【摘 要】智能变电站时间同步系统是变电站可靠运行的重要组成部分，它为变电站的智能电子设备提供了可靠稳定的时间同步信息，时间同步的精度和可靠性决定着智能变电站的稳定运行。
【关键词】智能变电站 时间同步
0 引言
目前国内智能变电站的数据信息传输标准普遍采用DL/T 860，与作为国际标准的IEC61850相比，没有太大的区别。该标准主要是为智能变电站各种应用对象定义了相关的模型数据信息，通过模型的管理和配置为整个变电站的管理提供了快速方便和信息共享的途径，同时为数据对象的互操作带来了方便，简化了数据访问的复杂性。
1 时间同步总体方案
智能变电站的时间同步系统主时钟源设置在站控层。全站建立统一的时间同步系统。 全站采用基于卫星时钟与地面时钟互备方式获取精确时间；地面时钟系统支持通信光传输设备提供的时钟信号；数据采样设备通过不同接口方式获取时间同步系统的统一时钟，使得数据采样的同步脉冲源全站唯一。
2 同步对时方式
2.1站控层对时方式
目前智能变电站的站控层设备较常规变电站有大幅增加，伴随而来的就是对时间同步的要求越来越高，当前智能变电站站控层设备普通采用SNTP对时方式，其优点是采用以太网传输方式，实现简单。
SNTP(Simple Network Time Protocol)称为简单网络时间协议，是NTP发展的另一分支。SNTP是NTP的简化版本，是对NTP的进一步改进，支持以一种简单、无状态远程过程调用模式执行精确而可靠的操作，类似于UDP/TIME协议。SNTP的实现比较简单，而且更容易适用于个人计算机的UDP/TIME客户。
2.2过程层对时方式
智能变电站过程层是一次设备与二次设备的结合面，主要完成运行设备的状态监测，操作控制命令的执行和实时运行电气量的采集功能，实现基本状态量和模拟量的输入/输出。过程层设备包括合并单元、智能终端、设备状态监测IED等。
从以往智能变电站运行的经验来看，时间性能带来的诸多问题对智能变电站的影响有很严重的威胁，尤其是对过程层设备来说，比如GOOSE的输出延迟带来的跳闸延迟问题，不同合并单元延迟差导致保护闭锁，合并单元采样同步偏差导致保护差流，SV9-2报文时间间隔不均匀导致保护误动等问题。因此过程层设备之间的对时精度和同步性是变电站稳定运行的基石。
2.2.1 IRIG-B对时方式
过程层设备目前广泛采用的是IRIG-B对时方式，IRIG-B 对时是一种十分成熟的技术，在智能化变电站的过程层网络中已经取得了广泛的应用。
IRIG时间编码是由美国国防部下属的靶场组(IRIG)提出的并被普遍应用的时间信息传输系统。IRIG串行时间码共有6种格式，即A、B、C、D、E、F。其中B码应用最为广泛，有调制和非调制两种。调制IRIG-B输出的帧格式是每秒输出1帧，每帧有100个代码，包含了秒段、分段、小时段、日期段等信号。非调制IRIG-B是一种标准的TTL电平，用在距离传输不大的场合。
图1所示为智能设备对IRIG-B时钟码的处理过程。该方式在二次设备内部，通过解调回路得到1pps信号和时间信号，其后的处理类似串行报文和脉冲对时方式。
图1 设备对IRIG-B时钟码的处理
2.2.2 IEEE 1588对时方式在过程层网络中的应用
IRIG-B码对时间方式具有较高的对时精度，可以实现亚微秒级别的时钟同步，但无法通过以太网实现，必须依靠硬接线来实现。而IEEE 1588对时方式的出现解决了这个问题。IEEE 1588网络时钟同步协议是用于测量和自动化系统中的高精度网络时钟同步协议，能够达到亚微秒级的同步精度，而且可以利用过程层网络而不用铺设专用的对时网络，目前在少数智能变电站的过程层设备中已经得到了应用。
IEEE 1588协议采用分层的主从式(Master-State)模式进行时间同步。从时钟通过与主时钟交换报文实现与主时钟的同步。
在使用IEEE 1588时间同步的工程项目中，为了保证对时间同步的精度，国内厂家大多采用硬件打时间戳的方式，在硬件支持下同步消息在MAC层和物理层之间打时间戳，如图2所示，PTP的时间戳处理在A点，延时抖动一般在数个纳秒之内，利用硬件打时间戳实现了在离出入接口最近的地方打时间戳，极大地消除了协议栈等延迟的影响。使得时间同步的精度大幅提高。
图2 硬件打时间戳
智能变电站IEEE 1588时间同步系统通过过程层网络进行对时，而过程层网络主要依靠过程层交换机来进行支撑，因此IEEE 1588时间同步系统网络结构必须建立在支持PTP信号对时的过程层交换机基础上。如图3所示，过程层合并单元及间隔层智能单元，保护设备、测控设备、计量设备均通过支持IEEE 1588的交换机进行对时。中心交换机采用千兆交换机，线路交换机采用百兆交换机。1588主时钟通过外接天线与GPS卫星同步，然后通过组播报文交换完成对智能变电站内各设备的对时。在该时间同步系统网络中，各被对时设备相当于从时钟，中心交换机与线路交换机相当于中间时钟，起到了中转同步报文，减少了链路非对称性误差并将同步报文经过自身时的驻留时间写入到后继报文中传输给从时钟以提高对时的精度。
图3 IEEE 1588时间同步的网络结构
IEEE 1588协议在智能变电站过程层中的应用主要体现在利用IEEE 1588主时钟为过程层各合并单元提供PTP对时信号，目前分为电信号输出和光信号输出两种方式，对合并单元采用光信号输出模式为目前的主流模式。利用IEEE 1588时间同步协议对时的合并单元在采样同步精度的同步误差均小于1us；在离散度分布上均在10us以内；两个合并单元之间的时间同步误差在4us内，各项指标均能很好地达到合并单元的技术条件的要求。
3 智能变电站网络对时的前景
根据时间同步协议发展趋势来看，在智能变电站的过程层网络实现1588报文、IEC61850-9-2标准采样值报文、GOOSE报文将是今后智能变电站发展的趋势。如今一些新建的变电站为过程层和间隔层设备提供对时信号的主时钟已经具备了PTP信号输出能力。交换机、智能单元、也逐渐具备了支持1588协议功能。因此在不久的将来采用IEEE 1588协议实现对整个变电站站控层、间隔层和过程层的全部网络对时将成为现实。
4 总结
在当前智能变电站网络结构化日趋明显的今天，尤其在IEC61850-9-2通信标准情况下，智能变电站实现了过程层电流、电压采样值的数字化传输。时间同步系统的对时同步精度对过程层的网络化通信具有极其重要的意义。
参考文献：
[1] 刘振亚.110(66)~750kV智能变电站通用设计[S2011.
[2] 王立辉,许扬.数字化变电站过程层采样值时间同步性分析及应用[J].电力自动化设备,2010.
[3] 王相周,陈华婵.IEEE 1588精确时间协议的研究与应用[J].计算机工程与设计,2009. |
