電力GPS北斗衛星時鐘（NTP時鐘伺服器）同步技術淺談

電力GPS北斗衛星時鐘（NTP時鐘伺服器）同步技術淺談

電力GPS北斗衛星時鐘（NTP時鐘伺服器）同步技術淺談

電力系統是時間相關係統 , 無論電壓、電流、相角、功角變化 , 都是基於時間軸的波形。近年來 , 超臨界、超超臨界機組相繼併網執行 , 大區域電網互聯 , 特高壓輸電技術得到發展。電網安全穩定執行對電力自動化裝置提出了新的要求 , 特別是對時間同步 , 要求繼電保護裝置、自動化裝置、安全穩定控制系統、能量管理系統和生產資訊管理系統等基於統一的時間基準執行 , 以滿足同步取樣、系統穩定性判別、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、相量和功角動態監測、機組和電網引數校驗的準確性 , 以及電網事故分析和穩定控制水平 , 提高執行效率及其可靠性。未來數字電力技術的推廣應用 , 對時間同步的要求會更高。

1 電力系統時間同步概況

目前 , 電力系統中的時間同步處於變電站內 GPS 統一的狀態 , 甚至有很多老舊變電站還沒有實現 GPS 統一 , 需要對時的每套裝置都配置一套獨立的時鐘系統。由於 GPS 裝置品牌不同 , 效能不統一 , 造成站內、站與站之間時間不統一。這些時間接收系統相互間不通用。無法互為備份 , 使得整個系統的可靠性無法保證。為了逐步實現全電網的同一時間 , 有必要在發電廠、變電站、控制中心、排程中心建立集中和統一的電力系統時間同步系統 , 而且該系統應能基於不同的授時源建立時間同步並互為熱備用。

2 電力系統對時間同步的需求

電力自動化裝置對時間同步精度有不同的要求。一般而言 , 電力系統授時精度大致分為 4 類 :

(1) 時間同步準確度不大於 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、電子式互感器的合併單元等。

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

(3) 時間同步準確度不大於 10ms: 包括微機保護裝置、安全自動裝置、饋線終端裝置 (FTU) 、變壓器終端裝置 (TTU) 、配電網自動化系統等。

(4) 時間同步準確度不大於 1s: 包括電能量採集裝置、負荷 , 用電監控終端裝置、電氣裝置線上狀態檢測終端裝置或自動記錄儀、控制 , 排程中心數字顯示時鐘、火電廠和水電廠以及變電站計算機監控系統、監控與資料採集 (sCADA),EMS 、電能量計費系統 (PBS) 、繼電保護及保障資訊管理系統主站、電力市場技術支援系統等主站、負荷監控 , 用電管理系統主站、配電網自動化 , 管理系統主站、排程管理資訊系統 (DMlS) 、企業管理資訊系統 (MlS) 等。

3 目前電力系統內時間同步技術

電力系統裝置常用的對時方式有以下 4 種 :

(1) 脈衝對時

也稱硬對時 , 是利用脈衝的準時沿 ( 上升沿或下降沿 ) 來校準被授時裝置。常用的脈衝對時訊號有 1PPS 和分脈衝 (1PPM), 有些情況下也會用時脈衝 (1PPH), 其中 1PPM 和 1PPH 也可以透過累計 1PPS 得到。

脈衝對時的優點是授時精度高 , 使用被動點時 , 適應性強 ; 缺點是隻能校準到秒 ( 用 1PPS), 其餘資料需要人工預置。

(2) 串列埠報文對時

也稱軟對時 , 是利用一組時間資料 ( 年、月、日、時、分、秒 ) 按一定的格式 ( 速率和順序等 ), 透過序列通訊介面傳送給被授時裝置 , 被授時裝置利用這組資料預置其內部時鐘。常用的序列通訊介面為 RS-232 和 RS-422/RS-485 。

串列埠報文對時的優點是資料全面 , 不需要人工預置 ; 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 , 很多場合採用以上 2 種方式的組合方式 , 從而可以充分利用兩者的優點 , 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 , 在實際應用中常採取 2 種對時方式結合的方法 , 即串列埠 + 脈衝。這種方式的缺點是需要傳送 2 個訊號。為了更好地解決這個矛盾 , 採用國際通用時間格式碼 , 將脈衝對時的準時沿和串列埠報文對時的那組時間資料結合在一起 , 構成一個脈衝串 , 來傳輸時間資訊。被授時裝置可以從這個脈衝串中解析出準時沿和一組時間資料。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點是資料全面。對時精度高 , 不需要人工預置 ; 缺點是編碼相對複雜。

(4) 網路方式對時

網路方式對時基於網路時間協議 (NTP) 、精確時間協議 (PTP) 。目前 , 簡單網路時間協議 (SNTP) 應用較多。網路時鐘傳輸的是以 1900 年 1 月 1 日 0 時 0 分 0 秒算起時間戳的使用者資料協議 (UDP) 報文。用 64 位表示 , 前 32 位為秒 , 後 32 位為秒等分數。網路中報文往返時間是可以估算的 , 因而採用補償演算法可以達到精確對時的目的。網路授時方式可以為接入網路的任何系統提供對時 , 其中 NTP 授時精度可達到 50ms,PTP 授時精度可達到 1μs,SNTP 授時精度可達到 1s 。

網路方式對時的優點是基於現有網路 , 物理實現方便 ; 缺點是高精度補償演算法複雜。

上述 4 種授時方式各有優點。實際應用中 , 在滿足同步精度要求的前提下 , 考慮到經濟性 , 採用組合方式授時 , 即在一套執行管理系統中並存多種方式 , 可以充分應用授時時鐘能夠提供的資訊。