電力系統(tǒng)中穩(wěn)定的時間同步系統(tǒng)研究

薛昊+蔣南

摘要： 針對電力系統(tǒng)中時間同步不穩(wěn)定的問題，本文在分析常規(guī)時間同步系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)電力系統(tǒng)的特點，提出一種衛(wèi)星授時與SDH同步的聯(lián)合時間同步系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先根據(jù)GPS授時精確測量經(jīng)過SDH網(wǎng)絡(luò)的主從時鐘的不同延時值，然后利用測量的延時值補償SDH網(wǎng)絡(luò)造成的時間延時，提出一種穩(wěn)定的時間同步系統(tǒng)。

Abstract： According to the stability time synchronization of power system， the paper presents a stable time synchronous scheme of power system， based on the analysis of the current time synchronization scheme. The system uses the time of GPS to measure the different value of delay between the master clock and the slave clock， and then compensates the delay based on the measured value.

關(guān)鍵詞： 時間同步；SDH；電力系統(tǒng)

Key words： time synchronous；SDH；power system

中圖分類號：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）10-0039-02

0 引言

電廠、變電站以及調(diào)度所是電網(wǎng)運行的基本元素。這些基本元素均由數(shù)量巨大的自動化設(shè)備以及電力設(shè)備組成，自動化設(shè)備在高速運行過程中，其狀態(tài)千變?nèi)f化，若這些設(shè)備之間是獨立運行沒有時間同步的話，各設(shè)備各行其是，則不能保證各個設(shè)備之間事件發(fā)生的先后關(guān)系以及重要信息的準(zhǔn)確性。在各級調(diào)度所的內(nèi)部調(diào)度中，時間精確同步對于故障分析、定位以及確定不同電力設(shè)備之間的故障順序具有十分重要的意義[1]。

因此電網(wǎng)中的時間同步已成為電網(wǎng)可靠運行的關(guān)鍵。目前電網(wǎng)系統(tǒng)中的時間同步系統(tǒng)還處在一種初級階段：電網(wǎng)各元素內(nèi)部已實現(xiàn)局部同步，各元素之間均依靠衛(wèi)星授時來實現(xiàn)同步，但衛(wèi)星授時生產(chǎn)廠家眾多，細(xì)小的差異，在長時間運行后，都會造成時間的巨大偏差，給電網(wǎng)可靠運行造成了極大的安全隱患。

隨著智能化電網(wǎng)的發(fā)展，電網(wǎng)各元素內(nèi)部的局部時間同步已無法滿足電網(wǎng)運行的需求，全網(wǎng)時間同步已經(jīng)成為電網(wǎng)發(fā)展的一大必然發(fā)展趨勢。全網(wǎng)時間同步是電網(wǎng)可靠運行的必備條件。

1 時間同步系統(tǒng)

常規(guī)時間同步技術(shù)主要有以下5種實現(xiàn)方案：

①衛(wèi)星時間同步方案，接收全球定位系統(tǒng)（GPS）[2]或北斗系統(tǒng)輸出的標(biāo)準(zhǔn)時間作為系統(tǒng)時間的方案；基于GPS的時間同步方式的優(yōu)點是成本較低，技術(shù)成熟，因此得到了廣泛的應(yīng)用，且其標(biāo)稱精度可以達(dá)到納秒級，但其缺點同樣明顯，其受環(huán)境天氣的影響，在天氣情況較差的情況下，會出現(xiàn)時間失鎖的情況，造成時間在一段時間內(nèi)無法同步，因此需要在本地設(shè)計一個時間保持設(shè)備，在一段時間內(nèi)保持時間同步功能，因此這種方式很難時刻保持較高的同步精度。

②有線時間同步方案，例如采用IRIGB格式時間碼[3]或利用串口傳輸時間信息等；有線時間同步方案如IRIGB協(xié)議等的優(yōu)點是時間同步可靠，穩(wěn)定，其時間同步精度高，且其成本較低，但其缺點是工作距離較短，長距離傳輸會造成時間同步精度的急劇下降。

③網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）或簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（SNTP）[4，5]，NTP或SNTP是利用以太網(wǎng)包進(jìn)行高精度時間同步的方案；由于NTP以及SNTP協(xié)議是基于交換網(wǎng)絡(luò)的時間同步方案，而交換網(wǎng)絡(luò)的延時存在相對大程度的不確定性，因此NTP以及SNTP協(xié)議的時間同步精度較差。

④精確時鐘對時（PTP）協(xié)議[6]，是通過在網(wǎng)絡(luò)的物理層協(xié)議中添加時間信息，以提高時間傳輸精度的方案；但PTP協(xié)議能實現(xiàn)高精度時間同步的前提需要系統(tǒng)硬件支持。

⑤基于SDH的時間同步方式[7]，以SDH作為傳輸介質(zhì)，采用雙向?qū)r協(xié)議進(jìn)行時間校準(zhǔn)，以實現(xiàn)時間的同步[8]。

2 電力系統(tǒng)中穩(wěn)定的時間同步系統(tǒng)

2.1 基于SDH的時間同步系統(tǒng) 基于SDH的時間同步系統(tǒng)。利用SDH網(wǎng)絡(luò)作為時間同步系統(tǒng)[7]的媒介，采用雙向?qū)r算法進(jìn)行時間校準(zhǔn)，可實現(xiàn)系統(tǒng)的高精度時間同步?；赟DH的時間同步系統(tǒng)如圖1所示。基于SDH的時間同步方式的缺點是需要占用一條SDH鏈路[9]。

基于SDH的時間同步系統(tǒng)的核心思想是利用雙向?qū)r協(xié)議通過補償時間傳輸過程中的時間延時，以實現(xiàn)時間的精確同步。雙向?qū)r協(xié)議實現(xiàn)框圖如圖2所示。

其中T為主設(shè)備傳輸時間的時刻，在經(jīng)過△t1時間延時后，從設(shè)備收到時間信息，同時將時間信息再回傳給主設(shè)備，主設(shè)備在經(jīng)過△t2延時后，收到從設(shè)備發(fā)送回來的時間信息，同時假設(shè)主從設(shè)備傳輸時間信息的路徑完全相同，即△t1=△t2 （1）

因此，△t=△t1+△t2=2△t1 （2）

通過準(zhǔn)確測量并補償?shù)粞訒r時間，基于SDH的時間同步系統(tǒng)可以準(zhǔn)確實現(xiàn)時間同步。

2.2 一種穩(wěn)定的時間同步系統(tǒng) 基于SDH的時間同步系統(tǒng)在主從設(shè)備雙向延時是相同的情況下時，工作良好，但當(dāng)設(shè)備處于一個環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。主從設(shè)備的傳輸路徑不在一致時，將會導(dǎo)致△t1與△t2不相等，依據(jù)雙向?qū)r協(xié)議最終補償后的時間與準(zhǔn)確時間存在一個固定的時間差，造成時間同步出現(xiàn)錯誤。

如圖3所示，主時鐘A經(jīng)過B、C向從時鐘D傳輸時間信息，從時鐘D經(jīng)過E、F、G向主時鐘A傳輸接收的時間信息，因為經(jīng)過不同的路徑，因此時間延時不同，造成雙向?qū)r協(xié)議補償時間計算錯誤，導(dǎo)致基于SDH的時間同步系統(tǒng)工作異常。

本文根據(jù)基于SDH的時間同步系統(tǒng)的工作特點，提出一種衛(wèi)星授時與SDH同步的聯(lián)合時間同步系統(tǒng)，該系統(tǒng)首先利用GPS時間同步系統(tǒng)計算主從時鐘傳輸延時，然后利用SDH網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)時間同步，并實時檢測傳輸延時變化。系統(tǒng)實現(xiàn)流程如下：

①同時利用GPS設(shè)備的時鐘向主從時鐘設(shè)備授時，主從時鐘設(shè)備在接收到精確時間后，同時向?qū)Ψ桨l(fā)送時間信息；

②主從設(shè)備收到對方傳輸時間后，與本地時間進(jìn)行比較，分別記錄下來主時鐘到從時鐘的時間差△t1以及從時鐘到主時鐘的時間差△t2；

③從時鐘利用從主時鐘接收的時間與時間差相減后，得到精確時間；

④主從時鐘設(shè)備分別利用本地高精度晶振計時，實現(xiàn)實時檢測網(wǎng)絡(luò)時延變化；

⑤若發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時延發(fā)生變化，則更新時間差△t1與△t2以實現(xiàn)時間的高精度同步。

該系統(tǒng)利用GPS的高精度首先補償因為SDH網(wǎng)絡(luò)不對稱造成的時延不同，然后利用SDH網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，向設(shè)備提供穩(wěn)定而可靠的高精度同步時鐘，在SDH網(wǎng)絡(luò)發(fā)生切換或故障等情況下，該系統(tǒng)仍可可靠工作，解決了利用GPS授時的不可靠性，是一種穩(wěn)定的時鐘同步系統(tǒng)。

3 結(jié)論

針對電力系統(tǒng)中時間同步不穩(wěn)定的問題，提出一種穩(wěn)定的時間同步系統(tǒng)。該系統(tǒng)將GPS系統(tǒng)與SDH網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，利用GPS的高精度測量SDH延時不對稱的問題，利用SDH網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，提出了一種穩(wěn)定的時間同步系統(tǒng)。該系統(tǒng)將GPS的高精度與SDH的穩(wěn)定性相結(jié)合，為電力系統(tǒng)提供了一種穩(wěn)定的時間同步系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]于躍海，張道農(nóng)，胡永輝等.電力系統(tǒng)時間同步方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2008，32（7）：82-86.

[2]朱文治，肖曉剛.GPS衛(wèi)星時鐘在電網(wǎng)自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，1997，21（3）：32-33.

[3]賀鵬，曾維魯.電廠數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的時間同步技術(shù)[J].華北電力大學(xué)學(xué)報，2000，27（3）：42-45.

[4]王曉冬，闞德濤，張志武.以太網(wǎng)時鐘同步技術(shù)[J].電子工程師，2008，34（9）：47-50.

[5]黃小耘.NTP在電力自動化設(shè)備時鐘同步中的應(yīng)用探討[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，29（15）：93-95.

[6]于鵬飛，喻強，鄧輝等.IEEE1588精確時間同步協(xié)議的應(yīng)用方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2009，33（13）：99-103.

[7]Serizawa Y， Kitamura K， Myoujn M K. SDH-based Time Synchronous System for Power System Communications [J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 1998， 13（1）： 59-65.

[8]陳寧，李洪濤，俞剛等.電力系統(tǒng)中基于SDH的時間同步系統(tǒng)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11（16）：3672-3678.

[9]陳寧.電力系統(tǒng)中基于SDH的時間同步系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京：南京理工大學(xué)，2011.

本文根據(jù)基于SDH的時間同步系統(tǒng)的工作特點，提出一種衛(wèi)星授時與SDH同步的聯(lián)合時間同步系統(tǒng)，該系統(tǒng)首先利用GPS時間同步系統(tǒng)計算主從時鐘傳輸延時，然后利用SDH網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)時間同步，并實時檢測傳輸延時變化。系統(tǒng)實現(xiàn)流程如下：

①同時利用GPS設(shè)備的時鐘向主從時鐘設(shè)備授時，主從時鐘設(shè)備在接收到精確時間后，同時向?qū)Ψ桨l(fā)送時間信息；

②主從設(shè)備收到對方傳輸時間后，與本地時間進(jìn)行比較，分別記錄下來主時鐘到從時鐘的時間差△t1以及從時鐘到主時鐘的時間差△t2；

③從時鐘利用從主時鐘接收的時間與時間差相減后，得到精確時間；

④主從時鐘設(shè)備分別利用本地高精度晶振計時，實現(xiàn)實時檢測網(wǎng)絡(luò)時延變化；

⑤若發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時延發(fā)生變化，則更新時間差△t1與△t2以實現(xiàn)時間的高精度同步。

該系統(tǒng)利用GPS的高精度首先補償因為SDH網(wǎng)絡(luò)不對稱造成的時延不同，然后利用SDH網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，向設(shè)備提供穩(wěn)定而可靠的高精度同步時鐘，在SDH網(wǎng)絡(luò)發(fā)生切換或故障等情況下，該系統(tǒng)仍可可靠工作，解決了利用GPS授時的不可靠性，是一種穩(wěn)定的時鐘同步系統(tǒng)。

3 結(jié)論

針對電力系統(tǒng)中時間同步不穩(wěn)定的問題，提出一種穩(wěn)定的時間同步系統(tǒng)。該系統(tǒng)將GPS系統(tǒng)與SDH網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，利用GPS的高精度測量SDH延時不對稱的問題，利用SDH網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，提出了一種穩(wěn)定的時間同步系統(tǒng)。該系統(tǒng)將GPS的高精度與SDH的穩(wěn)定性相結(jié)合，為電力系統(tǒng)提供了一種穩(wěn)定的時間同步系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]于躍海，張道農(nóng)，胡永輝等.電力系統(tǒng)時間同步方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2008，32（7）：82-86.

[2]朱文治，肖曉剛.GPS衛(wèi)星時鐘在電網(wǎng)自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，1997，21（3）：32-33.

[3]賀鵬，曾維魯.電廠數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的時間同步技術(shù)[J].華北電力大學(xué)學(xué)報，2000，27（3）：42-45.

[4]王曉冬，闞德濤，張志武.以太網(wǎng)時鐘同步技術(shù)[J].電子工程師，2008，34（9）：47-50.

[5]黃小耘.NTP在電力自動化設(shè)備時鐘同步中的應(yīng)用探討[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，29（15）：93-95.

[6]于鵬飛，喻強，鄧輝等.IEEE1588精確時間同步協(xié)議的應(yīng)用方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2009，33（13）：99-103.

[7]Serizawa Y， Kitamura K， Myoujn M K. SDH-based Time Synchronous System for Power System Communications [J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 1998， 13（1）： 59-65.

[8]陳寧，李洪濤，俞剛等.電力系統(tǒng)中基于SDH的時間同步系統(tǒng)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11（16）：3672-3678.

[9]陳寧.電力系統(tǒng)中基于SDH的時間同步系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京：南京理工大學(xué)，2011.

本文根據(jù)基于SDH的時間同步系統(tǒng)的工作特點，提出一種衛(wèi)星授時與SDH同步的聯(lián)合時間同步系統(tǒng)，該系統(tǒng)首先利用GPS時間同步系統(tǒng)計算主從時鐘傳輸延時，然后利用SDH網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)時間同步，并實時檢測傳輸延時變化。系統(tǒng)實現(xiàn)流程如下：

①同時利用GPS設(shè)備的時鐘向主從時鐘設(shè)備授時，主從時鐘設(shè)備在接收到精確時間后，同時向?qū)Ψ桨l(fā)送時間信息；

②主從設(shè)備收到對方傳輸時間后，與本地時間進(jìn)行比較，分別記錄下來主時鐘到從時鐘的時間差△t1以及從時鐘到主時鐘的時間差△t2；

③從時鐘利用從主時鐘接收的時間與時間差相減后，得到精確時間；

④主從時鐘設(shè)備分別利用本地高精度晶振計時，實現(xiàn)實時檢測網(wǎng)絡(luò)時延變化；

⑤若發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時延發(fā)生變化，則更新時間差△t1與△t2以實現(xiàn)時間的高精度同步。

該系統(tǒng)利用GPS的高精度首先補償因為SDH網(wǎng)絡(luò)不對稱造成的時延不同，然后利用SDH網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，向設(shè)備提供穩(wěn)定而可靠的高精度同步時鐘，在SDH網(wǎng)絡(luò)發(fā)生切換或故障等情況下，該系統(tǒng)仍可可靠工作，解決了利用GPS授時的不可靠性，是一種穩(wěn)定的時鐘同步系統(tǒng)。

3 結(jié)論

針對電力系統(tǒng)中時間同步不穩(wěn)定的問題，提出一種穩(wěn)定的時間同步系統(tǒng)。該系統(tǒng)將GPS系統(tǒng)與SDH網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，利用GPS的高精度測量SDH延時不對稱的問題，利用SDH網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，提出了一種穩(wěn)定的時間同步系統(tǒng)。該系統(tǒng)將GPS的高精度與SDH的穩(wěn)定性相結(jié)合，為電力系統(tǒng)提供了一種穩(wěn)定的時間同步系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]于躍海，張道農(nóng)，胡永輝等.電力系統(tǒng)時間同步方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2008，32（7）：82-86.

[2]朱文治，肖曉剛.GPS衛(wèi)星時鐘在電網(wǎng)自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，1997，21（3）：32-33.

[3]賀鵬，曾維魯.電廠數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的時間同步技術(shù)[J].華北電力大學(xué)學(xué)報，2000，27（3）：42-45.

[4]王曉冬，闞德濤，張志武.以太網(wǎng)時鐘同步技術(shù)[J].電子工程師，2008，34（9）：47-50.

[5]黃小耘.NTP在電力自動化設(shè)備時鐘同步中的應(yīng)用探討[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，29（15）：93-95.

[6]于鵬飛，喻強，鄧輝等.IEEE1588精確時間同步協(xié)議的應(yīng)用方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2009，33（13）：99-103.

[7]Serizawa Y， Kitamura K， Myoujn M K. SDH-based Time Synchronous System for Power System Communications [J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 1998， 13（1）： 59-65.

[8]陳寧，李洪濤，俞剛等.電力系統(tǒng)中基于SDH的時間同步系統(tǒng)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11（16）：3672-3678.

[9]陳寧.電力系統(tǒng)中基于SDH的時間同步系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京：南京理工大學(xué)，2011.