智能变电站的时钟同步准确性及稳定性研究*

沈　鑫，曹　敏，王　昕，刘清蝉

(云南电力试验研究院(集团)有限公司电力研究院，昆明650217)



智能变电站的时钟同步准确性及稳定性研究*

沈鑫*，曹敏，王昕，刘清蝉

(云南电力试验研究院(集团)有限公司电力研究院，昆明650217)

摘要:针对智能变电站时钟同步存在的时钟切换、时间跳变、长期稳定性等问题开展了相应的研究工作;设计了GPS源和北斗源的无缝切换策略，提出了守时源时钟参与切换、跟踪卫星时间的逻辑判断的方法，以保证对时系统时间的连续性和稳定性;采用该对时方案，可以优化对时异常故障树和对时异常导致保护误动故障树的结构，降低系统因同步误动的概率，系统的可靠性和精确性提高明显。实际应用结果表明:所设计的方案合理可行，能有效提高同步对时系统的稳定性和可靠性。

关键词:智能变电站;时钟同步; GPS源;北斗源

项目来源:国家863计划项目(2011AA05A120)

智能电网已成为当前世界关注的热点，是电网未来发展的方向。建设智能电网已成为世界各国电网发展的目标。智能电网涉及电力系统的各个方面，近年来以实现变电站全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化的基础上，采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能电子设备，自动完成站内信息的采集、测量、控制、保护、计量等基本功能，并可以根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级应用功能的数字化和智能变电站已从试点研究向规模化运用发展。截止2014年4月，国家已经建立并投运了近7 000个数字化变电站，根据国内电网的数字化变电站建设发展规划，3～5年之后，我国新设计的变电站项目中将有50%以上采用数字化技术。

随着光纤通讯技术、智能化技术的发展，智能变电站已经从数字化变电站科技项目向工程转化，国家电网和南方电网已经把智能变电站纳入到十二五规划的重点方向，智能变电站必然成为变电站发展的方向。但随着智能变电站的投运，也将带来一系列的新问题，其中对时钟同步提出了新的要求，特别是网络采样的智能变电站尤为重要。

目前同步方案主要采用秒脉冲(PPS)、网络对时(SNTP)、IEEE 1588和IRIG－B码方式［1－2］，此外也提出了一种基于弹性分组环(RPR)双环的智能变电站秒脉冲同步方案［3］。时钟同步对智能变电站极其重要，影响主变差动保护的正确动作［4－5］、线路光纤差动保护［6］、监控系统和事件顺序(SOE)分辨率等［7］。

以网络采样的智能变电站为基础，根据现场实际运行中由对时系统引起的时钟同步问题，提出全面的解决方案的措施。给出智能变电站对时系统时钟源的选择;针对时间跳变等问题，设计了一种可靠的时间同步系统方案;提出了智能变电站时钟对时系统同步原则不是对时系统与卫星时间的同步，而是对时系统满足站内数据的同步及稳定性。同时介绍工程实施保障手段及相应的保护闭锁原则，使得网络采样的智能变电站可靠性更高，最后对所提出的同步对时系统进行可靠性研究和分析。

1　存在的同步问题

1.1网络结构

网络采样智能变电站结构如图1所示。物理结构上，智能变电站由3个层次构成:过程层、间隔层、站控层。每层均由相应的设备及网络设备构成［8］。GOOSE和SV合并组成独立的A、B双网，且GOOSE 和SV采用共口方式传输。间隔层主变保护采用双配置，过程层合并单元、智能终端均双配置，分别挂在双单网上;单重化设备跨双网，其中合并器数据按DL/T860.92方式传输［8－9］。

图1　网络采样的智能变电站网络结构示意图

1.2网络采样的同步方式

图1组网模式下，采样值从合并单元以9－2方式输出，采样率为4 000 Hz，其同步方式采用9－2报文中的SmpCnt(采样值计数)位来实现。当整秒同步脉冲到达时，SmpCnt位清0，每发一个帧采样值，SmpCnt就加1，直到3 999，然后又从0开始计数。网络上的IED设备，只有收到SmpCnt相同的报文时，表示同一时刻的数据，如图2所示，以主变三侧差动为例。

图2　网络采样的主变差动保护采样同步方式

差动保护读取采样值报文中的SmpCnt位，当三侧的SmpCnt位相同时，表示这3个点为同时刻的数据，可以参与保护的重采样处理。差动保护在接收到某一侧的报文后，会等待其他侧SmpCnt相同的报文。

1.3运行中同步对时系统存在的问题

目前由于厂家对时系统制造工艺、硬件元件的选择、软件程序及逻辑的设计，导致存在很多问题，主要包括GPS源和北斗源无法正常切换;对时系统时间跳变;对时精度差;某一时钟扩展板的输出时间与其他扩展板的输出时间存在较大差别、长期稳定性等问题。

合并单元厂家对采样值的处理方法是绝度依赖对时系统，也就是当对时系统时间跳变时，合并单元采样SmpCnt位也跳变。

差动保护对网络采样的适应性有待提高，当某一侧的时间与其他侧不一致，使SmpCnt位不一致时，产生角差，从而导致保护误动。

2　时钟同步解决方案

在智能变电站中，时钟的同步的重点不在是对时系统和卫星时间之间的同步，而是满足智能变电站正常运行情况下，各设备之间、各间隔采样值之间的同步及稳定。下面提出一种可靠的时间同步系统方案以及合并单元、保护在同步问题上的处理措施。

2.1总体方案设计

系统采用双主时钟冗余备份，双主时钟由主时钟A和主时钟B组成;扩展时钟由从时钟1至从时钟n组成，所有扩展时钟统一选择主时钟A为默认时间源，当主时钟A失效后再统一切换到备用主时钟B，保证全站所有的时间同步信号使用同一个时间源;北斗时间源作为主时钟A，GPS时间源作为主时钟B;同时可根据实际需要调整GPS时间源、北斗时间源、B码时间源的优先级; B码时间源为主时钟和备用时钟联系的时间信号，通过图3中所示的①和②传输。系统采用的优先级设置为:北斗时间源＞B码时间源＞GPS时间源，这样可以避免当两台主时钟A和主时钟B因为特殊原因存在较大偏差时引起装置不同步的问题。即所有的扩展时钟在同一时间只与一台主时钟同步，保证被授时设备接收时间信息的统一性。

所有的扩展时钟(从时钟1至从时钟n)内部都安装铷原子钟。当确认外部时间源正确且稳定后，控制内部铷原子钟，使内部铷原子钟与外部时间源同步，从而达到输出的时间同步信号与外部时间源同步的目的。如果外部时间源丢失或不稳定，所有的扩展时钟能够以内部铷原子钟进行高精度守时，保证输出稳定。在时间源切换时，如果两个时间源主时钟A和主时钟B之间存在较大偏差，装置以一定步长，该步长最大值可设置，优选步长400 ns，调整内部铷原子钟与外部时间源同步，保证输出时间同步信号跳变不会超过这个步长。

图3　智能变电站时间同步系统框图

时钟装置具有延迟补偿功能算法，主时钟可以补偿天线的延迟，扩展时钟可以补偿与主时钟之间的传输延迟，保证扩展时钟与主时钟的同步。

2.2运行方式

设计采用北斗时间源作为主用主时钟A，GPS时间源作为备用主时钟B，优先级设置为北斗时间源＞B码时间源＞GPS时间源，两主时钟互连B码作为互备源，即①和②为链路。针对现场不同情况，采用不同对时链路和策略，具体步骤如下:

(1)无异常时

在无异常情况下，所有扩展时钟都以主时钟A输出的时间为时间源，即图中的③和⑤。

(2)北斗丢星或北斗出现异常

北斗异常时，主时钟A会将时间源切换为主时钟B，即以②为时间源，系统的其他时间与无异常时的情况一样。所有扩展时钟的输入时间源都切换到主时钟B，即图中的④和⑥，同时系统以一定步长保证源切换时间不跳变。

(3) GPS丢星或GPS出现异常

GPS异常时，主时钟B会以①为时间源，将系统的时间源切换为主时钟A。系统的其他时间与无异常时的情况一样。

(4) GPS和北斗都丢星或出现异常

此时主时钟A和主时钟B都进入自守时状态，以铷原子钟保证输出信号的精度。但主时钟A和主时钟B在系统中的作用并不改变，所有的扩展时钟仍然以之前的主时钟A为时间源，保证所有扩展时钟与一台处于自守时状态的主用主时钟同步，即图中的③和⑤。

(5)主时钟与扩展时钟之间的通路出现故障

(a)只有一条通路出现故障

以从时钟1为例子，如通路③或④中的一条通路故障，如果出现故障的是扩展时钟与备用主时钟B的通路，则扩展时钟继续与主用主时钟同步并输出(即通路③)。

如果出现故障的是与主时钟A之间的通路，则扩展时钟将输入时间源切换到备用主时钟B(即通路④)，此时备用主时钟B仍然是与主时钟A保持同步，即该扩展装置根本不会出现时间信号的跳变。

(b)两条通路出现故障

如通路③和④都出现故障，此时扩展时钟告警并进入自守时状态，在较长时间内扩展时钟内部的恒温晶振仍然能保证输出的时间信号具有很高准确度。

2.3时钟源跟踪GPS卫星信号的方式

目前，国内外主流的时钟源在跟踪GPS卫星信号的方式是采用直接跳变的方式，即当收到的卫星数达到计算时间所需的卫星数后，时钟源的输出的时间立即跳变为GPS卫星时间。采用这种方式容易导致时间的跳变，特别是在扰动情况下。

针对网络采样的智能变电站，设计为保证主时钟A和主时钟B时间的精确性，提出一种逐步逼近的方式跟踪北斗卫星和GPS卫星时间，步骤框图如图4所示。在对时系统时钟稳定后采用，防止扰动情况下的时间跳变。在调试和对时装置重启时，为了避免长时间无法跟踪到新时间，可以采取直接跳变的方式。图中T1为卫星时间，T2为时钟源守时时间;图中Δε为门槛值，其取值原则应该以不影响智能变电站采样值的正常运行，同时也不易取的过小，过小容易导致北斗卫星和GPS卫星信号闭锁，建议取1 μs～10 μs之间，优选5 μs。ΔT为步长，应比Δε小，建议取0.5 μs～1.0 μs之间，优选0.5 μs。

图4　逐步逼近卫星时间的示意图

2.4GPS源和北斗源的切换

主时钟A和主时钟B在切换过程中可能存在无法切换、跳变等现象，无法切换属于工程建设过程中调试不到位所导致的问题，是可以避免的。但跳变是因为GPS与北斗时间在切换过程中不判断守时时钟源时间，采用绝对卫星时间引起的。为解决切换过程中问题，确保对时系统时间的稳定性及延续性，采用以下无缝切换策略，如图5所示。

图5　双时钟源切换流程示意图

当北斗卫星信号不满足时间提取的计算要求时，判断GPS卫星信号是否满足时间提取计算要求，若不满足判断双时钟源守时时间是否在门槛值之内，如果在门槛值之内，则输出时间信号，否则闭锁告警。在切换过程中引入了双时钟源的守时时间作为判据，在守时时间与卫星时间相差大于门槛值Δε时，以守时为准，同时采用步进的方式跟踪卫星时间，只有当两个守时源时间基本一致时，输出时间信号，Δε建议取1 μs～10 μs之间，优选5 μs。图中T3为北斗源主时钟A守时时间，T1为提取北斗卫星时间，T2为提取GPS卫星时间，T4为GPS源主时钟B守时时间。

2.5合并单元与对时系统的连接方式

合并单元与对时系统的连接一般采用光纤秒脉冲或者光纤IRIG－B码，为了避免由于对时系统某一块输出板损坏引起的差动误动，在工程实施中建议采用如下方法:

(1)每套主变保护三侧合并单元采用同一个时钟扩展板对时;

(2)对于双重化配置的保护所对应的合并单元，A、B套不能同时用同一个时钟扩展板。

2.6差动保护处理采样异常的原则

未防止合并单元出现假同步或者某合并单元对时跳变导致采样不同同步，产生角差，从而出现差流，导致差动误动发生，因此当采用网络采样时，差动保护应增加不同合并单元相同计数器采样到达时刻的判断，当相同计数器采样到达时刻的时间差ΔT1比正常情况到达的时间差ΔT2＞2 ms时(即ΔT1－ΔT2＞2 ms)，则认为是失步或者采样异常，闭锁差动保护并告警。

3　系统可靠性分析比较

3.1系统可用率分析

常规智能变电站对时异常故障树结构如图6(a)所示，GPS源切换北斗源、北斗源切换GPS源、卫星丢失后再恢复或门关系后输出至时间跳变，时间跳变、守时源模块故障、GPS源模块故障、北斗源模块故障、对时插件故障、各插件时间不一致或门关系输出对时异常。设计使用的对时方法大大优化了的现有技术智能变电站对时异常故障树结构，如图7所示，为GPS源模块故障、北斗源模块故障、守时源模块故障与门关系，再与对时插件故障或门关系输出对时异常。

图6　对时系统异常故障树分析

图7　同步问题导致保护误动的故障树分析

根据故障树分析法给出同步对时系统异常改进前后的故障树比较，如图6(b)。假设每个基本事件的概率为0.01，原对时系统异常的概率为0.08，本文设计的对时系统异常的概率为0.01，在可靠性上大大提供。

常规智能变电站对时异常导致保护误动故障树如图7(a)所示，合并单元闭锁故障、对时光纤断链与门关系，再与对时系统发生跳变、合并单元采样跳变、接合并单元的插件损坏或门关系输出时间异常导致保护误动。设计使用的对时方法大大优化了的现有技术智能变电站对时异常导致保护误动故障树结构，如图7(b)所示，为合并单元闭锁故障、对时光纤断链与门关系，与合并单元采样跳变或门关系输出各侧合并单元采样计数不一致，再与差动在各侧对时不一致未闭锁与门关系输出对时异常导致保护误动。现有技术智能变电站对时异常导致保护误动故障树每个基本事件的概率为0.01，保护误动的概率为0.050 1，设计的对时异常导致保护误动的概率为1.01×10－4，整个系统因同步误动的概率降低了两个数量级，可靠性和精确性明显提高。

3.2实际应用效果

2013年1月以来，采用该时钟同步系统后，至今共投运120余座智能变电站，未发生因时钟同步问题造成的保护误动或被对时装置闭锁事件。

4　结语

对智能变电站同步系统目前存在的问题，提出网络采样的智能变电站的时钟同步系统的解决方案，设计了跟踪卫星时间的方式及GPS源和北斗源的无缝切换策略，并对其可靠性进行分析，结果表明:所设计的方案是合理、可行的，并能有效提高同步对时系统的稳定性和可靠性。

参考文献:

［1］沈鑫，王昕，赵艳峰.基于单周控制的并网逆变器在云南电网中的研究应用［J］.电子器件，2013，36(5) : 722－727.

［2］刘慧源，郝后堂，李延新.数字化变电站同步方案分析［J］.电力系统自动化，2009，33(2) : 55－58.

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［4］朱国防，陆于平.基于RPR数字化变电站秒脉冲同步方案［J］.电力自动化设备，2010，30(3) : 90－94.

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［6］任平力，郑珂.一起数字化变电站保护受干扰误动分析［J］.中国高新技术企业，2010，(33) : 100－101.

［7］潘齐猛，孙永先，申狄秋，等.智能变电站光纤纵差保护装置同步方案比较［J］.电力系统自动化设备，2010，30(9) : 101－104.

［8］高磊，袁宇波，宋亮亮.智能变电站监控系统时间体系研究［J］.电力系统自动化设备，2012，32(3) : 116－119.

［9］DL/T 860.5—2006变电站通信网络和系统——第5部分:各种功能的通信要求和装置模型［S］.

［10］DL/T 860.92—2006变电站通信网络和系统——第9－2部分:特定通信服务映射(SCSM)映射到ISO/IEC 8802－3的采样值［S］.

沈　鑫(1981－)，男，汉族，云南人，云南电力试验研究院(集团)有限公司电力研究院，博士研究生，高级工程师，主要研究方向是电能及互感器计量研究，23755803@ qq.com;

王　昕(1967－)，女，汉族，云南人，云南电力试验研究院(集团)有限公司电力研究院，高级工程师，主要研究方向是电能及互感器计量研究;

刘清蝉(1983－)，男，汉族，四川人，云南电力试验研究院(集团)有限公司电力研究院，硕士，工程师，从事电能计量检定技术的研究。

Design of Condition Monitoring System Based on ADSP-BF518*

LIU Chunyang1*，SUI Xin2，LI Jishun1，2，HAN Hongbiao1，MA Xiqiang2
(1.School of Mechatronics Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang He’nan 471003，China; 2.Henan Key Laboratory for Machinery Design and Transmission System，Luoyang He’nan 47003，China)

Abstract:In order to meet the high requirement in data processing and solve the problems in status data acquisition of large equipment condition monitoring，a device condition monitoring system based on ADSP-BF518 processor was introduced.The key technologies，such as CPLD-based function expansion，ADC，DAC，synchronization logic and network interface，were also presented in detail.The system was applied to the main shaft and gearing status monitoring in a wind farm，and its reliability and efficiency were verified.

Key words:condition monitoring; data acquisition; network communication; ADSP

中图分类号:TM712

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015) 03－0655－06

收稿日期:2014－06－26修改日期: 2014－08－11

doi:EEACC: 7210B10.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.038