電力系統時鐘同步技術分析

（國網四川雅安電力（集團）股份有限公司，四川 雅安 625000）

在電力系統中，它是時間相關的系統、在基于時間軸的波形中，通過電壓、電流、相角、功角的變化，來對電網穩定運行提供了有利的保障，在時間同步中的有要求是：繼電保護裝置、自動化裝置、安全穩定控制系統、能量管理系統和生產信息管理系統要基于統一的時間基準運行。這樣來滿足同步采樣、系統的穩定性判別、線路故障及逆行那個具體的定位、故障錄波、故障進行分析以及故障反演時間一致性的要求。這些能夠提高電網系統運行的效率。

1 電力系統時間同步及其原理

在當前，電力系統的時間同步中主要的通過確定變電站內GPS和北斗衛星授時系統統一狀態，以及對于一些比較陳舊的變電站要進行時間同步的配置。時間同步就是一種最基本的技術應用，在電力系統的運用中，時間同步也在不斷的更新，不斷的提高技術以及工藝。但是在GPS和北斗衛星授時系統中由于設備的品牌不同這就使得站內、站與站之間的時間不能夠統一。在運行的過程中時間接受系統之間不能夠相互通用，這就會造成內部之間的運行不能夠不能確定準確的備份，不能夠保障整個系統運行的可靠性。因此在電力系統的設備更新的狀態中要逐漸的擴展到發電廠、變電站控制中心、調度中心等相關的電力系統，加強對時間同步的技術，并且在該系統中要基于不同的授時源要建立時間同步，而且之間要互為熱備用。更廣泛的應用電力系統的時間同步技術。

現代的時鐘同步的原理就是在電力系統中安裝了各種自動化的設備主要有監控裝置、PMU、故障錄波器、微機保護裝置、分時電能表等。這些自動化設備的內部都有實時時鐘，但是這些電子鐘也有可能出現的誤差是：初始值設備的不夠準確；石英晶體振蕩頻率誤差及其頻率振蕩的溫度漂移和老化漂移；電路中電容量的變化等。因此要對這些電子鐘進行校準，其中的原理就與我們日常生活中的對手表一樣，隔一定實踐要對時間基準信號進行設置一次。在當前主要的是利用GPS和北斗衛星授時系統取得時間基準信號，并且能夠換成各種自動化設備需要的實踐信號輸出。這就實現了各個自動化設備的時間的統一。將這種時鐘同步的技術運用到電力系統中去。

2 電力系統對于實踐同步的需求

在電力自動化設備對于時間同步的精度有不同的要求，但是根據一般的電力系統來說，其中授時精度可以大致的分為4種，具體的表現如下文所述。

2.1 在電力系統時間同步的系統中，實踐同步準確度不大于1μs

這其中包括線路行波故障測距裝置、同步相量裝置、雷電定位系統的裝置、電子式互感器的合并單元等相關的裝置。

2.2 時間同步準確度不大于1ms

這其中包括故障錄波器、SOE裝置、電氣測控單元、PMU、功角測量系統、保護測控一體化裝置、事件順序記錄裝置等一系列的裝置。

2.3 時間同步準確不大于10ms

這其中包括微機保護裝置、安全自動化裝置、饋線終端裝置、變壓器終端裝置、配電網自動化系統等

2.4 時間同步準確不大于1s

這其中包括的有：電能量采集裝置、負荷，用電監控終端裝置、電氣設備在線狀態檢測終端裝置或者是自動化記錄、控制、調度中心數字顯示時鐘、火電廠以及水電廠、變電站計算機監控系統、監控與采集數據、EMS、電能量計費系統、繼電保護以及保障信息管理系統主站、電力市場技術支持聯系系統等一些主站、還有就是負荷監控，用電管理系統主站、配電網自動化、管理系統的主站、調度管理信息系統、企業管理信息系統等相關的管理系統。

3 電力系統內時間同步技術

時鐘同步技術能夠使電力系統重數量比較多、分布廣泛的智能電子設備獲得統一的時間基準，因此這種技術對于電網的實時監控、并網管理和安全保護具有很重要的意義。其中比較常見的電力系統時間同步技術有：

3.1 脈沖對時

這種脈沖對時也叫做硬對時，其基本的工作原理就是利用脈沖的準時沿即上升沿或者是下降沿來進行校準被授時設備。根據脈沖對時的優點可以了解到授時精度比較的高、在使用的過程中被動點的適應性比較強，但是它存在的缺點是僅僅能夠校準到秒，剩下其他的數據都需要人工預置進行。其中比較常用的脈沖對時的信號有1PPS、1PPH等信號。

3.2 串口報文對時

這種對時也稱為軟對時。它是通過利用一組時間數據并且按照一定的格式進行的，在串行通信的接口發送給被授時裝置。被授時裝置就會利用這組數據預設的內部時鐘。串口報文對時的優點是：數據比較的全面、不需要任何人工的預置，但是其中也存在著缺點：授時精度比較低，報文的格式需要授時和被授時裝置雙方進行約定。其中常用的串行通信接口有RS-232。RS-422或者是RS-485等接口通信。

3.3 時間編碼方式對時

這種時鐘同步技術主要是為了解決兩種對時方式的矛盾，通常在常用的過程中采用比較多的兩種對時方式結合的方法。也就是脈沖和串口相結合的兩種方式。但是在輸送的過程中需要同時輸送兩種信號，這就造成了信號的矛盾，因此為了解決這種矛盾，目前采用的是國際上通用的時間格式碼，它的原理是將脈沖對時的準時沿和串口報文對時的數據結合在一起。這樣就能夠組成一個脈沖串。最終來輸送時間信息。因此被授時設備就能夠通過這個脈沖串中解析春準時沿和一組時間數據。這種碼被稱為IRIG-B碼，通過研究表明：時間編制碼方式對時的優點是數據比較的全面，其中對時的精度比較的高，在這其中不需要設置人和的人工預置，但是它在運行的過程中其中的結構比較復雜，很有可能帶來一些困擾。

3.4 網絡方式對時

網絡方式的對時主要的是基于時間協議NTP，精確時間協議PTP。其中當前比較簡單的網絡時間協議SNTP應用的比較多。在網絡時鐘傳輸時：傳輸的是以1990年1月1日0時0分0秒算起時間戳的用戶數據協議報文。這里運用的是64位進行表示，其中前32位為秒后32為秒等分數。在網絡中保溫的往返時間是可以估算的。最常用的是采用補償算法來達到最終精確對時的目的。其中PTP所具備的的雙重優點，在電力系統中能夠滿足對時間精度的要求，PTP系統是支持PTP時鐘同步協議的網絡，一個PTP系統通常包括PTP時鐘同步設備和各種普通設備、終端等。其中PTP協議將報文劃分為兩種PTP事件消息和PTP普通消息。網絡授時方式可以接入網絡的任何系統提供對時。

4 影響時鐘同步精度的因素

影響時鐘同步精度的因素有兩個：時間戳數據精度、路徑延遲對稱情況。

5 電力系統中GPS和北斗衛星授時系統時鐘同步技術的作用

在電力系統中時鐘同步技術的作用是能夠相位測量，在電力系統中的電壓和電流波形基本上是通過正弦波、頻率、幅值和相角弦波的三個要素，這在電力系統中，頻率是相同的，幅值比較容易測量。其中相角測量是一個難題；對于故障測距。在電力系統中，輸電線路會經常發生各種故障，但是由于線路比較長，并且地形比較復雜，但是GPS和北斗衛星授時系統應用輸電線路發生故障時，故點將產生線路兩端以光速進行的行波，如果能在同一時間基準下記錄兩端首次接受到的行波時刻，就很容易確定出故障點的位置，這就是行波測距的原理；雷電監測系統。在雷電閃產生電磁波往空間各個方向傳播時，各個基站測=接收到電磁波的時間和電磁波的幅值，同時能夠傳送到中心站，這樣就可以測量出雷閃位置以及雷電流的大小；繼電保護。GPS和北斗衛星授時系統的繼電保護有：線路差勁保護和保護聯合調試。

通過GPS和北斗衛星授時系統衛星同步時鐘技術在電力系統中的使用，能夠有效的減少檢修和運行人員的工作量，能夠使變電站內部的運行設備得到統一、標準的時間基準，這樣就方便了設備運行，提高了電力系統中自動化的水平。

結語

通過同步技術在電力系統中的應用，在滿足同步精度的要求中，采用了組合方式進行授時，其中借用GPS和北斗衛星授時系統技術與PTP技術，在一套運行管理系統中存在著多種方式中正常的運行，能夠充分的應用授時時鐘，這樣就提供了有效的信息。將一種相對于比較成熟的頻率同步技術得到了廣泛的應用，能夠不斷的研發出新的時間同步的技術，這就為以后頻率同步與實踐同步技術的統一奠定了良好的基礎，因此，要不斷的進行研究，將這種時鐘同步技術應用到變電站、發電廠、調控中心、水電站等一些電力系統中，將這種技術不斷的引進、應用，為提高我國的電力系統的技術進步做出更大的貢獻。

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[2]王鵬程，梁志廣.基于FPGA的IEEE1588協議的實現及其在電力系統中廣泛測量中的應用[J].電力技術研究，2010（24）.

[3]基于FPGA的電力系統時鐘同步技術實現[J].電力科學與工程，2009（12）.