測量結(jié)果統(tǒng)計表

通過觀察表1中的統(tǒng)計結(jié)果可知，當(dāng)誤差ε逐漸增加時，功角測量誤差越來越大，功率因數(shù)隨之減小，測控單元中的應(yīng)用數(shù)據(jù)誤差逐漸增加，理論計算結(jié)果與實際誤差相差較小。在無需對的情況下，測控單元處于間接擾動狀態(tài)。由此可以推斷，數(shù)字量類型裝置容易受合并單元和電子互感器的影響，這些設(shè)備的作業(yè)狀態(tài)間接影響到了系統(tǒng)測控單元。

3.2 基于天氣因素的時間同步誤差對電力自動化系統(tǒng)的影響試驗

（1）試驗原理

為了探究站間受時間同步誤差的影響，本次此時以天氣作為試驗條件布設(shè)因素，依據(jù)測試原理，對惡劣天氣下時間同步擾動影響問題進行分析。該測試方案采用串聯(lián)方式將交流信號I轉(zhuǎn)入電子互感器和合并單元中，分別記為A、B。其中，信號A與信號B同相，兩者信號源不通過，信號A的信號源由原子鐘發(fā)出，信號B的信號源由真實時鐘發(fā)出，利用測控單元采集影響指標(biāo)數(shù)據(jù)。

（2）試驗結(jié)果分析

本次試驗選擇在陰雨天開展，此天氣會產(chǎn)生時間同步擾動，會對兩站同步作業(yè)造成一定影響。為了測得影響分析數(shù)據(jù)，收集信號A和信號B，將兩個信號的數(shù)字量均與測控單元連接，分別測試不同ε條件下的Δφ。以下為雷雨天氣條件下的角度誤差與同步誤差結(jié)果分析：

自動化系統(tǒng)在雷雨天氣條件下作業(yè)，前兩個小時時鐘作業(yè)正常，輸出信號同步性較強，積累的誤差在允許范圍之內(nèi)。隨著時間的推移，同步誤差越來越大，并且輸出結(jié)果的抖動較大，大大降低了時鐘守時能力。其中，3h～4h時間段同步誤差出現(xiàn)持續(xù)上升變化趨勢。4.5h時失去了同步，隨著時間的推移，同步誤差大幅度提升，從95μs上升到了600μs，出現(xiàn)了較為顯著的相位誤差。

試驗測試過程中，相位測量值發(fā)生異常，從0h至10h出現(xiàn)頻率為2次，誤差達到了63°。該現(xiàn)象持續(xù)時間雖然很短，并且該時刻下的同步誤差不是很大，但是此情況發(fā)生在系統(tǒng)恢復(fù)同步的重要環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)中，系統(tǒng)需要消除誤差，從較大誤差數(shù)值恢復(fù)到同步時刻，因而會出現(xiàn)抖動，并且幅度會很大，致使合并單元在短時間內(nèi)發(fā)生混亂。由于誤差較大，很有可能影響自動化系統(tǒng)差動保護裝置作用減半。另外，電子互感器的應(yīng)用也會對系統(tǒng)作業(yè)狀態(tài)造成較大的影響。為了避免此類問題的產(chǎn)生，建議限制數(shù)字量誤差等級，通過計算數(shù)字量允許誤差，給出應(yīng)對之策。

總結(jié)：時間同步系統(tǒng)誤差來源有很多，主要包括氣象擾動因素、天線安裝擾動因素、同步鏈路因素、電磁干擾擾動因素。這些誤差因素在電力自動化系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境中無處不在，導(dǎo)致系統(tǒng)中各個設(shè)備作業(yè)狀態(tài)很難保持同步，對系統(tǒng)作業(yè)質(zhì)量造成了較大影響。本文通過探究時間同步誤差對電力自動化系統(tǒng)作業(yè)狀態(tài)造成的影響，希望可以引起人們對此問題的重視，逐漸完善時間同步系統(tǒng)體系。