电力GPS北斗卫星时钟（NTP时钟服务器）同步技术浅谈

电力GPS北斗卫星时钟（NTP时钟服务器）同步技术浅谈

电力系统是时间相关系统 , 无论电压、电流、相角、功角变化 , 都是基于时间轴的波形。近年来 , 超临界、超超临界机组相继并网运行 , 大区域电网互联 , 特高压输电技术得到发展。电网安全稳定运行对电力自动化设备提出了新的要求 , 特别是对时间同步 , 要求继电保护装置、自动化装置、安全稳定控制系统、能量管理系统和生产信息管理系统等基于统一的时间基准运行 , 以满足同步采样、系统稳定性判别、线路故障定位、故障录波、故障分析与事故反演时间一致性要求。确保线路故障测距、相量和功角动态监测、机组和电网参数校验的准确性 , 以及电网事故分析和稳定控制水平 , 提高运行效率及其可靠性。未来数字电力技术的推广应用 , 对时间同步的要求会更高。

1 电力系统时间同步概况

目前 , 电力系统中的时间同步处于变电站内 GPS 统一的状态 , 甚至有很多老旧变电站还没有实现 GPS 统一 , 需要对时的每套设备都配置一套独立的时钟系统。由于 GPS 设备品牌不同 , 性能不统一 , 造成站内、站与站之间时间不统一。这些时间接收系统相互间不通用。无法互为备份 , 使得整个系统的可靠性无法保证。为了逐步实现全电网的同一时间 , 有必要在发电厂、变电站、控制中心、调度中心建立集中和统一的电力系统时间同步系统 , 而且该系统应能基于不同的授时源建立时间同步并互为热备用。

2 电力系统对时间同步的需求

电力自动化设备对时间同步精度有不同的要求。一般而言 , 电力系统授时精度大致分为 4 类 :

(1) 时间同步准确度不大于 1μs: 包括线路行波故障测距装置、同步相量测量装置、雷电定位系统、电子式互感器的合并单元等。

(2) 时间同步准确度不大于 1ms: 包括故障录波器、 SOE 装置、电气测控单元、 RTU 、功角测量系统 (40μs) 、保护测控一体化装置、事件顺序记录装置等。

(3) 时间同步准确度不大于 10ms: 包括微机保护装置、安全自动装置、馈线终端装置 (FTU) 、变压器终端装置 (TTU) 、配电网自动化系统等。

(4) 时间同步准确度不大于 1s: 包括电能量采集装置、负荷 , 用电监控终端装置、电气设备在线状态检测终端装置或自动记录仪、控制 , 调度中心数字显示时钟、火电厂和水电厂以及变电站计算机监控系统、监控与数据采集 (sCADA),EMS 、电能量计费系统 (PBS) 、继电保护及保障信息管理系统主站、电力市场技术支持系统等主站、负荷监控 , 用电管理系统主站、配电网自动化 , 管理系统主站、调度管理信息系统 (DMlS) 、企业管理信息系统 (MlS) 等。

3 目前电力系统内时间同步技术

电力系统设备常用的对时方式有以下 4 种 :

(1) 脉冲对时

也称硬对时 , 是利用脉冲的准时沿 ( 上升沿或下降沿 ) 来校准被授时设备。常用的脉冲对时信号有 1PPS 和分脉冲 (1PPM), 有些情况下也会用时脉冲 (1PPH), 其中 1PPM 和 1PPH 也可以通过累计 1PPS 得到。

脉冲对时的优点是授时精度高 , 使用被动点时 , 适应性强 ; 缺点是只能校准到秒 ( 用 1PPS), 其余数据需要人工预置。

(2) 串口报文对时

也称软对时 , 是利用一组时间数据 ( 年、月、日、时、分、秒 ) 按一定的格式 ( 速率和顺序等 ), 通过串行通信接口发送给被授时装置 , 被授时装置利用这组数据预置其内部时钟。常用的串行通信接口为 RS-232 和 RS-422/RS-485 。

串口报文对时的优点是数据全面 , 不需要人工预置 ; 缺点是授时精度低 , 报文的格式需要授时和被授时装置双方约定。

目前 , 很多场合采用以上 2 种方式的组合方式 , 从而可以充分利用两者的优点 , 克服两者的缺点。

(3) 时间编码方式对时

为了解决前 2 种对时方式的矛盾 , 在实际应用中常采取 2 种对时方式结合的方法 , 即串口 + 脉冲。这种方式的缺点是需要传送 2 个信号。为了更好地解决这个矛盾 , 采用国际通用时间格式码 , 将脉冲对时的准时沿和串口报文对时的那组时间数据结合在一起 , 构成一个脉冲串 , 来传输时间信息。被授时设备可以从这个脉冲串中解析出准时沿和一组时间数据。这就是目前常用的 IRIG-B 码 , 简称 B 码。

时间编码方式对时的优点是数据全面。对时精度高 , 不需要人工预置 ; 缺点是编码相对复杂。

(4) 网络方式对时

网络方式对时基于网络时间协议 (NTP) 、精确时间协议 (PTP) 。目前 , 简单网络时间协议 (SNTP) 应用较多。网络时钟传输的是以 1900 年 1 月 1 日 0 时 0 分 0 秒算起时间戳的用户数据协议 (UDP) 报文。用 64 位表示 , 前 32 位为秒 , 后 32 位为秒等分数。网络中报文往返时间是可以估算的 , 因而采用补偿算法可以达到精确对时的目的。网络授时方式可以为接入网络的任何系统提供对时 , 其中 NTP 授时精度可达到 50ms,PTP 授时精度可达到 1μs,SNTP 授时精度可达到 1s 。

网络方式对时的优点是基于现有网络 , 物理实现方便 ; 缺点是高精度补偿算法复杂。

上述 4 种授时方式各有优点。实际应用中 , 在满足同步精度要求的前提下 , 考虑到经济性 , 采用组合方式授时 , 即在一套运行管理系统中并存多种方式 , 可以充分应用授时时钟能够提供的信息。