析智能变电站对时方式

徐　强， 李　智， 张　军， 刘　俊

(1.国网安徽省电力公司检修公司， 安徽　合肥　230022；2.长园深瑞继保有限公司， 广东　深圳　518000)



析智能变电站对时方式

徐强1， 李智1， 张军1， 刘俊2

(1.国网安徽省电力公司检修公司， 安徽合肥230022；2.长园深瑞继保有限公司， 广东深圳518000)

智能变电站的对时精度要求远大于传统变电站以及数字化变电站，文章通过实际分析智能变电站各种智能设备对时间同步系统对时方式的选择，探讨了智能变电站中几种主要的对时方式的技术特点以及应用范围。

智能变电站；对时精度；对时方式

智能变电站是以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。而在智能变电站中要想实现以上高级应用功能必须要有统一的全网时间基准，稳定的时间同步系统是智能变电站可靠运行的基础和关键。

1　智能变电站系统构成

智能变电站分为过程层、间隔层、站控层。过程层(设备层)包含由一次设备和智能组件构成的智能设备、合并单元和智能终端，完成变电站电能分配、变换、传输及其测量、控制、保护、计量、状态监测等相关功能。间隔层设备一般指继电保护装置、测控装置等二次设备，实现使用一个间隔的数据并且作用于该间隔一次设备的功能，即与各种远方输入/输出、智能传感器和控制器通信。站控层包含自动化系统、站域控制、通信系统、对时系统等子系统，实现面向全站或一个以上一次设备的测量和控制的功能，完成数据采集和监视控制(SCADA)、操作闭锁以及同步相量采集、电能量采集、保护信息管理等相关功能[1]。

2　智能变电站几种常用的对时方式及对时方案

2.1智能变电站几种常用的对时方式

与传统变电站相比，智能变电站对时间同步的要求更高。高精度的时间同步系统可确保智能变电站实时数据采集的一致性，进而提高电网运行效率以及电网事故分析和稳定控制的水平。首先介绍智能变电站中几种常用的对时方式。

(1)网络时间协议(NTP，Network Time Protocol)。网络时间协议(NTP)是用来在整个网络内发布精确时间的TCP/IP协议，其本身的传输基于UDP，也是使用最普遍的国际互联网时间传输协议。NTP适用于电力系统IP网络已覆盖的站点，但由于IP网的固有属性，其对时精度相对较低(毫秒级)。

(2)IRIG-B码。IRIG-B码是由美国国防部下属的靶场仪器组(IRIG)制定的一种对时标准。根据传输介质的不同，B码对时又分为光B码和电B码，电B码又分为交流(AC)码和直流(DC)码两种。AC码以调制的方式编码，适合较远距离传送；DC码是依靠电平逻辑来编码，传送距离较近。B码对时的优点是时间精度高，其时间准确度范围为10μs～1000μs， 但由于采用固定时延补偿，需要对时延补偿量进行实时调整。

(3)PTP(IEEE 1588)协议。PTP是IEEE 1588的简称，全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议”。该协议集成了网络通讯、局部计算和分布式对象等多项技术，适用于所有通过支持多播的局域网进行通讯的分布式系统。PTP对时方式的基本原理是通过一个同步信号周期性对网络中所有节点的时钟进行校正同步, 可以使基于以太网的分布式系统达到亚纳秒级的精确同步。

2.2智能变电站常用对时方案

目前智能变电站常用的时间同步系统对时方案有以下三种。

方案一：

站控层设备对时采用NTP网络对时方式

间隔层设备对时采用IRIG-B对时方式

过程层设备对时采用IRIG-B对时方式

方案二：

站控层设备对时采用NTP网络对时方式

间隔层设备对时采用IRIG-B对时方式

过程层设备对时采用PTP网络对时方式

方案三：

站控层设备对时采用NTP网络对时方式

间隔层设备对时采用PTP网络对时方式

过程层设备对时采用PTP网络对时方式

三种对时方案中站控层授时方式均采用NTP网络对时，过程层和间隔层授时方式主要分为IEC61588和IRIG-B码两种，目前智能变电站多采用第一种对时方案作为智能变电站时间同步系统的典型配置方案。

3　智能变电站实际配置

以安庆的220kV武昌智能变电站为例，武昌智能变电站采用第一种对时方案。全站建立统一的时间同步系统，并且主时钟采用双重化配置，均支持北斗系统和GPS系统标准授时信号，优先采用北斗系统。站内配置有一个同步时钟主钟柜(内有两台主机)、一个同步时钟扩展柜(内有两台从机)实现对站内所有对时设备的软、硬对时。武昌智能变电站的站控层设备对时采用NTP对时方式，通过非屏蔽双绞线网线将站控层设备与对时系统主机连接在一个局域网中即可实现对网络时间。NTP对时方式的应用较为方便，精度可在大多数情况下保持在毫秒级。而站控层设备如监控、远动、故障信息子站等设备对时间精度的要求大多在1ms～10ms以内，采用NTP对时方式完全可以满足站控层设备对时精度的要求。NTP对时方式对于变电站内站控层的设备是可用的，但它不能满足智能变电站中对时间精度要求较高的装置比如合并单元的对时精度要求。合并单元的采样率一般都在80点/周波以上[2]，两个采样点之间的时间间隔小于250μs，1ms相当于4个采样间隔，1ms误差带来的相位误差就达到了18°，超出了保护容忍的范围。因此武昌智能变电站在过程层与间隔层采用对时精度更高的IRIG-B码对时方式。

间隔层设备采用RS- 485接口的IRIG-B码对时信号，即间隔层对时输入采用IRIG-B直流码电信号。间隔层设备如保护装置、测控装置对时间精度的要求大多在1ms以内，IRIG-B码对时方式能保证间隔层设备对时精度的要求。保护装置、测控装置一般布置在保护小室，距离同步时钟柜较近，因此选择IRIG-B直流码对时就可以满足间隔层设备的对时精度要求，现场只需从同步时钟柜敷设电缆对间隔层保护装置、测控装置等设备点对点予以对时。过程层设备对时输入采用850nm波长的多模光纤接口的IRIG-B码对时信号，现场需从同步时钟柜敷设光缆对过程层合并单元、智能终端等设备点对点予以对时。一般来说保护的相位误差要求为不大于3°，折算为时间为(1/6)ms,考虑到正负误差和可靠系数，合并单元的对时精度应优于50us。而IRIG-B码对时的时间准确度范围为10μs～1000μs，可以满足合并单元的对时精度要求。因此过程层设备与间隔层设备采用的IRIG-B码对时方式基本可以满足变电站内除行波测距外大部分设备的对时精度要求。间隔层设备和过程层设备都采用IRIG-B码对时，但间隔层对时输入采用电信号对时方式，过程层对时输入采用光信号对时方式。主要原因在于过程层设备合并单元的对时精度要求较高，采用光信号传输时传输速率更高。而且智能变电站中过程层设备如合并单元、智能终端主要布置在户外的智能汇控箱，距离保护小室的同步时钟柜较远，采用光缆传输比采用电缆传输更加节省成本。

4　对时方案选择的思考

目前智能变电站站控层授时方式意见较为统一，采用NTP网络对时，过程层和间隔层授时方式主要包括IEC61588和IRIG-B码两种方案。在智能变电站二次设备组网的方式下，PTP网络对时方式不需要增加额外的传输路径，接线简单，扩建时也不需要增加设备。同时PTP网络对时方式的对时精度可以达到亚微秒级，相比较来说PTP网络对时方式比B码对时更加先进。而目前在实际工程应用中主要使用B码对时，PTP技术目前在智能变电站中的应用较少，主要原因在于：(1)PTP技术存在系统设计不合理的问题，系统设计时在每个独立的物理网络只设计了一个主时钟，不能实现主备互用，降低了系统对时的可靠性。(2)PTP对时系统运行稳定性差，存在时间抖动大、抗网络风暴能力差及长时间对时失效的现象。由于PTP技术采用网络对时，与GOOSE网以及SV网共用交换机，导致其抗网络流量影响能力差。当电网故障时大量的GOOSE报文及SV报文会在网络中传输导致网络负载加重，交换机内可能出现较大的排队时延，甚至报文丢失，这样对网络对时的精度会有很大的影响，有可能导致保护装置闭锁。另外支持PTP技术的成熟产品不多，造成变电站二次系统总体造价过高，这些都阻碍了该技术在智能变电站中的应用，但随着技术的发展这些问题将逐步得到解决，PTP技术将越来越广泛地被应用到智能变电站中。

5　结论

目前，智能变电站的研究和建设正在全国电网中逐步开展，因此已成为当前电网探讨的热点。文章从实际工程应用需求出发，从不同方面分别分析了智能变电站中过程层设备、间隔层设备以及站控层设备对时间同步的要求。通过分析目前智能变电站时间同步系统的典型配置方案使读者初步了解智能变电站中几种常见对时方式的相关技术特点，最后对时间同步系统对时方式在智能变电站中未来的发展做了一个展望。

[1] Q/GDW 441-2010，智能变电站继电保护技术规范[S].

[2] 南瑞继保有限公司.PCS-221A电子式互感器线路合并单元技术和使用说明书[Z].2011.

[责任编辑：张一]

Mode of Time Adjustment in Smart Substations

XUQiang1,LIZhi1,ZHANGJun1,LIUJun2

(1.MaintenanceCompanyofStateGridAnhuiElectricPowerCorporation，Hefei230022，China;2.CYGSunriCo.,Ltd.,Shenzhen518000,China)

The requirement of the precision of time adjustment in the smart substations is much higher than the traditional substations and the digital substations. According to analyzing how to choose the mode of time adjustment for the devices in the smart substations，this paper investigates the technical characteristics and the applications of several major modes of time adjustment in the smart substations.

smart substation; precision of time adjustment; mode of time adjustment

2016- 03- 01

徐强(1989-)，男，河南信阳人，国网安徽省电力公司检修公司，助理工程师，主要研究方向为继电保护。E-mail：20080019@163.com

李智(1964-)，男，安徽芜湖人，国网安徽省电力公司检修公司芜湖分部运维专责，高级技师，注册安全工程师。 E-mail：lizhi12356@163.com

TM645.2+3

A

1672-9706(2016)03- 0038- 03

张军(1986-)，男，安徽芜湖人，国网安徽省电力公司检修公司，主要研究方向为继电保护。

刘俊(1988-)，男，湖北天门人，长园深瑞继保有限公司，工程师，主要研究方向为继电保护。