智能變電站的時鐘同步準確性及穩定性研究*

沈　鑫，曹　敏，王　昕，劉清蟬

(云南電力試驗研究院(集團)有限公司電力研究院，昆明650217)

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智能變電站的時鐘同步準確性及穩定性研究*

沈鑫*，曹敏，王昕，劉清蟬

(云南電力試驗研究院(集團)有限公司電力研究院，昆明650217)

摘要:針對智能變電站時鐘同步存在的時鐘切換、時間跳變、長期穩定性等問題開展了相應的研究工作;設計了GPS源和北斗源的無縫切換策略，提出了守時源時鐘參與切換、跟蹤衛星時間的邏輯判斷的方法，以保證對時系統時間的連續性和穩定性;采用該對時方案，可以優化對時異常故障樹和對時異常導致保護誤動故障樹的結構，降低系統因同步誤動的概率，系統的可靠性和精確性提高明顯。實際應用結果表明:所設計的方案合理可行，能有效提高同步對時系統的穩定性和可靠性。

關鍵詞:智能變電站;時鐘同步; GPS源;北斗源

項目來源:國家863計劃項目(2011AA05A120)

智能電網已成為當前世界關注的熱點，是電網未來發展的方向。建設智能電網已成為世界各國電網發展的目標。智能電網涉及電力系統的各個方面，近年來以實現變電站全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化的基礎上，采用先進、可靠、集成、低碳、環保的智能電子設備，自動完成站內信息的采集、測量、控制、保護、計量等基本功能，并可以根據需要支持電網實時自動控制、智能調節、在線分析決策、協同互動等高級應用功能的數字化和智能變電站已從試點研究向規模化運用發展。截止2014年4月，國家已經建立并投運了近7 000個數字化變電站，根據國內電網的數字化變電站建設發展規劃，3～5年之后，我國新設計的變電站項目中將有50%以上采用數字化技術。

隨著光纖通訊技術、智能化技術的發展，智能變電站已經從數字化變電站科技項目向工程轉化，國家電網和南方電網已經把智能變電站納入到十二五規劃的重點方向，智能變電站必然成為變電站發展的方向。但隨著智能變電站的投運，也將帶來一系列的新問題，其中對時鐘同步提出了新的要求，特別是網絡采樣的智能變電站尤為重要。

目前同步方案主要采用秒脈沖(PPS)、網絡對時(SNTP)、IEEE 1588和IRIG－B碼方式［1－2］，此外也提出了一種基于彈性分組環(RPR)雙環的智能變電站秒脈沖同步方案［3］。時鐘同步對智能變電站極其重要，影響主變差動保護的正確動作［4－5］、線路光纖差動保護［6］、監控系統和事件順序(SOE)分辨率等［7］。

以網絡采樣的智能變電站為基礎，根據現場實際運行中由對時系統引起的時鐘同步問題，提出全面的解決方案的措施。給出智能變電站對時系統時鐘源的選擇;針對時間跳變等問題，設計了一種可靠的時間同步系統方案;提出了智能變電站時鐘對時系統同步原則不是對時系統與衛星時間的同步，而是對時系統滿足站內數據的同步及穩定性。同時介紹工程實施保障手段及相應的保護閉鎖原則，使得網絡采樣的智能變電站可靠性更高，最后對所提出的同步對時系統進行可靠性研究和分析。

1　存在的同步問題

1.1網絡結構

網絡采樣智能變電站結構如圖1所示。物理結構上，智能變電站由3個層次構成:過程層、間隔層、站控層。每層均由相應的設備及網絡設備構成［8］。GOOSE和SV合并組成獨立的A、B雙網，且GOOSE 和SV采用共口方式傳輸。間隔層主變保護采用雙配置，過程層合并單元、智能終端均雙配置，分別掛在雙單網上;單重化設備跨雙網，其中合并器數據按DL/T860.92方式傳輸［8－9］。

圖1　網絡采樣的智能變電站網絡結構示意圖

1.2網絡采樣的同步方式

圖1組網模式下，采樣值從合并單元以9－2方式輸出，采樣率為4 000 Hz，其同步方式采用9－2報文中的SmpCnt(采樣值計數)位來實現。當整秒同步脈沖到達時，SmpCnt位清0，每發一個幀采樣值，SmpCnt就加1，直到3 999，然后又從0開始計數。網絡上的IED設備，只有收到SmpCnt相同的報文時，表示同一時刻的數據，如圖2所示，以主變三側差動為例。

圖2　網絡采樣的主變差動保護采樣同步方式

差動保護讀取采樣值報文中的SmpCnt位，當三側的SmpCnt位相同時，表示這3個點為同時刻的數據，可以參與保護的重采樣處理。差動保護在接收到某一側的報文后，會等待其他側SmpCnt相同的報文。

1.3運行中同步對時系統存在的問題

目前由于廠家對時系統制造工藝、硬件元件的選擇、軟件程序及邏輯的設計，導致存在很多問題，主要包括GPS源和北斗源無法正常切換;對時系統時間跳變;對時精度差;某一時鐘擴展板的輸出時間與其他擴展板的輸出時間存在較大差別、長期穩定性等問題。

合并單元廠家對采樣值的處理方法是絕度依賴對時系統，也就是當對時系統時間跳變時，合并單元采樣SmpCnt位也跳變。

差動保護對網絡采樣的適應性有待提高，當某一側的時間與其他側不一致，使SmpCnt位不一致時，產生角差，從而導致保護誤動。

2　時鐘同步解決方案

在智能變電站中，時鐘的同步的重點不在是對時系統和衛星時間之間的同步，而是滿足智能變電站正常運行情況下，各設備之間、各間隔采樣值之間的同步及穩定。下面提出一種可靠的時間同步系統方案以及合并單元、保護在同步問題上的處理措施。

2.1總體方案設計

系統采用雙主時鐘冗余備份，雙主時鐘由主時鐘A和主時鐘B組成;擴展時鐘由從時鐘1至從時鐘n組成，所有擴展時鐘統一選擇主時鐘A為默認時間源，當主時鐘A失效后再統一切換到備用主時鐘B，保證全站所有的時間同步信號使用同一個時間源;北斗時間源作為主時鐘A，GPS時間源作為主時鐘B;同時可根據實際需要調整GPS時間源、北斗時間源、B碼時間源的優先級; B碼時間源為主時鐘和備用時鐘聯系的時間信號，通過圖3中所示的①和②傳輸。系統采用的優先級設置為:北斗時間源＞B碼時間源＞GPS時間源，這樣可以避免當兩臺主時鐘A和主時鐘B因為特殊原因存在較大偏差時引起裝置不同步的問題。即所有的擴展時鐘在同一時間只與一臺主時鐘同步，保證被授時設備接收時間信息的統一性。

所有的擴展時鐘(從時鐘1至從時鐘n)內部都安裝銣原子鐘。當確認外部時間源正確且穩定后，控制內部銣原子鐘，使內部銣原子鐘與外部時間源同步，從而達到輸出的時間同步信號與外部時間源同步的目的。如果外部時間源丟失或不穩定，所有的擴展時鐘能夠以內部銣原子鐘進行高精度守時，保證輸出穩定。在時間源切換時，如果兩個時間源主時鐘A和主時鐘B之間存在較大偏差，裝置以一定步長，該步長最大值可設置，優選步長400 ns，調整內部銣原子鐘與外部時間源同步，保證輸出時間同步信號跳變不會超過這個步長。

圖3　智能變電站時間同步系統框圖

時鐘裝置具有延遲補償功能算法，主時鐘可以補償天線的延遲，擴展時鐘可以補償與主時鐘之間的傳輸延遲，保證擴展時鐘與主時鐘的同步。

2.2運行方式

設計采用北斗時間源作為主用主時鐘A，GPS時間源作為備用主時鐘B，優先級設置為北斗時間源＞B碼時間源＞GPS時間源，兩主時鐘互連B碼作為互備源，即①和②為鏈路。針對現場不同情況，采用不同對時鏈路和策略，具體步驟如下:

(1)無異常時

在無異常情況下，所有擴展時鐘都以主時鐘A輸出的時間為時間源，即圖中的③和⑤。

(2)北斗丟星或北斗出現異常

北斗異常時，主時鐘A會將時間源切換為主時鐘B，即以②為時間源，系統的其他時間與無異常時的情況一樣。所有擴展時鐘的輸入時間源都切換到主時鐘B，即圖中的④和⑥，同時系統以一定步長保證源切換時間不跳變。

(3) GPS丟星或GPS出現異常

GPS異常時，主時鐘B會以①為時間源，將系統的時間源切換為主時鐘A。系統的其他時間與無異常時的情況一樣。

(4) GPS和北斗都丟星或出現異常

此時主時鐘A和主時鐘B都進入自守時狀態，以銣原子鐘保證輸出信號的精度。但主時鐘A和主時鐘B在系統中的作用并不改變，所有的擴展時鐘仍然以之前的主時鐘A為時間源，保證所有擴展時鐘與一臺處于自守時狀態的主用主時鐘同步，即圖中的③和⑤。

(5)主時鐘與擴展時鐘之間的通路出現故障

(a)只有一條通路出現故障

以從時鐘1為例子，如通路③或④中的一條通路故障，如果出現故障的是擴展時鐘與備用主時鐘B的通路，則擴展時鐘繼續與主用主時鐘同步并輸出(即通路③)。

如果出現故障的是與主時鐘A之間的通路，則擴展時鐘將輸入時間源切換到備用主時鐘B(即通路④)，此時備用主時鐘B仍然是與主時鐘A保持同步，即該擴展裝置根本不會出現時間信號的跳變。

(b)兩條通路出現故障

如通路③和④都出現故障，此時擴展時鐘告警并進入自守時狀態，在較長時間內擴展時鐘內部的恒溫晶振仍然能保證輸出的時間信號具有很高準確度。

2.3時鐘源跟蹤GPS衛星信號的方式

目前，國內外主流的時鐘源在跟蹤GPS衛星信號的方式是采用直接跳變的方式，即當收到的衛星數達到計算時間所需的衛星數后，時鐘源的輸出的時間立即跳變為GPS衛星時間。采用這種方式容易導致時間的跳變，特別是在擾動情況下。

針對網絡采樣的智能變電站，設計為保證主時鐘A和主時鐘B時間的精確性，提出一種逐步逼近的方式跟蹤北斗衛星和GPS衛星時間，步驟框圖如圖4所示。在對時系統時鐘穩定后采用，防止擾動情況下的時間跳變。在調試和對時裝置重啟時，為了避免長時間無法跟蹤到新時間，可以采取直接跳變的方式。圖中T1為衛星時間，T2為時鐘源守時時間;圖中Δε為門檻值，其取值原則應該以不影響智能變電站采樣值的正常運行，同時也不易取的過小，過小容易導致北斗衛星和GPS衛星信號閉鎖，建議取1 μs～10 μs之間，優選5 μs。ΔT為步長，應比Δε小，建議取0.5 μs～1.0 μs之間，優選0.5 μs。

圖4　逐步逼近衛星時間的示意圖

2.4GPS源和北斗源的切換

主時鐘A和主時鐘B在切換過程中可能存在無法切換、跳變等現象，無法切換屬于工程建設過程中調試不到位所導致的問題，是可以避免的。但跳變是因為GPS與北斗時間在切換過程中不判斷守時時鐘源時間，采用絕對衛星時間引起的。為解決切換過程中問題，確保對時系統時間的穩定性及延續性，采用以下無縫切換策略，如圖5所示。

圖5　雙時鐘源切換流程示意圖

當北斗衛星信號不滿足時間提取的計算要求時，判斷GPS衛星信號是否滿足時間提取計算要求，若不滿足判斷雙時鐘源守時時間是否在門檻值之內，如果在門檻值之內，則輸出時間信號，否則閉鎖告警。在切換過程中引入了雙時鐘源的守時時間作為判據，在守時時間與衛星時間相差大于門檻值Δε時，以守時為準，同時采用步進的方式跟蹤衛星時間，只有當兩個守時源時間基本一致時，輸出時間信號，Δε建議取1 μs～10 μs之間，優選5 μs。圖中T3為北斗源主時鐘A守時時間，T1為提取北斗衛星時間，T2為提取GPS衛星時間，T4為GPS源主時鐘B守時時間。

2.5合并單元與對時系統的連接方式

合并單元與對時系統的連接一般采用光纖秒脈沖或者光纖IRIG－B碼，為了避免由于對時系統某一塊輸出板損壞引起的差動誤動，在工程實施中建議采用如下方法:

(1)每套主變保護三側合并單元采用同一個時鐘擴展板對時;

(2)對于雙重化配置的保護所對應的合并單元，A、B套不能同時用同一個時鐘擴展板。

2.6差動保護處理采樣異常的原則

未防止合并單元出現假同步或者某合并單元對時跳變導致采樣不同同步，產生角差，從而出現差流，導致差動誤動發生，因此當采用網絡采樣時，差動保護應增加不同合并單元相同計數器采樣到達時刻的判斷，當相同計數器采樣到達時刻的時間差ΔT1比正常情況到達的時間差ΔT2＞2 ms時(即ΔT1－ΔT2＞2 ms)，則認為是失步或者采樣異常，閉鎖差動保護并告警。

3　系統可靠性分析比較

3.1系統可用率分析

常規智能變電站對時異常故障樹結構如圖6(a)所示，GPS源切換北斗源、北斗源切換GPS源、衛星丟失后再恢復或門關系后輸出至時間跳變，時間跳變、守時源模塊故障、GPS源模塊故障、北斗源模塊故障、對時插件故障、各插件時間不一致或門關系輸出對時異常。設計使用的對時方法大大優化了的現有技術智能變電站對時異常故障樹結構，如圖7所示，為GPS源模塊故障、北斗源模塊故障、守時源模塊故障與門關系，再與對時插件故障或門關系輸出對時異常。

圖6　對時系統異常故障樹分析

圖7　同步問題導致保護誤動的故障樹分析

根據故障樹分析法給出同步對時系統異常改進前后的故障樹比較，如圖6(b)。假設每個基本事件的概率為0.01，原對時系統異常的概率為0.08，本文設計的對時系統異常的概率為0.01，在可靠性上大大提供。

常規智能變電站對時異常導致保護誤動故障樹如圖7(a)所示，合并單元閉鎖故障、對時光纖斷鏈與門關系，再與對時系統發生跳變、合并單元采樣跳變、接合并單元的插件損壞或門關系輸出時間異常導致保護誤動。設計使用的對時方法大大優化了的現有技術智能變電站對時異常導致保護誤動故障樹結構，如圖7(b)所示，為合并單元閉鎖故障、對時光纖斷鏈與門關系，與合并單元采樣跳變或門關系輸出各側合并單元采樣計數不一致，再與差動在各側對時不一致未閉鎖與門關系輸出對時異常導致保護誤動。現有技術智能變電站對時異常導致保護誤動故障樹每個基本事件的概率為0.01，保護誤動的概率為0.050 1，設計的對時異常導致保護誤動的概率為1.01×10－4，整個系統因同步誤動的概率降低了兩個數量級，可靠性和精確性明顯提高。

3.2實際應用效果

2013年1月以來，采用該時鐘同步系統后，至今共投運120余座智能變電站，未發生因時鐘同步問題造成的保護誤動或被對時裝置閉鎖事件。

4　結語

對智能變電站同步系統目前存在的問題，提出網絡采樣的智能變電站的時鐘同步系統的解決方案，設計了跟蹤衛星時間的方式及GPS源和北斗源的無縫切換策略，并對其可靠性進行分析，結果表明:所設計的方案是合理、可行的，并能有效提高同步對時系統的穩定性和可靠性。

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沈　鑫(1981－)，男，漢族，云南人，云南電力試驗研究院(集團)有限公司電力研究院，博士研究生，高級工程師，主要研究方向是電能及互感器計量研究，23755803@ qq.com;

王　昕(1967－)，女，漢族，云南人，云南電力試驗研究院(集團)有限公司電力研究院，高級工程師，主要研究方向是電能及互感器計量研究;

劉清蟬(1983－)，男，漢族，四川人，云南電力試驗研究院(集團)有限公司電力研究院，碩士，工程師，從事電能計量檢定技術的研究。

Design of Condition Monitoring System Based on ADSP-BF518*

LIU Chunyang1*，SUI Xin2，LI Jishun1，2，HAN Hongbiao1，MA Xiqiang2
(1.School of Mechatronics Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang He’nan 471003，China; 2.Henan Key Laboratory for Machinery Design and Transmission System，Luoyang He’nan 47003，China)

Abstract:In order to meet the high requirement in data processing and solve the problems in status data acquisition of large equipment condition monitoring，a device condition monitoring system based on ADSP-BF518 processor was introduced.The key technologies，such as CPLD-based function expansion，ADC，DAC，synchronization logic and network interface，were also presented in detail.The system was applied to the main shaft and gearing status monitoring in a wind farm，and its reliability and efficiency were verified.

Key words:condition monitoring; data acquisition; network communication; ADSP

中圖分類號:TM712

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 03－0655－06

收稿日期:2014－06－26修改日期: 2014－08－11

doi:EEACC: 7210B10.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.038