智能化變電站時鐘同步方案應(yīng)用研究

張武洋,張文楷,李 偉

(1.東北電力科學(xué)研究院有限公司,遼寧 沈陽 110006;2.成都電業(yè)局電費(fèi)管理中心,四川 成都 610000)

目前,以IEC61850標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的智能化變電站是電網(wǎng)發(fā)展的重要方向,智能化變電站相關(guān)技術(shù)的研究成為電網(wǎng)技術(shù)的重要方面。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對智能化變電站中過程層、間隔層和站控層的IED智能電子設(shè)備的同步精度提出了要求,但對具體IED設(shè)備的同步方式和使用的時間同步技術(shù)并沒有給出明確的解答。

同步對時精度較高的數(shù)據(jù)采集功能是由非常規(guī)互感器和采集器等過程層設(shè)備完成,采集到的數(shù)據(jù)以FT3的通信方式送到合并單元,由合并單元的時鐘同步功能將其收到的數(shù)據(jù)嚴(yán)格按照數(shù)據(jù)的采集頻率發(fā)送到間隔層設(shè)備。繼電保護(hù)裝置等間隔層設(shè)備使用的過程層數(shù)據(jù)可能來自不同的合并單元,但繼電保護(hù)裝置要求接收到的數(shù)據(jù)采樣時刻要嚴(yán)格同步,只有這樣才能保證繼電保護(hù)裝置正確動作。智能化變電站不同層設(shè)備之間的時間同步方法配合也是時間同步研究的重要內(nèi)容之一。因此,針對目前智能化變電站時鐘同步方案和IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對時鐘同步精度的要求,對智能化變電站時鐘同步方案進(jìn)行研究,并提出了實(shí)際可行的智能化變電站時鐘同步方案。

1 電力系統(tǒng)常用的時鐘同步技術(shù)

目前電力系統(tǒng)采用的基準(zhǔn)時鐘源主要有全球定位系統(tǒng) (GPS)導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送的標(biāo)準(zhǔn)時間信號和北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時間信號。對時方式采用GPS或北斗作為基準(zhǔn)源,由地面主時鐘接收裝置通過天線獲得GPS或北斗時鐘,再通過地面主時鐘向其他被授時設(shè)備發(fā)送準(zhǔn)確的時鐘同步信號進(jìn)行對時。地面主時鐘由于是地面時鐘系統(tǒng)的基準(zhǔn)源,要具備較高的對時及守時精度,目前的智能化變電站普遍采用高精度的原子鐘作為站內(nèi)主時鐘拉收GPS或北斗的時鐘信號,并完成對被授時設(shè)備的時鐘同步對時。

國內(nèi)變電站的時鐘同步對時方式主要有脈沖、編碼、網(wǎng)絡(luò)和IEEE1588對時方式等,不同的對時方式對應(yīng)不同的同步對時精度。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)將智能化變電站IED設(shè)備對時同步精度分為5個等級,分別用T1～T5表示,其中T1的要求最低 (1 ms),T5要求最高 (1 μ s)。實(shí)際中對于智能化變電站各層IED設(shè)備具體采用哪種對時協(xié)議要根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對時間同步精度的具體要求確定,IEC61850時間同步精度要求如表1所示。

表1 IEC61850時間同步要求

2 智能化變電站時鐘同步方案

針對智能化變電站的特點(diǎn),本文提出了一種符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對時間同步精度具體要求的智能化變電站時鐘同步方案。由于智能化變電站的二次系統(tǒng)是分層布置的,每層的IED設(shè)備對時間同步精度的要求也不一樣,但每層IED設(shè)備對時間同步精度的要求基本相同,基于智能化變電站實(shí)際情況,本文對過程層設(shè)備采用IEEE1588對時方式,對間隔層設(shè)備采用IRIG-B碼對時方式,對站控層設(shè)備采用SNTP對時方式完成智能化變電站IED設(shè)備的時鐘同步,并對此時鐘同步方案進(jìn)行了分析。不同時鐘同步方式精度對比如表2所示。

表2 不同時鐘同步方式精度對比

2.1 過程層IED設(shè)備采用IEEE1588對時

過程層IED設(shè)備主要有合并單元和智能終端,主要功能是實(shí)時運(yùn)行電氣量檢測、運(yùn)動設(shè)備狀態(tài)檢測和操作控制命令執(zhí)行,這些功能對時間同步精度的要求都很高。

合并單元是非常規(guī)互感器與保護(hù)測控等設(shè)備的接口,主要作用是同步采集多路非常規(guī)互感器輸出的數(shù)字信號,并按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的格式發(fā)送給保護(hù)測控等設(shè)備,合并單元通過多路點(diǎn)對點(diǎn)的連接為二次設(shè)備提供一組時間一致的電流和電壓數(shù)據(jù)。同時合并單元必須保證采樣數(shù)據(jù)在同一時間點(diǎn)上采得,即采樣數(shù)據(jù)的時間同步,以避免采樣數(shù)據(jù)相位、幅值產(chǎn)生誤差,智能化變電站合并單元的采樣頻率一般都是4 000點(diǎn)/s以上,2個采樣點(diǎn)之間的時間間隔小于250 μ s,1 ms相當(dāng)于4個采樣間隔,1 ms誤差帶來的相位誤差就達(dá)18°,對于保護(hù)來說這是不能容許的,所以能否實(shí)現(xiàn)合并單元的時間同步、能否降低合并單元的時間同步精度,成為合并單元乃至整個變電站能否可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

IEEE1588是一種用于分布式測量和控制系統(tǒng)的精密時間協(xié)議,也是網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),網(wǎng)絡(luò)對時精度可達(dá)到亞微秒級。根據(jù) ICE61850標(biāo)準(zhǔn)對時間同步精度的要求,并結(jié)合過程層設(shè)備的特殊性,過程層IED設(shè)備的時間同步精度應(yīng)達(dá)T5等級。IEEE1588的對時精度為1 μ s,時間同步精度滿足IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對時間同步精度的要求,過程層IED設(shè)備應(yīng)采用IEEE1588對時方式實(shí)現(xiàn)時間同步。

2.2 間隔層設(shè)備采用IRIG-B碼對時

間隔層IED設(shè)備主要接收過程層IED設(shè)備的采樣信息和開關(guān)變位等信息,主要功能是匯總本間隔過程層實(shí)時數(shù)據(jù)信息,實(shí)施對一次設(shè)備的保護(hù)和控制功能,對數(shù)據(jù)采集及控制命令發(fā)出優(yōu)先級控制等,其時間同步精度不大于1 ms。

對于間隔層IED設(shè)備的時間同步精度可采用IRIG-B碼對時方式。IRIG是美國靶場儀器組碼IRIG,IRIG串行時間碼共有6種格式,即A、B、D、E、G、H。其中B碼應(yīng)用最廣泛,有調(diào)制和非調(diào)制2種。IRIG-B碼是每秒輸出1楨,每貼有100個代碼,包含了秒段、分段、小時段、日期段等信號。IRIG-B碼對時方式采用直流電位攜帶碼元信息,可通過專線進(jìn)行傳輸,無傳輸距離限制,其對時精度可以達(dá)到10 ～1 000 μ s,IRIG-B碼對時方式基本可以滿足智能化變電站間隔層IED設(shè)備的對時精度要求。因此,對于間隔層IED設(shè)備采用IRIG-B碼對時方式,通過專線傳輸實(shí)現(xiàn)時間同步。

2.3 站控層設(shè)備采用SNTP對時

由于站控層設(shè)備對時間同步精度要求不高,因此,可以采用簡單網(wǎng)絡(luò)時間同步 (SNTP)實(shí)現(xiàn)站控層設(shè)備的時間同步。

SNTP是網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議 (NTP)的簡化,采用客戶端/服務(wù)器的工作模式,應(yīng)用于簡單網(wǎng)絡(luò)中,在一定的網(wǎng)絡(luò)中其時間同步精度在1 s以內(nèi),甚至可達(dá)1 ms。

圖1 智能化變電站時間同步方案

根據(jù)對智能化變電站各層IED設(shè)備、IEEE1588、IRIG-B碼、SNTP對時方式的分析及時間同步精度對比,可得出智能化變電站時間同步組網(wǎng)方案,如圖1所示。

3 結(jié)束語

智能化變電站的時間同步技術(shù)關(guān)系到智能化變電站的安全、穩(wěn)定運(yùn)行,是智能化變電站的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此,針對目前電力系統(tǒng)使用的時間同步方式,結(jié)合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對智能化變電站信息的時間同步精度要求,提出了一種切實(shí)、可靠的智能化變電站時間同步方案。但對于實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的問題還需做進(jìn)一步深入的研究。

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