变电站常见对时系统故障处置方式研究

童大中，唐 明，韩 磊，周开运，朱开成

（国网湖州供电公司，浙江 湖州 313000）

0 引 言

随着变电站智能化水平不断提高，统一时间就显得愈发重要，这是如果所有设备都在一个高同步性的时间下运行，将有助于故障发生后的分析和事故还原。为实现时间一致性的目标，需要建立变电站对时系统，该系统能为站内各设备提供精准的时钟源。然而，对时系统故障发生率较高，且发生故障的环节较多，故障处置难度也较大。本文通过对变电站对时系统的分析，同时结合科技创新开展常见对时系统故障处置方式的相关研究[1]。

1 变电站主流对时系统介绍

当前，变电站主流对时系统采用总线结构，即站控层使用网络时间协议（Network Time Protocol，NTP）对时，间隔层、过程层使用IRIG-B（Inter-Range Instrumentation Group-B）码对时，总体结构如图1所示。站控层设备如监控主机、五防主机、远动主机、录波主机等，均通过站控层网络进行NTP对时；间隔层设备如继电保护、测控、故障录波、电度表等均通过IRIG-B（电口）对时；过程层设备如合并单元、智能终端均通过IRIG-B（光口）对时[2]。

图1 变电站主流对时系统

1.1 脉冲对时

脉冲对时分为秒脉冲（Pulse Per Second，PPS）、分脉冲（Pulse Per Minute，PPM）、时脉冲（Pulse Per Hour，PPH），一般采用无源接点，由北斗同步时钟装置每秒（分等）输出一个脉冲到空接点，被授时设备在相应时刻进行整点清零来进行时间校准。目前，在某些还未改造完成的变电站里，还存在部分脉冲对时设备，该方式存在精度不高、不能时分秒同时对时等缺点，已经逐步被淘汰。

1.2 IRIG-B对时

IRIG-B对时根据传输介质不同分为电B码和光B码2种对时方式，分别如图2所示。IRIG-B码对时是变电站中最常用的对时方式，传输介质可用电缆或者光纤。IRIG-B对时是一种精度很高并且含有绝对精准时间信息的对时方式，对时设备通过对标准卫星时钟源的解析，将高精度时间转换成BCD码并解调成DC数字或AC正弦信号发送给设备对时，报文中不仅包含准确的时间信息，还包括时间质量、闰秒信息、夏时制、时区偏移等信息，授时精度高达1μs[3]。采用该种485总线的对时方式，不再需要时钟装置输出大量脉冲接点信号，可以实现一对多授时，极大地简化了现场的对时网络[3]。

图2 IRIG-B对时回路

1.3 网络对时

IEC 61850 标准要求智能变电站采用网络协议对时方式，时间同步协议依赖于所选择的具体通信服务映射（Specific Communication Services Mapping，SCSM），网络对时协议有 NTP、IEEE 1588 PTP 等，目前主要采用NTP网络对时协议[4]。

NTP网络对时，对时装置经过对卫星时钟的处理，转换成高精度的NTP格式网络对时报文，直接通过交换机网络给站内各服务器或者其他以接收以太网络对时的设备授时。

2 变电站对时系统常见故障及处置方法

2.1 变电站对时系统常见故障分析

图3为变电站对时系统常见故障分布，包括卫星接收装置、同步时钟装置、时钟装置发送模块、对时通道回路和二次设备接收模块组成，任一部分出现问题将造成二次设备对时故障。

图3 变电站对时系统常见故障点

卫星接收天线故障。卫星接收天线用来接收卫星发出的同步时钟信号，运行时间久之后可能存在短路或者断路的问题，导致对时设备无法接收到卫星信号。

卫星接收天线与同步时钟装置的连接线故障。卫星接收天线接收到卫星的同步时钟信号后，利用连接线向同步时钟装置传递。

（3）同步时钟装置内部故障。同步时钟装置内部故障的原因很多，可能的情况有电源插件故障、CPU插件故障、北斗/GPS天线输入故障等，故障现象就是对时设备发不出各种对时信号或者时好时坏。

（4）同步时钟发送模块故障。同步时钟的发送模块根据对时方式来划分，可分为电模块、光模块和以太网模块等，发送模块故障会造成对时系统故障。

（5）对时通道回路故障。对时通道回路包括电回路、光回路和以太网，对时回路故障将造成二次设备无法接收同步时钟装置的对时信号。

（6）二次设备接收模块故障。二次设备对时接收模块可分为电模块、光模块和以太网模块，接收模块故障会造成该设备无法接收同步时钟装置的对时信号[5]。

2.2 变电站对时系统故障一般处置方法分析

为了快速处置变电站对时系统故障，首要目标是对故障点进行定位。表1反映了对当前6种可能出现故障的位置进行判定的方法，其中只有同步时钟装置可以直接定位故障点，其余部分故障均不能直接判定，需要使用间接手段。如当发生“二次设备接收模块故障”，只要“同步时钟装置发送模块故障”和“对时通道回路故障”任一种故障的可能性无法被排除，故障点就无法被准确定位。

表1 当前6种对时系统故障点判定方法

综上所述，由于没有专门的对时系统故障校验工具，同步时钟装置发送模块、对时通道回路等故障无法直接判定，也没有针对性高、可直接判定故障点的方法，需要更换同步时钟装置的发送模块、发送接口、对时通道回路等，故障处理时容易受到现场各类实际条件的限制，导致变电站对时系统故障处置成功率较低[6]。

3 新型对时系统校验工具的研制

目前，因国内没有同时针对以上3种对时方式的手持式校验设备，检修人员往往需要携带RS485通信电缆、ST光纤、以太网线等备件到现场进行相关故障消缺。当备品备件准备不足时，故障处置就难以有效展开。如没有对时系统校验工具，难以定位故障点的情况下，盲目地重复试验和更换对时系统中各接口和连接线也难以保证故障消除的成功率。

针对这类问题的处理方式和实际现场的功能需求，可以研究一种对时系统校验工具同步时钟装置。该装置具有输出各类对时信号的能力，站内二次设备具有接收对时信号的能力，将二者相结合，结合现场实际使用习惯和便携的考虑，可以极大地提升现场的消缺效率。该装置主要由北斗/GPS定位授时模块，B码接收、发生及光电转换模块，液晶显示模块、锂电池充放电模块组成，具备多样化的输入输出接口，可对变电站对时系统的多个部分进行故障检测，从而快速定位故障点。

手持式变电站对时系统校验工具同时具有对时信号的输入和输出能力，能覆盖变电站所有对时方式，包括光、电IRIG-B码输入；光、电IRIG-B码输出；PPS输入、输出；NTP输出。

为了更好地判断故障，设备前面板设置4个功能按键，加减键可以随时更改各个输出口的时间，复位键可以随时还原到当前时间，校验键则可以随时改变B码输出的奇偶校验。

各种LED的显示及按键交互方式见图4。

图4 对时系统校验工具接口及交互方式

其中液晶显示内容，可以直观地反映一些关键的时钟信息，除了年月日时分秒，还有B码校验方式、当前时钟源、卫星数量等，现场消缺时可以更好给检修人员提供参考。

另外，面板上各LED灯反应校验装置运行工况及时钟关键信息，具体定义如表2。

表2 对时系统校验工具指示灯功能描述

通过LED以及液晶显示屏各种时钟状态指示，可以非常直观地判断对时系统中各个环节的问题，为现场对时故障的消缺处理带来极大的便利。

4 结 论

针对变电站对时系统消缺成功率低下的难题，通过分析变电站对时系统配置及常见消缺方法，结合新型手持式对时系统校验工具的研制，使其具备多种对时信号的输入和输出能力，能覆盖变电站所有对时方式下的接口需求，为同步时钟装置发送模块故障、对时通道回路故障、二次设备接收模块故障等对时系统故障类型的判定，提供了针对性高、可直接判定故障点的方法。检修人员无需通过不断地重复试验来间接定位故障点，大大简化了变电站对时系统故障消缺的处置方法，大幅度提高了变电站对时系统故障的消缺成功率。