一种基于电网频率值的配电终端对时方法

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

在智能配电网中，配电自动化是实现全自动控制的关键环节。配电自动化功能丰富，能够实时采集和分析智能配电网的运行数据，并判断故障类型自动设置隔离[1]。配电自动化的重要组成部分是馈线自动化。馈线自动化的主要设备为配电终端（FTU），安装在馈线分段开关处。馈线上配电终端在故障检测、通信和执行配电主站下发命令时，都要依赖统一的时间基准。国家电网要求配电终端的对时精度不大于10 ms。因此，本文提出了一种基于电网频率值的配电终端对时方法。

1 电网时钟同步方式

电网时钟同步方式主要有卫星时钟同步技术、NTP/SNTP网络时钟同步技术和IEEE 1588网络时钟同步技术。卫星时钟同步技术包括GPS卫星导航系统和北斗卫星导航系统，具有高精度和高时效的特点。GPS卫星授时是GPS建立的专用时间系统，搭载有原子钟。它的秒长与UTC（世界协调时间）秒长保持一致，目前已在我国电力系统中大规模使用，但可靠性和自主性存在隐患[2]。北斗卫星导航系统则是我国自主研发并提供导航定位与授时服务的全球卫星导航系统。此系统主要能为用户提供单向授时和双向授时两种授时方式，其中单向授时的精度约为100 ns，双向授时的精度约为20 ns[3]。NTP/SNTP协议是网络时间协议和简单网络时间协议，通过交换时间服务器（Server）和客户端（Client）的时间戳，计算客户端（Client）相对于服务器（Server）的时延和偏差来进行时钟同步。NTP网络时间协议在局域网中的对时精度是1 ms，而在广域网中的对时精度是10～100 ms[4-5]。NTP网络时间协议具有成本低和无需硬件支持的优点。IEEE 1588时钟同步协议对时精度高，主要分为两个版本——第一版本（即PTP协议）能够实现亚毫秒级的高精度同步，第二版本可实现亚微秒级的高精度同步[6]。相比之下，IEEE 1588协议在精度和安全性上要优于NTP网络时间协议，但成本较高，且需要通过软硬件结合的方式实现同步。

2 对时原理

在电力系统运行中，由于负荷随机波动，导致有功功率不平衡，造成系统频率实时偏移。可见，系统频率的偏移是由负荷决定的，且无法避免。电网频率值实时变化，且同一时刻不同地点采集计算的电网频率值相同。根据这一特点，利用电网频率值进行比对，计算时钟偏差，实现了配电终端之间的时钟同步，适用于同一配电线路上的所有配电终端或者同一母线上的不同配电线路上的配电终端之间保持时钟同步。

3 系统设计

馈线自动化系统包括变电站配电终端（FTU00）、馈线上分段开关处配电终端（FTU11、FTU12、FTU13）以及通信系统，如图1所示。通信网络是各配电终端之间的通信通道。

图1 馈线自动化系统结构图

变电站配电终端FTU00与北斗卫星导航系统直接连接，以北斗卫星导航系统获取的时间基准作为标准时钟源，同时将此时钟源信息下发给FTU11、FTU12以及FTU13终端。馈线上配电终端FTU11、FTU12以及FTU13负责监视并采集馈线上的电力参数信息，实现控制分段开关的功能，同时接收FTU00下发的标准时钟源信息，以校正馈线上配电终端的本地时钟[7-8]。对时的时间戳由64位无符号浮点数组成，前32位为整数部分，后32位为小数部分，单位为秒，时间相对于1900年1月1日0点。周波频率值用32位无符号整数表示。该数字除以1 000后，即为频率的真实值，单位为Hz。

4 基于电网频率值的配电终端对时方法

配电终端对时通信过程如图2所示。

图2 配电终端对时通信过程图

变电站母线处配电终端FTU00向馈线1分段开关处的所有配电终端发送报文，即以FTU00的时钟信息为标准时钟源，对馈线1分段开关处的配电终端FTU11、FTU12以及FTU13进行时钟同步。FTU11发送对时请求命令给FTU00，同时启动FTU11的信号采集功能（以采集AB线电压上的周波信号为例）。根据周波信号进行频率计算，并记录每个周波的起始（0°相位）时刻（T10、T11、T12等）和频率值（f11、f12、f13等）。FTU00收到对时请求命令后，立即开始采集本线路上的周波信号（以AB线电压为例）并进行频率计算，记录第1个周波起始（0°相位）时刻T0和之后连续3个周波的频率值f01、f02、f03）。连续3个周波的频率值计算完成后，FTU00将记录的第1个周波起始时刻和之后的连续3个周波的频率值打包发送给FTU11，即发送对时应答命令。FTU11收到对时应答命令后，停止本终端的频率计算。

FTU11开始进行频率值比对。若FTU11从开始发送对时请求命令到收到对时应答共记录了N个周波的频率值，则从第1频率值f11开始进行比对，一直到第N-2个频率值，计算公式为：

式中：f0(i+1)表示FTU00记录的频率值；f1(i+k)表示FTU11记录的第k个频率值，k从1开始，到N-2结束。当ρ值最小时，FTU00与FTU11两配电终端的频率值近似相等。根据频率值特点，若不同配电终端采集计算的电网频率值相等，其时刻一定相同。因此，计算并比较得到最小的ρ值，此时对应的频率为f1k，即可认为FTU11上的时刻T1(k-1)与FTU00上的时刻T0相同，计算两处的时钟偏差Δt为：

FTU11纠正时钟偏差，即：

馈线1上分段开关处的其他配电终端FTU12和FTU13的对时方法同上。

5 结 论

馈线上配电终端在故障检测、通信和执行配电主站下发命令时，要依赖统一的时间基准。本文根据电网频率实时变化且同一时刻不同地点采集计算的电网频率值相同的特点，利用电网频率值进行比对，计算时钟偏差，实现了配电终端之间的时钟同步。本方法适用于同一配电线路上所有配电终端或者同一母线上不同配电线路上的配电终端之间保持时钟同步。