城市轨道交通电力监控系统时钟同步方式探讨

2011-08-15罗鹏

电气化铁道 2011年3期

罗鹏

0 引言

城市轨道交通电力监控系统，简称SCADA 或PSCADA 系统。该系统对城轨供电系统主变电所、牵引变电所、降压变电所等各类变电所内设备及相关供电设备运行实时监视、测量和控制，及时发现和处理供电系统内部的各种故障，为运营维护人员提供自动化、信息化管理平台。

城市轨道交通电力监控系统经历了人工监控系统、分立自动化系统和综合监控系统3 个发展阶段。

伴随着计算机技术、通信技术、网络技术等飞速发展，在建及新建的城市轨道交通电力监控系统均趋向于采用统一的软、硬件平台，实现各分立自动化系统的综合集成。例如：西安地铁和广州、北京、上海等城市的大部分在建及新建项目均采用电力监控系统集成于综合监控系统的方式。

当前，电力监控系统由设置在控制中心的电力调度系统，设置在各变电所内的全所综合自动化系统，以及通信通道3 部分构成。

利用城市轨道交通内部的高效通信网络，借助于计算机的高速计算能力和逻辑判断功能，电力监控系统测量精度较高，能实时采集到相对完整的供电系统运行及故障信息。

1 城市轨道交通电力监控系统实时性要求

由于城市轨道交通供电系统的设备种类繁多、数量庞大，且存在机械、电气等方面的紧密联系，实际运行负荷和外部环境多变，故障的出现变得难以预测。而故障的爆发又是瞬时性的，其故障范围及所造成的损失将随时间的延长而急剧扩大。

因此，电力监控系统需要实时地反映供电系统的运行状态，尤其是故障信息（包含系统暂态过程的电流、电压波形，断路器、电动隔离开关等设备及保护装置动作的时序和时间，各种事件发生的时序和时间等），系统和运营人员才有可能正确地分析事件的前因后果，科学地判断、处理故障，实现精确控制等，从而缩小故障范围，降低人员伤亡和财产损失。

电力监控系统对于实时性有着近乎苛刻的要求。高实时性是电力监控系统的核心要求。

高实时性的实现，除了需要提高系统各设备对信息的处理速度，减少网络信息传输的时间开销外，系统内部精确的、统一的时钟是其实现的基本前提。本文即探讨城市轨道交通电力监控系统时钟同步的实现方式。

时钟同步系统主要由主时钟、从时钟和其间的同步对时网络构成。

2 主时钟的产生

时钟同步系统需要一个高精度、高可靠性的基准时钟源，并以此为主时钟来校准系统内的其它各子时钟/从时钟，从而实现整个系统的时钟同步功能。目前，可以用作时钟源的授时系统主要有美国的GPS、欧洲的伽利略、中国的北斗导航定位系统等。

由于，GPS 传递的时间能与国际标准时间（UTC）保持高度同步，误差甚至小于0.1 μs[1]，且具有高可靠性和使用方便等优点，已被广泛用作外部时钟源。

主时钟系统需要对GPS 接收装置接收的时钟信号进行延时补偿、转换处理、扩展接口等操作，从而产生方便传输、接收，适宜于国内习惯的时钟信号。

城市轨道交通电力监控系统通常在控制中心设置主时钟，或者由通信系统负责提供，并按该时钟来实现对整个系统的时钟同步。

3 对时方式的选择

由GPS 时钟信号产生的主时钟信号是非常精确的，但从时钟设备相对于主时钟设备在地域上是分散的，其设备性能、接口等均不相同，与主时钟之间的网络拓扑结构比较复杂。因而，采取何种对时方式实现主时钟对从时钟的校时，成为时钟同步系统的关键。

目前，对时方式主要有串口通信校时、脉冲中断校时和综合校时方式3 种。

串口通信校时是通过向从时钟设备发送时间报文的方式进行对时。其时间报文中包含了当前的时间信息（包括时、分、秒，年、月、日等），报文信息格式可采用ASCⅡ码、BCD 码等。时间报文在主时钟和各从时钟设备之间的通信网络上传输，遵循时钟同步的协议（主要有NTP、SNTP 和IEEE 1588 标准的PTP 协议等）进行校准处理。

基于串行通信实现对时的方式也决定其精度受通信网络的影响。例如：协议转换、传输延时、中断处理等不确定性因素的影响，难以满足时钟同步对高精度的要求。

脉冲中断校时是向从时钟设备发送同步脉冲，从时钟设备根据脉冲进行校时的对时方式。脉冲包括：秒脉冲、分脉冲和时脉冲。

在脉冲中断校时方式中，同步误差主要是由导线传输、脉冲信号处理等延时造成，该误差一般仅为几十μs[2]。其缺点是无法提供时间日期等信息，这就要求装置自身具有记录功能。

综合校时方式结合了以上2 种对时方法的特点，综合采用。即利用串行通信时间报文来确定当前时间的年、月、日、星期、时、分、秒等信息，同时利用秒脉冲信号进行时间修正，从而保证毫秒级时间精度的要求。

基于城市轨道交通电力监控系统的高实时性要求（事件的分辨率为毫秒级），以及需要记录完整的时间信息，以实现逻辑判断、精确控制、同步分合闸操作、事件顺序记录、事故追忆等功能方面的考虑，综合对时方式是最佳选择。