智能变电站时间同步在线监测研究

陈志刚彭学军张道农

（1.南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102；2.华北电力设计院工程有限公司，北京 100120）

智能变电站时间同步在线监测研究

陈志刚1彭学军1张道农2

（1.南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102；2.华北电力设计院工程有限公司，北京 100120）

本文阐述了目前智能变电站广泛采用的对时方案以及时间同步对智能变电站安全稳定运行的意义，介绍了一种基于 SNTP乒乓原理来实现智能变电站内所有自动化设备的时间同步在线监测方案，提出了一种基于同步脉冲监测装置来实现合并单元采样同步脉冲的监测方案，用于实时监测采样同步脉冲，同时将监测数据及自身状态通过MMS上送到变电站站控层网络，并通过试验平台验证了其可靠性。此方案对于提高采用SV数据组网模式的智能变电站的可靠性有一定的参考意义。

智能变电站；时间同步；在线监测；合并单元

随着电网规模的扩大和自动化水平的提高，电网调度实行分层多级管理，为保证电网安全和经济运行，各种以计算机技术和通信技术为基础的自动化装置被广泛应用，不仅变电站、发电厂和调度中心内部众多与时间有密切关系的自动化设备和数字化控制系统对统一、精确授时的依赖程度越来越高，而且电网内对发生事件的记录，如电网故障时刻的确认、事件记录和告警时间的准确统一等对时间精度的要求越来越高。建设统一时间同步网，既可实现全网各系统在统一时间基准下的运行监控，也可以通过各开关动作的先后顺序来分析事故的原因及发展过程［1］。

目前厂站的时钟设备的同步状态及对时精度尚缺乏必要的检测措施及手段；厂站的时钟设备与被对时设备间采用开环的模式，生产维护人员无法掌握站内被对时设备的对时状态及对时精度。这些问题导致在涉及多个电网节点故障的事故后分析时暴露出站内及站间保护、后台等事件记录时间不一致的问题，这不仅会影响对事故的全面、客观、准确分析，而且还影响分析结果的准确性［2］。

为解决厂站的时钟同步在线监视的短板，国家电网公司发布了技术要求［3］，从低建设成本、低管理成本、低技术风险的角度出发，利用SNTP乒乓原理和分层管理的模式，通过软件的方式实现了调度端到厂站端的各种自动化设备的对时状态和对时精度的监控。

与常规变电站相比，智能变电站的结构体系存在巨大的差异。智能变电站的二次系统通常包含电子式互感器、合并单元、交换机、保护、测控等设备，互感器、保护以及断路器之间复杂的电缆硬导线连接被光纤所代替。保护测控等设备的电流电压采样值输入也由模拟信号转变为数字信号输入，保护测控设备的模拟信号采样由装置内实现变为各合并单元实现，这些变化对智能变电站的时钟同步系统提出了更高的要求［4］。

本文介绍了目前变电站时间同步在线监测的现状以及存在的一些问题，并提出了一种针对智能变电站合并单元采样同步脉冲的监测方案，此方案对于提高采用 SV数据组网模式的智能变电站的可靠性有一定的参考意义。

1 传统时间同步监测系统

为解决厂站端时间同步设备状态监视问题，国网公司系统内主要有两种时间同步在线监测方案。

1）山西电力时间同步监测系统

主站监控系统通过DL/T 634.5104规约对厂站端时间同步装置进行监测，主要采集内容包括时钟运行状态信息、同步信息、扩展钟、业务板块状态，以及厂站频率，如图1所示。

图1 山西电力时间同步监测系统

2）华北网局电力时间同步监测系统

时间同步装置提供空节点形式的天脉冲输出至被授时装置遥信开入，同时增加一台时间同步在线监测装置来在线采集并分析被授时设备的遥信变位信息，并将时间误差通过DL/T 634.5104规约上送到主站监控系统，如图2所示。

方案1中实现了主站对厂站时钟装置本身的实时监测。而厂站主备时钟也仅仅对站内二次设备实现了单向授时，未能在厂站端乃至调度端实现对站内二次设备之间授时信息的同步闭环监测。

图2 华北网局天脉冲监测系统

方案2中实现了主站对厂站端部分二次设备的定时闭环监测。该方案需要时钟装置除了给被授时装置提供B码对时信号外，还要提供一个天脉冲空节点，同时还需要增加时间监测设备。

2 时间同步监测管理

国家电网公司提出的变电站时间同步监测管理方案从低建设成本、低管理成本、低技术风险的角度出发，利用SNTP乒乓原理和分层管理的模式，在原有变电站自动化系统上建立一套通信技术及软件来实现系统级的时间同步状态在线监测功能。不仅要对时钟装置进行监测，更要将被授时系统及设备的时间同步工作状态纳入监测范围。

2.1 系统构成

系统由时钟装置和被授时装置构成，其中被授时系统包括变电站监控系统、智能组件、故障录波器、PMU、测控装置、继电保护装置和安全稳定控制装置等，如图3所示。

图3 变电站时间同步监测管理系统

2.2 技术原则

1）厂站端

厂站端监控主机作为站控层时间同步监测管理者，基于SNTP乒乓原理实现对时钟装置、测控装置、故障录波装置、PMU等的时间同步监测；测控装置作为间隔层时间同步监测管理者，基于 SNTP乒乓原理通过 GOOSE实现对合并单元、智能终端等的时间同步监测。

2）调度主站

调度主站前置网关机作为时间同步监测管理者，通过DL/T 476或DL/T 634.5104，基于乒乓原理实现对厂站端通信网关机的时间同步监测管理。

2.3 基本原理

变电站时间同步监测使用SNTP作为基本监测手段，并通过两层保护措施来避免与对时服务冲突。

1）IP协议的访问控制

对时服务端仅存在于时钟装置，监测服务端存在于被监测装置，因此正确配置IP地址后，监测的请求不会与对时请求混淆，保证了不同用途的SNTP服务不会冲突。

2）协议标识的访问控制

在 SNTP报文的 ReferenceIdentifier字段增加“TSSM”标识，并且保证监测服务端不应响应“TSSM”标识以外的请求报文，对时服务端则不应响应标识为“TSSM”的请求，从而保证了任何情况下两者不会冲突。

时间同步监测 SNTP协议采用客户/服务器模式，其中时间管理服务器为客户端，被监测设备为服务端。时间管理服务器定期向被监测设备发送报文，时间管理服务器按照被监测设备返回的时钟报文计算时钟偏差。

图4中时间管理服务器在T0时刻发送“监测时钟请求”；被监测设备在T1时刻收到“监测时钟请求”报文，并在T2时刻返回“监测时钟请求结果”；时间管理服务器在 T3时刻收到“监测时钟请求结果”报文。通过计算可以得到时间管理服务器与被监测设备之间的时间误差Δt=［（T3-T2）+（T0-T1）］/2。

图4 变电站时间同步监测管理系统基本原理

2.4 监测数据

时间同步状态在线监测的数据分为对时状态测量数据和设备状态自检数据。其中对时状态通过乒乓法测得，是时间同步管理的主要监测数据，当管理端发现被监测设备时间同步异常时，管理端应生成告警信息，并通过告警网关机或数据通信网关机上送相应调控中心；设备状态自检的目的主要是被监测设备自身基于可预见故障设置的策略，快速侦测自身的故障点。被授时设备和时钟设备的状态信息见表1、表2。

表1 被授时设备状态信息

表2 时钟设备状态信息

3 合并单元时间同步监测管理

3.1 现有方案

变电站时间同步监测管理系统中，监控主机通过测控装置间接管理合并单元，测控装置通过基于GOOSE的管理报文监测合并单元的时间同步状态，再将结果报告监控系统主机。该方案实现了合并单元时标毫秒级别的误差测量，但无法满足 SV组网条件下的采样同步精度测量要求。

3.2 改进方案

智能变电站合并单元部分采用SV组网的方式，有利于 SV采样数据的共享和分析。但是该方式依赖于时间同步信号，当时钟源发生抖动时，容易造成跨间隔保护装置采样数据的不同步，严重时可能会引起保护误动作。合并单元提供了一个 1PPS脉冲输出接口用于测量其自身输出的采样同步脉冲精度，根据标准［5］要求其采样值同步精度应不大于1μs。

为了完善变电站时间同步监测管理方案，本文提出采用同步脉冲监测装置（TMU）来实现合并单元同步脉冲的采集监视，如图5所示。TMU装置接收全站统一的时间同步对时信号或独立配置北斗、GPS卫星源，装置具备采集分析所有合并单元的同步脉冲信号的能力，分析误差结果和自身的同步状态实时通过DL/T 860和DL/T 634.5104通信规约上送至管理软件，同时保护装置也可以通过 GOOSE或MMS网络获得相应间隔合并单元的同步状态。

图5 合并单元同步脉冲监视基本原理

3.3 关键技术

TMU装置自身时间稳定性直接影响监测结果，而晶体老化会导致恒温晶振的输出频率按照对数曲线发生变化［6］，因此TMU装置需要通过外部时间源驯服自身的恒温晶体，保证其本地时间的稳定性。

晶体频率随时间的变化率（老化率）可以通过式（1）来表示。

式中，F表示晶体频率；t表示时间。当βt>>1时，式（1）可以做如下转换:

利用时间驯服单元获得的频率，并结合线性回归算法可以得到参数A、B，从而获得中晶体的老化曲线。

图6中的虚线部分为晶振频率采样数据，实线部分为采用一元线性回归算法拟合的曲线。

3.4 试验平台

为验证 TMU装置的自身时间稳定性以及监测性能，本文按照图7搭建了测试平台。其中合并单元通过时间同步装置输出的IRIG-B信号对时，TMU装置实时采集时间同步装置和合并单元输出的1PPS脉冲。

通过测试可以发现待测1PPS信号与TMU装置相对抖动不大于30ns，其精度及稳定度满足合并单元技术条件中规定的采样值同步精度应不大于 1μs的要求。

图6 晶振频率拟合曲线

图7 试验平台示意图

图8 时间同步装置1PPS监视数据

图9 合并单元1PPS监视数据

4 结论

本文介绍了传统变电站时间同步在线监测的两种方式以及基于SNTP乒乓原理变电站时间同步监测管理系统，提出一种通过同步脉冲监测装置来实现智能变电站合并单元采样同步脉冲监测方法，用于实时监测数据及自身状态，同时将监测数据及自身状态通过 MMS上送到变电站站控层网络，并通过试验平台验证了自身的精度和稳定度。该方案可以解决目前智能变电站合并单元同步脉冲无法实时监视的问题，对于提高采用 SV数据组网模式的智能变电站的可靠性有一定的参考意义。

［1］翁军美.电网自动化系统时钟设备同步实时监测系统研究与应用［D］.杭州：浙江大学，2010.

［2］于跃海，张道农，胡永辉，等.电力系统时间同步方案［J］.电力系统自动化，2008，32（7）：82-86.

［3］国家电网公司.关于开展厂站时钟同步装置应用情况调研的通知［Z］.北京，2013.

［4］吕航，李力.变电站同步信号异常对保护装置影响及对策［J］.电力系统自动化，2012，36（19）：89-93.

［5］国家能源局.DL/T 282—2012.合并单元技术条件［S］.北京：中国电力出版社，2012.

［6］胡锦麟，施松江.晶体振荡器的对数老化规律［J］.电子技术，1980，12（12）：17-19.

Online Monitoring of Time Synchronization in Smart Substation

Chen Zhigang1Peng Xuejun1Zhang Daonong2
（1.NARI-Relays Electric Co.，Ltd，Nanjing 211102；2.North China Power Engineering Co.，Ltd，Beijing 100120）

This paper describes the currently widely used in Smart Substation clock synchronization and time synchronization of smart substation safe and stable operation of the significance，introduces a kind of based on the principle of SNTP ping-pong to achieve all automation equipment in the substation intelligent time synchronization scheme of online monitoring system.A monitoring method based on the synchronized pulse monitoring device is proposed to realize the monitoring scheme of the merging unit sampling synchronous pulse，which is used for real-time monitoring of the synchronous pulse，and the monitoring data and its own state are sent to the substation station control network through MMS，and its reliability is verified by the test platform.This scheme has some reference value for improving the reliability of the intelligent substation using SV data networking mode.

smart substation； time synchronization； online monitoring； MU

陈志刚（1983-），男，江苏南通人，工程师，主要从事电力系统时间同步设备、智能一次设备研发工作。