智能化變電站時鐘同步方案應用研究

張武洋,張文楷,李 偉

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

目前,以IEC61850標準為基礎的智能化變電站是電網發展的重要方向,智能化變電站相關技術的研究成為電網技術的重要方面。IEC61850標準對智能化變電站中過程層、間隔層和站控層的IED智能電子設備的同步精度提出了要求,但對具體IED設備的同步方式和使用的時間同步技術并沒有給出明確的解答。

同步對時精度較高的數據采集功能是由非常規互感器和采集器等過程層設備完成,采集到的數據以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據嚴格按照數據的采集頻率發送到間隔層設備。繼電保護裝置等間隔層設備使用的過程層數據可能來自不同的合并單元,但繼電保護裝置要求接收到的數據采樣時刻要嚴格同步,只有這樣才能保證繼電保護裝置正確動作。智能化變電站不同層設備之間的時間同步方法配合也是時間同步研究的重要內容之一。因此,針對目前智能化變電站時鐘同步方案和IEC61850標準對時鐘同步精度的要求,對智能化變電站時鐘同步方案進行研究,并提出了實際可行的智能化變電站時鐘同步方案。

1 電力系統常用的時鐘同步技術

目前電力系統采用的基準時鐘源主要有全球定位系統 (GPS)導航衛星發送的標準時間信號和北斗衛星定位系統的標準時間信號。對時方式采用GPS或北斗作為基準源,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備發送準確的時鐘同步信號進行對時。地面主時鐘由于是地面時鐘系統的基準源,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主時鐘拉收GPS或北斗的時鐘信號,并完成對被授時設備的時鐘同步對時。

國內變電站的時鐘同步對時方式主要有脈沖、編碼、網絡和IEEE1588對時方式等,不同的對時方式對應不同的同步對時精度。IEC61850標準將智能化變電站IED設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)。實際中對于智能化變電站各層IED設備具體采用哪種對時協議要根據IEC61850標準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,本文提出了一種符合IEC61850標準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是分層布置的,每層的IED設備對時間同步精度的要求也不一樣,但每層IED設備對時間同步精度的要求基本相同,基于智能化變電站實際情況,本文對過程層設備采用IEEE1588對時方式,對間隔層設備采用IRIG-B碼對時方式,對站控層設備采用SNTP對時方式完成智能化變電站IED設備的時鐘同步,并對此時鐘同步方案進行了分析。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設備采用IEEE1588對時

過程層IED設備主要有合并單元和智能終端,主要功能是實時運行電氣量檢測、運動設備狀態檢測和操作控制命令執行,這些功能對時間同步精度的要求都很高。

合并單元是非常規互感器與保護測控等設備的接口,主要作用是同步采集多路非常規互感器輸出的數字信號,并按照標準規定的格式發送給保護測控等設備,合并單元通過多路點對點的連接為二次設備提供一組時間一致的電流和電壓數據。同時合并單元必須保證采樣數據在同一時間點上采得,即采樣數據的時間同步,以避免采樣數據相位、幅值產生誤差,智能化變電站合并單元的采樣頻率一般都是4 000點/s以上,2個采樣點之間的時間間隔小于250 μ s,1 ms相當于4個采樣間隔,1 ms誤差帶來的相位誤差就達18°,對于保護來說這是不能容許的,所以能否實現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行的關鍵。

IEEE1588是一種用于分布式測量和控制系統的精密時間協議,也是網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準,網絡對時精度可達到亞微秒級。根據 ICE61850標準對時間同步精度的要求,并結合過程層設備的特殊性,過程層IED設備的時間同步精度應達T5等級。IEEE1588的對時精度為1 μ s,時間同步精度滿足IEC61850標準對時間同步精度的要求,過程層IED設備應采用IEEE1588對時方式實現時間同步。

2.2 間隔層設備采用IRIG-B碼對時

間隔層IED設備主要接收過程層IED設備的采樣信息和開關變位等信息,主要功能是匯總本間隔過程層實時數據信息,實施對一次設備的保護和控制功能,對數據采集及控制命令發出優先級控制等,其時間同步精度不大于1 ms。

對于間隔層IED設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碼應用最廣泛,有調制和非調制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,可通過專線進行傳輸,無傳輸距離限制,其對時精度可以達到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設備的對時精度要求。因此,對于間隔層IED設備采用IRIG-B碼對時方式,通過專線傳輸實現時間同步。

2.3 站控層設備采用SNTP對時

由于站控層設備對時間同步精度要求不高,因此,可以采用簡單網絡時間同步 (SNTP)實現站控層設備的時間同步。

SNTP是網絡時間協議 (NTP)的簡化,采用客戶端/服務器的工作模式,應用于簡單網絡中,在一定的網絡中其時間同步精度在1 s以內,甚至可達1 ms。

圖1 智能化變電站時間同步方案

根據對智能化變電站各層IED設備、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方案,如圖1所示。

3 結束語

智能化變電站的時間同步技術關系到智能化變電站的安全、穩定運行,是智能化變電站的關鍵技術之一。因此,針對目前電力系統使用的時間同步方式,結合IEC61850標準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、可靠的智能化變電站時間同步方案。但對于實際應用中可能出現的問題還需做進一步深入的研究。

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