IEEE1588 PTP 同步时钟在电力系统应用的可

IEEE1588 PTP 同步时钟在电力系

统应用的可

IEEE1588(PTP)同步时钟在电力系统应用的可行性方案探讨摘要：本文介绍了电力系统时间同步的基本概况，对目前电力系统所采用的各种时间同步方案作了较为具体的研究，并指出目前电力系统中所采用的时间同步技术的局限性以及存在的问题。在此基础上，以发电厂作为一个应用实例，结合

IEEE1588(PTP)协议本身的特点，提出了一个基于IEEE1588(PTP)时间精确同步协议的应用方案。在综合各种理论分析和方案对比的基础上，分析并指出在电力系统中采用IEEE1588(PTP)时间同步标准作为时间同步方案是可行也是可取的。一、电力系统时间同步基本概况电力系统是时间相关系统，无论电压、电流、相角、功角变化，都是基于时间轴的波形。近年来，超临界、超超临界机组相继并网运行，大区域电网互联，特高压输电技术得到发展。电网安全稳定运行对电力自动化设备提出了新的要求，特别是对时间同步，要求继电保护装置、自动化装置、安全稳定控制系统、能量管理系统(EMS)和生产信息管理系统等基于统一的时间基准运行，以满足事件顺序记录(SOE)、故障录波、实时数据采集时间一致性要求，确保线路故障测距、相量和功角动态监测、机组和电网参数校验的准确性，以及电网事故分析和稳定控制水平，提高运行效率及其可靠性。未来数字电力技术的推广应用，对时间同步的要求会更高。目前，电力系统中的时间同步处于"各自为政"的状态，要求对时的每套系统都配置一套独立的时钟系统，通常选用美国的全球定位系统(GPS)接收器，结果使电力企业、电厂、变电站的楼顶天线林立。由于处理方式、接口标准不统一，这些时间接收系统相互间不通用、无法互联，更不用说形成互为备用，而且整个系统的可靠性无法保证，过于依赖于GPS。为了逐步实现全电网的统一时间，有必要在发电厂、变电站、控制中心、调度中心建立集中和统一的电力系统时间同步系统，而且要求该系统能基于不同的授时源建立时间同步并互为热备用。全国电力系统管理及其信息交换标准化技术委员会已成立电力系统动态监测与时间同步工作组，目前正加紧《电力系统时间同步技术规范》的制定工作，以规范电力系统时间同步运行。目前，中国电力行业通常使用的是北京时间。协调世界时间(UTC)加8h后，转换为北京时间。本文中的时间同步概念，就是通过接收

授时系统所发播的标准时间信号和信息，校准本地时钟，换言之，就是实现标准时间信号、信息的异地复制。二、电力系统对时间同步的需求电网对时间同步的需求主要体现在电网调度、电网故障分析判断上，与电力生产直接相关的是实时控制领域，直接使用时间同步系统的是电力自动化设备(系统)。随着数字电网建设的加快，一些新型的实时监测控制系统，如电网预防控制在线预测系统(OPS)、广域测量系统(WAMS)、广域监测分析保护控制系统(WARMAP)等，对时间同步的需求更为迫切。电力自动化设备(系统)对时间同步精度有不同的等级要求，而不是通常所理解的精度越高越好，对时精度的提高需要付出相应的代价，因此，没有必要盲目追求高精度，原则是满足被授时设备本身的最小分辨率即可。一般而言，将电力系统被授时装置对时间同步准确度的要求大致分为以下4类：1)时间同步准确度不大于1μs：包括线路行波故障测距装置、同步相量测量装置、雷电定位系统、电子式互感器的合并单元等。2)时间同步准确度不大于1ms：包括故障录波器、SOE装置、电气测控单元/远程终端装置(RTU)/保护测控一体化装置等。3)时间同步准确度不大于10ms：包括微机保护装置安全自动装置、馈线终端装置(FTU)、变压器终端装置(TTU)、配电网自动化系统等。4)时间同步准确度不大于1s：包括电能量采集装置、负荷/用电监控终端装置、电气设备在线状态检测终端装置或自动记录仪、控制/调度中心数字显示时钟、火电厂和水电厂以及变电站计算机监控系统、监控与数据采集(SCADA)/EMS、电能量计费系统(PBS)、继电保护及保障信息管理系统主站、电力市场技术支持系统等主站、负荷监控/用电管理系统主站、配电网自动化/管理系统主站、调度管理信息系统(DMIS)、企业管理信息系统(MIS)等。三、同步时钟根据各类电力自动化设备(系统)对时间同步精度要求的不同，确保电力自动化设备(系统)安全稳定可靠地对电力系统实施控制，保证电力系统运行，考虑到时钟源的互为备用、战时备用等因素，电力系统的同步时钟不能只选1个或同一时钟源，应至少选择2个不同的时钟源。具体情况，可以参考电力系统时间同步技术规范等指导性文档。图1所示为电力系统同步时钟体系结构，由时钟源、时间同步信号接收器、频率源、主时钟、二级钟组成。1)时钟源时钟源提供标准时钟信号。其中：无线授时系统有欧洲伽利略(Galileo)导航系统、中国北斗导航系统、俄罗斯全球导航卫星系统(GLONASS)等卫星定位、导航、授时系统，以及长波授时系统(BPL)、短波授时系统(BPM)等，而目前广泛应用的时钟源是美国的GPS；有线授时系统，例如通信网络授时系统，它以网络或专线作为载体。通常，授时时钟源会修正延时到用户端的时间信号接收单元。不

同时钟源的授时精度不同，例如，GPS授时精度达到6ns~12ns，基于网络的对

时系统授时精度为50μs，中国北斗导航系统授时精度为20ns~100ns，BPL授

时精度为1μs，BPM授时精度为1ms。从测量角度分析，被校验系统的溯源要

求比其自身的精度至少高1个数量级，因此，子站授时系统时间同步需要选择

授时精度达到100ns的时钟源，主站授时系统时间同步需要选择授时精度达到100ms的时钟源。2)时间同步信号接收器时间同步信号接收器用来接收时钟源

信号，经处理后为主时钟提供初始时间信号。基于无线授时的信号处理方法，

是将载波扩频信号解码成时间及其相关信息，包括空间(经度、纬度、海拔高度)、接收卫星颗数等，其中BPL和BPM只有时间信息传送给时钟信号接收单元的处理器；基于有线授时的信号处理方法，是将传输的时间报文直接解包，然

后读出，根据数据传输进行延时补偿。3)频率源频率源又称频标，提供稳定的

频率信号，作为时间同步信号接收器失效时的守时脉冲信号源。对于守时精度

要求高以及重要的应用场合，可以选用原子频标(如铯原子频标、铷原子频标)、恒温晶振；对于一般应用场合，可以选用普通晶振。4)主时钟主时钟也称分频钟，用来接收时间同步信号接收器的时间、秒脉冲(1PPS)信号以及频率源的频

率脉冲，并将时间信号分配成多路信号，或直接分配给应用系统或装置，或分

配给二级钟。主时钟需要采取必要的补偿算法，以保证出口精度。主时钟要求

配置2路不同的时间同步信号接收器，以接收来自不同时钟源的时间信号，只

要其中任何一路时钟源正常，都可以完成授时功能。5)二级钟二级钟用来接收

主时钟的时间和脉冲信号，提供多路不同方式的时间同步信号输出。二级钟配

置必要的守时元件(如原子频标、晶振)，以确保在主时钟失效状态下能够保持

一定时间长度的授时精度。二级钟要求配置2路主时钟输入，可以实现主备方

式配置的主时钟输入。为确保授时精度，二级钟与主时钟之间采用光纤连接，

传输内容可以有2种方式：IRIG(Inter Range Instrumentation Group)-B码；1PPS+时间报文。二级钟与主时钟之间的传输距离需要进行算法补偿，以确保时

间同步，保证二级时钟出口精度。四、电力自动化设备对时方式电力自动化设

备(系统)可以选用的对时方式有以下4种：1)脉冲对时也称硬对时，是利用脉

冲的准时沿(上升沿或下降沿)来校准被授时设备。常的脉冲对时信号有1PPS和分脉冲(1PPM)，有些情况下也会用时脉冲(1PPH)其中1PPM和1PPH也可以通过

累计1PPS得到。脉冲对时信号分为有源脉冲和被动点。有源脉冲电源由授时设

备提供，电压等级常用的有TTL电平(+5V)、24V电和差分电平(±5V)；被动接

点等效于开关，准时闭合/断开，被授时设备自身提电源，通过被动接点转换为