基于組網的智能變電站采樣對時問題探討

朱繼紅，須雷，董雋，劉東超，劉鵬

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京211106）

基于組網的智能變電站采樣對時問題探討

朱繼紅，須雷，董雋，劉東超，劉鵬

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京211106）

在智能變電站中，網絡采樣模式下的對時系統對時策略以及過程層設備合并單元的數據同步機制起著重要作用。對時系統異常情況下對合并單元的影響，以及合并單元對異常對時系統的處理機制都決定了數據同步的準確性。針對采樣同步對時系統和合并單元的對時策略進行探討，分析多種可能發生的異常對時情況及由此導致偽同步現象，給出了對時系統應對策略和合并單元的同步機制。

合并單元；GPS；北斗；同步

0 引言

目前國內已廣泛開展智能變電站的建設工作，MU（合并單元）作為智能變電站過程層的關鍵設備，其作用非常重要。關于電子式互感器到合并單元的數據同步，以及合并單元之間級聯的各種數據同步已有較多的研究，但多數都是基于正常情況下的同步研究，就異常情況下的同步則沒有給出更多的分析方法和研究結果。

從智能變電站過程層建設的方案來看：國家電網公司傾向于基于點對點的IEC 61850-9-2的方案；南方電網公司傾向于110 kV及以下采用組網IEC 61850-9-2的方案，220 kV及以上采用點對點方案；國外更加傾向于組網的方式。另外，在點對點方案下，如測控裝置、故障錄波器、網絡分析儀等也都使用了組網的數據。從長遠來看，組網在數據共享、解決過程層設備發熱等問題上具有很大優勢，因此合并單元的同步問題是一個值得認真對待和探討的問題。

1 衛星對時系統

1.1 對時系統簡介

對時系統在智能變電站中相比常規變電站扮演了更為重要的角色。常規變電站都是直接將電流、電壓電纜拉到不同的保護控制設備中，保護控制設備通過自己的同步采樣完成模擬量的同步，對時系統往往只用于裝置時間對時，以及SOE等事件的對時，和采樣本身無關。智能變電站中的對時系統，除了承擔常規變電站中的作用外，更重要的是還要給采樣時刻對時，實際上有時間同步和采樣同步2個功能。

1.2 對時系統方案

以下基于組網來分析對時系統的行為。IEC 61850-9-2規定，當SmpSynch（同步位）為真時，GPS秒對時信號來臨的時刻所采樣數據的SmpC-nt（樣本計數器）為零[1]。各個間隔之間通過樣本計數器來進行數據同步，避免了數據的再同步。

站內較為完備的對時系統方案如圖1所示[2]。從安全性考慮，往往配置2套主時鐘源，一套為北斗時鐘源，另一套為GPS時鐘源。2套主時鐘源互為備份，相互對時，從時鐘通過一定的策略選擇時鐘源后輸出信號。

圖1 智能變電站站內對時系統

1.2.1 主時鐘源抖動的異常處理

分析主時鐘源可能產生抖動的情況。假設主時鐘源重啟上電，之后主時鐘源有可能在短時間之內就能和衛星信號同步，也有可能較長時間還未同步上。如果主時鐘源較長時間不輸出同步信號給從時鐘，會導致過程層設備因長時間采樣數據不同步而閉鎖相關保護。

對此，給出一種合理的主時鐘源上電后執行順序，如圖2所示。除非遇到天氣不好、天線安裝不妥等問題，一般情況下，對時系統5 min內就能與衛星同步。目前，相關標準要求MU具備10 min的守時能力，因此5 min內不輸出同步脈沖還是可以承受的，且2套主時鐘源同時掉電的概率較小。

圖2 主時鐘上電輸出順序

1.2.2 主時鐘源同步方式

主時鐘在規定時間內沒有跟蹤到任何有效的衛星信號后，按照自己的時間體系輸出對時信號，當最終衛星信號跟蹤有效后，存在一個問題：當前輸出的對時信號P1和衛星對時信號P2之間必然會存在時間差。對此，如圖3所示，可通過2種方式來消除時間差：一是快拉方式，即P1直接同步到P2上，這種方式優點是能夠立即同步，缺點是對時秒間隔信號會劇烈抖動；二是慢拉方式，即P1每秒調整微妙級的時間，緩慢同步到P2上，這種方式優點是避免秒間隔劇烈抖動，但可能造成同步時間很長。

圖3 快拉慢拉同步方式

假設最惡劣的情況下，P1和P2之間差500 ms，如果采用慢拉方式每秒調整步長為3 μs，則2個信號需要500 000/3=46.296 h才能夠同步上，耗時很長，基于組網的同步方式無法接受。對此，提出一種可以兼顧同步快速性和時鐘穩定性的方法：主時鐘源上電5 min后如果沒能和有效衛星對時信號成功同步，則首次同步有效衛星信號時采用快拉方式進行，一旦同步上以后無論何種情況下P1和P2之間再產生任何時間差均按照慢拉方式進行同步，即主時鐘源最多只能進行一次快拉，觸發再次上電。

智能變電站中主時鐘源與衛星同步一段時間后，自身就具備較好的守時能力。目前行業標準的要求是55 μs/h[3]，但無法滿足智能變電站的需求，相關標準正在修訂，守時指標將會提高至1 μs/h，一般以12 h為測量時間。由此可知，一旦同步后，主時鐘失去有效衛星后對時源即進入守時狀態，當有效衛星對時源再次來臨時，守時保證兩者時間差不會太大，由慢拉方式就能夠迅速同步。

1.2.3 時鐘源的輸出

從圖1中可以看出，從時鐘直接給MU進行對時，所以其對時行為直接影響保護的性能。從時鐘同時接收A，B 2套主時鐘源的對時，一般來說A，B有不同的優先級，假設A＞B，則僅當A套無效B套有效時選擇B套，否則優先選擇A套。從時鐘對時原理類似于主時鐘源，不同的是主時鐘源通過衛星進行同步，而從時鐘源由主時鐘源進行同步。由于從時鐘直接對MU進行授時，所以當從時鐘上電重啟后應立即輸出對時信號，否則會發生保護失效的情況。為了加快同步進程，允許從時鐘在上電后和真正有效的主時鐘在同步過程中進行一次快拉，之后只能通過慢拉方式進行調整。

從以上分析可知，無論是主時鐘源還是從時鐘源，在上電過程中僅首次同步允許快拉方式，而其它任何情況下都采用慢拉方式是較為合理的。目的是防止時鐘抖動過大，同步時間過長，導致數據同步異常閉鎖相關保護控制設備。

2 MU采樣同步

MU作為數字化采樣環節的核心設備，能否正確同步數據對保護控制設備至關重要。點對點方式下，發送延遲固定基于插值同步的方式不依賴于時鐘同步，時鐘對采樣同步幾乎無影響；組網方式下，時鐘決定了MU的同步精度，如果出現偽同步的情況（SmpSynch為真，而實際上數據卻未同步），后果將不堪設想。

當對時系統正常時，MU的同步比較簡單，只需將采樣點秒同步時刻對齊即可。但異常情況下的處理往往比較復雜，如果處理策略不恰當，則會導致極端情況發生。

2.1 守時指標

守時的概念為：如果接收單元失去外部時間基準信號，則時鐘進入時間保持狀態，這時保持時鐘和標準時鐘仍能保證一定的時間準確度。可見守時主要是針對外部時間基準消失的情況來進行定義的。

MU在國家電網企業標準中提到對守時性能的要求是10 min內守時誤差小于4 μs[4]；在南方電網目前有1 h內守時誤差小于10 μs和2 h內守時誤差小于20 μs 2種提法。試驗室條件下的MU滿足相應的守時指標后，現場MU卻未必能夠保證這個指標。現場的守時指標是一個系統指標，除了決定于MU的晶振、守時算法外，還決定于對時源的精度。由于守時是需要基于時鐘馴服的，如果馴服有問題則再好的晶振和守時算法都是徒勞，可見對時系統在組網智能站中的關鍵地位。另外，守時指標是一個絕對值的概念，對2臺1 h內守時誤差小于10 μs的MU而言，可能1臺MU往標準時鐘的一個方向偏，而另外一臺MU可能往反方向偏，最終1 h后2臺MU的指標卻相差了20 μs。

MU的晶振在守時過程中是非常關鍵的環節。由于晶振受溫度影響比較大，普通晶振無辦法滿足守時的要求，一般會選取溫補晶振或恒溫晶振來彌補溫度對晶振頻率的影響。經過對比試驗后，發現采用0.2 ppm的恒溫晶振可滿足守時要求，試驗結果如表1所示。恒溫晶振并不是解決了溫度對晶體的影響，而是通過恒溫槽給晶體提供了一個穩定的溫度環境。

表1 0.2 ppm恒溫晶振守時測試

2.2 MU守時

2.2.1 時鐘源異常引起的偽同步

目前各廠家MU產品的守時策略并不統一。有的廠家不僅在外部對時信號消失的情況下才進入守時，當對時源切換出現問題時（如A套主時鐘源切到B套主時鐘源，而2套時鐘源輸出有較大差距），產生了較大的抖動（如圖4所示），合并單元也進入了守時狀態。當守時結束后，合并單元先置失步后再和對時信號進行同步。正常情況下，如果站內所有的合并單元都采用該策略，可確保MU同步。但若發生異常情況，如在MU1守時過程中MU2因異常發生重啟，重啟后的MU2必然會直接跟上時鐘源，此時MU1和MU2的SmpSynch同時為真，但數據卻相差了t3時刻，出現了偽同步情況，當t3較大時，基于差動原理的保護就會誤動。

可見，如果對時源和MU認可的秒脈沖出現長時間的偏離情況（簡稱狀態1），此時采取簡單的守時并不可取。為了提高MU的時鐘防誤能力，當狀態1出現時，MU可以先進入守時狀態，這樣就具有了一定的容錯能力；當守時時間超過Δt1時（比如3個秒脈沖），偏差還沒有恢復，則MU直接置采樣失步，然后確認時鐘源的有效性，最后再和時鐘源進行同步。

圖4 時鐘切換抖動中的偽同步

為防止圖4中的偽同步情況發生，需設制一個門檻，即當MU重啟后，需要對對時信號確認Δt2（比如5個秒脈沖）后才認為其有效，且必須保證Δt2＞Δt1（如圖5所示）。Δt2＞Δt1的條件確保了同一廠家的MU不會出問題。由于不同廠家的MU對Δt1和Δt2的取值不一樣，就會出現即使廠家各自滿足Δt2＞Δt1的條件，在配合時也會出現誤同步的現象。所以需要各廠家采樣同步的對時策略達成共識，并遵循相同的相關標準。

圖5 消除時鐘抖動切換帶來的偽同步

另一種異常情況是：假設MU1，MU2已與時間同步系統同步，此時若MU1的對時回路意外斷開導致對時信號長時間消失，MU1將進入守時模式。與此同時，同步時鐘源發生了異常的切換狀態，MU2經過短時間守時后和時鐘源同步上，這時又出現了偽同步現象（如圖6所示）。但對于這種對時回路斷鏈且同時發生時鐘源異常切換情況下的偽同步，目前還沒有比較好的解決方案。

2.2.2 對時系統機制

對時系統存在慢拉和快拉方式，運行過程中主要還是以慢拉方式為主，為了減少抖動，有的廠家會以每秒調整固定的幾微秒（比如3 μs）的方法慢慢向標準對時源靠攏。如果所有的MU都運行正常且對時回路也正常，那么所有MU應該也會逐步地跟蹤慢調的時鐘。

圖6 對時斷鏈引起的偽同步

假設慢調過程中，時鐘源發出的對時信號是固定的（ΔP+Δt），此處ΔP是對時源默認的秒間隔，Δt是每秒調整的步長，那么對于MU而言，其收到對時信號是穩定的間隔為（ΔP+Δt）的對時信號。所以（ΔP+Δt）秒間隔數據非常容易地進入了MU守時數據之中，如果MU是以64 s統計數據進行守時的，則慢拉過程持續64 s以上MU每秒守時的數據也就變為了（ΔP+Δt）。這個值極可能和標準秒間隔相差很多。如果此時MU對時回路出現斷鏈，則斷鏈的MU會以（ΔP+Δt）秒間隔數據進行守時，而在此MU守時的過程中對時源完成了慢拉過程，假設秒間隔變為了ΔP1（ΔP1≠ΔP+Δt），則對時回路正常的MU和守時的MU之間隨著時間增長同步誤差逐步拉大，最終可能會造成保護誤動。

2.2.3 解決方法

如前文所述，如果采用固定秒間隔（ΔP+Δt）來進行慢拉，則MU無法分辨此過程為慢拉過程。建議采用抖動慢拉調整方式，避免偽同步情況的發生（如圖7所示）：即第n秒間隔為（ΔP+ Δt1），第n+1秒間隔為（ΔP+Δt2），第n+2秒間隔為（ΔP+Δt1），則MU可以計算出前后2個秒間隔的差值ΔT=abs（Δt2-Δt1），當此ΔT大于某門檻值ΔH時，則當前秒間隔不計入守時統計數據。根據智能電網對對時系統的時間精度要求為1 μs以內，假設慢拉過程期望的調整速度平均為3 μs/s，設Δt1=2 μs，Δt2=4 μs，ΔH=1 μs，則ΔT＞ΔH，慢拉過程中MU不會將統計數據計入守時數據。

為了保證守時的可靠性，建議加強守時數據統計進入的門檻，比如連續5次前后對時信號的ΔT＜ΔH才認為對時間隔的數據是合格的，才能用于守時算法。

圖7 抖動慢拉方式

2.2.4 其他影響守時指標的因素

還有一些情況也有可能導致守時出錯。下面列舉說明：

（1）目前各廠家均采用了恒溫晶振來滿足守時指標的需要。但恒溫晶振即使在對時時鐘源非常穩定的情況下也未必可以滿足守時指標。如果裝置先前一直處于電源關閉狀態，突然上電，則恒溫晶振需要一定的時間來恒定溫度。如果采用這段時間內的統計數據作為守時依據，則晶振頻率并未穩定，守時效果將會受影響，所以進行守時算法設計時必須要考慮晶振的這些特性。

（2）假設1臺MU經過1 h的守時試驗，和標準對時信號相差4 μs，那么其3 h的守時指標也不能推算為12 μs。這是因為晶振的老化指標會對守時產生很大的影響，極大多數情況下MU的3 h守時誤差比12 μs差很多。假設某恒溫晶振的老化指標為6 ppb/天，晶振頻率為20 MHz（50 ns），12 h前其1 s的CLK數為2e7個，受老化影響，12 s后最惡劣情況下1 s和原來誤差為：

因此使用12 h前的守時數據來進行守時，則僅因晶振老化帶來的誤差在2 h內就有可能達到3×2×3 600=21 600 ns=21.6 μs，這還沒有考慮2 h守時過程中的晶振老化數據。

可見，當時鐘源處在長時間的慢拉過程中，根據先前的分析，慢拉過程中的對時間隔數據不計入守時統計數據，所以合并單元的守時時間應該隨慢拉時間增長而減少，設計守時算法應予以注意。

3 結語

分析了目前比較可靠的智能站過程層設備對時方案，即主備時鐘源加上從時鐘的方式，給出了對時系統上電時的一些處理策略，并針對主備時鐘非正常切換時的異常行為提出慢拉快拉、抖動慢拉的解決方法。針對異常情況下的合并單元守時性能，提出了可能存在的異常情況，并給出了分析以及應對方法。

對時系統比較復雜，對此總體思路是：對時系統時間源在正常運行過程中應該不出現時鐘跳變的情況，對時調整應以慢拉方式進行。守時指標并不是個體指標，而是系統指標，需要考慮合并單元的當前運行狀況以及對時源的情況，并在守時算法中體現出來。

當前比較迫切的任務是出臺一個對時標準、守時策略，以統一各個廠家在異常情況下的處理機制，才能做到各個廠家MU產品的配合無死區，防止偽同步的發生。即將發布的國家電網公司企業標準《智能變電站合并單元技術規范》，將對采樣對時的策略有所規定，能夠解決不少問題。

[1]IEC 61850-9-2∶Communication networks and systems Part in substations 9-2∶Specific Communication Service Mapping（SCSM）Sampled values over ISO/IEC 8802-3[S].

[2]Q/CSG 110018-2011南方電網數字及時間同步系統技術規范[S].2011.

[3]DL/T 1100.1-2009電力系統的時間同步規范[S].北京：中國電力出版社，2009.

[4]Q/GDW 383-2009智能變電站技術導則[S].北京：中國電力出版社，2009.

[5]張曉華，熊浩清，楊紅旗，等.數字化變電站的一起同步采樣事故分析及變時間窗綜合糾錯對時方案.電力系統保護與控制，2011，39（23）∶17-23.

（本文編輯：方明霞）

Discussion on Intelligent Substation Sampling Synchronization Based on Network Sampling

ZHU Jihong，XU Lei，DONG Jun，LIU Dongchao，LIU Peng
（Nanjing NR Electric Co.，Ltd.，Nanjing 211106，China）

In intelligent substation,the strategy of time synchronization system in network sampling mode and data synchronization mechanism of merging unit of process layer equipment play an important role.The influence of time synchronization system abnormity on merging unit and influence of merging unit on the processing mechanism of abnormal system decide data synchronization accuracy.The paper discusses synchronization strategy of synchronization system and merging unit on the basis of sampling synchronization and analyzes various potential synchronization abnormities and the consequential pseudo-synchronization；moreover，it presents strategy of time synchronization system and synchronization mechanism of merging unit.

merging unit；GPS；BeiDou；synchronization

TM762

：B

：1007-1881（2016）02-0018-05

2015-10-30

朱繼紅(1978)，男，高級工程師，從事數字化變電站過程層方面的研究工作。