尹 亮，馬 軍，張宏杰，施佳鋒，王平歡

（1.國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011；2.國網(wǎng)寧夏電力公司調(diào)度控制中心，寧夏 銀川 750001）

基于調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的變電站時間監(jiān)測技術(shù)研究

尹 亮1，馬 軍2，張宏杰2，施佳鋒2，王平歡2

（1.國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011；2.國網(wǎng)寧夏電力公司調(diào)度控制中心，寧夏 銀川 750001）

針對變電站時間同步裝置的實時監(jiān)測管理問題，對變電站時間同步系統(tǒng)進行分析，采用時間監(jiān)測單元進行實時監(jiān)測，開發(fā)了基于調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的變電站時間監(jiān)測系統(tǒng)。應(yīng)用結(jié)果表明：該監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)廠站時間同步裝置的實時準(zhǔn)確監(jiān)測，提高了現(xiàn)場自動化設(shè)備的安全運行水平。

時間同步系統(tǒng)；時間監(jiān)測系統(tǒng)；調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)

隨著網(wǎng)絡(luò)與信息安全要求的不斷提高，變電站內(nèi)時間同步系統(tǒng)要求支持北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）雙對時，并優(yōu)先采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對時。變電站內(nèi)存在2套基于不同衛(wèi)星的時間體系，對于這種分布式的時間同步系統(tǒng)，由于缺乏對各變電站時間同步裝置運行狀態(tài)和性能的實時監(jiān)測手段，無法實時監(jiān)測各時鐘的授時和對時情況。不同廠家的時鐘實際同步性能究竟如何，時間差彼此相差多少，工作狀態(tài)怎樣，子站自動化設(shè)備運行管理部門一無所知，因此，迫切需要采用一種新的技術(shù)手段來實現(xiàn)各站時間同步裝置的實時監(jiān)測，以掌握調(diào)度管轄范圍內(nèi)各廠站時鐘裝置的對時、授時情況，縮小彼此之間的時間差。

1 現(xiàn)狀分析及需要解決的問題

1.1 時間同步系統(tǒng)的現(xiàn)狀

時間同步系統(tǒng)是由1～2臺主時鐘和若干臺從時鐘，通過電纜或光纜連接，為其他設(shè)備提供授時信號的系統(tǒng)［1］。

1.1.1 時間同步裝置

時間同步裝置又稱時鐘裝置，能同時接收至少2種外部時間基準(zhǔn)信號，具有內(nèi)部時間基準(zhǔn)，按照要求的時間準(zhǔn)確度向外輸出時間同步信號和時間信息的裝置，包括主時鐘和從時鐘。

時間同步裝置由授時源、接收單元、時鐘單元和輸出單元組成。接收單元以接收的無線或有線時間基準(zhǔn)信號作為外部時間基準(zhǔn)。主時鐘的接收單元由天線、饋線、低噪聲放大器、防雷保護器和接收器等組成。接收單元接收到外部時間基準(zhǔn)信號后，時鐘單元按優(yōu)先順序選擇外部時間基準(zhǔn)信號作同步源，將時鐘牽引入跟蹤鎖定狀態(tài)，并補償傳輸延時。如接收單元失去外部時間基準(zhǔn)信號，則時鐘進入守時保持狀態(tài)，這時，時鐘仍能保持一定的時間準(zhǔn)確度，并輸出時間同步信號和時間信息。輸出單元輸出各類時間同步信號和時間信息、狀態(tài)信號和告警信號，也可以顯示時間、狀態(tài)和告警信息。當(dāng)接收不到外部時間基準(zhǔn)信號時，按照內(nèi)部時鐘保持單元的時鐘輸出時間同步信號［2］。從時鐘的接收單元由輸入接口和時間編碼（如IRIG-B碼）的解碼器組成。

1.1.2 常見變電站對時方式

國內(nèi)變電站主要以GPS時間信號作為主時鐘的外部基準(zhǔn)。有3種對時方式：硬對時（分對時或秒對時）、軟對時（即由通信報文來對時）和編碼對時（應(yīng)用廣泛的IRIG-B對時）［3］。長期以來，變電站時間同步系統(tǒng)存在的問題主要有2個方面：站內(nèi)時間同步基準(zhǔn)不統(tǒng)一和站間時間同步基準(zhǔn)不統(tǒng)一［4］。

脈沖信號有秒脈沖、分脈沖、時脈沖和可編程脈沖信號等。秒對時是將毫秒清零，而分對時是將秒清零。秒脈沖是利用GPS所輸出的秒脈沖方式進行時間同步校準(zhǔn)，獲得與協(xié)調(diào)世界時同步的時間，準(zhǔn)確度較高，上升沿的時間準(zhǔn)確度不大于1μs。分脈沖是利用GPS所輸出的分脈沖方式進行時間同步校準(zhǔn)，獲得與協(xié)調(diào)世界時同步的時間，準(zhǔn)確度較高，上升沿的時間準(zhǔn)確度不大于3μs［5］。

IRIG-B時間序列碼是應(yīng)用于時間信息傳送的串行編碼格式，有交流（AC）碼和直流（DC）碼2種。IRIG-B對時是目前使用最廣泛、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最穩(wěn)定的時間同步技術(shù)，目前電力系統(tǒng)內(nèi)絕大部分系統(tǒng)都采用了此類方式。由于精度可以達到μs級［6］，完全可以滿足現(xiàn)有設(shè)備的需求。IRIG-B碼實際上是一種綜合對時方案，其包含了秒、分、小時和日期等時間信息。在IRIG-B碼對時方式下，各時間信號通過光纖進行傳輸，時間輸出信號不受交換機性能的影響，節(jié)省了投資，但接線較為復(fù)雜［7］。

網(wǎng)絡(luò)對時方式分為網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議/簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP/SNTP）對時方式和IEEE 1588對時方式。網(wǎng)絡(luò)對時方式的授時精度因所采用協(xié)議的不同而有所差異，其中網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）授時精度可達到50 ms；簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（SNTP）授時精度可達到1s；精確時間協(xié)議（PTP）授時精度可達到1μs［8］。

1.1.3 時間同步網(wǎng)及系統(tǒng)構(gòu)成

電力系統(tǒng)時間同步網(wǎng)由設(shè)置在各級電網(wǎng)的調(diào)度機構(gòu)、變電站/發(fā)電廠等的時間同步系統(tǒng)組成。時間同步網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在滿足技術(shù)要求的條件下，網(wǎng)內(nèi)的時間同步系統(tǒng)可通過通信網(wǎng)絡(luò)接收上一級時間同步系統(tǒng)發(fā)出的有線時間基準(zhǔn)信號，也能對下一級時間同步系統(tǒng)提供有線時間基準(zhǔn)信號，從而實現(xiàn)全網(wǎng)范圍內(nèi)有關(guān)設(shè)備的時間同步。

圖1 時間同步網(wǎng)結(jié)構(gòu)

變電站時間同步系統(tǒng)構(gòu)成有多種組網(wǎng)方式，其典型形式有最小系統(tǒng)方式、互備系統(tǒng)方式和互備主從系統(tǒng)方式3種。隨著數(shù)字化變電站內(nèi)各類二次設(shè)備對時間同步系統(tǒng)高可靠性要求的不斷提高，新建變電站的時間同步系統(tǒng)已基本全部采用互備主從系統(tǒng)方式進行組網(wǎng)。互備主從系統(tǒng)組網(wǎng)方式如圖2所示。該組網(wǎng)方式由互為備用的2臺主時鐘及若干從時鐘構(gòu)成，每臺主時鐘同時接收天基授時信號和有線時間基準(zhǔn)信號，對位于不同地點的從時鐘進行授時。從時鐘同時接收2臺主時鐘提供的時間基準(zhǔn)信號，通過不同的傳輸介質(zhì)為變電站內(nèi)各類二次設(shè)備及系統(tǒng)提供對時信號。

圖2 互備主從系統(tǒng)構(gòu)成

1.2 需要解決的問題

根據(jù)以上關(guān)于時間同步系統(tǒng)的分析，當(dāng)前電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)及廠站時間同步體系處于開環(huán)狀態(tài)，廠站設(shè)備的時間是否與時鐘源保持一致無法得到有效的反饋。同時，分布于不同區(qū)域的廠站之間時間同步裝置到底與標(biāo)準(zhǔn)時間源存在多大的差異，設(shè)備運行維護管理部門無法精確掌握，在進行電網(wǎng)事故分析時，時間數(shù)據(jù)也不具備可參考的依據(jù)。為此，如何利用子站現(xiàn)有的自動化或通信設(shè)備進行站端時間同步系統(tǒng)的監(jiān)測，以提升現(xiàn)場各類二次設(shè)備的對時精度，是當(dāng)前迫切需要解決的問題。

2 基于調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的時間監(jiān)測系統(tǒng)

基于調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的時間監(jiān)測系統(tǒng)主要由變電站內(nèi)部、變電站之間的時間監(jiān)測系統(tǒng)及傳輸通道構(gòu)成。調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)是為電力調(diào)度生產(chǎn)服務(wù)的專用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，是實現(xiàn)各級調(diào)控中心之間以及調(diào)控中心與廠站之間實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸和交換的基礎(chǔ)設(shè)施。通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)實現(xiàn)子站時間同步系統(tǒng)的實時監(jiān)測，是一種低成本、低風(fēng)險和簡單高效的方法。

2.1 變電站內(nèi)部時間監(jiān)測系統(tǒng)

變電站內(nèi)部時間監(jiān)測主要通過在變電站部署時間監(jiān)測單元來完成。時間監(jiān)測單元通過接收GPS、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的雙模定時信號，具備多路秒脈沖、直流電B碼的測試功能，可以測量現(xiàn)有變電站時鐘的各種性能，包括站內(nèi)不同廠家的GPS、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的接收性能，串行時間信息輸出格式及性能，主備時鐘、擴展單元、用戶終端的同步性能等。時間監(jiān)測單元本身具備精確時間協(xié)議（PTP）測試功能。可以測量數(shù)字化變電站PTP時間服務(wù)器和用戶接收終端的同步性能。變電站內(nèi)時間監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。變電站實時時間監(jiān)測單元將變電站內(nèi)的各個時鐘輸出信號接入其中，通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與上級中心監(jiān)測服務(wù)器的通信。同時，站內(nèi)時間監(jiān)測單元也應(yīng)有標(biāo)準(zhǔn)的時鐘輸入信號源作為基準(zhǔn)信號。

圖3 變電站內(nèi)部時間監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

通過在每個變電站配置1臺時間監(jiān)測單元，用來監(jiān)測變電站內(nèi)現(xiàn)有的時間同步裝置，變電站內(nèi)現(xiàn)有的時間同步裝置傳輸1個秒脈沖信號給時間監(jiān)測單元，時間監(jiān)測單元把測量到的值通過電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)傳輸至位于調(diào)度主站的的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。

時間監(jiān)測單元通過鎖定北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)或GPS獲得標(biāo)準(zhǔn)的時間源，其鎖定衛(wèi)星后的自身精度可以達到±50 ns，秒脈沖測量精度為±25 ns［9］。作為監(jiān)測變電站時間同步系統(tǒng)的裝置，前提是需要有良好的測量精度和精準(zhǔn)穩(wěn)定的自身精度。時間監(jiān)測單元最大支持6組被測量時間信號的輸入，其中每組信號包括一個秒脈沖信號、一個直流電B碼信號，將原有主時鐘或擴展時鐘設(shè)備的輸出信號（包括直流B碼、秒脈沖）通過同軸電纜接入時間監(jiān)測單元的直流電B碼輸入口和秒脈沖輸入口。每一臺時間監(jiān)測單元將測量的實時數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)管系統(tǒng)，每一臺時鐘的實時精度通過網(wǎng)管系統(tǒng)實時地在管理終端上以列表和曲線的方式直觀地顯示出來。

時間監(jiān)測單元除實時監(jiān)測外，還可作為備用的基準(zhǔn)時鐘。當(dāng)被監(jiān)測的站內(nèi)時間同步裝置發(fā)生故障時，可自動將時間源切換到時間監(jiān)測單元，進行時間源冗余保護。

時間監(jiān)測單元具備網(wǎng)絡(luò)接口，通過電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)中的非實時業(yè)務(wù)，將測試數(shù)據(jù)和結(jié)果通過標(biāo)準(zhǔn)的IP協(xié)議傳輸至調(diào)度主站的中心時間監(jiān)測服務(wù)器。

2.2 變電站間的時間監(jiān)測系統(tǒng)

各變電站之間的時間監(jiān)測系統(tǒng)由中心時間監(jiān)測服務(wù)器、監(jiān)測管理終端、各個變電站內(nèi)的實時時間監(jiān)測單元及傳輸網(wǎng)絡(luò)組成。其中，中心時間監(jiān)測服務(wù)器、監(jiān)測管理終端部署于調(diào)度主站，整個測試數(shù)據(jù)及配置管理基于現(xiàn)有的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)，實時的測試由時間監(jiān)測單元在站內(nèi)完成，監(jiān)測管理終端可通過網(wǎng)絡(luò)訪問時間監(jiān)測單元，設(shè)置測量參數(shù)及觀察測量數(shù)據(jù)。變電站之間的時間監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。通過現(xiàn)有的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)不同區(qū)域和主站監(jiān)測管理終端的連接，確保各個子站監(jiān)測信號的正確及時上送。

圖4 變電站間時間監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

其中，調(diào)度主站系統(tǒng)是“實時時間監(jiān)測系統(tǒng)”最直觀、最全面、最有效的監(jiān)測管理平臺。可以通過網(wǎng)管終端全面地掌握所有變電站時間同步裝置的運行狀況，可以查詢和分析授時設(shè)備發(fā)生故障的順序，及時了解站內(nèi)時間同步裝置對時精度偏離值的大小，還可以對站內(nèi)時間監(jiān)測單元進行必要的配置和管理。

調(diào)度主站系統(tǒng)包括網(wǎng)管硬件和網(wǎng)管軟件。主站系統(tǒng)硬件采用配置有數(shù)據(jù)庫模塊的高性能服務(wù)器，網(wǎng)管軟件采用SyncALL-RTM實時時間監(jiān)測軟件。SyncALL-RTM實時時間監(jiān)測系統(tǒng)基于開放系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，是一套系統(tǒng)完整、性能可靠、技術(shù)成熟、功能完善并相對獨立的系統(tǒng)。系統(tǒng)功能包括數(shù)據(jù)的自動采集、遠傳、合理性檢查、存儲、統(tǒng)計、分析處理、系統(tǒng)自診斷等功能。該系統(tǒng)具有靈活的配置，良好的可擴性、開放性，良好的人機界面，并且可以方便地擴充升級。

2.3 傳輸通道

實時時間監(jiān)測系統(tǒng)以電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)為主要的傳輸通道，通過接入調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)非實時業(yè)務(wù)交換機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的對上傳輸。由于該業(yè)務(wù)是通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)進行信息傳輸，在電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護方面需通過生產(chǎn)控制大區(qū)的非實時設(shè)備進行傳輸，業(yè)務(wù)接入遵循文獻［10］的相關(guān)要求。故時間監(jiān)測單元需提供1個RJ45以太網(wǎng)通信接口和1個RS232本地串口通信接口。由于時間監(jiān)測單元測量的是變電站時鐘裝置與標(biāo)準(zhǔn)參考信號的實時偏差值，并且原始記錄都包含了測量點的精準(zhǔn)時刻，因此，傳輸通道的時延對測量結(jié)果并沒有任何影響。

3 效果評價

目前，基于調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的變電站時間監(jiān)測系統(tǒng)已完成部署，主站和廠站的硬件和軟件均已搭建調(diào)試完畢，通過接入主時鐘輸出的直流B碼或秒脈沖時間信號，完成了18臺時間同步主時鐘的在線監(jiān)測，實現(xiàn)了9座330 kV及以上電壓等級變電站主時鐘的同步監(jiān)測。截至目前，系統(tǒng)各項功能運行正常，已收到采集數(shù)據(jù)近5 000萬次，發(fā)現(xiàn)問題38項。與未部署時間監(jiān)測系統(tǒng)相比，基于調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的變電站時間監(jiān)測系統(tǒng)成功實現(xiàn)了寧夏電網(wǎng)330 kV及以上電壓等級變電站時鐘的實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)了部分變電站時鐘設(shè)備時間精度的細微偏差，成功處理了諸如時鐘源丟失、對時偏差過大等缺陷38項，實現(xiàn)了提前預(yù)警的基本目標(biāo)，提升了子站時間同步系統(tǒng)的運行可靠性。

4 結(jié)論

（1）基于調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的變電站時間監(jiān)測系統(tǒng)填補了目前利用調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)進行廠站時鐘監(jiān)測和管理的技術(shù)空白區(qū)，符合國家電網(wǎng)公司關(guān)于強化電力系統(tǒng)時間同步監(jiān)測管理工作的總體思路和要求。

（2）基于調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的變電站時間監(jiān)測系統(tǒng)，充分利用現(xiàn)有調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，節(jié)約了廣域范圍內(nèi)眾多廠站時間同步監(jiān)測的成本，真正達到了低成本、低風(fēng)險和簡單高效的實時監(jiān)測目的，提升了現(xiàn)有調(diào)度自動化設(shè)備的利用水平。

（3）基于調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的變電站時間監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建起一整套關(guān)于廠站時間同步系統(tǒng)監(jiān)測的管理制度和技術(shù)規(guī)定，進一步提升了調(diào)度自動化設(shè)備，尤其是時間同步系統(tǒng)的綜合管理水平。

［1］ 曹茂昇,高伏英.電網(wǎng)調(diào)度自動化主站維護（下）[M].北京：中國電力出版社，2012:570.

［2］ 周宇植.電網(wǎng)調(diào)度自動化廠站端調(diào)試檢修（下）[M].北京：中國電力出版社，2013:488.

［3］ 李智育,李會祥,李恒,等.電網(wǎng)調(diào)度自動化設(shè)備維護1000問[M].北京：中國電力出版社，2013:316.

［4］ 曲藝,陳德豐,李鵬里.變電站時間同步系統(tǒng)配置方案研究[J].東北電力技術(shù)，2016,37(4):47.

［5］ 陳飛,孫云.500 kV變電站時間同步系統(tǒng)設(shè)計[J].電力系統(tǒng)自動化，2004,28(22):97.

［6］ 田云飛，余泳，張中丹，等.330 kV變電站同步系統(tǒng)組網(wǎng)方式研究[J].信息通信，2016（7）:308.

［7］ 韓本帥,孫中尉,崔海鵬,等.智能變電站過程層時間同步方式研究[J].中國電力，2012,45(11):89.

［8］ 馮正偉,何祥文，楊鑫.智能變電站時間同步系統(tǒng)異常分析[J].浙江電力，2014（9）:23.

［9］ Q/GDW 11539—2016，電力系統(tǒng)時間同步及監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].

［10］國家能源局.電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護總體方案[Z].北京：國家能源局，2015.

Research of substation time monitoring technology based on dispatching data network

YIN Liang1,MA Jun2，ZHANG Hongjie2,SHI Jiafeng2,WANG Pinghuan2
（1.Power Research Institute of State Grid Ningxia Power Co.,Yinchuan Ningxia 750011,China; 2..Dispatching&Control Center of State Grid Ningxia Power Co.,Yinchuan Ningxia 750001,China）

Aiming at the problem of real-time monitoring management of the substation time synchronous device,analyzes the substation time synchronous system,adopts time monitoring unit to make real-time supervisory,develops the substation time monitoring system based on dispatching data network.The application result shows that the monitoring system can realize real-time accurate monitoring for substation time synchronous devices,improves the safe operation level of the site automatic equipments.

time synchronous system;time monitoring system;dispatching data network

TM73

A

1672-3643（2017）03-0055-05

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.03.011

2017-03-28

尹亮（1986），男，工程師，從事電力系統(tǒng)調(diào)度自動化研究工作。

有效訪問地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.03.011