電力自動(dòng)化系統(tǒng)衛(wèi)星時(shí)鐘同步工作的重要性

電力自動(dòng)化系統(tǒng)衛(wèi)星時(shí)鐘同步工作的重要性

安徽京準(zhǔn)電子科技微X——ahjzsz

2016年，國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布了《全面推進(jìn)智能計(jì)量體系建設(shè)的意見(jiàn)》，其中，在提升采集效率方面，對(duì)負(fù)荷管理、有序供電管理、有序用能管理，它的重要事件、時(shí)鐘同步、檔案同步和設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)要達(dá)到一分鐘采集要求。

為了滿足即插即用的要求，今后的表計(jì)終端只要接入系統(tǒng)，一分鐘內(nèi)要完成時(shí)鐘同步、檔案同步和重要參數(shù)的同步。在控制方面，不管是量控、費(fèi)控還是重要參數(shù)的下發(fā)，要達(dá)到5秒鐘的時(shí)間響應(yīng)。這些都對(duì)時(shí)鐘同步提出了更高的要求。

近年來(lái)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化技術(shù)迅速發(fā)展，發(fā)電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)、變電站綜自系統(tǒng)、調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、PMU、故障錄波裝置、微機(jī)繼電保護(hù)裝置等的廣泛應(yīng)用，也離不開(kāi)時(shí)間記錄和統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)。通過(guò)時(shí)鐘同步技術(shù)為每個(gè)系統(tǒng)饋送的正確時(shí)鐘信號(hào)，結(jié)合自動(dòng)化運(yùn)行設(shè)備的實(shí)時(shí)測(cè)量功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)線路故障的檢測(cè)、對(duì)相量和功角動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、提高在電網(wǎng)事故中分析和判斷故障的準(zhǔn)確率，提高了在電網(wǎng)運(yùn)行中控制機(jī)組和電網(wǎng)參數(shù)校驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

電力系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步的要求是：繼電保護(hù)裝置、自動(dòng)化裝置、安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)和生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)要基于統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)運(yùn)行。這樣來(lái)滿足同步采樣、系統(tǒng)的穩(wěn)定性判別、線路故障及逆行那個(gè)具體的定位、故障錄波、故障進(jìn)行分析以及故障反演時(shí)間一致性的要求，從而提高電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的效率。

電力系統(tǒng)時(shí)間同步及其原理

當(dāng)前，電力系統(tǒng)的時(shí)間同步主要通過(guò)確定變電站內(nèi)GPS和北斗衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)統(tǒng)一狀態(tài)，以及對(duì)于一些比較陳舊的變電站要進(jìn)行時(shí)間同步的配置。

在電力系統(tǒng)的運(yùn)用中，時(shí)間同步是一種最基本的應(yīng)用，也在不斷的更新技術(shù)以及工藝。但是在GPS和北斗衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)中，由于設(shè)備的品牌不同，這就使得站內(nèi)、站與站之間的時(shí)間不能統(tǒng)一。在運(yùn)行的過(guò)程中，時(shí)間接受系統(tǒng)之間不能相互通用，這就會(huì)造成內(nèi)部之間的運(yùn)行不能準(zhǔn)確備份，難以保障整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。因此電力系統(tǒng)的設(shè)備更新要逐漸擴(kuò)展到發(fā)電廠、變電站控制中心、調(diào)度中心等，加強(qiáng)時(shí)間同步技術(shù)，并且要基于不同的授時(shí)源建立時(shí)間同步，而且要互為熱備用。

現(xiàn)代的時(shí)鐘同步的原理是在電力系統(tǒng)中安裝了監(jiān)控裝置、PMU、故障錄波器、微機(jī)保護(hù)裝置、分時(shí)電能表等。這些自動(dòng)化設(shè)備的內(nèi)部都有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，但是這些電子鐘也有可能出現(xiàn)的誤差是：初始值設(shè)備的不夠準(zhǔn)確；石英晶體振蕩頻率誤差及其頻率振蕩的溫度漂移和老化漂移；電路中電容量的變化等。因此要對(duì)這些電子鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，其中的原理就與我們?nèi)粘Ｉ钪械膶?duì)手表一樣，要定期對(duì)時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)前主要是利用GPS和北斗衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)取得時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成各種自動(dòng)化設(shè)備需要的時(shí)間信號(hào)輸出，這就實(shí)現(xiàn)了各個(gè)自動(dòng)化設(shè)備的時(shí)間統(tǒng)一。

電力系統(tǒng)對(duì)于時(shí)間同步的需求

電力自動(dòng)化設(shè)備對(duì)于時(shí)間同步有不同的精度要求，授時(shí)精度可以大致分為4種：

• 時(shí)間同步準(zhǔn)確度不大于1μs；

  包括線路行波故障測(cè)距裝置、同步相量裝置、雷電定位系統(tǒng)的裝置、電子式互感器的合并單元等相關(guān)的裝置。

• 時(shí)間同步準(zhǔn)確度不大于1ms；

  包括故障錄波器、SOE裝置、電氣測(cè)控單元、PMU、功角測(cè)量系統(tǒng)、保護(hù)測(cè)控一體化裝置、事件順序記錄裝置等一系列的裝置。

• 時(shí)間同步準(zhǔn)確不大于10ms；

  包括微機(jī)保護(hù)裝置、安全自動(dòng)化裝置、饋線終端裝置、變壓器終端裝置、配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)等 。

• 時(shí)間同步準(zhǔn)確不大于1s；

  這其中包括：電能量采集裝置、負(fù)荷，用電監(jiān)控終端裝置、電氣設(shè)備在線狀態(tài)檢測(cè)終端裝置或者是自動(dòng)化記錄、控制、調(diào)度中心數(shù)字顯示時(shí)鐘、火電廠以及水電廠、變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、監(jiān)控與采集數(shù)據(jù)、EMS、電能量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、繼電保護(hù)以及保障信息管理系統(tǒng)主站、電力市場(chǎng)技術(shù)支持系統(tǒng)等一些主站，還有負(fù)荷監(jiān)控，用電管理系統(tǒng)主站、配電網(wǎng)自動(dòng)化、管理系統(tǒng)的主站、調(diào)度管理信息系統(tǒng)、企業(yè)管理信息系統(tǒng)等相關(guān)的管理系統(tǒng)。

電力系統(tǒng)內(nèi)時(shí)間同步技術(shù)

時(shí)鐘同步技術(shù)能夠使電力系統(tǒng)中的智能電子設(shè)備獲得統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，因此這種技術(shù)對(duì)于電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、并網(wǎng)管理和安全保護(hù)具有很重要的意義。比較常見(jiàn)的電力系統(tǒng)時(shí)間同步技術(shù)有：

脈沖對(duì)時(shí)

脈沖對(duì)時(shí)也叫做硬對(duì)時(shí)，其原理是利用脈沖的準(zhǔn)時(shí)沿即上升沿或者下降沿來(lái)校準(zhǔn)被授時(shí)設(shè)備。脈沖對(duì)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)是授時(shí)精度比較高，在使用過(guò)程中被動(dòng)點(diǎn)的適應(yīng)性比較強(qiáng)；缺點(diǎn)是僅僅能夠校準(zhǔn)到秒，其他的數(shù)據(jù)都需要人工預(yù)置進(jìn)行。其中比較常用的脈沖對(duì)時(shí)的信號(hào)有1PPS、1PPH等信號(hào)。

串口報(bào)文對(duì)時(shí)

這種對(duì)時(shí)也稱(chēng)為軟對(duì)時(shí)。它是通過(guò)利用一組時(shí)間數(shù)據(jù)并按照一定的格式進(jìn)行的，在串行通信的接口發(fā)送給被授時(shí)裝置，被授時(shí)裝置就會(huì)利用這組數(shù)據(jù)預(yù)設(shè)內(nèi)部時(shí)鐘。串口報(bào)文對(duì)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)是：數(shù)據(jù)比較全面、不需要任何人工預(yù)置；缺點(diǎn)是授時(shí)精度比較低，報(bào)文的格式需要授時(shí)和被授時(shí)裝置雙方進(jìn)行約定。其中常用的串行通信接口有RS-232，RS-422或RS-485等接口通信。

時(shí)間編碼方式對(duì)時(shí)

這種時(shí)鐘同步技術(shù)主要是為了解決兩種對(duì)時(shí)方式的矛盾，通常采用脈沖和串口相結(jié)合的方法，但是在輸送的過(guò)程中需要同時(shí)輸送兩種信號(hào)，這就造成了信號(hào)的矛盾，因此為了解決這種矛盾，目前采用的是國(guó)際上通用的時(shí)間格式碼。它的原理是將脈沖對(duì)時(shí)的準(zhǔn)時(shí)沿和串口報(bào)文對(duì)時(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，這樣就能夠組成一個(gè)脈沖串，最終來(lái)輸送時(shí)間信息。因此被授時(shí)設(shè)備就能夠通過(guò)這個(gè)脈沖串中解析準(zhǔn)時(shí)沿和一組時(shí)間數(shù)據(jù)。這種碼被稱(chēng)為IRIG-B碼，研究表明：時(shí)間編制碼方式對(duì)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)比較全面，其中對(duì)時(shí)的精度比較高，不需要人工預(yù)置，但是它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，很有可能帶來(lái)一些困擾。

網(wǎng)絡(luò)方式對(duì)時(shí)

網(wǎng)絡(luò)方式對(duì)時(shí)主要是基于時(shí)間協(xié)議NTP，精確時(shí)間協(xié)議PTP。當(dāng)前比較簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議SNTP應(yīng)用的比較多。網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘傳輸是以1990年1月1日0時(shí)0分0秒算起時(shí)間戳的用戶(hù)數(shù)據(jù)協(xié)議報(bào)文，PTP所具備的的雙重優(yōu)點(diǎn)能夠滿足對(duì)時(shí)間精度的要求。PTP系統(tǒng)是支持PTP時(shí)鐘同步協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)PTP系統(tǒng)通常包括PTP時(shí)鐘同步設(shè)備和各種普通設(shè)備、終端等。網(wǎng)絡(luò)授時(shí)方式可以接入網(wǎng)絡(luò)的任何系統(tǒng)提供對(duì)時(shí)。

影響時(shí)鐘同步精度的因素有兩個(gè)：時(shí)間戳數(shù)據(jù)精度、路徑延遲對(duì)稱(chēng)情況。

電力系統(tǒng)中GPS和北斗衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)時(shí)鐘同步技術(shù)的作用

在電力系統(tǒng)中時(shí)鐘同步技術(shù)的作用是能夠相位測(cè)量。在電力系統(tǒng)中的電壓和電流波形基本上是通過(guò)正弦波、頻率、幅值和相角弦波等要素，在電力系統(tǒng)中，頻率是相同的，幅值比較容易測(cè)量，其中相角測(cè)量是一個(gè)難題。對(duì)于故障測(cè)距，在電力系統(tǒng)中，輸電線路經(jīng)常發(fā)生各種故障，線路比較長(zhǎng)，并且地形比較復(fù)雜，但是GPS和北斗衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用輸電線路發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)將產(chǎn)生線路兩端以光速進(jìn)行的行波，如果能在同一時(shí)間基準(zhǔn)下記錄兩端首次接受到的行波時(shí)刻，就很容易確定出故障點(diǎn)的位置，這就是行波測(cè)距的原理；雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在雷電閃產(chǎn)生電磁波往空間各個(gè)方向傳播時(shí)，各個(gè)基站測(cè)出接收到電磁波的時(shí)間和電磁波的幅值，同時(shí)能夠傳送到中心站，這樣就可以測(cè)量出雷閃位置以及雷電流的大??；繼電保護(hù)，GPS和北斗衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)的繼電保護(hù)有線路差勁保護(hù)和保護(hù)聯(lián)合調(diào)試。

GPS和北斗衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)衛(wèi)星同步時(shí)鐘技術(shù)在電力系統(tǒng)中的使用，能夠有效地減少檢修和運(yùn)行人員的工作量，使變電站內(nèi)部的運(yùn)行設(shè)備得到統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間基準(zhǔn)，方便了設(shè)備運(yùn)行，提高了電力系統(tǒng)中自動(dòng)化的水平。