分析電力系統(tǒng)中的時鐘同步技術(shù)

電力系統(tǒng)是時間相關(guān)系統(tǒng),無論電壓、電流、相角、功角變化,都是基于時間軸的波形。近年來,超臨界、超超臨界機(jī)組相繼并網(wǎng)運行,大區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián),特高壓輸電技術(shù)得到發(fā)展。電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行對電力自動化設(shè)備提出了新的要求,特別是對時間同步,要求繼電保護(hù)裝置、自動化裝置、安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)和生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)等基于統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)運行,以滿足同步采樣、系統(tǒng)穩(wěn)定性判別、線路故障定位、故障錄波、故障分析與事故反演時間一致性要求。確保線路故障測距、相量和功角動態(tài)監(jiān)測、機(jī)組和電網(wǎng)參數(shù)校驗的準(zhǔn)確性,以及電網(wǎng)事故分析和穩(wěn)定控制水平,提高運行效率及其可靠性。未來數(shù)字電力技術(shù)的推廣應(yīng)用,對時間同步的要求會更高。

1電力系統(tǒng)時間同步概況

目前,電力系統(tǒng)中的時間同步處于變電站內(nèi)GPS統(tǒng)一的狀態(tài),甚至有很多老舊變電站還沒有實現(xiàn)GPS統(tǒng)一,需要對時的每套設(shè)備都配置一套獨立的時鐘系統(tǒng)。由于GPS設(shè)備品牌不同,性能不統(tǒng)一,造成站內(nèi)、站與站之間時間不統(tǒng)一。這些時間接收系統(tǒng)相互間不通用。無法互為備份,使得整個系統(tǒng)的可靠性無法保證。為了逐步實現(xiàn)全電網(wǎng)的同一時間,有必要在發(fā)電廠、變電站、控制中心、調(diào)度中心建立集中和統(tǒng)一的電力系統(tǒng)時間同步系統(tǒng),而且該系統(tǒng)應(yīng)能基于不同的授時源建立時間同步并互為熱備用。

2電力系統(tǒng)對時間同步的需求

電力自動化設(shè)備對時間同步精度有不同的要求。一般而言,電力系統(tǒng)授時精度大致分為4類:

(1)時間同步準(zhǔn)確度不大于1μs:包括線路行波故障測距裝置、同步相量測量裝置、雷電定位系統(tǒng)、電子式互感器的合并單元等。

(2)時間同步準(zhǔn)確度不大于1ms:包括故障錄波器、SOE裝置、電氣測控單元、RTU、功角測量系統(tǒng)(40μs)、保護(hù)測控一體化裝置、事件順序記錄裝置等。

(3)時間同步準(zhǔn)確度不大于10ms:包括微機(jī)保護(hù)裝置、安全自動裝置、饋線終端裝置(FTU)、變壓器終端裝置(TTU)、配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)等。

(4)時間同步準(zhǔn)確度不大于1s:包括電能量采集裝置、負(fù)荷,用電監(jiān)控終端裝置、電氣設(shè)備在線狀態(tài)檢測終端裝置或自動記錄儀、控制,調(diào)度中心數(shù)字顯示時鐘、火電廠和水電廠以及變電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(sCADA),EMS、電能量計費系統(tǒng)(PBS)、繼電保護(hù)及保障信息管理系統(tǒng)主站、電力市場技術(shù)支持系統(tǒng)等主站、負(fù)荷監(jiān)控,用電管理系統(tǒng)主站、配電網(wǎng)自動化,管理系統(tǒng)主站、調(diào)度管理信息系統(tǒng)(DMlS)、企業(yè)管理信息系統(tǒng)(MlS)等。

3目前電力系統(tǒng)內(nèi)時間同步技術(shù)

電力系統(tǒng)設(shè)備常用的對時方式有以下4種:

(1)脈沖對時

也稱硬對時,是利用脈沖的準(zhǔn)時沿(上升沿或下降沿)來校準(zhǔn)被授時設(shè)備。常用的脈沖對時信號有1PPS和分脈沖(1PPM),有些情況下也會用時脈沖(1PPH),其中1PPM和1PPH也可以通過累計1PPS得到。

脈沖對時的優(yōu)點是授時精度高,使用被動點時,適應(yīng)性強(qiáng);缺點是只能校準(zhǔn)到秒(用1PPS),其余數(shù)據(jù)需要人工預(yù)置。

(2)串口報文對時

也稱軟對時,是利用一組時間數(shù)據(jù)(年、月、日、時、分、秒)按一定的格式(速率和順序等),通過串行通信接口發(fā)送給被授時裝置,被授時裝置利用這組數(shù)據(jù)預(yù)置其內(nèi)部時鐘。常用的串行通信接口為RS-232和RS-422/RS-485。

串口報文對時的優(yōu)點是數(shù)據(jù)全面,不需要人工預(yù)置;缺點是授時精度低,報文的格式需要授時和被授時裝置雙方約定。

目前,很多場合采用以上2種方式的組合方式,從而可以充分利用兩者的優(yōu)點,克服兩者的缺點。

(3)時間編碼方式對時

為了解決前2種對時方式的矛盾,在實際應(yīng)用中常采取2種對時方式結(jié)合的方法,即串口+脈沖。這種方式的缺點是需要傳送2個信號。為了更好地解決這個矛盾,采用國際通用時間格式碼,將脈沖對時的準(zhǔn)時沿和串口報文對時的那組時間數(shù)據(jù)結(jié)合在一起,構(gòu)成一個脈沖串,來傳輸時間信息。被授時設(shè)備可以從這個脈沖串中解析出準(zhǔn)時沿和一組時間數(shù)據(jù)。這就是目前常用的IRIG-B碼,簡稱B碼。

時間編碼方式對時的優(yōu)點是數(shù)據(jù)全面。對時精度高,不需要人工預(yù)置;缺點是編碼相對復(fù)雜。

(4)網(wǎng)絡(luò)方式對時

網(wǎng)絡(luò)方式對時基于網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)、精確時間協(xié)議(PTP)。目前,簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(SNTP)應(yīng)用較多。網(wǎng)絡(luò)時鐘傳輸?shù)氖且?900年1月1 日0時0分0秒算起時間戳的用戶數(shù)據(jù)協(xié)議(UDP)報文。用64位表示,前32位為秒,后32位為秒等分?jǐn)?shù)。網(wǎng)絡(luò)中報文往返時間是可以估算的,因而采用補(bǔ)償算法可以達(dá)到精確對時的目的。網(wǎng)絡(luò)授時方式可以為接入網(wǎng)絡(luò)的任何系統(tǒng)提供對時,其中NTP授時精度可達(dá)到50ms,PTP授時精度可達(dá)到 1μs,SNTP授時精度可達(dá)到1s。

網(wǎng)絡(luò)方式對時的優(yōu)點是基于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò),物理實現(xiàn)方便;缺點是高精度補(bǔ)償算法復(fù)雜。

上述4種授時方式各有優(yōu)點。實際應(yīng)用中,在滿足同步精度要求的前提下,考慮到經(jīng)濟(jì)性,采用組合方式授時,即在一套運行管理系統(tǒng)中并存多種方式,可以充分應(yīng)用授時時鐘能夠提供的信息。