智能電網同步時鐘技術

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(1.山東電力集團分司濟寧供電公司，山東 濟寧 272000；2.智能電網運行與控制湖南省重點實驗室(長沙理工大學)，湖南 長沙 410004)

智能電網同步時鐘技術

王毅1，鄒亮2，張峰1，李靖強1

(1.山東電力集團分司濟寧供電公司，山東 濟寧 272000；2.智能電網運行與控制湖南省重點實驗室(長沙理工大學)，湖南 長沙 410004)

隨著智能電網的發展，對時間同步提出了更高的要求。IEEE1588時鐘同步協議能夠滿足智能電網對時間同步的苛刻要求，具有極大的發展潛力。簡要概述了目前智能電網時鐘同步存在的問題，提出了高精度衛星同步時鐘和基于IEEE 1588協議的智能電網時間統一技術的技術方案。

同步時鐘；智能電網 ；IEEE1588

1 引言

隨著超臨界、超超臨界機組相繼并網運行，大區域電網互聯，電網安全穩定運行對電力自動化設備提出了新的要求，特別是對時間同步，要求繼電保護裝置、自動化裝置、安全穩定控制系統、能量管理系統(EMS)和生產信息管理系統等基于統一的時間基準運行，以滿足事件順序記錄(SOE)、故障錄波、實時數據采集時間一致性要求，確保線路故障定位、相量和功角動態監測、機組和電網參數校驗的準確性，以及電網事故分析和穩定控制水平，以提高運行效率及其可靠性。

未來數字電力技術的推廣應用，對時間同步的要求會更高[1,2]。

為智能電網的時間同步存在一系列難題，國家電網公司于2009年在智能電網關鍵技術研究框架(初稿)中明確提出要研發適合智能電網應用特點的時間統一系統[3]。IEEE1588(IEC61588)是一種新的、先進的時鐘同步協議，是智能電網首選的時鐘同步系統方案。本文首先對目前電力系統時鐘同步存在的問題作了簡要的概述，然后提出了高精度衛星同步時鐘和基于IEEE 1588協議的智能電網時間統一系統的方案。對智能電網時間統一系統的建設提供了參考，具有一定的工程實用性。

2 目前智能電網時鐘同步存在的主要問題

2.1衛星時鐘的安全性

在廣域時間同步系統中，關心的是相對時間同步。但是若能保證各節點的同步時鐘達到絕對時間同步，那么相對時間同步也自然滿足了。因此，要建立統一的廣域同步時間系統，就必須按照一個公共時間基準。當前國外的衛星授時系統中，GPS 系統具有時間精度高，價格低廉等優點，將其作為同步時鐘的公共時間基準具有突出的優越性[4]。但是，民用GPS時鐘的可靠性并沒有得到保障，美國并不保證民用GPS的精度和可靠性。因此，在實際應用中，GPS接收機產生的時鐘信號的精度和安全性難以得到保證，在正常工作條件下，最大偏差可能達1.6μs，而且在衛星失步的情況下，偏差甚至達到上百毫秒[5]，美國甚至可以隨時關閉GPS時鐘。北斗系統投入使用前，電力行業的授時系統由于沒有得到自主的衛星導航系統的支撐，被迫形成了對美國GPS、俄羅斯GLONASS衛星導航系統的完全依賴，導致其存在巨大的安全隱患，嚴重影響電力系統的安全穩定運行。

2.2同步時鐘誤差修正精度

GPS時鐘目前已是世界上應用范圍最廣、精度最高的時間發布系統之一，GPS接收機接收到的GPS時鐘與國際標準時間UCT保持高度同步。但是，民用GPS 接收機接收到的GPS 時鐘因衛星鐘差、星歷誤差、電離層誤差、多徑誤差、對流層誤差、接收機誤差、跟蹤衛星過少誤差等因素的影響，精度和穩定性難以得到保證。例如Motorola UTONCORE 型接收機，統計精度為50 ns (1R)，表示GPS 時鐘誤差落在1R 范圍(50 ns) 內的概率為0.6828，落在2R范圍(100 ns) 內的概率為0.9546；落在3R范圍(150ns) 內的概率為0.9974[6-8]。根據文獻[9]對2個型號相同的GPS接收機產生的秒時鐘進行的比較測試，GPS時鐘在正常工作條件下最大偏差可能達1.6，在衛星失步的情況下偏差甚至達到了上百個ms。

國內外已把GLONASS 接收機和GPS 接收機結合起來使用，目的就是為了得到高精度和高可靠的時鐘信號。但是GPS/GLONASS 的組合導航儀一樣得不到美國和俄羅斯在精度和可靠性上的保證，并且這種時鐘的造價非常高。但與GLONASS 時鐘和GPS時鐘相比，其他時鐘(如晶振時鐘、原子鐘等) 穩定性較高，單個的時間間隔的漂移非常小，不過運行時間過長累計誤差會較大[10,11]。國內外已采用GPS時鐘同步守時鐘(晶振時鐘、原子鐘)方法產生高精度和高穩定性的時鐘，正常運行時由GPS時鐘校正守時鐘，在GPS不穩定時，由守時鐘代替GPS時鐘。但是現有的同步方法還未形成嚴密的數學模型和實現技術，只能消除因GPS衛星短時失鎖產生的較大偏差，很難消除GPS接機時鐘信號的隨機偏差。若要產生高精度和高可靠的時鐘，則需要采用比GPS 時鐘精度更高的原子鐘對GPS 時鐘同步比較監測，但該技術造價高，同時，也很難在工業現場推廣實現。

3 高精度衛星同步時鐘的產生方案

高精度時鐘(修正后的秒時鐘)由計數器與比較器構成的分頻電路產生，如圖1所示，由CPU設置比較值修正晶振秒時鐘的累計誤差，由鑒相器測量GPS秒時鐘誤差。每秒設置一次比較值，由前n次測量的GPS秒時鐘誤差和前n次比較值的歷史數據作為計算本次要設置的比較值。

圖1 GPS時鐘的在線監測與修正原理圖

(1)消除電磁干擾信號的影響

如圖1所示，在GPS秒時鐘送入鑒相器進行相位比較前，需要作抗干擾檢測，以削弱和消除GPS干擾信號的影響。根據GPS秒脈沖總是在位于2s交界處出現的特點，采取CPU控制與門來屏蔽干擾信號：在CPU內部設計一軟件時鐘，進行秒以下刻度的計時；軟件時鐘由輸入的修正后的秒時鐘信號進行復位，當軟件時鐘數值在[0.2～999.8ms]之間時，抗干擾控制信號是低電平，屏蔽在此期間出現的GPS秒脈沖信號；否則抗干擾控制信號變為高電平，允許GPS秒脈沖信號進入鑒相器作相位比較。這樣可以消除秒脈沖前后0.2ms以外出現的干擾信號影響。

(2)GPS接受機工作狀態的評估

GPS接受機的不正常工作狀態分為兩種，一種是由于跟蹤衛星顆數過少，導致隨機誤差增大，另一種是由于干擾，GPS故障產生跳躍性的誤差。

(1)

其中，σs為GPS接受機說明書中對應1σ的標稱誤差，k1為可靠系數，通常取1.5～5。上式成立時，認為GPS接受機工作在不正常狀態。

Nb>0.0026k2n

(2)

當上式成立時，認為GPS接受機工作不正常，其中k2為可靠系數，通常取2～10。

(3)GPS接受機正常運行條件下高精度時鐘的產生

(3)

從而可以在線調整CPU本次設置的比較值Sn+1，輸出修正后的秒時鐘，產生高精度秒時鐘。

(4)GPS接受機不正常運行條件下的高精度時鐘的產生

由于晶振時鐘單位時間的誤差較穩定，誤差漂移小。在GPS接受機不正常運行條件下，晶振秒時鐘誤差的補償值恒定取GPS接受機不正常運行以前的n次補償值的平均值：

(4)

假設晶振的精度為1ns，晶振秒時鐘誤差漂移小于0.05ns，則在GPS接受機中斷運行1小時后，輸出的修正后的秒時鐘誤差小于180ns；考慮到極端情況，在GPS接受機中斷運行1天后，輸出的修正后秒時鐘誤差小于4320ns。一般GPS接受機中斷運行1小時，補償后輸出的時鐘能夠滿足一般控制領域的要求。

3 基于IEEE 1588協議的智能電網時間統一技術

在2002年年底頒布的IEEE1588是一個集成了網絡通信和在線修正計算的精密時鐘授時協議，其通過多播報文周期性的向網絡中各個節點授時，因此，尤其適合在以太網上使用，其精度能夠達到亞微秒級。2008年，IEEE重新修訂了這個標準，IEEE1588(PTP)得到了更進一步完善，使其更能滿足智能電網授時精度的要求。

3.1 IEEE 1588網絡時鐘的同步過程

IEEE 1588時鐘同步過程是通過兩個步驟來實現：時鐘偏移量測量和線路延遲量測量。

第一進行時鐘偏移量測量，主時鐘在Ta1時刻向網絡發送一個Sync時鐘同步報文，同時在物理層精確記錄好發送時間Ta1，如圖2所示，在Tb1時刻從時鐘收到Sync時鐘同步報文，并且精確記錄下來接收時間Tb1。接著主時鐘通過Follow_up時鐘跟隨報文發送之前記錄的精確時間信息Ta1，這樣就完成了時鐘偏移量測量。

然后進行線路延時量測量，從時鐘在接收到Follow_up 報文后在Tb2時刻發送一個Delay_Req 延時請求信息包并記錄精確發送時間Tb2，主時鐘收到Delay_Req 報文后，記錄精確接收時間Ta2，同時把精確時間Ta2標記在延時響應信息包Delay_Resp 中并發送給從時鐘，從時鐘接收到Delay_Resp 后，則可根據IEEE1588協議算法計算出時鐘偏移時差和線路延時誤差為：

(5)

(6)

其中:Toff-delay為時鐘偏移量，Tdelay為線路延時量。在理想條件下，傳輸延時線路是對稱的，并且Toff-delay、Tdelay值是一個定值。

圖2 PTP時鐘的同步過程

3.2智能電網時間統一技術

智能電網實現了在變電站內部通過光纖以太網交互數據，IEEE1588(PTP)作為一種網絡對時技術，其功能或設備都布置在變電站光纖以太網內，不再單獨組網。依托光纖以太網等通信網絡實現智能電網時鐘同步系統的構建，為其提供高精度、高可靠性的同步時間。智能電網時間統一系統基本模型如圖3。選擇北斗時鐘和GPS 時鐘的組合授時作為智能變電站站內的時鐘源， 即變電站中的根時鐘節點，提供精確、穩定的時間標準?；谠撃Ｐ蛯崿F智能電網同步網絡的資源優化配置和同步鏈路的合理組織，確保智能電網的時間同步。

圖3 智能電網時間統一系統模型

4 結語

精確時鐘同步技術對智能電網的建設具有十分重要的意義。本文提出了高精度衛星同步時鐘和基于IEEE 1588協議的智能電網時間統一技術的技術方案，該方案具有一定的工程實用性。

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ApplicationofSynchronousClockTechniqueinSmartGrid

WANGYi1,ZOULiang2,ZHANGFeng1,LIJing-qiang1

(1.Jining Power Supply Corporation,Shandong Electricity Group Corporation,Jining 272100，China;2.Hunan Province Key Laboratory of Smart Grids Operation and Control (Changsha University of Science and Technology),Changsha 410004,China)

With the development of smart grid,higher requirements on synchronous clock are put forward.The time synchronization requirements in smart grid can be satisfied by IEEE1588 clock synchronization protocol.A brief overview of the existing problems on synchronous clock in smart grid is provided in this paper,the technology scheme of high precision satellite synchronous clock and time unification technology in smart grid based on IEEE 1588 protocol is proposed.

synchronous clock;smart grid;IEEE 1588

1004-289X(2013)05-0020-04

國家自然科學基金項目(61233008)、(51207013)；

湖南省科技重大專項(2012FJ1003)資助；

湖南省高校產業化培育項目(12CY007)資助。

TM71

B

2013-07-04