面向電力應用的時間同步網建設方案設計

陳碩CHEN Shuo；曲睿婷QU Rui-ting；王慧穎WANG Hui-ying

（國網遼寧省電力有限公司信息通信分公司，沈陽 110006）

0 引言

時間同步是通過接收授時系統所發播的標準時間信號和信息，對本地鐘進行校準即實現標準時間信號、信息的異地復制，而電力行業承載著輸電、變電、配電、用電與調度的各個環節，其安全、可靠、高效、穩定的運行直接關聯社會生產穩定運行，同時隨著國網公司大力推進數字新基建基礎建設，推進數字化、智能化的新一代電網建設進程，在云計算、大數據、物聯網、移動通信、人工智能和區塊鏈為特征的數字電網對時間同步有廣泛的需求。為此，本文通過對結合電網的精密授時、高精度時間傳遞和時間同步進行綜合分析研究，提出了面向電力應用的時間同步網建設方案與監測系統設計架構。

1 時間同步網技術分析

1.1 時間同步網概述

隨著時間同步技術的日益成熟，電力關鍵設施變電站內的時間同步、以及調度主站與多個變電站之間的時間同步是電網基礎建設和正常運行的關鍵任務。尤其是電力標準IEC61850-901中定義了多種涉及變電站間的操作規范和協議內容，如縱聯保護、站間互鎖、平行線路多相重合閘、電流差動保護、系統完整性保護以及自動化業務相關的操作，均要求主站以及各個廠站之間能夠滿足精度要求的時間同步[1]。

當前，電力設施主要通過GPS同步來實現各個智能變電站之間的相對時間同步，并未實現真正的同源時間同步網絡，如圖1所示。

圖1 基于GPS的變電站間同步

由于GPS時鐘源作為國外技術體制的同步時鐘，存在著惡意降等級、易受天氣影響等技術和安全風險，因此必須能夠有可靠、高精度、高可靠的地面廣域時間同步機制。通過地面網絡部署廣域時間同步技術，來實現一種GPS之外的實現更大范圍內的時間同步，確保該范圍內的多個變電站參考時鐘保持在要求的精度范圍內，為多個變電站的統一管理提供時鐘精度的保障。

從技術上來看，電力系統地面時間同步機制至少包括三種：基于SDH的廣域時間同步技術、基于IEEE 1588精密時間同步協議的廣域同步技術，以及基于SDH+1588的廣域時間同步技術[2]。

1.2 時間同步網技術體制

1.2.1 基于SDH的廣域時間同步 調度主站與需要管理的多個變電站之間可以利用已有SDH網絡之間的時間同步機制，通過各級STM-N鏈路的隨路時鐘信號將時鐘基準從源同步到目的網絡，這種機制能夠充分利用已有SDH資源，不需要搭建新的時間同步網絡，建設成本和維護成本都比較低，但由于多級傳輸設備進行時鐘逐級傳送時會因為設備的駐留時間引入時間誤差，通常只能夠達到3us的時鐘精度，不能夠滿足變電站時鐘1us以內的時間同步精度要求，不適合在大規模多級SDH網絡中使用[3]。

1.2.2 基于IEEE 1588的廣域時間同步 自從2002年IEEE 1588精密時間同步協議發布以來，基于以太網的1588技術以其部署簡單、與數據無縫融合、高對時精度等一系列技術優點迅速在智能變電站內得到廣泛的應用，能夠無縫與變電站內部的IEEE 1588對時機制對接，實現整網1588的時間同步，便于進行時鐘狀態和性能的實時監控管理，而且能夠實現時間同步網絡與數據承載網絡的融合，不需要維護獨立的兩張網。

1.2.3 IEEE 1588 over SDH廣域時間同步技術 通過在FPGA中實現時延固定的E1成幀機制，確保了1588在SDH網絡中的固定時延傳輸，并通過非對稱時延補償機制在保持IEEE 1588對時精度的同時不必依賴與骨干網絡的1588能力，既能夠繼續利用現有SDH網絡的同步鏈路資源又能夠保持1588的對時精度，在成本和性能上取得了良好的均衡，將時間同步精度提高到1us以內的廣域時間同步技術[4]。

1.3 時間同步監測系統

時間同步在線監測系統實現電力系統時間同步狀態的監測，其中包括對提供時間同步信號的時間同步系統的時間狀態監測以及對接收時間同步信號的各類系統（如調度自動化系統、能量管理系統、生產信息管理系統、監控系統等）和設備（如繼電保護裝置、智能電子設備、時間順序記錄SOE、廠站自動控制設備、安全穩定控制裝置、故障錄波器等）的時間同步狀態監測，通過對監測對象的時間同步狀態進行監視和管理，實現全網時間同步同步狀態的管理。

2 時間同步關鍵技術剖析

2.1 電力系統常用授時接口剖析

電力系統中設備類型眾多，各類設備依其應用的要求，其對時間同步的需求也不盡相同。為了滿足各類不同設備對時間同步需求，電力系統中采用了多種輸出接口及信號類型來構建時間同步系統。常用輸出接口（硬件）包括：TTL直流電平輸出接口、RS-422/RS-485差分信號輸出接口、交流信號輸出接口、靜態空接點輸出接口、串行口輸出接口、RJ45以太網接口和光纖接口。

授時信號依據類型分為脈沖信號、報文信號、IRIG-B碼信號和網絡時間報文信號。其中脈沖信號包括1PPS（秒脈沖）、1PPM（分脈沖）、1PPH（時脈沖）和PPD（可編程脈沖）；IRIG-B碼遵循IEEE C37.118-2005標準，根據編碼形式分為DC（直流）和AC（交流）兩種；網絡時間報文信號分為NTP、PTP（IEEE1588）報文[5]。

2.2 時間同步系統授時信號剖析

電力系統時間同步系統為調度主站系統、變電站、電廠的所有被授時設備/系統提供授時信號，并且根據不同的設備/系統對時間精度的要求提供不同的授時信號以完成設備的時間同步[6][7]。①對故障錄波器、事件計錄儀、微機繼電保護及安全自動裝置、遠動及微機監控等系統，可采用規約軟授時的時間同步方式，必要情況下可采用規約軟授時＋脈沖授時方式，脈沖可根據要求配置為1PPS（秒脈沖）、1PPM（分脈沖）或1PPH（時脈沖）等，也可以采用授時精度較高的IRIG-B授時方式。②對PMU、行波測距系統、雷電定位系統等對時間精度要求較高的系統必須采用軟授時＋1PPS秒脈沖或IRIG-B授時方式以保證授時精度。③對信息子站和網絡服務器等對時間要求較低的設備可采用NTP網絡授時。

2.3 時間同步通信協議剖析

在電力系統中，為了實現授時模塊與主時鐘單元、時鐘裝置與變電站監控系統之間的報文通信，電力系統應用了現有的通信協議，如NUMA0813、串行通信口報文協議；基于DL/T 860（IEC61850）、IEC60875-5-104的通信協議，實現時間同步裝置與變電站監控系統間的管理通信。

3 時間同步網建設方案

3.1 電力時間同步網建設整體架構

當前電網?。▊洌┱{、市調、縣調及各級變電站均為獨立授時系統，通過北斗或GPS信號獲得時間源，通過時間服務器或時鐘屏為本地裝置提供時間信號，實現調度及各個變電站之間的相對時間同步，而并未實現真正的同源時鐘同步網絡。本文按照電網省級電力系統時間同步網由省內各級調度機構、變電站（發電廠）等的時間同步系統組成，為電力系統內的各種系統和設備提供時間同步信號，以現有的頻率同步網及時鐘建設基礎，設計了以關鍵節點變電站PRC或省級LPR為一級時鐘主機，為省內地調建立二級時鐘主機，各廠站建立三級時鐘主機的設計方案，實現時間同步網建設，具體整體架構如圖2所示。

圖2 電力系統時間同步網應用結構

3.2 電力時間同步網建設方案

3.2.1 各級時鐘主機信號源和頻率源 根據本文設計的電力時間同步網整體架構，按照不同等級的時間同步要求，對時間同步信號進行剖析設計，具體如表1所示。

表1 時間同步系統各級時鐘主機輸入輸出信號

3.2.2 調控中心時間同步方案 調度控制中心的時間同步通常包括安全I、II、III區的調度自動化系統、桌面辦公系統、電子掛鐘等系統和設備的時間同步。其中，調度自動化系統主要包括調度支持系統、電能量計費、保護信息管理、電力市場技術支持、負荷監控、用電管理、配電網自動化管理、調度生產和企業管理等系統的主站。在《電力系統時間同步系統 第1部分：技術規范》的“電力系統常用設備和系統對時間同步準確度”中要求調度自動化系統時間精度優于1s，在應用中時間同步信號為網絡授時NTP或串口對時報文。

3.2.3 智能變電站時間同步系統方案 智能變電站時間同步系統通常設置在站控層，時間同步系統輸出各種時間同步信號對站內各層被授時設備統一授時，建立統一的時間同步系統。

智能化變電站為提高時間同步系統安全性通常采用主備式時鐘架構，另配置擴展時鐘實現站內所有被授時設備的軟、硬授時需求，方案采用基于衛星（北斗系統和GPS系統）方式獲取精確時間信號，同時預留地面時鐘源接口，支持地面設備提供的時鐘信號。

3.2.4 全網時間同步實現方案 每級時鐘主機同時接收GPS對時信號、北斗對時信號、以及上一級調度通過SDH網絡傳輸的PTP時間信號，并通過檢測三路時間源的相差和秒脈沖抖動、判斷哪一路時間源最穩定，并以最穩定的時間源作為本級時間基準。由于省調至各地調、地調至各廠站的光纖通道路徑長度不一致，導致時間信號傳輸延遲不一致，進而導致各級時鐘主機時間不一致，需要對時間信號進行補償校正。利用各節點之間的光纖通道，每一級時鐘主機向下一級時鐘主機實時發送雙向測試數據包，用于檢測通道路徑造成的時間延遲，進而對各級時鐘主機的時間進行補償校正。

4 結束語

電力時間同步網建設為電網的安全可靠運行提供技術保障，對電力系統的建設與運行、增強系統的安全性、可靠性、穩定性和有效性具有重要的意義，本文通過對電力應用的時鐘同步網技術及建設方案進行設計研究設計，實現各調度、廠站時間的監測、校對、錯誤時間報警，為電力系統安全、穩定、經濟運行提供有力支撐。