電力信息化系統時間同步技術研究及運用

余從極, 何宏建,2

(1.國家電投集團江蘇電力有限公司，江蘇 南京210008；2.國電南瑞南京控制系統有限公司，江蘇 南京210008)

近年來，隨著電網的發(fā)展，自動化控制系統、微機機電保護裝置、在線監(jiān)測系統等先進設備廣泛應用在電力系統中，極大地提高了電網自動化水平。在實際運行過程中，由于設備、系統型號不一致，無法實現信息共享，從而導致電力故障。因此，電網對電力信息化系統的時間一致性提出了新的要求。電力信息化系統時間同步技術的研究和應用，對提高電力系統運行穩(wěn)定性具有重要意義。

1 電力信息系統時間同步技術

隨著科學技術的進步和電力技術的發(fā)展，變電站在建設和發(fā)展過程中，投入使用的電力設備和通信設備，在運行過程中，時間授時系統之間不能互通，造成電力系統的時間不統一，從而導致整個系統運行故障。因此，需要發(fā)電廠、變電站加強時間同步技術，確保不同授時源時間同步，以及設備互通有無。電力系統不同設備對時間同步的精度要求不同：線路行波故障測距裝置、雷電定位系統裝置、電子互感器、電壓互感器等相關裝置要求時間同步準確度小于1 μs；故障錄波器、PMU、測控一體化裝置、電氣測控元件、SOE裝置等裝置要求時間同步準確度小于1 ms；微機保護裝置、變壓器終端設備、自動化系統、安全自動化裝置、饋線等裝置時間同步準確度小于10 ms；監(jiān)控用電終端裝置、火電廠、變電站計算機監(jiān)控系統、電能計費系統、繼電保護裝置、自動化記錄、監(jiān)控和調度中心數字顯示始終、電力設備在線狀態(tài)監(jiān)測裝置、電力采集裝置、電力管理系統、電力調度管理信息系統等相關的管理系統時間同步準確度小于1 s。

2 電力信息系統時間同步技術的必要性

近年來，隨著電網的發(fā)展，電力信息系統在電網中廣泛應用，在電力信息系統實行時間同步技術，是電力信息化發(fā)展的必然要求，具體體現在以下幾個方面：

2.1 滿足電網監(jiān)測對時間的需求

為了及時發(fā)現電力系統存在的故障，電力設備安裝了大量的監(jiān)測裝置，電網運行過程中一旦出現異常信息，監(jiān)測系統立即發(fā)出警報并將異常信息發(fā)送給調度中心，調度中心工作人員對異常信息進行分析，從而快速鎖定故障范圍，將故障控制在最小范圍。電網監(jiān)測系統往往根據警告系統的時間順序，對故障進行分析和定位，所以實現時間同步是電網監(jiān)測系統運行的要求。

2.2 電力計費系統對時間同步的要求

計費系統是供電公司實現運行管理的重要手段，計費系統在跨區(qū)域、跨系統進行結算的時候，一般根據服務地區(qū)的起止時間，不同系統的時間節(jié)點不同，所以建立同步時間有利于供電公司統一結算。

2.3 電力信息系統數據備份對時間同步要求

電力系統運行過程中，為了防止突發(fā)情況導致電力信息系統數據丟失，電力信息系統數據庫需要實時備份并恢復數據，如果信息系統服務器和客戶端的時間不同步，那么數據庫無法及時備份和恢復，從而導致數據丟失或者重復現象。

2.4 安全認證系統對時間同步要求

電力信息系統在運行過程中，受到網絡攻擊或者病毒的入侵，從而導致信息系統崩潰，丟失重要的文件和數據信息。因此，需要對信息系統的文件和數據信息采取安全措施，通過數字時間服務對信息系統的文件進行加密保護，加密保護算法是根據時間進行計算的。

3 電力系統時間同步體系架構

電力系統時間同步技術框架是根據電力系統覆蓋范圍、設備數量、系統結構以及電網成本等因素進行綜合考慮，根據不同的范圍，可以劃分為單點一級架構、多點一級架構、二級架構等。

3.1 單點一級架構

單點一級架構是在電力系統關鍵節(jié)點構建一級時間節(jié)點，通過這些關鍵的時間節(jié)點實現對所有的用時設備同步運行要求。單點一級架構在每一個以太網用時設備中安裝了NPT客戶端，這些客戶端的時間源自一級時間中心的NPT服務端。其架構示意圖如圖1。

圖1 單點一級架構示意圖

3.2 多點一級架構

多點一級架構是在單點一級架構的基礎上，在電力系統的多個關鍵節(jié)點上構建一級時間節(jié)點，并按照每一個核心節(jié)點覆蓋范圍劃分區(qū)域，每一個分區(qū)構建一個同步城，每一個同步城可以看成一個單點以及時間同步架構。由此，可以看出多點一級架構是在單點一級時間架構上建立起來的，其架構示意圖如圖2。

圖2 多點一級架構示意圖

3.3 二級同步架構

二級同步時間架構是在單點一級架構和多點一級架構基礎上建立起來，這種架構必須在省市一級的供電企業(yè)建立時間中轉服務站，然后在每一個關鍵節(jié)點上建立一級同步時間節(jié)點，按照同步時間節(jié)點覆蓋的區(qū)域劃分不同的區(qū)域，不同的一級節(jié)點直屬電力企業(yè)客戶端節(jié)點或者同步時間范圍的中轉服務，省市中轉服務則為本省市所有的用時設備提供時間同步服務。二級同步架構圖其實就是在多點一級架構基礎上安裝中轉服務器，具體如圖3所示。

圖3 二級同步時間架

4 時間同步技術在電力信息系統的應用

4.1 時間同步技術應用在電力信息系統的時間同步系統

隨著電網的規(guī)模不斷擴大，電力系統對電網精確度有了更高的要求。目前，國內的電網僅僅具備不同站點內部的局部時間同步，還無法做到整個電力系統時間同步的技術要求，所以還需要對其進一步地研究。目前電力系統時間同步主要依靠變電站的GPS定位系統和北斗衛(wèi)星授時系統統一，確保整個變電站時間同步技術，是電力信息化系統實現的必要條件。各個站點依靠GPS全球衛(wèi)星定位系統和北斗系統顯示的時間，同時輔助NTP系統，電力系統不同站點內部設備需要通過GPS全球衛(wèi)星定位系統實現授時時間，電網電力設備通過NTP網絡時間協議校準信息系統時間。因此，目前電力信息系統時間同步技術主要是以衛(wèi)星定位系統為主，NTP系統為輔。雖然不同站點內部的時間同步系統比較精確，但是不同站點使用的都是獨立的衛(wèi)星系統，無法和整個電力系統進行有效的銜接和確保一致性，這樣導致整個電力系統時間不同步，因此，必須建立整個電力系統的時間同步系統。

4.2 時間同步技術應用在電力信息化系統綜合時間同步方案

目前，國內電力系統網絡是由SDH和以太網網絡構成，這兩種網絡的時間同步協議不同，SDH網絡基于SDH時間同步協議建立起來的，以太網網絡通信系統則建立PTP時間同步協議基礎上。由于電力系統各個站點之間的距離比較遠，依靠以太網無法實現遠距離的通信要求，造成網絡延時，從而無法達到電力系統對時間精準度的要求。所以一般來說，兩個距離比較遠的站點需要通過分組交換的形式進行通訊，這樣會產生多級交換機和路由器，導致整個電力系統的網絡結構變得復雜。IEEE1588同步時間協議雖然一定程度上可以實現秒級時間同步要求，但是需要安裝外部硬件設備輔助，所以需要對整個電網系統的網絡硬件進行升級，這樣會大大增加整個電網的建設成本。基于成本考慮，國內的電力系統信息化系統大多數采用SDH時間同步協議，它對電力系統網絡距離沒有特殊要求，可以確保電力系統在不需要更換網絡硬件設備的前提下，確保電力信息系統時間同步要求，從而降低電網建設的成本。通過SDH時間同步協議，可以讓站點距離比較近，需要有線網絡連接的站點連接，利用有線時間同步技術和網絡同步協議，實現電力信息化系統的時間同步方案。

5 結束語

電力信息化系統的有序運行，需要時間同步技術的支撐，確保整個系統內部信息實時共享，及時發(fā)現電力故障。目前，由于我國電網只有各個站點內部實現時間同步，還無法達到系統時間同步，需要進一步加強對時間同步技術的研究。