电网时间同步系统的应用

任玉佩，王志利，张 健

（1.大同供电公司，山西 大同 037008； 2.山西省电力公司检修公司，山西 太原 030032；3.山西电力科学研究院，山西 太原 030001）

0 引言

随着电力系统自动化水平的提高，电力系统对全站乃至全系统时钟时间基准的统一有了明确的要求。

如果没有统一的时钟，分散在不同地点的调度自动化系统、变电站自动化系统、故障录波装置和继电保护、安全自动装置等电力系统二次设备提供的事件记录数据就不可避免地存在时间顺序错位，难以准确描述电力系统的事件顺序和发展过程，无法给电网事故分析提供有效的分析依据。有了统一时钟，即可实现全系统在同一时间基准下的运行监控和事故后的故障分析，也可以通过各开关或装置动作的先后顺序来分析事故的原因及发展过程。所以，统一精确的时间是保证电力系统安全运行，提高运行水平的一个重要措施。

要做到全电网时钟时间基准的统一，必须要有一个能够对全网不同地点、不同变电站的所有二次设备及装置进行授时的统一的时间同步系统。安全可靠、高精度的时间同步系统在电力自动化系统中占有重要地位，是当代电网乃至未来智能电网运行的一项基本要求。

1 时间同步系统的现状

目前，山西省电网内各变电站大多配备了以全球卫星定位系统GPS（Global Positioning System） 为主的分散式时间同步系统，用于1个变电站或1个系统、1台装置的时钟校正。由于缺少统一的技术要求和配置标准，现有的时间同步系统配置不尽相同，传输方式各异，运行情况也不够稳定，部分时钟设备时间精度不能满足要求。现有变电站的时间同步系统校时一般有以下三种方式。

脉冲同步校时方式：GPS时钟的同步脉冲用空接点方式输入装置，电力系统常用的脉冲信号为分脉冲或秒脉冲信号。

通过串行口或监控数据网校时方式：GPS时钟装置通过串行口或监控数据网向各装置发送时间信息校时，串行口又分为RS232接口和RS422接口方式。

国际通用时间格式IRIG-B时间码校时方式：IRIG-B（Inter-Range Instrumentation Group B） (以下简称“B码”)为IRIG委员会的B标准，是专为时钟的传输制定的时钟码，每秒输出一帧按秒、分、时、日期的顺序排列时间信息。IRIG-B信号有调制IRIG-B（AC） 和非调制IRIG-B（DC） 两种[1]。

上述几种校时方式中，脉冲同步校时方式仅提供整分钟或整秒钟的基准脉冲，保护装置接收到基准脉冲后将自身时钟的分钟或秒钟计数清零。该对时方式对分钟或秒钟的校时精度可达毫秒级，但无法对年、月、日、时、分等日期、时间数值进行校正。

通过串行口或监控数据网校时方式是通过每间隔一定时间向装置发送串行输出的时间信息，对时信息中包括了年、月、日、时、分等日期、时间数值，但时间精度仅能达秒级。

过去电力系统中普遍将上述两种校时方式同时使用，以达到既保证时间精度又保证日期、时间数值正确的目的，但这样做的结果是GPS时钟必须同时发送两种方式的时钟信号，使接口数量增加一倍，而被授时装置必须能同时接受和处理两种方式的时钟信号，同时每面屏柜也必须有两根对时信号电缆。

IRIG-B格式时间码为国际通用时间格式码，用于各系统的时间同步。它也是每秒一帧的时间串码，在B码时间格式中含有天、时、分、秒信息，码元的“准时”参考点是其脉冲前沿。时间精度可以达到微秒级。B码校时方式在一组信号中达到了既保证时间精度又保证日期、时间数值正确的目的。有利于减少GPS时钟的接口数量和电缆数量，也使运行维护更为简单方便，因此，在变电站的新建或改造工程中得到广泛采用。

2 基准时间源

电网或变电站的时间同步系统必须具备多种基准时间源，以保证运行的可靠性和授时的精确度。

2.1 GPS时间基准

GPS卫星时间基准，是以美国的全球卫星定位系统作为主时钟源的授时系统，GPS时间同步技术是比较成熟并在国际上广泛使用的时间同步技术，也是电力系统应用最广泛的一种技术，其精度可达到100 ns。

2.2 “北斗”时间基准

“北斗”卫星时间基准，是以我国自行研制和建立的“北斗卫星导航定位系统”为主时钟源的授时系统，它的建成结束了我国电力运行时间完全依赖美国GPS系统的历史，使得我国电力系统授时有了安全保障。“北斗卫星”系统即将开放民用，单向授时精度可以达到100 ns。

2.3 原子钟时间基准

原子钟是利用铷、铯等原子的稳定振荡频率制成的极精密计时器，计时误差小于每年百万分之一秒，设置于省级电网以上授时中心，作为内部时钟源。

2.4 授时系统自身守时能力

授时系统的时钟装置具有内部守时功能，当授时系统接收到外部时间基准信号时，被外部时间基准信号同步；当接收不到外部时间基准信号时，依靠内部守时能力，使主时钟输出的时间同步信号仍能保持一定的准确度。当外部时间基准信号接收恢复时，自动回到正常工作状态。

3 推荐使用的时间信号格式

3.1 国际通用时间格式码校时方式

IRIG是国际通用时间格式码，其中IRIG-B时间编码被广泛应用于电力系统同步对时。其传输介质可用双绞线、同轴电缆或光缆，准确度为1～10μs。B码对时方式具有方法简单、环节少的优点，适用于较短距离的精确授时。

3.2 网络对时方式

网络时间协议NTP（Network Time Protocal），适用基于以太网的系统。可以在广域网和Ienternet中授时，时间精度达到毫秒级。NTP协议可根据客户机和服务器之间数据包所携带的时间戳确定时间误差，并通过一系列算法来消除网络传输不确定性的影响，进行动态时延补偿。

3.3 精确网络对时方式

精确时钟传输协议PTP(Precise Time Protocal)，是对NTP的一种改进。它采用的是IEEE 1588标准，与NTP在软件层打时间戳不同，PTP将时间戳打在硬件层，其精度高于NTP，时间精度达到10～100 ns[2]。

NTP和PTP协议需要以往返报文的时间戳来确定时延补偿量，且要求报文往返路径延时相等。变电站内一般保护、测控、自动装置并不具备硬件时间戳功能，所以，该协议适用于上级授时中心对下级时间同步系统的授时，而不适用于变电站内时间同步系统对本站装置的授时。

4 时间基准信号传输系统

4.1 时间信号传递方法

时间信号传输通道应保证主时钟发出的时间信号传输到用户设备时，能满足用户设备对时间信号质量的要求，一般可在下列几种通道中选用。

4.1.1 屏蔽双绞线传输

用于传输RS-422、RS-485接口信号；IRIG-B（DC）码信号，或传输静态空接点脉冲信号，传输距离小于150 m。这种方式连接简单，维护方便，但传输距离较短，主要用于在保护室内传输授时信号。

4.1.2 网络传输

通过以太网实现一点对多点的授时。网络的可扩展性强、易于实现网管，但由于主要用于以太网，对时精度较低。

4.1.3 光纤传输

用于远距离传输各种时间信号和需要高精度对时的场合。光纤的传输距离远、可靠性高，传输时延最小且稳定，是理想的信号传输通道。

4.2 传输通道的时延

时延是指从主时钟接收到的时间信号到这个时间信号传送到终端装置所需要的时间，主要是时间信号通过传输通道和光电转换等电子装置产生的时间延迟。时延是不可避免的，不仅各个终端到同步时钟扩展箱的时延各不相同，各个同步时钟扩展箱到主时钟的时延也不相同，所以需要采取补偿措施进行弥补。

建设全网统一的时间同步网，必须能够精确补偿时间信号传输时延造成的时间传递误差，而稳定的时延是保证时间同步质量的重点。为保证对时系统的稳定性，较远距离的时间信号传递应采用光缆传输。

5 变电站内时间同步系统

根据山西省电网目前的现状，应当首先建设好电网每个基本单元，即变电站内的时间同步系统，实现用一个时间基准来统一全站所有装置的时钟。这不但能确保变电站内各系统在统一时间基准下的运行监控和提高事故后的故障分析能力，而且也为将来建设全电网的时间同步系统打下了良好的基础。

该系统应具备可接受多个时间基准源（GPS/北斗卫星授时信号、上级时间基准信号）的能力。过去仅以GPS卫星授时信号作为时间基准信号，近年来北斗卫星授时技术已逐渐成熟，并已开放民用。因为电力系统的时间同步仅使用GPS、北斗卫星的单向授时功能，两种卫星在使用方便性上没有区别，且授时精度基本一样。国内厂家已能生产同时接收GPS和北斗两组卫星信号的卫星时钟，它所提供的授时信号既可实现双星互备，又不依赖于GPS，是一种高可靠性的时源钟。所以，变电站的时间同步系统应以GPS/北斗卫星授时信号为主基准时间源，以上级时间基准信号或原子钟为备用基准时间源，实现多种时间基准信号互为备用。

当GPS/北斗与外部时间基准都能同时正常接收时，优选GPS/北斗时间源，外部时间基准自动屏蔽；当GPS/北斗不能正常接收时，自动搜索接收外部时间信号，提取外部时间基准；当GPS/北斗与外部时间基准均不正常时，由内部高精度恒温晶振时钟守时，使输出的时间同步信号仍能保证一定的准确度；当外部时间基准信号接收恢复时，自动切换到正常状态工作。

变电站内授时方式以IRIG-B码为主，具备多制式信号输出（串口、脉冲、网络等），满足多设备（系统信号输出可以任意扩展，可满足任何规模任何方式的时间信号需求）的要求。变电站内时钟屏柜和被授时设备之间的距离较近，所以一般采用IRIG-B码的直流（DC）码，而不采用1 kHz正弦调制信号的交流（AC）码方式，以提高授时精度并防止对其他电子设备造成干扰。

对于保护、测控装置分散布置的多小室变电站，可由1面主时钟屏和多面时钟扩展屏组成授时系统。主时钟屏一般设在变电站的控制室，各小室设时钟扩展屏。主时钟屏通过光纤给每个小室的时钟扩展屏下发B码对时信号，再由各小室时钟屏负责本小室二次设备的对时，从而做到全站各电子设备的时间统一。由于变电站内时间基准传递距离很近，信号时延不大，一般无需进行时延补偿。

6 省级电网授时中心至变电站

在省级电网公司授时中心应设立基准主时钟（GPS/北斗卫星时钟＋原子钟），作为整个省级电网的时间基准。主时钟采用冗余配置，输入两路GPS/北斗卫星时钟，同时可接受上级电网授时中心提供的时间同步信号。

由于省级电网授时中心至各变电站的距离较远，且传输通道情况复杂，因此，必须对时间信号进行精确的时延补偿，以消除时间基准的传递误差。出于对授时精度的要求，由省网授时中心至各变电站的授时方式应采用PTP精确时钟传输协议。

7 结束语

电力系统的日常运行、事故分析、生产管理均需要高精度的时间基准提供依据，因此，建立全网统一的时间同步系统比采用传统的、分散的GPS时钟设备有着明显的优势。在建设变电站内时间同步系统的基础上，逐步完善省级电网、区域电网或国家电网的时间同步，是技术发展的必然趋势。只有充分完善了时间同步机制的电网，才能称为真正意义上的现代化电网。

［1］ 王永辉，姬希军，张宝灿，等.变电站自动化系统GPS对时技术及应用［J］.自动化应用，2010（3）：46-47.

［2］ 于鹏飞，喻强，邓辉，等.IEEE 1588精确时间同步协议的应用方案［J］.电力系统自动化，2009（13）：99-103.