基于电网工频分量周期值的时钟同步技术

剧晶晶

（齐鲁工业大学（山东省科学院）电气工程与自动化学院，山东 济南250353）

0 引 言

随着我国电力系统的发展，风电、光伏发电等新型能源和储能装置开始越来越多地接入配电网，使其运行模式变得越来越复杂。为保证配电网供电质量和可靠性，需要不断进行技术创新，提升电网性能，尽量降低因停电造成的社会经济损失。2016年国家发改委、国家能源局提出了《电力发展“十三五”规划》的纲领性文件，针对配电网方面发改委和能源局提出“升级改造配电网，推进智能电网建设”的目标，要求“满足用电需求，提高供电质量，着力解决配电网薄弱问题，促进智能互联，提高新能源消纳能力，推动装备升级与科技创新，加快构建现代化配电网[1]”。这就要求在电网运行保护和故障定位等方面做进一步优化，因此提出了智能配电网的概念。智能配电网可以智能优化配置电力资源，且供电质量和可靠性有所提高，符合我国能源战略的需求，所以智能配电网是目前电力系统的重要研究方向。智能配电网中的馈线自动化是提升供电可靠性、减少短时停电的关键技术[2]。馈线上有多个配电终端，一切配电终端的统一协作均依赖于高精度的时间基准，采集到的线路数据信息才有效，才能正确反映馈线运行状态[3]。因此，研究基于电网工频分量周期值的时钟同步技术很有必要。

1 时钟同步技术的发展现状

在电力系统实时控制中，时钟同步作为基础性条件尤其重要，同时可为电力系统的事后故障分析提供支持。一切电力设备的统一协作均依赖于高精度的时间基准。不同领域对时间精度的要求各不相同，在电力系统中各设备对时钟同步的精度要求一般在1 μs～ 1 s。

馈线自动化的主要设备为配电终端（FTU），安装于馈线上分段开关处，是配电网自动化的重要组成部分。馈线自动化中的配电终端对馈线上的电力参数信息进行检测反馈，实现控制分段开关的功能。电力参数信息要有严格的时效性，馈线中的故障判断、隔离和非故障区域恢复供电都依赖高度的时间一致性，否则检测反馈结果将无任何意义。

2 电网常见时钟同步方式

目前，电力系统时钟同步技术中，最主要是在变电站内安装GPS时间装置，GPS卫星上搭载有原子钟。原子钟时间与世界标准时间UTC一致，可作为一切配电终端的标准时钟源，由其向变电站配电终端下发时钟信息，变电站配电终端再将此信息下发给各馈线上配电终端。各馈线上配电终端在接收到标准时钟后，会据此校正本地时钟，使全网配电终端时钟保持一致[4-5]。GPS卫星授时是变电站内时钟对时的主要方式，变电站由此获取母时钟源，授时精确无误差。常用的时钟同步协议有IEC 60870-5-101/104对时方法、网络时间协议NTP/SNTP、IEEE 1588对时协议等。其中，IEC 60870-5-101/104的对时方法网络延迟难以计算，误差较大，精度通常在10～50 ms。NTP/SNTP协议是时间同步的标准互联网协议，采用客户端（Client）/服务器（Server）的工作方式，将其应用于配电自动化通信网络中，对时精度在10 ms水平[6-7]。IEEE 1588对时精度较高，分为1588v1和1588v2两个版本。1588v1版本时间同步精度可达亚毫秒级，1588v2版本时间同步精度可达亚微秒级[8]，但要通过软硬件结合的方式，成本也相应增加。

3 基于电网工频分量周期值比对的时钟同步技术

在电力系统实际运行中，由于电力系统中负荷的随机波动，造成电网系统频率的偏移。因此，系统频率没有绝对的稳态。系统频率偏移实质是由于有功功率不平衡导致的。系统频率实时偏移引起工频分量周期值实时变化。电网工频分量周期值实时变化，且在同一时刻不同地点采集计算的工频分量周期值都是相同的。因此，通过工频分量周期值比对可实现时钟同步。本文利用电网工频分量周期值作为参考量来研究时钟对时的方法，能够有效提高配电线路上不同配电终端之间的对时精度。

<1)，且各件产品是否为不合格品相互独立．

3.1 具体实现系统

变电站配电终端、馈线上配电终端（FTU）以及通信系统，如图1所示。通信网络为各配电终端（FTU）之间的通信提供通道。

变电站母线处的FTU功能：实时监测变电站母线上的电压信息，并向馈线上配电终端下发标准时钟源信息。

馈线上分段开关处的FTU功能：监测并采集馈线上的电压信息、开关分合状态，根据采集的数据分析判断线路故障，同时接收标准时钟源信息，以此校正馈线上FTU本地时钟。

变电站母线处配电终端FTU0与变电站GPS直接连接，用于接收标准时钟源信息。馈线1分段开关处的配电终端FTU11、FTU12、FTU13的时钟信息始终与FTU0保持同步。所有配电终端都以AB线电压信号为基础。对时的时间戳由整数部分为头32位、小数部分为后32位的64位无符号浮点数组成，以秒为单位，时间相对于1900年1月1日零点。

3.2 具体实施方案

系统对时方案如图2所示。

（1）FTU0向同一馈线上所有配电终端（FTU11、FTU12、FTU13）发送标准时钟源信息，以此同步馈线上的配电终端FTU11、FTU12、FTU13。

（2）FTU11向FTU0发送对时请求命令，同时FTU11开始采集AB线电压信号并计算各周波工频分量周期值，记录每个周波的0°相位时刻。

图1 馈线自动化系统结构图

图2 配电终端对时通信过程图

（3）FTU0收到对时请求命令后，开始采集AB线电压信号并计算各周波工频分量周期值，计算5个周波为止，并记录第1个周波0°相位时刻T0和之后的连续5个周波的开始时刻T01～T05。

（4）连续5个周波的周期值计算完成后，FTU0向FTU11发送对时响应命令，命令信息包含第1个周波的起始时刻和连续5个周波的起始时刻。

（5）FTU11收到FTU0发送的对时应答命令后，停止周期值计算。

（6）FTU11根据收到的对时应答信息计算FTU0采集的5个周波周期值，利用相邻两个周波的起始时刻计算周期值t0i，t0i=T0i-T0i-1，i从1开始。

（7）FTU11根据本地的各周波起始时刻计算周期值t1i，t1i=T1i-T1i-1，i从 1 开始。

（8）FTU11从本地第1个周期值开始，第N-5个周期值结束，与FTU0采集的5个周期值进行逐一比对，分别计算：

其中，t1(i+k-1)表示FTU11记录的周期值，t0(i)表示FTU0记录的周期值，k表示FTU11记录的第k个周期值，k从1开始。选取ρ值最小时对应的k，此刻认为FTU11第k个周波开始对应的时刻T1k-1与FTU0返回的时刻T0相同，时钟偏差为Toffset=T0-T1k-1。

（9）FTU11时间校正方式T=T+Toffset。

（10）FTU12、FTU13等配电终端对时方案与FTU11相同，步骤重复（1）～（9）。

4 结 论

在电力系统中，一切电力设备的统一协作均依赖于高精度的时间基准。在馈线自动化中，配电终端之间的时钟同步是基础性要求。本文利用电网工频分量周期值是时刻变化的且不同地点同一时刻的电网工频分量周期值相同的特点，以电网工频分量周期值作为参考量来研究智能电网中各配电终端的对时方法，能够有效提高配电线路上不同配电终端之间的对时精度。