智能化变电站时钟同步方案应用研究

张武洋,张文楷,李 伟

(1.东北电力科学研究院有限公司,辽宁 沈阳 110006;2.成都电业局电费管理中心,四川 成都 610000)

目前,以IEC61850标准为基础的智能化变电站是电网发展的重要方向,智能化变电站相关技术的研究成为电网技术的重要方面。IEC61850标准对智能化变电站中过程层、间隔层和站控层的IED智能电子设备的同步精度提出了要求,但对具体IED设备的同步方式和使用的时间同步技术并没有给出明确的解答。

同步对时精度较高的数据采集功能是由非常规互感器和采集器等过程层设备完成,采集到的数据以FT3的通信方式送到合并单元,由合并单元的时钟同步功能将其收到的数据严格按照数据的采集频率发送到间隔层设备。继电保护装置等间隔层设备使用的过程层数据可能来自不同的合并单元,但继电保护装置要求接收到的数据采样时刻要严格同步,只有这样才能保证继电保护装置正确动作。智能化变电站不同层设备之间的时间同步方法配合也是时间同步研究的重要内容之一。因此,针对目前智能化变电站时钟同步方案和IEC61850标准对时钟同步精度的要求,对智能化变电站时钟同步方案进行研究,并提出了实际可行的智能化变电站时钟同步方案。

1 电力系统常用的时钟同步技术

目前电力系统采用的基准时钟源主要有全球定位系统 (GPS)导航卫星发送的标准时间信号和北斗卫星定位系统的标准时间信号。对时方式采用GPS或北斗作为基准源,由地面主时钟接收装置通过天线获得GPS或北斗时钟,再通过地面主时钟向其他被授时设备发送准确的时钟同步信号进行对时。地面主时钟由于是地面时钟系统的基准源,要具备较高的对时及守时精度,目前的智能化变电站普遍采用高精度的原子钟作为站内主时钟拉收GPS或北斗的时钟信号,并完成对被授时设备的时钟同步对时。

国内变电站的时钟同步对时方式主要有脉冲、编码、网络和IEEE1588对时方式等,不同的对时方式对应不同的同步对时精度。IEC61850标准将智能化变电站IED设备对时同步精度分为5个等级,分别用T1～T5表示,其中T1的要求最低 (1 ms),T5要求最高 (1 μ s)。实际中对于智能化变电站各层IED设备具体采用哪种对时协议要根据IEC61850标准对时间同步精度的具体要求确定,IEC61850时间同步精度要求如表1所示。

表1 IEC61850时间同步要求

2 智能化变电站时钟同步方案

针对智能化变电站的特点,本文提出了一种符合IEC61850标准对时间同步精度具体要求的智能化变电站时钟同步方案。由于智能化变电站的二次系统是分层布置的,每层的IED设备对时间同步精度的要求也不一样,但每层IED设备对时间同步精度的要求基本相同,基于智能化变电站实际情况,本文对过程层设备采用IEEE1588对时方式,对间隔层设备采用IRIG-B码对时方式,对站控层设备采用SNTP对时方式完成智能化变电站IED设备的时钟同步,并对此时钟同步方案进行了分析。不同时钟同步方式精度对比如表2所示。

表2 不同时钟同步方式精度对比

2.1 过程层IED设备采用IEEE1588对时

过程层IED设备主要有合并单元和智能终端,主要功能是实时运行电气量检测、运动设备状态检测和操作控制命令执行,这些功能对时间同步精度的要求都很高。

合并单元是非常规互感器与保护测控等设备的接口,主要作用是同步采集多路非常规互感器输出的数字信号,并按照标准规定的格式发送给保护测控等设备,合并单元通过多路点对点的连接为二次设备提供一组时间一致的电流和电压数据。同时合并单元必须保证采样数据在同一时间点上采得,即采样数据的时间同步,以避免采样数据相位、幅值产生误差,智能化变电站合并单元的采样频率一般都是4 000点/s以上,2个采样点之间的时间间隔小于250 μ s,1 ms相当于4个采样间隔,1 ms误差带来的相位误差就达18°,对于保护来说这是不能容许的,所以能否实现合并单元的时间同步、能否降低合并单元的时间同步精度,成为合并单元乃至整个变电站能否可靠运行的关键。

IEEE1588是一种用于分布式测量和控制系统的精密时间协议,也是网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准,网络对时精度可达到亚微秒级。根据 ICE61850标准对时间同步精度的要求,并结合过程层设备的特殊性,过程层IED设备的时间同步精度应达T5等级。IEEE1588的对时精度为1 μ s,时间同步精度满足IEC61850标准对时间同步精度的要求,过程层IED设备应采用IEEE1588对时方式实现时间同步。

2.2 间隔层设备采用IRIG-B码对时

间隔层IED设备主要接收过程层IED设备的采样信息和开关变位等信息,主要功能是汇总本间隔过程层实时数据信息,实施对一次设备的保护和控制功能,对数据采集及控制命令发出优先级控制等,其时间同步精度不大于1 ms。

对于间隔层IED设备的时间同步精度可采用IRIG-B码对时方式。IRIG是美国靶场仪器组码IRIG,IRIG串行时间码共有6种格式,即A、B、D、E、G、H。其中B码应用最广泛,有调制和非调制2种。IRIG-B码是每秒输出1桢,每贴有100个代码,包含了秒段、分段、小时段、日期段等信号。IRIG-B码对时方式采用直流电位携带码元信息,可通过专线进行传输,无传输距离限制,其对时精度可以达到10 ～1 000 μ s,IRIG-B码对时方式基本可以满足智能化变电站间隔层IED设备的对时精度要求。因此,对于间隔层IED设备采用IRIG-B码对时方式,通过专线传输实现时间同步。

2.3 站控层设备采用SNTP对时

由于站控层设备对时间同步精度要求不高,因此,可以采用简单网络时间同步 (SNTP)实现站控层设备的时间同步。

SNTP是网络时间协议 (NTP)的简化,采用客户端/服务器的工作模式,应用于简单网络中,在一定的网络中其时间同步精度在1 s以内,甚至可达1 ms。

图1 智能化变电站时间同步方案

根据对智能化变电站各层IED设备、IEEE1588、IRIG-B码、SNTP对时方式的分析及时间同步精度对比,可得出智能化变电站时间同步组网方案,如图1所示。

3 结束语

智能化变电站的时间同步技术关系到智能化变电站的安全、稳定运行,是智能化变电站的关键技术之一。因此,针对目前电力系统使用的时间同步方式,结合IEC61850标准对智能化变电站信息的时间同步精度要求,提出了一种切实、可靠的智能化变电站时间同步方案。但对于实际应用中可能出现的问题还需做进一步深入的研究。

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