智能時間監測預警系統研究及應用

摘 要：基于新型電力系統多能量流和信息流現狀對時間準確度和同步性需求提高的背景，針對目前存在錯誤時間的情況，提出能準確發現、預警、定位和糾正同步時間的方案，從而全面提升時間同步的支撐能力和保障水平，以支撐能源互聯網、交能融合、智慧城市建設。

關鍵詞：電力系統；時間監測預警系統；時間同步狀態

中圖分類號：TM734" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）18-0043-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.18.011

0" " 引言

電力系統是時間相關系統，無論電壓、電流變化還是功角變化，都是基于時間軸的波形。時間同步的準確性是保障電力系統運行控制和故障分析的重要條件[1-3]，其核心功能是為暫態、動態、穩態數據采集和電網故障分析提供時間同步服務。

對于電網系統的變電站，目前普遍采用了全球定位系統（GPS）和北斗衛星導航系統作為雙基準時間（北斗為主）。在各電壓等級的變電站配置全站統一的時鐘，為監控服務器、保護/測控裝置、故障錄波裝置、同步相量測量裝置、故障測距裝置和電氣設備在線監測裝置等設備提供統一對時信號[4-6]。

在時間同步和準確性方面，文獻[7]分析了電力系統時鐘同步系統組成、同步的方式，針對應用需求，分別對主站、子站系統提出了電力系統時間同步典型配置方案。

為了確保變電站統一對時精度，文獻[8]開展了時間同步監測技術的研究，初步實現了時間同步閉環的管理，為監測電力設備時間同步精度的研究提供了技術手段和工作平臺。但同步監測精度不高，且不能實現智能實時監測和預警。

因此，研究智能實時監測和預警，對提高電力設備時間同步度和監測準確度，準確定位錯誤時間點，提升電力設備運行穩定性和安全性，具有重要的實際意義。

1" " 系統架構方案

本研究基于目前某地電網的情況，提出基于遠程監測的時間在線監測系統架構，如圖1所示。

遠程監測技術分調度端監測和變電站監測技術，調度端監測技術中監測設備安裝于調度主站，變電站被測時間信號遠程傳送至調度主站，由調度主站的監測設備完成時間信號的偏差比較；變電站監測技術中監測設備安裝于變電站，調度主站的參照信號遠程傳送至變電站，由變電站完成兩者的偏差比較。

遠程監測技術的優勢在于在調度主站或變電站安裝級別最高的參考時鐘，測量基準的準確度可以做到最高，對時間監測精確度的判斷也能更準確。時間信號從變電站至調度主站的傳送過程中，需盡量減少各環節引入的時間差，同時需根據測試修正相關的誤差定量。

1.1" "實時監測

時間監測裝置能在站端配置時間，測量精度高，能夠實時監測時鐘設備（含主時鐘和從時鐘）、被授時設備，并根據應用場合選擇合適的時間基準信號、測量接口、輸出接口等，對電力設備信息進行實時監測，實時監測的信息包含電力設備臺賬信息、時間偏差、時間監測狀態等。

1.2" "誤差分析

時間監測系統能夠對授時設備（含主、從時鐘）進行誤差分析，包括授時設備自身對時故障引起的誤差，授時回路時間延遲以及時間偏差修正引起的誤差。

1.3" "智能預警

智能時間監測系統通過對授時設備的時間監測，在時間偏差量超過告警閾值的情況下，發送告警信號至監控后臺，并且時間監測系統實時存儲了授時裝置的時間信息，因此能夠對時間偏差的波動數據進行分析，提前判斷即將發生的對時故障情況，實現智能預警功能。

2" " 關鍵技術

目前變電站同步時鐘裝置采用冗余配置，一般配置兩套主時鐘對時裝置，主時鐘源為北斗、GPS，主時鐘與從時鐘（被授時裝置）對時的時間同步基本原理如圖2所示。

如圖2所示，主時鐘在t1時刻向從時鐘發送sync同步報文，從時鐘t2時刻接收到sync報文，從報文中獲取t1，從時鐘在t3時刻向主時鐘發送報文Delay_Req延遲請求報文，主時鐘在t4時刻接收到報文，通過t1、t2、t3、t4可計算出平均路徑延遲Delay如式（1）所示：

考慮主、從時鐘間存在時間偏差Offset，可知：

因此，時間偏差Offset為：

通過所得出的平均路徑延遲Delay和主、從時鐘的時間偏差Offset，即可修正主、從時鐘并進行時鐘同步。但該方式考慮的是網絡鏈路對稱的情況，即往返過程的延遲相等，一旦鏈路不對稱，將無法通過該方式消除偏差。

變電站時鐘監測技術通過我國北斗衛星導航系統獲取精度更高的時間信號作為參考時鐘信號，同時在相同時刻獲取所監測時鐘信號進行比對，獲得偏差值，時鐘偏差值為時間監測裝置的參考時鐘信號A與所監測時鐘信號B的差值的絕對值，通過設定閾值確定是否需要發出告警信號，如不超過閾值，則該時刻的時間偏差在允許范圍內，存儲時間信息；當偏差值超過閾值時，時間監測裝置向監控系統發送報警信息，提醒運維人員及時處理，排除故障。具體的流程圖如圖3所示。

變電站時間監測裝置還能通過數據網接收到調度端時鐘信號，實時監測變電站與調度端的絕對時間誤差，確保變電站與調度端時鐘間不產生較大的時間偏差。調度端配置時間監測裝置，能夠實現各變電站時間監測信號的采集和展示，必要時還能下發修正時間參數來調整變電站的時鐘信息，糾正部分變電站可能存在的“錯誤”時間或補償調度端至變電站的通信鏈路的時間延遲。

3" " 工程應用

目前湖南某220 kV智慧能源站實現了時間監測裝置的應用，220 kV智慧能源站內配置有兩套支持北斗和GPS對時的主、從時鐘以及一套時間監測裝置，兩套主、從時鐘分別組屏，時間監測裝置組屏于第一套主、從時鐘屏柜內；主、從時鐘輸出模塊能夠輸出標準的1PPH/1PPM/1PPS、串行口信號、IRIG-B碼信號以及網絡報文信號。時間監測裝置通過獨立天線獲取北斗衛星時間信號，且支持1PPS/IRIG-B信號的輸入。時間監測裝置通過IRIG-B端口獲取主、從時鐘的時間信號，一旦授時裝置時間偏差超過閾值，則時間監測裝置將告警信息上傳至監控系統，提醒運維人員及時處理；時間監測裝置能夠以一定的采樣頻率對時間監測偏差數據進行存儲以及可視化展示。通過圖4和圖5可知，設備時間偏差均小于400 ns，時間監測裝置監測精度均優于0.1 ms。

4" " 結束語

本文通過對電力系統中時鐘同步的研究，提出了一種智能時間監測預警系統。該系統能實時監測電力設備的時間，提高電力設備時間同步度和監測準確度，準確定位錯誤時間點，對提升電力設備運行穩定性和安全性具有重要意義。該系統在智慧變電站中得到了應用。

[參考文獻]

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[8] 雷霆，黃太貴，李斌，等.時間同步監測分析系統的開發與應用[J].電力系統自動化，2010，34（24）：65-68.

收稿日期：2023-05-31

作者簡介：李容嵩（1973—），男，湖南長沙人，正高級工程師，從事電力管理工作。