智能电网同步时钟技术

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(1.山东电力集团分司济宁供电公司，山东 济宁 272000；2.智能电网运行与控制湖南省重点实验室(长沙理工大学)，湖南 长沙 410004)

智能电网同步时钟技术

王毅1，邹亮2，张峰1，李靖强1

(1.山东电力集团分司济宁供电公司，山东 济宁 272000；2.智能电网运行与控制湖南省重点实验室(长沙理工大学)，湖南 长沙 410004)

随着智能电网的发展，对时间同步提出了更高的要求。IEEE1588时钟同步协议能够满足智能电网对时间同步的苛刻要求，具有极大的发展潜力。简要概述了目前智能电网时钟同步存在的问题，提出了高精度卫星同步时钟和基于IEEE 1588协议的智能电网时间统一技术的技术方案。

同步时钟；智能电网 ；IEEE1588

1 引言

随着超临界、超超临界机组相继并网运行，大区域电网互联，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，确保线路故障定位、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，以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[1,2]。

为智能电网的时间同步存在一系列难题，国家电网公司于2009年在智能电网关键技术研究框架(初稿)中明确提出要研发适合智能电网应用特点的时间统一系统[3]。IEEE1588(IEC61588)是一种新的、先进的时钟同步协议，是智能电网首选的时钟同步系统方案。本文首先对目前电力系统时钟同步存在的问题作了简要的概述，然后提出了高精度卫星同步时钟和基于IEEE 1588协议的智能电网时间统一系统的方案。对智能电网时间统一系统的建设提供了参考，具有一定的工程实用性。

2 目前智能电网时钟同步存在的主要问题

2.1卫星时钟的安全性

在广域时间同步系统中，关心的是相对时间同步。但是若能保证各节点的同步时钟达到绝对时间同步，那么相对时间同步也自然满足了。因此，要建立统一的广域同步时间系统，就必须按照一个公共时间基准。当前国外的卫星授时系统中，GPS 系统具有时间精度高，价格低廉等优点，将其作为同步时钟的公共时间基准具有突出的优越性[4]。但是，民用GPS时钟的可靠性并没有得到保障，美国并不保证民用GPS的精度和可靠性。因此，在实际应用中，GPS接收机产生的时钟信号的精度和安全性难以得到保证，在正常工作条件下，最大偏差可能达1.6μs，而且在卫星失步的情况下，偏差甚至达到上百毫秒[5]，美国甚至可以随时关闭GPS时钟。北斗系统投入使用前，电力行业的授时系统由于没有得到自主的卫星导航系统的支撑，被迫形成了对美国GPS、俄罗斯GLONASS卫星导航系统的完全依赖，导致其存在巨大的安全隐患，严重影响电力系统的安全稳定运行。

2.2同步时钟误差修正精度

GPS时钟目前已是世界上应用范围最广、精度最高的时间发布系统之一，GPS接收机接收到的GPS时钟与国际标准时间UCT保持高度同步。但是，民用GPS 接收机接收到的GPS 时钟因卫星钟差、星历误差、电离层误差、多径误差、对流层误差、接收机误差、跟踪卫星过少误差等因素的影响，精度和稳定性难以得到保证。例如Motorola UTONCORE 型接收机，统计精度为50 ns (1R)，表示GPS 时钟误差落在1R 范围(50 ns) 内的概率为0.6828，落在2R范围(100 ns) 内的概率为0.9546；落在3R范围(150ns) 内的概率为0.9974[6-8]。根据文献[9]对2个型号相同的GPS接收机产生的秒时钟进行的比较测试，GPS时钟在正常工作条件下最大偏差可能达1.6，在卫星失步的情况下偏差甚至达到了上百个ms。

国内外已把GLONASS 接收机和GPS 接收机结合起来使用，目的就是为了得到高精度和高可靠的时钟信号。但是GPS/GLONASS 的组合导航仪一样得不到美国和俄罗斯在精度和可靠性上的保证，并且这种时钟的造价非常高。但与GLONASS 时钟和GPS时钟相比，其他时钟(如晶振时钟、原子钟等) 稳定性较高，单个的时间间隔的漂移非常小，不过运行时间过长累计误差会较大[10,11]。国内外已采用GPS时钟同步守时钟(晶振时钟、原子钟)方法产生高精度和高稳定性的时钟，正常运行时由GPS时钟校正守时钟，在GPS不稳定时，由守时钟代替GPS时钟。但是现有的同步方法还未形成严密的数学模型和实现技术，只能消除因GPS卫星短时失锁产生的较大偏差，很难消除GPS接机时钟信号的随机偏差。若要产生高精度和高可靠的时钟，则需要采用比GPS 时钟精度更高的原子钟对GPS 时钟同步比较监测，但该技术造价高，同时，也很难在工业现场推广实现。

3 高精度卫星同步时钟的产生方案

高精度时钟(修正后的秒时钟)由计数器与比较器构成的分频电路产生，如图1所示，由CPU设置比较值修正晶振秒时钟的累计误差，由鉴相器测量GPS秒时钟误差。每秒设置一次比较值，由前n次测量的GPS秒时钟误差和前n次比较值的历史数据作为计算本次要设置的比较值。

图1 GPS时钟的在线监测与修正原理图

(1)消除电磁干扰信号的影响

如图1所示，在GPS秒时钟送入鉴相器进行相位比较前，需要作抗干扰检测，以削弱和消除GPS干扰信号的影响。根据GPS秒脉冲总是在位于2s交界处出现的特点，采取CPU控制与门来屏蔽干扰信号：在CPU内部设计一软件时钟，进行秒以下刻度的计时；软件时钟由输入的修正后的秒时钟信号进行复位，当软件时钟数值在[0.2～999.8ms]之间时，抗干扰控制信号是低电平，屏蔽在此期间出现的GPS秒脉冲信号；否则抗干扰控制信号变为高电平，允许GPS秒脉冲信号进入鉴相器作相位比较。这样可以消除秒脉冲前后0.2ms以外出现的干扰信号影响。

(2)GPS接受机工作状态的评估

GPS接受机的不正常工作状态分为两种，一种是由于跟踪卫星颗数过少，导致随机误差增大，另一种是由于干扰，GPS故障产生跳跃性的误差。

(1)

其中，σs为GPS接受机说明书中对应1σ的标称误差，k1为可靠系数，通常取1.5～5。上式成立时，认为GPS接受机工作在不正常状态。

Nb>0.0026k2n

(2)

当上式成立时，认为GPS接受机工作不正常，其中k2为可靠系数，通常取2～10。

(3)GPS接受机正常运行条件下高精度时钟的产生

(3)

从而可以在线调整CPU本次设置的比较值Sn+1，输出修正后的秒时钟，产生高精度秒时钟。

(4)GPS接受机不正常运行条件下的高精度时钟的产生

由于晶振时钟单位时间的误差较稳定，误差漂移小。在GPS接受机不正常运行条件下，晶振秒时钟误差的补偿值恒定取GPS接受机不正常运行以前的n次补偿值的平均值：

(4)

假设晶振的精度为1ns，晶振秒时钟误差漂移小于0.05ns，则在GPS接受机中断运行1小时后，输出的修正后的秒时钟误差小于180ns；考虑到极端情况，在GPS接受机中断运行1天后，输出的修正后秒时钟误差小于4320ns。一般GPS接受机中断运行1小时，补偿后输出的时钟能够满足一般控制领域的要求。

3 基于IEEE 1588协议的智能电网时间统一技术

在2002年年底颁布的IEEE1588是一个集成了网络通信和在线修正计算的精密时钟授时协议，其通过多播报文周期性的向网络中各个节点授时，因此，尤其适合在以太网上使用，其精度能够达到亚微秒级。2008年，IEEE重新修订了这个标准，IEEE1588(PTP)得到了更进一步完善，使其更能满足智能电网授时精度的要求。

3.1 IEEE 1588网络时钟的同步过程

IEEE 1588时钟同步过程是通过两个步骤来实现：时钟偏移量测量和线路延迟量测量。

第一进行时钟偏移量测量，主时钟在Ta1时刻向网络发送一个Sync时钟同步报文，同时在物理层精确记录好发送时间Ta1，如图2所示，在Tb1时刻从时钟收到Sync时钟同步报文，并且精确记录下来接收时间Tb1。接着主时钟通过Follow_up时钟跟随报文发送之前记录的精确时间信息Ta1，这样就完成了时钟偏移量测量。

然后进行线路延时量测量，从时钟在接收到Follow_up 报文后在Tb2时刻发送一个Delay_Req 延时请求信息包并记录精确发送时间Tb2，主时钟收到Delay_Req 报文后，记录精确接收时间Ta2，同时把精确时间Ta2标记在延时响应信息包Delay_Resp 中并发送给从时钟，从时钟接收到Delay_Resp 后，则可根据IEEE1588协议算法计算出时钟偏移时差和线路延时误差为：

(5)

(6)

其中:Toff-delay为时钟偏移量，Tdelay为线路延时量。在理想条件下，传输延时线路是对称的，并且Toff-delay、Tdelay值是一个定值。

图2 PTP时钟的同步过程

3.2智能电网时间统一技术

智能电网实现了在变电站内部通过光纤以太网交互数据，IEEE1588(PTP)作为一种网络对时技术，其功能或设备都布置在变电站光纤以太网内，不再单独组网。依托光纤以太网等通信网络实现智能电网时钟同步系统的构建，为其提供高精度、高可靠性的同步时间。智能电网时间统一系统基本模型如图3。选择北斗时钟和GPS 时钟的组合授时作为智能变电站站内的时钟源， 即变电站中的根时钟节点，提供精确、稳定的时间标准。基于该模型实现智能电网同步网络的资源优化配置和同步链路的合理组织，确保智能电网的时间同步。

图3 智能电网时间统一系统模型

4 结语

精确时钟同步技术对智能电网的建设具有十分重要的意义。本文提出了高精度卫星同步时钟和基于IEEE 1588协议的智能电网时间统一技术的技术方案，该方案具有一定的工程实用性。

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ApplicationofSynchronousClockTechniqueinSmartGrid

WANGYi1,ZOULiang2,ZHANGFeng1,LIJing-qiang1

(1.Jining Power Supply Corporation,Shandong Electricity Group Corporation,Jining 272100，China;2.Hunan Province Key Laboratory of Smart Grids Operation and Control (Changsha University of Science and Technology),Changsha 410004,China)

With the development of smart grid,higher requirements on synchronous clock are put forward.The time synchronization requirements in smart grid can be satisfied by IEEE1588 clock synchronization protocol.A brief overview of the existing problems on synchronous clock in smart grid is provided in this paper,the technology scheme of high precision satellite synchronous clock and time unification technology in smart grid based on IEEE 1588 protocol is proposed.

synchronous clock;smart grid;IEEE 1588

1004-289X(2013)05-0020-04

国家自然科学基金项目(61233008)、(51207013)；

湖南省科技重大专项(2012FJ1003)资助；

湖南省高校产业化培育项目(12CY007)资助。

TM71

B

2013-07-04