一種基于電網頻率值的配電終端對時方法

劇晶晶

（齊魯工業大學（山東省科學院） 電氣工程與自動化學院，山東 濟南 250353）

0 引 言

在智能配電網中，配電自動化是實現全自動控制的關鍵環節。配電自動化功能豐富，能夠實時采集和分析智能配電網的運行數據，并判斷故障類型自動設置隔離[1]。配電自動化的重要組成部分是饋線自動化。饋線自動化的主要設備為配電終端（FTU），安裝在饋線分段開關處。饋線上配電終端在故障檢測、通信和執行配電主站下發命令時，都要依賴統一的時間基準。國家電網要求配電終端的對時精度不大于10 ms。因此，本文提出了一種基于電網頻率值的配電終端對時方法。

1 電網時鐘同步方式

電網時鐘同步方式主要有衛星時鐘同步技術、NTP/SNTP網絡時鐘同步技術和IEEE 1588網絡時鐘同步技術。衛星時鐘同步技術包括GPS衛星導航系統和北斗衛星導航系統，具有高精度和高時效的特點。GPS衛星授時是GPS建立的專用時間系統，搭載有原子鐘。它的秒長與UTC（世界協調時間）秒長保持一致，目前已在我國電力系統中大規模使用，但可靠性和自主性存在隱患[2]。北斗衛星導航系統則是我國自主研發并提供導航定位與授時服務的全球衛星導航系統。此系統主要能為用戶提供單向授時和雙向授時兩種授時方式，其中單向授時的精度約為100 ns，雙向授時的精度約為20 ns[3]。NTP/SNTP協議是網絡時間協議和簡單網絡時間協議，通過交換時間服務器（Server）和客戶端（Client）的時間戳，計算客戶端（Client）相對于服務器（Server）的時延和偏差來進行時鐘同步。NTP網絡時間協議在局域網中的對時精度是1 ms，而在廣域網中的對時精度是10～100 ms[4-5]。NTP網絡時間協議具有成本低和無需硬件支持的優點。IEEE 1588時鐘同步協議對時精度高，主要分為兩個版本——第一版本（即PTP協議）能夠實現亞毫秒級的高精度同步，第二版本可實現亞微秒級的高精度同步[6]。相比之下，IEEE 1588協議在精度和安全性上要優于NTP網絡時間協議，但成本較高，且需要通過軟硬件結合的方式實現同步。

2 對時原理

在電力系統運行中，由于負荷隨機波動，導致有功功率不平衡，造成系統頻率實時偏移。可見，系統頻率的偏移是由負荷決定的，且無法避免。電網頻率值實時變化，且同一時刻不同地點采集計算的電網頻率值相同。根據這一特點，利用電網頻率值進行比對，計算時鐘偏差，實現了配電終端之間的時鐘同步，適用于同一配電線路上的所有配電終端或者同一母線上的不同配電線路上的配電終端之間保持時鐘同步。

3 系統設計

饋線自動化系統包括變電站配電終端（FTU00）、饋線上分段開關處配電終端（FTU11、FTU12、FTU13）以及通信系統，如圖1所示。通信網絡是各配電終端之間的通信通道。

圖1 饋線自動化系統結構圖

變電站配電終端FTU00與北斗衛星導航系統直接連接，以北斗衛星導航系統獲取的時間基準作為標準時鐘源，同時將此時鐘源信息下發給FTU11、FTU12以及FTU13終端。饋線上配電終端FTU11、FTU12以及FTU13負責監視并采集饋線上的電力參數信息，實現控制分段開關的功能，同時接收FTU00下發的標準時鐘源信息，以校正饋線上配電終端的本地時鐘[7-8]。對時的時間戳由64位無符號浮點數組成，前32位為整數部分，后32位為小數部分，單位為秒，時間相對于1900年1月1日0點。周波頻率值用32位無符號整數表示。該數字除以1 000后，即為頻率的真實值，單位為Hz。

4 基于電網頻率值的配電終端對時方法

配電終端對時通信過程如圖2所示。

圖2 配電終端對時通信過程圖

變電站母線處配電終端FTU00向饋線1分段開關處的所有配電終端發送報文，即以FTU00的時鐘信息為標準時鐘源，對饋線1分段開關處的配電終端FTU11、FTU12以及FTU13進行時鐘同步。FTU11發送對時請求命令給FTU00，同時啟動FTU11的信號采集功能（以采集AB線電壓上的周波信號為例）。根據周波信號進行頻率計算，并記錄每個周波的起始（0°相位）時刻（T10、T11、T12等）和頻率值（f11、f12、f13等）。FTU00收到對時請求命令后，立即開始采集本線路上的周波信號（以AB線電壓為例）并進行頻率計算，記錄第1個周波起始（0°相位）時刻T0和之后連續3個周波的頻率值f01、f02、f03）。連續3個周波的頻率值計算完成后，FTU00將記錄的第1個周波起始時刻和之后的連續3個周波的頻率值打包發送給FTU11，即發送對時應答命令。FTU11收到對時應答命令后，停止本終端的頻率計算。

FTU11開始進行頻率值比對。若FTU11從開始發送對時請求命令到收到對時應答共記錄了N個周波的頻率值，則從第1頻率值f11開始進行比對，一直到第N-2個頻率值，計算公式為：

式中：f0(i+1)表示FTU00記錄的頻率值；f1(i+k)表示FTU11記錄的第k個頻率值，k從1開始，到N-2結束。當ρ值最小時，FTU00與FTU11兩配電終端的頻率值近似相等。根據頻率值特點，若不同配電終端采集計算的電網頻率值相等，其時刻一定相同。因此，計算并比較得到最小的ρ值，此時對應的頻率為f1k，即可認為FTU11上的時刻T1(k-1)與FTU00上的時刻T0相同，計算兩處的時鐘偏差Δt為：

FTU11糾正時鐘偏差，即：

饋線1上分段開關處的其他配電終端FTU12和FTU13的對時方法同上。

5 結 論

饋線上配電終端在故障檢測、通信和執行配電主站下發命令時，要依賴統一的時間基準。本文根據電網頻率實時變化且同一時刻不同地點采集計算的電網頻率值相同的特點，利用電網頻率值進行比對，計算時鐘偏差，實現了配電終端之間的時鐘同步。本方法適用于同一配電線路上所有配電終端或者同一母線上不同配電線路上的配電終端之間保持時鐘同步。