时钟同步技术在变电站中的应用刍议

刘奇 张婷婷 闫敏

前言

电网运行状态发生变化之后，只有快速获取到实时信息，才能保障事故处理的效率，即将变化的影响范围控制在规定的范围之内，以确保电网运行的经济性、稳定性、安全性。此外，快速获取实时信息也能为事后分析提供便利，即分析事故的发生、发展过程，以实现对灾难性事故的发生进行有效的防控。但上述行为的实现均应以统一的时间基准为基础。在变电站中，电能计量系统、功能测量装置、微机保护装置、安全自动装置、故障录波器、测控装置等均需配备统一的时钟授时。本文笔者结合实践经验，浅析时钟同步技术在变电站中的应用，以期为电力系统的监视控制、故障分析、运行管理提供技术支撑。

一、时钟同步源

时钟同步源包括无线电授时、卫星授时、网络授时三种。

（一）无线电授时。中国的BPC是经40～70kHz载波信号来传输标准时标。Loran-C是经地波来传输脉冲信号，但Loran-C本就具备100kHz的频率，因此易受电晕放电的干扰。OMEGA导航系统（10～14kHz）的作用距离较Loran-C更远，且对延时时间的预测精度可达2～5μs，但OMEGA具有接收器成本高的缺点。（二）卫星授时。卫星全球定位系统是以人造地球卫星为载体的无线电导航定位系统，具有全天候工作、全球覆盖及授时、定位、导航精度高的优点。中国的卫星全球定位系统为北斗导航卫星系统。（三）网络授时。网络时间协议NTP及简单网络时间协议SNTP是当前常用的国际互联网时间传输协议。NTP（隶属TCP/IP协议族）采用时间同步算法，对时精度为1～50ms;SNTP是NTP的简化版，对时精度<1ms，多在简单的网络中应用。IEC61850中要求的时间同步协议是SNTP，但IEEE1588才是变电站精确对时所需的时间同步协议。IEEE1588是用来使分布式网络内最精确的时钟与被授时时钟同步，且绝对兼容先前的以太网协议。IEEE1588具体定义的是精确时间协议PTP，即采用乒乓对时算法及在MAC层记录时间戳，以使分布式总线中的执行器、传感器及终端设备中的时钟实现亚微秒级同步，详见图1-1。

图1-1 IEEE1588协议对时过程

IEEE1588时钟同步过程分为偏移量测量与延迟量测量两部分。偏移量时差，式中，T1—Sync报文发生的精确时标;T2—时钟接收到Sync报文的时标;—网络延时的假定值（Sync报文由主时钟发出）。网络延时，式中， T3—时钟向主时钟发出Delay-Req报文的时标;T4—主时钟接收到Delay-Req报文的时标（Delay-Req报文由时钟发出）。综合上述两个函数式后，便可得到、。可见，从时钟便可修正得出与主时钟统一的时间标准。测试结果显示，IEEE1588可使时钟同步精度<±3μs，且若采取相应的补偿算法，可使此精度值更高。

二、时钟同步技术在变电站中的应用

变电站内常用的对时方案有脉冲对时（或称硬对时）、通信对时（或称软对时）、综合对时及编码对时四种，同时GPS时钟的精度、信号传播、IED对时处理方案与守时钟及IED对模拟量与开入量的处理方式均可能会产生误差。因此，在对时钟同步技术的应用进行研究时，务必要考虑到上述问题。依此研究背景，本章节就时钟同步技术在变电站中的应用进行研究。

（一）故障录波、故障定位及事故顺序记录  时钟同步技术的应用可使全网维持着统一的时间基准，如此通过对分散在变电站中的时间顺序记录、故障录波数据进行收集，便可在全网中重现事故的发生、发展过程及监视系统的实时运行状态。就时间顺序记录、故障录波来讲，对时精度应≥1ms。基于GPS同步时钟的电网故障定位系统对故障点的定位方法为：对故障反馈信号传至变电站的精确时间进行检测;对不同变电站站点的时差关系进行对比。从理论角度来讲，若能使对时精度≥1μs，则相应的测距精度便可≥300m。

（二）两个变电站之间的同步試验  在变电站线路两侧利用GPS同步时钟开展故障暂态同步试验，可实现对高频方向与距离保护装置、电流差动保护装置、相差保护装置特性进行准确检验。方向与距离保护采用的是就地信息，即线路两侧仅需完成逻辑信号的交换，因此对时精度仅需控制在几个ms之内;差动保护与相差保护要求对线路两侧的模拟量进行比较，因此对时精度应超过1ms。基于GPS同步时钟的电网故障定位系统亦可在全网内用来完成同步反事故演习。

（三）同步相量测量  当前，在电力系统的实时监测中，同步相量测量技术及基于同步相量测量技术的广域监测系统已被广泛应用。据调查结果表明，以GPS为同步时钟源的同步相量测量装置的应用最为广泛。研究表明，GPS的可用性与授时信息的精确度对同步向量测量的可靠性起着决定性的作用，因此相对精度应≥1μs。

（四）电子式互感器的同步采样  电子式互感器输出的数字信号是采样处理后的数字信号，因此各相电压与电流互感器的输出信号务必同步，以提高电子式互感器在继电保护与其他装置中的应用效果。例如，在母线保护装置中，所有呈间隔关系的电流采样信号均应保持同步，但在线路差动保护装置中，此类电流采样信号则应在两个变电站之间实现同步。若用于计量，则对时精度应≥1μs;若用于输电线路保护，则对时精度应≥4μs。

三、讨论

IEC 61850系列标准的推广应用使IEEE1588逐渐发展成为当前重要的对时手段，如被用来实现电子式互感器的同步采样等。当前在变电站中应用最为广泛的当属GPS，且应用效果相当好，但GPS系统由美国军方控制，即GPS的授时精度与可用性均受美国GPS政策的限制，因此存在不可依赖性，同时面对日渐激烈的国际局势，GPS的应用也存在更多的安全风险。就中国的北斗卫星导航系统来讲，现已被广泛应用到气象监测、水文测报、舰船监控中，且应用效果可观，因此应加大研究力度，以使北斗卫星导航系统的应用范围覆盖到包括电力系统在内的更多领域。总之，时钟同步技术的应用对保障电力系统良好的运行状态具有重要作用。在当前的技术条件下，时间报文+脉冲信号的综合对时方式仍为保证变电站对时精度的主要手段，而IEEE1588可能为变电站时钟同步提供新的对时手段;北斗卫星导航系统可能为变电站时钟同步提供继GPS之后新的时钟源。