基于调度数据网的变电站时间监测技术研究

尹 亮，马 军，张宏杰，施佳锋，王平欢

（1.国网宁夏电力公司电力科学研究院，宁夏 银川 750011；2.国网宁夏电力公司调度控制中心，宁夏 银川 750001）

基于调度数据网的变电站时间监测技术研究

尹 亮1，马 军2，张宏杰2，施佳锋2，王平欢2

（1.国网宁夏电力公司电力科学研究院，宁夏 银川 750011；2.国网宁夏电力公司调度控制中心，宁夏 银川 750001）

针对变电站时间同步装置的实时监测管理问题，对变电站时间同步系统进行分析，采用时间监测单元进行实时监测，开发了基于调度数据网的变电站时间监测系统。应用结果表明：该监测系统能够实现厂站时间同步装置的实时准确监测，提高了现场自动化设备的安全运行水平。

时间同步系统；时间监测系统；调度数据网

随着网络与信息安全要求的不断提高，变电站内时间同步系统要求支持北斗卫星导航系统和全球卫星定位系统（GPS）双对时，并优先采用北斗卫星导航系统对时。变电站内存在2套基于不同卫星的时间体系，对于这种分布式的时间同步系统，由于缺乏对各变电站时间同步装置运行状态和性能的实时监测手段，无法实时监测各时钟的授时和对时情况。不同厂家的时钟实际同步性能究竟如何，时间差彼此相差多少，工作状态怎样，子站自动化设备运行管理部门一无所知，因此，迫切需要采用一种新的技术手段来实现各站时间同步装置的实时监测，以掌握调度管辖范围内各厂站时钟装置的对时、授时情况，缩小彼此之间的时间差。

1 现状分析及需要解决的问题

1.1 时间同步系统的现状

时间同步系统是由1～2台主时钟和若干台从时钟，通过电缆或光缆连接，为其他设备提供授时信号的系统［1］。

1.1.1 时间同步装置

时间同步装置又称时钟装置，能同时接收至少2种外部时间基准信号，具有内部时间基准，按照要求的时间准确度向外输出时间同步信号和时间信息的装置，包括主时钟和从时钟。

时间同步装置由授时源、接收单元、时钟单元和输出单元组成。接收单元以接收的无线或有线时间基准信号作为外部时间基准。主时钟的接收单元由天线、馈线、低噪声放大器、防雷保护器和接收器等组成。接收单元接收到外部时间基准信号后，时钟单元按优先顺序选择外部时间基准信号作同步源，将时钟牵引入跟踪锁定状态，并补偿传输延时。如接收单元失去外部时间基准信号，则时钟进入守时保持状态，这时，时钟仍能保持一定的时间准确度，并输出时间同步信号和时间信息。输出单元输出各类时间同步信号和时间信息、状态信号和告警信号，也可以显示时间、状态和告警信息。当接收不到外部时间基准信号时，按照内部时钟保持单元的时钟输出时间同步信号［2］。从时钟的接收单元由输入接口和时间编码（如IRIG-B码）的解码器组成。

1.1.2 常见变电站对时方式

国内变电站主要以GPS时间信号作为主时钟的外部基准。有3种对时方式：硬对时（分对时或秒对时）、软对时（即由通信报文来对时）和编码对时（应用广泛的IRIG-B对时）［3］。长期以来，变电站时间同步系统存在的问题主要有2个方面：站内时间同步基准不统一和站间时间同步基准不统一［4］。

脉冲信号有秒脉冲、分脉冲、时脉冲和可编程脉冲信号等。秒对时是将毫秒清零，而分对时是将秒清零。秒脉冲是利用GPS所输出的秒脉冲方式进行时间同步校准，获得与协调世界时同步的时间，准确度较高，上升沿的时间准确度不大于1μs。分脉冲是利用GPS所输出的分脉冲方式进行时间同步校准，获得与协调世界时同步的时间，准确度较高，上升沿的时间准确度不大于3μs［5］。

IRIG-B时间序列码是应用于时间信息传送的串行编码格式，有交流（AC）码和直流（DC）码2种。IRIG-B对时是目前使用最广泛、技术最成熟、应用最稳定的时间同步技术，目前电力系统内绝大部分系统都采用了此类方式。由于精度可以达到μs级［6］，完全可以满足现有设备的需求。IRIG-B码实际上是一种综合对时方案，其包含了秒、分、小时和日期等时间信息。在IRIG-B码对时方式下，各时间信号通过光纤进行传输，时间输出信号不受交换机性能的影响，节省了投资，但接线较为复杂［7］。

网络对时方式分为网络时间协议/简单网络时间协议（NTP/SNTP）对时方式和IEEE 1588对时方式。网络对时方式的授时精度因所采用协议的不同而有所差异，其中网络时间协议（NTP）授时精度可达到50 ms；简单网络时间协议（SNTP）授时精度可达到1s；精确时间协议（PTP）授时精度可达到1μs［8］。

1.1.3 时间同步网及系统构成

电力系统时间同步网由设置在各级电网的调度机构、变电站/发电厂等的时间同步系统组成。时间同步网结构如图1所示。在满足技术要求的条件下，网内的时间同步系统可通过通信网络接收上一级时间同步系统发出的有线时间基准信号，也能对下一级时间同步系统提供有线时间基准信号，从而实现全网范围内有关设备的时间同步。

图1 时间同步网结构

变电站时间同步系统构成有多种组网方式，其典型形式有最小系统方式、互备系统方式和互备主从系统方式3种。随着数字化变电站内各类二次设备对时间同步系统高可靠性要求的不断提高，新建变电站的时间同步系统已基本全部采用互备主从系统方式进行组网。互备主从系统组网方式如图2所示。该组网方式由互为备用的2台主时钟及若干从时钟构成，每台主时钟同时接收天基授时信号和有线时间基准信号，对位于不同地点的从时钟进行授时。从时钟同时接收2台主时钟提供的时间基准信号，通过不同的传输介质为变电站内各类二次设备及系统提供对时信号。

图2 互备主从系统构成

1.2 需要解决的问题

根据以上关于时间同步系统的分析，当前电网调度自动化系统及厂站时间同步体系处于开环状态，厂站设备的时间是否与时钟源保持一致无法得到有效的反馈。同时，分布于不同区域的厂站之间时间同步装置到底与标准时间源存在多大的差异，设备运行维护管理部门无法精确掌握，在进行电网事故分析时，时间数据也不具备可参考的依据。为此，如何利用子站现有的自动化或通信设备进行站端时间同步系统的监测，以提升现场各类二次设备的对时精度，是当前迫切需要解决的问题。

2 基于调度数据网的时间监测系统

基于调度数据网的时间监测系统主要由变电站内部、变电站之间的时间监测系统及传输通道构成。调度数据网是为电力调度生产服务的专用数据网络，是实现各级调控中心之间以及调控中心与厂站之间实时生产数据传输和交换的基础设施。通过调度数据网实现子站时间同步系统的实时监测，是一种低成本、低风险和简单高效的方法。

2.1 变电站内部时间监测系统

变电站内部时间监测主要通过在变电站部署时间监测单元来完成。时间监测单元通过接收GPS、北斗卫星导航系统的双模定时信号，具备多路秒脉冲、直流电B码的测试功能，可以测量现有变电站时钟的各种性能，包括站内不同厂家的GPS、北斗卫星导航系统的接收性能，串行时间信息输出格式及性能，主备时钟、扩展单元、用户终端的同步性能等。时间监测单元本身具备精确时间协议（PTP）测试功能。可以测量数字化变电站PTP时间服务器和用户接收终端的同步性能。变电站内时间监测系统构成如图3所示。变电站实时时间监测单元将变电站内的各个时钟输出信号接入其中，通过现有数据通信网络实现与上级中心监测服务器的通信。同时，站内时间监测单元也应有标准的时钟输入信号源作为基准信号。

图3 变电站内部时间监测系统构成

通过在每个变电站配置1台时间监测单元，用来监测变电站内现有的时间同步装置，变电站内现有的时间同步装置传输1个秒脉冲信号给时间监测单元，时间监测单元把测量到的值通过电力调度数据网传输至位于调度主站的的网络管理系统。

时间监测单元通过锁定北斗卫星导航系统或GPS获得标准的时间源，其锁定卫星后的自身精度可以达到±50 ns，秒脉冲测量精度为±25 ns［9］。作为监测变电站时间同步系统的装置，前提是需要有良好的测量精度和精准稳定的自身精度。时间监测单元最大支持6组被测量时间信号的输入，其中每组信号包括一个秒脉冲信号、一个直流电B码信号，将原有主时钟或扩展时钟设备的输出信号（包括直流B码、秒脉冲）通过同轴电缆接入时间监测单元的直流电B码输入口和秒脉冲输入口。每一台时间监测单元将测量的实时数据传输给网管系统，每一台时钟的实时精度通过网管系统实时地在管理终端上以列表和曲线的方式直观地显示出来。

时间监测单元除实时监测外，还可作为备用的基准时钟。当被监测的站内时间同步装置发生故障时，可自动将时间源切换到时间监测单元，进行时间源冗余保护。

时间监测单元具备网络接口，通过电力调度数据网中的非实时业务，将测试数据和结果通过标准的IP协议传输至调度主站的中心时间监测服务器。

2.2 变电站间的时间监测系统

各变电站之间的时间监测系统由中心时间监测服务器、监测管理终端、各个变电站内的实时时间监测单元及传输网络组成。其中，中心时间监测服务器、监测管理终端部署于调度主站，整个测试数据及配置管理基于现有的调度数据网，实时的测试由时间监测单元在站内完成，监测管理终端可通过网络访问时间监测单元，设置测量参数及观察测量数据。变电站之间的时间监测系统构成如图4所示。通过现有的数据通信网络实现不同区域和主站监测管理终端的连接，确保各个子站监测信号的正确及时上送。

图4 变电站间时间监测系统构成

其中，调度主站系统是“实时时间监测系统”最直观、最全面、最有效的监测管理平台。可以通过网管终端全面地掌握所有变电站时间同步装置的运行状况，可以查询和分析授时设备发生故障的顺序，及时了解站内时间同步装置对时精度偏离值的大小，还可以对站内时间监测单元进行必要的配置和管理。

调度主站系统包括网管硬件和网管软件。主站系统硬件采用配置有数据库模块的高性能服务器，网管软件采用SyncALL-RTM实时时间监测软件。SyncALL-RTM实时时间监测系统基于开放系统标准，是一套系统完整、性能可靠、技术成熟、功能完善并相对独立的系统。系统功能包括数据的自动采集、远传、合理性检查、存储、统计、分析处理、系统自诊断等功能。该系统具有灵活的配置，良好的可扩性、开放性，良好的人机界面，并且可以方便地扩充升级。

2.3 传输通道

实时时间监测系统以电力调度数据网为主要的传输通道，通过接入调度数据网非实时业务交换机，实现数据的对上传输。由于该业务是通过调度数据网进行信息传输，在电力监控系统安全防护方面需通过生产控制大区的非实时设备进行传输，业务接入遵循文献［10］的相关要求。故时间监测单元需提供1个RJ45以太网通信接口和1个RS232本地串口通信接口。由于时间监测单元测量的是变电站时钟装置与标准参考信号的实时偏差值，并且原始记录都包含了测量点的精准时刻，因此，传输通道的时延对测量结果并没有任何影响。

3 效果评价

目前，基于调度数据网的变电站时间监测系统已完成部署，主站和厂站的硬件和软件均已搭建调试完毕，通过接入主时钟输出的直流B码或秒脉冲时间信号，完成了18台时间同步主时钟的在线监测，实现了9座330 kV及以上电压等级变电站主时钟的同步监测。截至目前，系统各项功能运行正常，已收到采集数据近5 000万次，发现问题38项。与未部署时间监测系统相比，基于调度数据网的变电站时间监测系统成功实现了宁夏电网330 kV及以上电压等级变电站时钟的实时监测，及时发现了部分变电站时钟设备时间精度的细微偏差，成功处理了诸如时钟源丢失、对时偏差过大等缺陷38项，实现了提前预警的基本目标，提升了子站时间同步系统的运行可靠性。

4 结论

（1）基于调度数据网的变电站时间监测系统填补了目前利用调度数据网进行厂站时钟监测和管理的技术空白区，符合国家电网公司关于强化电力系统时间同步监测管理工作的总体思路和要求。

（2）基于调度数据网的变电站时间监测系统，充分利用现有调度数据网监测数据，节约了广域范围内众多厂站时间同步监测的成本，真正达到了低成本、低风险和简单高效的实时监测目的，提升了现有调度自动化设备的利用水平。

（3）基于调度数据网的变电站时间监测系统构建起一整套关于厂站时间同步系统监测的管理制度和技术规定，进一步提升了调度自动化设备，尤其是时间同步系统的综合管理水平。

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［3］ 李智育,李会祥,李恒,等.电网调度自动化设备维护1000问[M].北京：中国电力出版社，2013:316.

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［7］ 韩本帅,孙中尉,崔海鹏,等.智能变电站过程层时间同步方式研究[J].中国电力，2012,45(11):89.

［8］ 冯正伟,何祥文，杨鑫.智能变电站时间同步系统异常分析[J].浙江电力，2014（9）:23.

［9］ Q/GDW 11539—2016，电力系统时间同步及监测技术规范[S].

［10］国家能源局.电力监控系统安全防护总体方案[Z].北京：国家能源局，2015.

Research of substation time monitoring technology based on dispatching data network

YIN Liang1,MA Jun2，ZHANG Hongjie2,SHI Jiafeng2,WANG Pinghuan2
（1.Power Research Institute of State Grid Ningxia Power Co.,Yinchuan Ningxia 750011,China; 2..Dispatching&Control Center of State Grid Ningxia Power Co.,Yinchuan Ningxia 750001,China）

Aiming at the problem of real-time monitoring management of the substation time synchronous device,analyzes the substation time synchronous system,adopts time monitoring unit to make real-time supervisory,develops the substation time monitoring system based on dispatching data network.The application result shows that the monitoring system can realize real-time accurate monitoring for substation time synchronous devices,improves the safe operation level of the site automatic equipments.

time synchronous system;time monitoring system;dispatching data network

TM73

A

1672-3643（2017）03-0055-05

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.03.011

2017-03-28

尹亮（1986），男，工程师，从事电力系统调度自动化研究工作。

有效访问地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.03.011