智能變電站對(duì)時(shí)同步技術(shù)

1、智能變電站對(duì)時(shí)同步技術(shù)-第一部分第一部分 傳統(tǒng)變電站對(duì)時(shí)方案?jìng)鹘y(tǒng)變電站對(duì)時(shí)方案電力系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，每個(gè)時(shí)刻系統(tǒng)的狀態(tài)量均在發(fā)生變化，為保證電網(wǎng)運(yùn)電力系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，每個(gè)時(shí)刻系統(tǒng)的狀態(tài)量均在發(fā)生變化，為保證電網(wǎng)運(yùn)行人員掌握電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，需要全網(wǎng)采用統(tǒng)一的行人員掌握電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，需要全網(wǎng)采用統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)。時(shí)間基準(zhǔn)。同時(shí)在電網(wǎng)在異?；虬l(fā)生復(fù)雜故障情況下，監(jiān)控系統(tǒng)和故障錄波裝置需要準(zhǔn)確記同時(shí)在電網(wǎng)在異?；虬l(fā)生復(fù)雜故障情況下，監(jiān)控系統(tǒng)和故障錄波裝置需要準(zhǔn)確記錄各保護(hù)動(dòng)作事件發(fā)生的先后順序，用于對(duì)故障反演和分析。錄各保護(hù)動(dòng)作事件發(fā)生的先后順

2、序，用于對(duì)故障反演和分析。雖然每個(gè)保護(hù)自動(dòng)化裝置均含有內(nèi)部時(shí)鐘，但由于各裝置間的內(nèi)部時(shí)鐘晶振的差雖然每個(gè)保護(hù)自動(dòng)化裝置均含有內(nèi)部時(shí)鐘，但由于各裝置間的內(nèi)部時(shí)鐘晶振的差異，無(wú)法保證裝置與裝置間，裝置與監(jiān)控系統(tǒng)間的時(shí)間完全對(duì)應(yīng)。異，無(wú)法保證裝置與裝置間，裝置與監(jiān)控系統(tǒng)間的時(shí)間完全對(duì)應(yīng)。這就要求采用統(tǒng)一的時(shí)鐘源對(duì)站內(nèi)所有裝置進(jìn)行對(duì)時(shí)。這就要求采用統(tǒng)一的時(shí)鐘源對(duì)站內(nèi)所有裝置進(jìn)行對(duì)時(shí)。1、對(duì)時(shí)的必要性2、時(shí)鐘源常用時(shí)鐘源包括1.GPS(Global Positioning System)GPS衛(wèi)星共由24顆衛(wèi)星組成，衛(wèi)星上帶有原子時(shí)鐘，GPS系統(tǒng)每秒發(fā)送一次信號(hào)，其發(fā)送時(shí)間精度在1s以內(nèi)。時(shí)間信息包含年

3、、月、日、時(shí)、分、秒以及1PPS（標(biāo)準(zhǔn)秒）信號(hào)。地面待對(duì)時(shí)裝置通過(guò)GPS信號(hào)接收器實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)。2. 伽利略定位系統(tǒng)（Galileo Positioning System）3. 北斗中國(guó)自主研制，采用雙向交互機(jī)制，國(guó)網(wǎng)規(guī)范要求電力系統(tǒng)時(shí)鐘裝置須首先支持北斗。目前共有8顆衛(wèi)星。3、二次設(shè)備時(shí)鐘方式1.1. 硬對(duì)時(shí)（脈沖對(duì)時(shí)）硬對(duì)時(shí)（脈沖對(duì)時(shí)） 主要有秒脈沖信號(hào)PPS、分脈沖信號(hào)PPM，以及時(shí)脈沖信號(hào)PPH。對(duì)時(shí)脈沖式利用GPS所輸出的脈沖時(shí)間信號(hào)進(jìn)行時(shí)間同步校準(zhǔn)，獲取UTC同步時(shí)間的精度較高。傳輸信道包括電纜和光纖。2. 2. 軟對(duì)時(shí)（串行口對(duì)時(shí)方式）軟對(duì)時(shí)（串行口對(duì)時(shí)方式） 主鐘通過(guò)串口以報(bào)文的形

4、式發(fā)送時(shí)間信息，報(bào)文內(nèi)容包括年、月、日、時(shí)、分、秒等。待對(duì)時(shí)裝置通過(guò)串行口讀取同步時(shí)鐘每秒一次的串行輸出的時(shí)間信息實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)。串口又分為RS232接口和RS422接口方式。一般其精確度為ms級(jí)，輸出距離從幾十米到上百米。 串口對(duì)時(shí)往往和脈沖對(duì)時(shí)配合使用，彌補(bǔ)脈沖對(duì)時(shí)只能對(duì)時(shí)到秒的缺點(diǎn)。3. 3. 編碼對(duì)時(shí)（編碼對(duì)時(shí)（IRIG-BIRIG-B，Inter Range Instrumentation GroupInter Range Instrumentation Group） IRIG-B為IRIG委員會(huì)的B標(biāo)準(zhǔn),是專(zhuān)為時(shí)鐘的傳輸制定的時(shí)鐘碼。它又被分為調(diào)制IRIG-B對(duì)時(shí)碼和非調(diào)制B對(duì)時(shí)碼。調(diào)制

5、B對(duì)時(shí)碼，其輸出的楨格式是每秒輸出一楨，每楨有100個(gè)代碼，包含了秒段、分段、小時(shí)段和日期段等信號(hào)。非調(diào)制B對(duì)時(shí)碼，是一種標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平。 變電站中通過(guò)B碼發(fā)生器，可將GPS接收器輸送的RS232數(shù)據(jù)及1PPS轉(zhuǎn)換成IRIG-B碼，通過(guò)IRIG-B輸出口及RS232/RS422/RS485串行接口輸出，待對(duì)時(shí)裝置根據(jù)B碼解碼器，將B碼轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息及1PPS脈沖信號(hào)。 根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同B碼對(duì)時(shí)又分為光B碼和電B碼。其對(duì)時(shí)精度可以達(dá)us級(jí)。4. 4. 網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)（網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)（NTP, network time protocolNTP, network time protocol） NTP是用

6、來(lái)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)發(fā)布精確時(shí)間的協(xié)議，其本身的傳輸基于UDP。采用客戶端/服務(wù)器（Client/Server）工作方式。服務(wù)器通過(guò)接收GPS信號(hào)作為系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)，客戶端通過(guò)定期訪問(wèn)服務(wù)器提供的時(shí)間服務(wù)獲得準(zhǔn)確的時(shí)間信息，并調(diào)整自己的系統(tǒng)時(shí)鐘，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的目的。 4132TTdTT4、變電站對(duì)時(shí)方案1. 站內(nèi)配兩套主鐘，分別接GPS和北斗。主鐘之間通過(guò)B碼互為備用。2. 每個(gè)保護(hù)室配置兩套擴(kuò)展時(shí)鐘，接收主鐘的B碼對(duì)時(shí)信息，并擴(kuò)展成裝置需要的秒脈沖、分脈沖、時(shí)脈沖、IRIG-B（DC/AC）、串口對(duì)時(shí)報(bào)文、NTP網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)報(bào)文輸出。3. 保護(hù)測(cè)控裝置，故障錄波等間隔層裝置采用B碼對(duì)時(shí)方式。站控層

7、遠(yuǎn)動(dòng)裝置，監(jiān)控主機(jī)、信息網(wǎng)接入設(shè)備采用網(wǎng)絡(luò)方式對(duì)時(shí)。第二部分第二部分 智能變電站對(duì)時(shí)方案智能變電站對(duì)時(shí)方案1、IEEE1588概述1. WHAT?IEEE1588的全稱是“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)”。通俗地可以理解為一個(gè)基于以太網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)對(duì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。2. WHY?隨著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制的規(guī)模越來(lái)越大，對(duì)測(cè)量和控制的同步性和實(shí)時(shí)性提出了越來(lái)越高的要求。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)方式精度不能滿足要求：對(duì)時(shí)方法標(biāo)準(zhǔn)精度NTPRFC13051msSNTPRFC20302msPTPIEEE15881us1、IEEE1588概述3. ADVANTAGE?l 高精度時(shí)間同步（1us）l 復(fù)用以太網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需單

8、獨(dú)鋪設(shè)光纜（相對(duì)B碼）l 使用的最佳主鐘算法具備很好的容錯(cuò)能力 4. APPLICATION IN INTELLEGENT SUBSTATION ?智能變電站采用IEC61850-5變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)通信協(xié)議分層構(gòu)建，分為過(guò)程層、間隔層、站控層，采用分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，適用于IEEE1588對(duì)時(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)變電站過(guò)程層對(duì)時(shí)的精度要求為us級(jí)別，NTP不滿足要求。1、IEEE1588概述5.PTP ProtocolIEEE 1588為基于多播技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)定義了一個(gè)在測(cè)量和控制網(wǎng)絡(luò)中與網(wǎng)絡(luò)交流、本地計(jì)算和分布式對(duì)象有關(guān)的精確時(shí)鐘同步協(xié)議PTP（Precision Time P

9、rotocol）。為消除分布式網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)各個(gè)測(cè)控設(shè)備的時(shí)鐘誤差和測(cè)控?cái)?shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲提供了有效途徑。SYNC同步報(bào)文同步報(bào)文FOLLOW_UP跟隨報(bào)文，記錄同步報(bào)文離開(kāi)主跟隨報(bào)文，記錄同步報(bào)文離開(kāi)主鐘的時(shí)間鐘的時(shí)間ANNOUNCE從鐘反饋報(bào)文從鐘反饋報(bào)文DELAY_REQ鏈路延時(shí)請(qǐng)求報(bào)文鏈路延時(shí)請(qǐng)求報(bào)文PDELAY_RESP延時(shí)應(yīng)答報(bào)文延時(shí)應(yīng)答報(bào)文1、IEEE1588概述PTP報(bào)文報(bào)文序列1、IEEE1588概述目前智能變電站中采用的大都是透明時(shí)鐘兩步法(IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)11.5.2.2)的對(duì)時(shí)方案，即所有的終端設(shè)備都與主鐘對(duì)時(shí)，交換機(jī)需要計(jì)算PTP報(bào)文的駐留時(shí)間。需要精確對(duì)時(shí)的

10、設(shè)備不僅需要計(jì)算Offset偏移量，還需要計(jì)算PTP報(bào)文的傳輸延時(shí)Delay(ns)，傳輸延時(shí)的計(jì)算需要終端設(shè)備發(fā)送Request報(bào)文與主鐘交互。 不考慮傳輸延時(shí)的同步過(guò)程1、IEEE1588概述計(jì)及傳輸延時(shí)的對(duì)時(shí)同步過(guò)程2、智能變電站對(duì)時(shí)方案目前站控層設(shè)備還不具備支持IEEE1588的模塊，且對(duì)時(shí)精度要求不高，仍采用SNTP方式對(duì)時(shí)。間隔層保護(hù)測(cè)控裝置，故障錄波，網(wǎng)絡(luò)分析儀等仍采用B碼對(duì)時(shí)。過(guò)程層合并單元組網(wǎng)數(shù)據(jù)和智能終端可以采用IEEE1588對(duì)時(shí)，也可以采用B碼對(duì)時(shí)。第三部分第三部分 變電站數(shù)據(jù)同步技術(shù)變電站數(shù)據(jù)同步技術(shù)1.1.問(wèn)題由來(lái)問(wèn)題由來(lái)1. 單間隔保護(hù)裝置接收到的電流電壓數(shù)據(jù)需要

11、同步2. 跨間隔保護(hù)裝置接收到的不同通道采樣數(shù)據(jù)需同步，如母差。常規(guī)變電站數(shù)據(jù)采集為集中采樣方式，在不考慮一二次電氣量傳變延時(shí)的情況下，繼電保護(hù)等自動(dòng)化裝置只要根據(jù)自身的采樣脈沖在某一時(shí)刻對(duì)相關(guān)CT、PT的二次電氣量進(jìn)行采樣就能保證數(shù)據(jù)的同時(shí)性。2.2.常規(guī)變電站數(shù)據(jù)同步常規(guī)變電站數(shù)據(jù)同步3.3.智能變電站采樣同步智能變電站采樣同步1.問(wèn)題的由來(lái)基于IEC61850設(shè)計(jì)的智能變電站定義了采樣值服務(wù)通過(guò)9-2報(bào)文傳輸，繼電保護(hù)等自動(dòng)化設(shè)備的數(shù)據(jù)采集模塊前移至合并單元，采用獨(dú)立分散采樣方式。由于各間隔互感器的采集處理環(huán)節(jié)相互獨(dú)立，沒(méi)有統(tǒng)一協(xié)調(diào)，且一二次電氣量的傳變附加了延時(shí)環(huán)節(jié)，導(dǎo)致各間隔互感器的

12、二次數(shù)據(jù)間不具有同時(shí)性，無(wú)法直接用于保護(hù)自動(dòng)化裝置計(jì)算。2.涉及范圍常規(guī)互感器與電子式互感器并存時(shí)，如電壓電流之間，變壓器不同的電壓等級(jí)之間的同步、同一間隔三相電流、電壓采樣之間同步、變壓器差動(dòng)保護(hù)、母線保護(hù)的跨間隔數(shù)據(jù)同步、線路縱差保護(hù)線路兩端數(shù)據(jù)采樣同步。3.解決辦法針對(duì)智能變電站中采樣值同步問(wèn)題，目前主要解決辦法由兩種：插值再采樣同步、基于外時(shí)鐘同步方式同步。(1)(1)插值再采樣：插值再采樣：該方法的思路是放棄合并單元的協(xié)調(diào)采樣，不依賴外部時(shí)鐘，而嚴(yán)格要求其等間隔脈沖采樣以及精確的傳變延時(shí)，繼電保護(hù)設(shè)備根據(jù)傳變延時(shí)補(bǔ)償和插值計(jì)算在同一時(shí)刻進(jìn)行重采樣，保證了各電子式互感器采樣值的同步性。

13、前提：嚴(yán)格要求合并單元等間隔脈沖采樣，同時(shí)保證精確的傳變延時(shí)前提：嚴(yán)格要求合并單元等間隔脈沖采樣，同時(shí)保證精確的傳變延時(shí)。左圖為各間隔合并單元的采樣脈沖，右圖為母線保護(hù)時(shí)間體系下的延時(shí)補(bǔ)償后的采樣數(shù)據(jù)。要求合并單元發(fā)送數(shù)據(jù)等間隔性和傳輸固定延時(shí)。優(yōu)點(diǎn)是保護(hù)計(jì)算不依賴于外部時(shí)鐘。(2)(2)外時(shí)鐘同步外時(shí)鐘同步該方法思路是放棄對(duì)處理環(huán)節(jié)延時(shí)精確性的限制，采用統(tǒng)一時(shí)鐘協(xié)調(diào)各互感器的采樣脈沖，全部互感器在同一時(shí)刻采集數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)標(biāo)定，帶有同一標(biāo)號(hào)的各互感器二次數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)同時(shí)性。具體過(guò)程：首先將站內(nèi)的所有合并單元對(duì)上時(shí)，這種信號(hào)可以是脈沖信號(hào)，IRIG-B碼信號(hào)，IEEE1588信號(hào)等。合并

14、單元在接收到同步信號(hào)后稍作處理即發(fā)出采樣脈沖，由于合并單元與外部時(shí)鐘之間完成了同步，因此這時(shí)從電子互感器采集的數(shù)據(jù)是對(duì)應(yīng)同一時(shí)刻的。母線保護(hù)通過(guò)比對(duì)包序號(hào)來(lái)判別同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)。目前西涇變110KV線路部分采用的這種方式。4. 4. 智能變電站采樣同步測(cè)試智能變電站采樣同步測(cè)試（1 1）基于直采的插值同步測(cè)試）基于直采的插值同步測(cè)試1.站內(nèi)保護(hù)裝置采樣數(shù)據(jù)同步單間隔保護(hù)數(shù)據(jù)同步測(cè)試FPGA負(fù)責(zé)接收級(jí)聯(lián)的FT3數(shù)據(jù)；coldfire負(fù)責(zé)插值運(yùn)算及報(bào)文發(fā)送；MPU負(fù)責(zé)9-2報(bào)文的組織，它們交互的數(shù)據(jù)都存放在雙口RAM中。合并單元采樣值處理框架4. 4. 智能變電站采樣同步測(cè)試智能變電站采樣同步測(cè)試（1 1）基于直采的插值同步測(cè)試）基于直采的插值同步測(cè)試1.站內(nèi)保護(hù)裝置采樣數(shù)據(jù)同步跨間隔保護(hù)數(shù)據(jù)同步測(cè)試各間隔合并單元按照自己的采樣頻率進(jìn)行采樣，將各自的延時(shí)記錄在報(bào)文中，母線保護(hù)解析報(bào)文后，推算到母線保護(hù)裝置時(shí)間系統(tǒng)下的各間隔采樣值，在根據(jù)保護(hù)的采樣頻率進(jìn)行插值計(jì)算。2.智能站與傳統(tǒng)站間采樣數(shù)據(jù)同步對(duì)線路縱差來(lái)說(shuō)，當(dāng)一側(cè)使用了光纖電流互感器，而對(duì)側(cè)采用常規(guī)的電磁