变电站时钟同步技术

卫星同步时钟（BSS-3）
一、变电站时钟同步系统
3. 变电站时钟同步的系统方案
● 北斗星卫星授时系统 1、覆盖范围：北斗导航系统是覆盖中国本土的区 域导航系统。覆盖范围 东经约70°一140°，北纬5°一55°。GPS是覆盖全球的全天候导航系统。 能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到6-9颗卫星(实际上最多 能观测到11颗)。 2、定位精度：北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。 GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到6m，C/A码目前己由25-100m提高到 12m，授时精度日前约20ns。 3、授时：中心控制系统定时播发授时信息，为定时用户提供时延修正值。 目前出现了许多利用北斗单向授时为广电、通信、电力、国防等行业 提供产品和解决方案：如泰福特电子的HJ5437、可为集团的CT-CBD001系列 北斗星同步系统 )。
一、变电站时钟同步系统
3. 时钟同步的系统方案
● 编码对时 将时间同步信号（每一帧报文的第一个跳变又对应于整秒，相 当于秒脉冲同步信号）和标准的时间信息（秒、分、时、天等时间 码）编成时间码序列码输出到统一的对时总线上对装置进行时间同 步。目前变电站中通常使用的信号载体是物理信号为RS-422电平的 双绞线。编码时间信号有多种，国内常用的有IRIG和DCF77两种。 编码对时是一种精度很高并且又含有标准的时间信息的对时方 式，采用编码对时,就不再需要进行基于现场总线的通信报文对时, 同时也不需要GPS输出大量脉冲对时信号。 《广东电网变电站GPS时间同步系统技术规范》规定“凡新投运 的需授时变电站自动化系统间隔层设备，原则上应采用IRIG-B码时 钟同步信号。”
一、变电站时钟同步系统
3. 变电站时钟同步的系统方案
● 软对时(串口报文) 串行同步输出方式，是将时刻信息以串行数据流的方式输出。串口 校时的时间报文包括年、月、日、时、分、秒，也可包含用户指定的其 他特殊内容，例如接收GPS卫星数、告警信号等，报文信息格式为ASCll 码或BCD码或十六进制码。 串口校时往往受距离限制，RS一232口传输距离为30 m，RS一422口 传输距离为150 m，加长后会造成时间延时。 各种被授时装置接收串行时间信息获得时间同步，但不能解决装置 时钟存在自身走时误差问题；在对时信息接收过程中，信息处理耗费的 时间也会影响对时精度。
▇ 500kV变电站（方案一）：*
配置两台标准同步钟本体，互为备用。两台装置宜在主控室组成一面屏，各 保护小室安装时标信号扩展装置。各标准同步钟本体应能接收两路IRIG-B（DC） 时码（RS-422），其中一路接收另一台标准同步钟发送的信号，第二路接收通信 网络传送的对时信号。 *注：见《广东电网变电站GPS时间同步系统技术规范》广东电网公司 05年9月
三、NTP/SNTP
它是一种精度高、无专用对时总线和专用对时接口、结构更简洁的以太网 对时系统，目前成为SCADA和61850等的选择。
1. 2. 3. 4. 5.
NTP/SNTP的背景 NTP/SNTP的工作原理 NTP/SNTP的工作模式 NTP/SNTP的数据格式 NTP/SNTP同步的应用
2. 时钟同步的要求
1）《远动设备及系统第四部分:性能要求》(GB/T17463一1998， IEC870一4:1990)中，事件分辨率分为4个等级: SP1(≤ 50ms)，SP2(≤ 10ms)，SP3(≤ 5ms)，SP4(≤ 1ms)。 2） IEC 61850将对时间同步的要求划分为T1～T5共5级。其中，T1 要求最低，为1ms；T5要求最高，为1us。
一、变电站时钟同步系统
1. 时钟同步的意义
1）通过变电站GPS时间同步系统,可为系统故障的分析和处理提供准确 的时间依据.当电力系统发生故障时，既可实现全站各系统在统一时间基准下的运行监
控，也可以通过各保护动作、开关分合的先后顺序及准确时间来分析事故的原因及过程。
2）时钟同步是提高电网运行管理水平的必要技术手段.在综自变电站中计算
二、IRIG-B
2. IRIG-B码脉冲序列结构
二、IRIG-B
2. IRIG-B码脉冲序列结构
连续两个“P”码元表明整秒的开始,第二个“P”码元的脉冲前沿是 “准时”参考点,定义其为“Pr”。每10个码元有一个位置码元,共有10个, 定义其为P1,P2,…,P9,P0。 B码时间格式的时序为秒-分-时-天,所占信息位为秒7位、分7位、时6 位、天10位,其位置在P0～P5之间。天、时、分、秒用BCD码表示,个位在 前,十位在后,个位和十位间有一个脉冲宽度为2 ms的索引标志码元。 如图所示的B码序列表示的时间是一年中的第191天14时8分32秒。 控制功能码位于P5～P8之间。从P8码元开始是SBS时间码,SBS时间码是 直接用二进制的秒信号表示一天时间的时间编码方法,共17位二进制信号, 每天重复。
变电站时钟同步技术
路光辉 2008.12.18
主题
一、变电站时钟同步系统 二、IRIG-B 三、NTP/SNTP 四、数字化变电站同步系统
一、变电站时钟同步系统
目前变电站时钟同步的方式和系统构架是什么？
1. 2. 3. 4. 5.
时钟同步的意义 时钟同步的要求 时钟同步的系统方案 时钟同步的系统构架 时钟同步的系统应用
一、变电站时钟同步系统
4. 时钟同步的系统应用
▇ 500kV变电站（方案一） ：
一、变电站时钟同步系统
4. 时钟同步的系统应用
▇ 500kV变电站（方案二） ：
二、IRIG-B
“凡新投运的需授时变电站自动化系统间隔层设备，原则上应采用IRIG-B 码时钟同步信号。”
1. IRIG-B码背景 2. IRIG-B码脉冲序列结构 3. IRIG-B码输出
二、IRIG-B
1. IRIG-B码背景
IRIG时间编码序列是由美国国防部下属的靶场仪器组(IRIG)提出的并 被普遍应用的时间信息传输系统。该时码序列分为G,A,B,E,H,D共六种编、 码格式,应用最广泛的是IRIG-B格式,简称B码。其突出优点是将时间同步信 号和秒、分、时、天等时间码信息加载编码序列中。 B码信号是每秒一帧的时间串码,其基本的码元是“0”码元“、1”码 元和“P”码元,每个码元占用10ms时间,一帧串码含100个码元。码元“0” 和“1”对应的脉冲宽度为2 ms和5 ms,“P”码元是位置码元,对应的脉冲 宽度为8 ms,B码信息的基本码元的示意图如下：
一、变电站时钟同步系统
3. 变ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ站时钟同步的系统方案
二、主时钟(标准同步钟本体 )： ▇ 应用GPS技术/B码基准解码接收技术/高稳晶体振荡器守时技术 授时，实现多基准冗余授时，能够智能判别GPS信号、外部B码时 间基准信号的稳定性和优劣，并提供多种时间基准配置方法。 ▇ 采用精准的测频与“输出频率驯服算法”，使守时电路输出信 号与GPS卫星/IRIG-B时间基准保持精密同步,消除因晶体振荡器老 化造成的频偏带来的影响。 ▇ 设计、抗干扰设计，信号接收可靠性高，不受厂（站）地域条 件和环境的限制。 ▇ 采用双电源冗余供电，并选用高性能、宽范围开关电源， 工作稳定可靠，装置电源供电自适应。 ▇ 专用GPS防雷，保护更彻底。
一、变电站时钟同步系统
3. 变电站时钟同步的系统方案
主时钟（标准同步钟）+时间信号传输通道+时间信号用户设备接口 一、时钟源： ● GPS卫星授时系统 GPS（全球定位系统Global Positioning System），美国军方建立的 全球卫星导航定位系统，由专门的接收器接收卫星发射的信号，可以获得 位置、时间和其它相关信息。GPS在定位和授时的精度、系统可靠性、用户 设备产业化等诸多方面占据绝对优势，在电力系统中应用最广。 GPS卫星时钟同步系统一般由GPS卫星信号接收部分、CPU部分、输出或 扩展部分、电源部分、人机交互模块部分组成。
机监控系统、微机保护装置、微机故障录波装置、电能计量系统以及各类数据管理机得到 了广泛的应用，而这些自动装置的配合工作需要有一个精确统一的时间。
3）电子式互感器的应用和数字化变电站的建设，更需要同一间隔各个 互感器之间，不同间隔之间、甚至是不同变站之间采取时钟同步手段保 持采样同步。
一、变电站时钟同步系统
一、变电站时钟同步系统
3. 变电站时钟同步的系统方案
● 驻留时钟 1)高精度恒温晶体振荡器： GPS失效24小时后，频率准确度：<30E-9。 2)铷原子钟： GPS锁定时，使铷振荡器输出频率驯服同步于GPS卫星信号 上，使输出频率的长期稳定性和准确度得到了很大提升（1E-10/10ms）。 当GPS失锁或出现异常不可用时，系统能够智能判别并切换到保持模式，依 靠铷原子钟守时继续提供高可靠性的时间和频率参考信号。 （GPS失效24 小时后，频率准确度：<1E-11 ）。
一、变电站时钟同步系统
3. 变电站时钟同步的系统方案
三、对时方法： ● 脉冲对时(硬对时) 主要有秒脉冲信号PPS(Pulse per Second，每秒1个脉冲)和分脉冲信号 PPM(Pulse per Minute，每分钟1个脉冲)。秒(分)脉冲是利用GPS所输出的 每秒（分）一个脉冲方式进行时间同步校准，获得与UTC(UniversalTime Coordinated协调世界时)同步的时间准确度较高，上升沿的时间误差不大于 1μs,这是国内外目前常用的对时方式。 被授时装置在接收到同步脉冲后进行对时，消除装置内部时钟的走时误 差。脉冲同步的缺点是无法直接提供时间信息，被授时装置如果原时间就出 错，会一直错误走下去。同步脉冲对时距离一般在几十米以内，国内一些制 造厂通过差分芯片将同步脉冲转换成差分电平输出，距离提高到差分信号 1km左右，同时可以以总线的形式与多个装置同时对时。
一、变电站时钟同步系统
4. 时钟同步的系统构架
一、变电站时钟同步系统
4. 时钟同步的系统构架
一、变电站时钟同步系统
4. 时钟同步的系统应用
▇ 110kV变电站：*
配置一台标准同步钟本体，在主控室独立组屏，标准同步钟本体应预留一 路接口接收通信网络传送的对时信号。
▇ 220kV变电站：*
配置两台标准同步钟本体，互为备用，两台装置在主控室组成一面屏，各 标准同步钟本体应能接收两路IRIG-B（DC）时码（RS-422），其中一路接收另一 台标准同步钟发送的信号，第二路接收通信网络传送的对时信号。
一、变电站时钟同步系统
3. 时钟同步的系统方案
时间同步信号类型：
编号 名称 空接点脉冲 B码直流 B码交流 B码232电平 B码422电平 串行口报文 GPS光纤 时间服务器 性能 PPS或PPM，耐压300V/DC，电流50mA 30 m 双芯普通导线 TTL电平 50 m 1kHz调制 150 m RS232电平标准 30 m RS422/485电平标准 150m RS232/RS422/RS485 A、B报文格式可选 RS232 30 m RS485 150 m 四芯屏蔽电缆 GPS信息光纤输出，距离2 km，多模光缆 NTP/SNTP RJ45 精度 1us 1us 20us 1us 1us
二、IRIG-B
3. IRIG-B码输出
编码对时信号有多种： ● 非调制信号对时精度高(1 us)，但非调制的TTL电平信号传输距 离不大于50 m。 ● 采用1 kHz正弦调制，对时精度降低（20 us），传输距离扩大到 150 m。 ● B码232/422/485电平，对时精度 1us，距离：30～150m。 采用IRIG一B的主要问题是：标准时钟例如GPS与被对时的装置距 离不能太远；需要单独的对时通道。
一、变电站时钟同步系统
3. 变电站时钟同步的系统方案
● 复合对时(串口报文＋对时脉冲) 目前变电站普遍采用的是复合校时方式,即GPS系统通过通信报文将 时间发送至通信控制器,通信控制器再通过现场总线或以太网将时间信号 发送给各个装置,同时GPS还输出许多硬接点信号,如“秒”脉冲或“分” 脉冲,进行时间同步。对于每个装置而言,对时功能是靠硬件脉冲对时和 网络通信报文对时共同完成的。