电力二次设备时间同步测试系统的研制及应用

朱长银，姬生飞，李兴建，于 哲，笃 峻，李忠安，刘 伟

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102）

0 引言

随着电网的高速发展和站内自动化设备的大规模应用，电力系统生产、控制业务对时间同步精度的要求愈来愈高［1-11］。电力系统时间同步的准确性是保障电网运行控制及故障分析的重要基础，是提高电网事故分析和稳定控制水平的根本保证［12-13］。在变电站中，电力二次设备中的测控装置、故障录波器、微机保护装置、功角测量装置PMU、安全自动装置、过程层的智能设备等都需要有站内一个统一的时钟对其授时。这些智能二次设备各自的功能不同，对时间的精度要求也不尽相同，在发生电网故障时，变电站各个设备的时间不一致会造成上送到调度的继电保护动作时刻不准确，给电网故障分析和继电保护动作正确性分析带来困难，甚至引起误判［14］。为了避免此类问题的发生，国家电网有限公司在2014 年发布了《国调中心关于强化电力系统时间同步监测管理工作的通知》，通知中要求对电力系统时间系统进行同步监测，遵循分级管理的原则，通过分级时间同步监测的方法实现对电力系统时间同步系统的闭环管理，同时确定了调度主站端、厂站端时间同步监测的技术要求和管理技术方案，并同步下达了各地市公司变电站时间监测的改造计划。

在发布的技术方案中，明确规定了厂站端的设备应具备时间同步监测相关的功能，功能主要包括设备状态的自检和对时状态的测量，同时规定了相关规约支持同步监测系统的闭环管理［15］。功能和规约的规定如表1所示。

表1 时间同步监测功能及采用规约表Table 1 Time synchronization monitoring function and used protocol

1 测试需求分析及现状

国家电网有限公司在2014 年出台时间同步监测管理工作通知，各二次厂家也迅速在自己的产品中增加了通知和规范中要求的相关功能，但截至目前，各厂家对这些功能的测试手段仍然比较缺乏：文献［16］在自家的产品中实现了一种时间同步可控的测试仪，可以输出UART报文授时、IRIG-B时间编码授时、IEEE-1588网络报文授时，但是其产品实现的功能仅能控制外部设备和主时钟装置间的时间差，达到调整设备间时间差的目的，但对于二次设备时间状态自检功能中需要的跳秒、闰秒、时间变化等缺乏必要的手段支持，同时也不具备对二次设备对时监测上送规约进行检测的能力，是一种开环方式的测试，使用中有很大的局限性。文献［17］的专利中提到了一种通过SNTP（Simple Network Time Protocol）对配电设备进行对时后，触发配电设备动作事件，模拟104规约获取事件，然后用提取事件信息中时间的方法提供设备对时功能检测的方法，该方法提供了测试手段和测试系统，具备一定的借鉴意义，但是该系统也具有一些自身的局限。首先该专利没有用二次设备中最常用的IRIG-B 作为对时源信号，也不具备二次设备时间状态自检功能中需要的跳秒、闰秒、时间变化等功能；其次虽然该专利模拟了规约但是仅限于对所触发的事件信息的提取，没有在规约中提供表1中对时状态测量的功能。

由于缺乏必要的测试手段，二次设备厂家往往需要搭建复杂的测试环境，把对时装置、二次设备和后台监控系统甚至调度系统组合在一起，进行系统级别的联调才能对这些功能进行详细地测试，同时对于一些设备告警信息，需要手动插拔对时装置的对时电缆/光纤进行模拟，对于对时信号质量标志、信号校验、闰秒等功能甚至需要对时装置进行特殊修改才能进行测试，这无疑给二次设备时间功能测试带来了极大的不便，给时间同步监测功能留下了一定隐患。

2 时间同步测试系统总体设计

为实现保护装置、录波装置、安稳装置、测控装置、合并单元、智能终端等电力系统二次设备的时间同步功能的测试，本文设计了一套完整的测试系统，其测试架构组成如图1所示，包括测试管理单元、时间同步测试单元、被测试单元3部分。

图1 时间同步测试系统架构图Fig.1 Architecture diagram of time synchronization test system

2.1 测试管理单元

在时间同步测试系统中，测试管理单元是系统控制管理中枢，包含时间同步测试单元控制模块、网络IEC103/IEC104/IEC61850 模 块、GOOSE/SV 模 块 以 及NTP模块3部分，各模块的功能如下：

1） 时间同步测试单元控制模块

该模块主要提供对时间同步测试单元的人机接口，用于控制时间同步测试单元。本模块提供两种方式的人机控制模式，第一种是定制好的人机界面功能，这种方式采用C++编程，充分发挥C++语言面向对象、执行效率高等优点，但是该模式只能提供给用户固定的功能，适用于使用门槛较低，快速测试的场景。另一种是提供Python 脚本接口，该模式的主控程序使用C++编程实现，同时内嵌了一个python脚本解析器，用于解析执行测试脚本，从而很方便地利用脚本控制和扩展对时功能的测试，测试脚本是目前比较流行的测试方法，可以减少测试人员的工作量，提高软件测试的可维护性，同时脚本语言可移植性好，有利于脚本代码的可重用性，提高测试的可重复性［18］。用户可以通过脚本方式灵活定制测试功能，完成功能扩展，充分利用了脚本语言和系统编程语言两者的优点，达到提高开发效率，增强程序的灵活性和交互性的目的，实现python与C++的完美融合。

2） 网络IEC103/IEC104/IEC61850［19-21］模块

目前电力系统二次设备中广泛采用的通信规约主要是网络103、104 和IEC61850 规约，网络103 规约即IEC 60870-5-103规约，在智能化站推广之前是二次设备中主流规约，目前仍在广泛应用，很多已经采用IEC61850 规约的智能站设备中，网络103 一般也会提供支持，这两种规约的技术细节在各种文章中已经有了充分的论述，本文不再赘述。参考表1，时间同步监测要求在已建站通过扩充网络103、网络104 以及IEC61850协议规约，将时间状态测量信息和设备自检信息通过这些规约上传至监控后台/调度后台以完成时间同步监测的功能。因此本文在测试管理单元中实现了网络IEC103/IEC104 和IEC61850 规约，通过这些主流的规约可以和目前绝大多数的二次设备进行通信，一方面可以收取二次设备的SOE动作及告警事件，提取其中的时间信息，用于辅助校验对时功能测试的结果；另一方面可以通过这些协议直接获取被测单元的时间状态信息，完成时间同步功能基本功能的测试。在保护装置、测控装置、录波装置等二次设备中，网络103、网络104 和IEC61850 都是Server 端，因此在本文中实现的是Client 端的程序功能，本系统直接重用本公司变电站厂站后台监控软件的通信规约接口，这样就最大可能地逼近了现场运行环境，可以可靠地和二次设备进行通信，完成SOE 事件和时间同步状态测量信息获取，通过这些信息中时间信息的提取完成时间同步测试功能的结果判断。

3） NTP［22］（Network Time Protocol，网络时间协议）模块

参考表1 可知对新建站的二次设备中，一般都支持NTP Server 功能，通过NTP 协议的乒乓法获取本装置的时间信息，实现了NTP的Client端的功能，测试时主动对被测试单元发起时间信息的乒乓请求，通过乒乓原理获取时间信息，完成测试。时间同步管理的乒乓原理如图2所示。

图2 NTP乒乓原理图Fig.2 NTP ping-pong schematic diagram

T0、T1、T2、T3为装置时标，△t为被测试单元和测试系统的时钟差，用于抵消测量的误差，提高测试级精度。

NTP建立在网络链路延迟对称的假设上，因此：

在式（1）、式（2）中，T0和T3时标为测量请求端已知，被测对象（响应端）返回T1、T2 时标在网络IEC103/IEC104/IEC61850 模块中获取时间状态信息时也用到了乒乓原理的方法。

4） GOOSE/SV模块

该模块主要用于合并单元和智能终端的对时状态测量信息的获取，对智能终端和支持GOOSE的合并单元，时间同步监测信息数据和设备状态自检数据都通过GOOSE 传输，对于不支持GOOSE 的设备则通过SV协议传输，其检测原理也是上述的NTP乒乓原理，不过时间信息在标准GOOSE/SV规约的应用数据中根据规定做了适当扩充［15］。本文系统实现的是监测请求触发的命令，通过解析被测单元返回的报文，按照上述乒乓原理完成测试。

2.2 时间同步测试单元

时间同步测试单元主要实现电力时间同步设备IRIG-B 对时信号的模拟，用于输出IRIG-B 正常及异常编码脉冲信号功能，包括以下几个功能：

1） IRIG-B时间设置功能：通过时间同步测试单元控制模块的人机接口任意设定系统的时间，时间同步测试单元根据设置的时间更新模块系统时间，同时输出对应的IRIG-B编码脉冲信号，此后系统时间自动每秒递增并同步输出IRIG-B 编码脉冲信号提供给被测试设备，该功能配合上述管理测试单元中各协议模块提供的乒乓原理的功能，完成被测试设备对时测量状态功能和性能的检测。

标准的IRIG-B码脉冲波形如图3所示。

图3 标准的IRIG-B码输出脉冲波形图Fig.3 Standard IRIG-B code output pulse waveform

2） IRIG-B码的启停控制功能：可以根据人机接口设置的任意时间序列的组合启停IRIG-B 编码脉冲信号的输出，用于对时功能中丢失及恢复时的逻辑验证，设置的时间包括开始时间、持续时间参数，时间同步测试单元在设定的开始时间输出对应的IRIG-B 编码脉冲信号，此后系统时间自动每秒递增并同步输出IRIG-B 编码脉冲信号，持续时间到达后，停止IRIG-B编码脉冲信号的输出，该功能主要用于模拟以往测试中手动插拔对时光缆产生对时接口告警，以及被测设备守时等功能的检测。

3） 奇偶校验功能：可以根据人机接口设置的任意时间序列的组合，改变IRIG-B编码脉冲信号中的奇偶校验位，用于验证对时功能中的奇偶校验变化时的功能逻辑，设置的时间包括开始时间、持续时间参数，时间同步测试单元先根据系统时间输出IRIG-B 编码脉冲信号，此时奇偶校验位按照系统默认输出，在设置的开始时间，根据设置值改变输出IRIG-B编码脉冲信号的奇偶校验位，持续时间到达后，奇偶校验位的编码恢复默认值。

4） 品质控制功能：可以根据人机接口设置的任意时间序列的组合改变IRIG-B 编码脉冲信号中的品质位，用于验证对时功能中品质变化时的功能逻辑，设置的参数包括开始时间、持续时间和品质位参数，时间同步测试单元先根据系统时间输出IRIG-B 编码脉冲信号，此时品质位按照系统默认输出，在设置的开始时间，根据设置值改变输出IRIG-B编码脉冲信号的品质位，持续时间到达后，品质位的编码恢复默认值。

5） 闰秒控制功能：可以根据人机接口设置的任意时间序列的组合在IRIG-B 编码脉冲信号中产生闰秒的变化，包括正闰秒和负闰秒，用于验证对时功能中产生闰秒变化时的功能逻辑，设置参数包括开始时间和闰秒的变化方式参数，时间同步测试单元首先根据模块的系统时间产生正常的IRIG-B编码脉冲信号，正闰秒模式时，在设置的开始时间的分钟结束时按58-59-60-00 变动系统时间的秒值，并同步输出相应的IRIG-B编码脉冲信号；负闰秒模式时在设定的开始时间分钟结束时按58-00 变动系统时间的秒值，并同步输出相应的IRIG-B 编码脉冲信号，闰秒变化后，恢复正常的IRIG-B编码脉冲信号输出。

6） 跳秒功能：可以根据人机接口设置的任意时间序列的组合在IRIG-B 编码脉冲信号中产生跳秒的变化，用于验证对时功能中的跳秒变化时的功能逻辑，设置参数包括开始时间、持续时间和跳秒数值等参数，时间同步测试单元首先根据模块的系统时间产生正常的IRIG-B编码脉冲信号，在设置的开始时间到达时根据设定的跳秒数值变化系统时间的秒值，在跳秒变化后的系统时间基础上每秒变化秒值同步输出IRIG-B 编码脉冲信号，持续时间到达后，恢复系统时间，并同步输出IRIG-B 编码脉冲信号。

3 时间同步监测功能的具体测试方法

由上述可知，电力二次设备的时间同步监测主要对基本对时功能、时间状态测量功能和设备状态自检的功能进行监测，同时检查设备规约支持情况，测试项目如表2。

表2 被授时设备功能检测表Table 2 Function test sheet of timed device

对于上述功能的测试，测试连接图如图1所示，基本对时功能的检测主要是验证被测设备接入对时信号时，应能正确地解析时间，正确同步，且对时的精度要能满足相关标准的要求。而设备状态自检功能则是验证被测试设备在各种异常情况下能产生相关的告警信息，这两种场景的测试方法和流程基本类似：

1） 通过时间同步测试装置产生不同功能所需的IRIG-B信号，本文提供的模块每种功能都包含了起始时间和持续时间，通过Python 提供的脚本接口设置每种功能所需要时间的组合，形成状态序列的组合，控制时间同步测试装置模拟对应的功能IRIG-B信号。

2） 时间同步测试管理单元通过相对应的规约读取被测试设备的时间信息，对于基本对时功能以及对时状态测量功能通过表1规定的规约读取被测设备的时间信息（ 新设备通常是NTP规约），并根据乒乓原理的方法对时间信息提供校准，以修正网络传输带来的误差，对于设备状态的自检功能，此处还对应相关协议中上送的告警信息，时间同步测试管理单元通过对应的规约收集对应事件信息。

3） 测试管理单元根据相关标准制定相关测试功能校验的判据，根据第二步收集的时间信息和告警事件信息综合判断，给出功能测试的结果，完成测试过程。

以上是基本的测试步骤，但是电力系统中投运的装置众多，对于尚有一些早期投运的装置可能并未根据相关规定在规约中提供对应的功能，因此本文的时间同步测试装置，除具备IRIG-B 信号模拟外，还可以同步产生开关量信号，包括常规的开关量信号和标准GOOSE 规约信号，在IRIG-B 产生的相关时刻，同步输出开关量变位，触发被测试装备产生SOE事件，然后通过对应的规约收集这些信息，解析其中的时间信息，辅助相关功能的判断。

通过上述步骤，完成了电力二次设备的时间同步监测中的基本对时功能、时间状态测量功能和设备状态自检的功能测试，测试时同步验证了相关的规约功能。

4 时间同步测试系统的实际应用

本文提出时间同步测试系统是在国家电力调度控制中心强化电力系统时间同步监测管理工作的情况下开发使用的，南京南瑞继保电气有限公司的新产品在送检时需要详尽的测试时间同步监测的相关功能，对于老产品的升级改造也需要进行详细的测试，在没有测试手段的情况下，需要借助GPS时间同步装置、监控后台搭建系统进行测试，对于时间状态信息测量的功能通过这种方法虽然测试复杂，但还可以完成；对于检测被测设备在对时源异常状态下的功能测试，这些异常场景使用标准的时间同步装置时，即使通过手动方法测试，也很难模拟，难以完成全部的功能测试，且费时费力。

通过本文所提供的接口功能，用户很容易通过Python脚本或者功能界面完成被测设备的时间同步监测管理功能的测试，特别是Python 脚本的方式控制方便灵活，可以方便定制模拟各种场景的功能测试。在研发测试中，对被测试设备的功能及性能测试以及功能升级后的回归测试中发挥极大的作用，显著提高测试效率，给南京南瑞继保电气有限公司产品性能和可靠性的提升提供了很大的帮助，这种测试方法应用方便，易于重用，在工程验收的场景下也可以发挥相应的作用。

5 结语

时钟同步技术对电力系统运行具有重要意义，通过引入时间同步监测管理功能，对全网时间同步的状态实施统一监管，保证了系统的精确运行，而本文引入自动化手段，对这些功能进行详尽地测试，则进一步保证了电力二次设备时间同步的功能和性能，同时降低了运维检测人员的工作量，提升了效率，从而也能更好地保证电力生产运行的安全。