电力系统时间同步方案_于跃海

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8. 中国电力科学研究院 , 北京市 100085)
摘要 : 从实际工程应用需求出发 ,从不同侧面分析了电力自动化设备 (系统) 对时间同步的要求 ,介 绍了电力系统时间同步技术相关概念 ,澄清了一些模糊认识 ,给出了电力系统时间同步时钟的组成 及其对时方式 ,以及适用于主站 、子站的不同的时间同步配置方案 。
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会配置一套独立的 时钟系统 ,通常选用美国的全球定位系统 ( GPS) 接 收器[1] ,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
B 码分为调制 B 码 (也称交流 B 码) 和非调制 B 码 (也称直流 B 码) 。交流 B 码调制在正弦波信号 上 ,其包络线是直流 B 码 。交流 B 码是模拟量 ,由 授时设备直接传送给被授时设备 。直流 B 码可以 直接传送给被授时设备 ,电压等级常用 T TL 电平 ( + 5 V) ,用 IRI G2B DC T TL 表示 。直流 B 码还可 以通过串行通信接口发送给被授时装置 ,用 IRI G2B DC 232 和 IRI G2B DC 422 表示 。
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 。《电力系统时间同步技术 规范》给出了指导性意见 。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 。
这种方式的缺点是需要传送 2 个信号 。为了更好地 解决这个矛盾 ,采用国际通用时间格式码 ,将脉冲对 时的准时沿和串口报文对时的那组时间数据结合在 一起 ,构成一个脉冲串 ,来传输时间信息 。被授时设 备可以从这个脉冲串中解析出准时沿和一组时间数 据 。这就是目前常用的 IRIG2B 码 ,简称 B 码 。
1) 时间同步准确度不大于 1 μs :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 1 ms :包括故障录波
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·研制与开发 · 于跃海 ,等 电力系统时间同步方案
器 、SO E 装 置 、电 气 测 控 单 元/ 远 程 终 端 装 置 ( R TU) / 保护测控一体化装置等 。
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 B PL 和 B PM 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 。
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 。工作组组织专家调研后 ,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 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 (O PS) 、广域测量系统 ( WAMS) 、广域监测分 析保护控制系统 ( WA RMA P) 等 ,对时间同步的需 求更为迫切 。
3 电力自动化设备 (系统) 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 。常用的脉冲对时信号有 1PPS 和分脉冲 (1PPM) ,有些情况下也会用时脉冲 (1PP H) , 其中 1PPM 和 1PP H 也可以通过累 计 1 PPS 得到 。脉冲对时信号分为有源脉冲和无源接 点 。有源脉冲电源由授时设备提供 ,电压等级常用 的有 T TL 电平 ( + 5 V ) 、24 V 电 平 和 差 分 电 平 ( ±5 V) ;无源接点等效于开关 ,准时闭合/ 断开 ,被 授时设备自身提供电源 ,通过无源接点转换为有源 脉冲 。实际应用中常用无源接点 ,因而授时设备与 被授时设备之间不需要约定电压等级 。 脉冲对时的优点是授时精度高 、使用无源接点 时 ,适应性强 ;缺点是只能校准到秒 (用 1 PPS) ,其余 数据需要人工预置 。 2) 串口报文对时 也称软对时 ,是利用一组时间数据 (年 、月 、日 、 时 、分 、秒) 按一定的格式 (速率和顺序等) ,通过串行 通信接口发送给被授时装置 ,被授时装置利用这组 数据 预 置 其 内 部 时 钟 。常 用 的 串 行 通 信 接 口 为 RS2232和 RS2422/ RS2485 。 串口报文对时的优点是数据全面 、不需要人工 预置 ;缺点是授时精度低 、报文的格式需要授时和被 授时装置双方约定 。 目前 ,很多场合采用以上 2 种方式的组合方式 , 从而可以充分利用两者的优点 ,克服两者的缺点 。 3) 时间编码方式对时 为了解决前 2 种对时方式的矛盾 ,在实际应用 中常采取 2 种对时方式结合的方法 ,即串口 + 脉冲 。
第 32 卷 第 7 期 2008 年 4 月 10 日
Vol. 32 No . 7 Ap r. 10 , 2008
电力系统时间同步方案
于跃海1 , 张道农2 , 胡永辉3 , 杨国庆4 , 胡 炯5 , 邓志刚6 , 张立培7 , 李 刚8
(1. 国网南京自动化研究院/ 南京南瑞集团公司 , 江苏省南京市 210003 ; 2. 北京国电华北电力工程有限公司 , 北京市 100011 ; 3. 中国科学院国家授时中心 , 陕西省西安市 710600 ; 4. 国家电网公司华东电网有限公司 , 上海市 200000 ; 5. 北京四方继保自动化股份有限公司 , 北京市 100085 ; 6. 武汉中元华电科技有限公司 , 湖北省武汉市 430223 ; 7. 北京波行电力技术开发有限公司 , 北京市 100055 ;
关键词 : 电力系统 ; 时间同步 ; 对时方式 ; 授时精度
中图分类号 : TM73
0 引言
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 ( SO E) 、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 。
图 1 电力系统同步时钟体系结构 Fig. 1 Architecture of synchronizing clocks in power system
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 ( GL ONA SS) 等卫 星定位 、导航 、授时系统 ,以及长波授时系统 (B PL ) 、 短波授时系统 (B PM) 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 。
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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 Inst rumentatio n Gro up ) 2B 码 ; 1 PPS + 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 ,补 偿算法将另文介绍 。
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[2] ,用来接收时间同步信号 接收器的时间 、秒脉冲 (1 PPS) 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 。
3) 时间同步准确度不大于 10 ms :包括微机保 护装置安全自动装置 、馈线终端装置 ( F TU ) 、变压 器终端装置 ( T TU) 、配电网自动化系统等 。
4) 时间同步准确度不大于 1 s :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wk.baidu.com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 (DM IS) 、企业管理信息系统 (M IS) 等 。
2 同步时钟
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 6 ns~12 ns ,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 20 ns~100 ns ,B PL 授时精度为 1 μs ,B PM 授时精 度为 1 ms 。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 100 ns 的 时钟源 ,主站授时系统时间同步需要选择授时精度 达到 100 ms 的时钟源 。
收稿日期 : 2007209221 ; 修回日期 : 2008202225 。 作者均为《电力系统时间同步技术规范》标准编写组成员 。
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 ( U TC) 加 8 h 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 。
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