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基于電網(wǎng)工頻分量周期值的時鐘同步技術(shù)

2020-06-22 11:27劇晶晶
通信電源技術(shù) 2020年7期
關(guān)鍵詞:工頻饋線時鐘

劇晶晶

(齊魯工業(yè)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

隨著我國電力系統(tǒng)的發(fā)展,風電、光伏發(fā)電等新型能源和儲能裝置開始越來越多地接入配電網(wǎng),使其運行模式變得越來越復雜。為保證配電網(wǎng)供電質(zhì)量和可靠性,需要不斷進行技術(shù)創(chuàng)新,提升電網(wǎng)性能,盡量降低因停電造成的社會經(jīng)濟損失。2016年國家發(fā)改委、國家能源局提出了《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的綱領(lǐng)性文件,針對配電網(wǎng)方面發(fā)改委和能源局提出“升級改造配電網(wǎng),推進智能電網(wǎng)建設(shè)”的目標,要求“滿足用電需求,提高供電質(zhì)量,著力解決配電網(wǎng)薄弱問題,促進智能互聯(lián),提高新能源消納能力,推動裝備升級與科技創(chuàng)新,加快構(gòu)建現(xiàn)代化配電網(wǎng)[1]”。這就要求在電網(wǎng)運行保護和故障定位等方面做進一步優(yōu)化,因此提出了智能配電網(wǎng)的概念。智能配電網(wǎng)可以智能優(yōu)化配置電力資源,且供電質(zhì)量和可靠性有所提高,符合我國能源戰(zhàn)略的需求,所以智能配電網(wǎng)是目前電力系統(tǒng)的重要研究方向。智能配電網(wǎng)中的饋線自動化是提升供電可靠性、減少短時停電的關(guān)鍵技術(shù)[2]。饋線上有多個配電終端,一切配電終端的統(tǒng)一協(xié)作均依賴于高精度的時間基準,采集到的線路數(shù)據(jù)信息才有效,才能正確反映饋線運行狀態(tài)[3]。因此,研究基于電網(wǎng)工頻分量周期值的時鐘同步技術(shù)很有必要。

1 時鐘同步技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

在電力系統(tǒng)實時控制中,時鐘同步作為基礎(chǔ)性條件尤其重要,同時可為電力系統(tǒng)的事后故障分析提供支持。一切電力設(shè)備的統(tǒng)一協(xié)作均依賴于高精度的時間基準。不同領(lǐng)域?qū)r間精度的要求各不相同,在電力系統(tǒng)中各設(shè)備對時鐘同步的精度要求一般在1 μs~ 1 s。

饋線自動化的主要設(shè)備為配電終端(FTU),安裝于饋線上分段開關(guān)處,是配電網(wǎng)自動化的重要組成部分。饋線自動化中的配電終端對饋線上的電力參數(shù)信息進行檢測反饋,實現(xiàn)控制分段開關(guān)的功能。電力參數(shù)信息要有嚴格的時效性,饋線中的故障判斷、隔離和非故障區(qū)域恢復供電都依賴高度的時間一致性,否則檢測反饋結(jié)果將無任何意義。

2 電網(wǎng)常見時鐘同步方式

目前,電力系統(tǒng)時鐘同步技術(shù)中,最主要是在變電站內(nèi)安裝GPS時間裝置,GPS衛(wèi)星上搭載有原子鐘。原子鐘時間與世界標準時間UTC一致,可作為一切配電終端的標準時鐘源,由其向變電站配電終端下發(fā)時鐘信息,變電站配電終端再將此信息下發(fā)給各饋線上配電終端。各饋線上配電終端在接收到標準時鐘后,會據(jù)此校正本地時鐘,使全網(wǎng)配電終端時鐘保持一致[4-5]。GPS衛(wèi)星授時是變電站內(nèi)時鐘對時的主要方式,變電站由此獲取母時鐘源,授時精確無誤差。常用的時鐘同步協(xié)議有IEC 60870-5-101/104對時方法、網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議NTP/SNTP、IEEE 1588對時協(xié)議等。其中,IEC 60870-5-101/104的對時方法網(wǎng)絡(luò)延遲難以計算,誤差較大,精度通常在10~50 ms。NTP/SNTP協(xié)議是時間同步的標準互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議,采用客戶端(Client)/服務器(Server)的工作方式,將其應用于配電自動化通信網(wǎng)絡(luò)中,對時精度在10 ms水平[6-7]。IEEE 1588對時精度較高,分為1588v1和1588v2兩個版本。1588v1版本時間同步精度可達亞毫秒級,1588v2版本時間同步精度可達亞微秒級[8],但要通過軟硬件結(jié)合的方式,成本也相應增加。

3 基于電網(wǎng)工頻分量周期值比對的時鐘同步技術(shù)

在電力系統(tǒng)實際運行中,由于電力系統(tǒng)中負荷的隨機波動,造成電網(wǎng)系統(tǒng)頻率的偏移。因此,系統(tǒng)頻率沒有絕對的穩(wěn)態(tài)。系統(tǒng)頻率偏移實質(zhì)是由于有功功率不平衡導致的。系統(tǒng)頻率實時偏移引起工頻分量周期值實時變化。電網(wǎng)工頻分量周期值實時變化,且在同一時刻不同地點采集計算的工頻分量周期值都是相同的。因此,通過工頻分量周期值比對可實現(xiàn)時鐘同步。本文利用電網(wǎng)工頻分量周期值作為參考量來研究時鐘對時的方法,能夠有效提高配電線路上不同配電終端之間的對時精度。

<1),且各件產(chǎn)品是否為不合格品相互獨立.

3.1 具體實現(xiàn)系統(tǒng)

變電站配電終端、饋線上配電終端(FTU)以及通信系統(tǒng),如圖1所示。通信網(wǎng)絡(luò)為各配電終端(FTU)之間的通信提供通道。

變電站母線處的FTU功能:實時監(jiān)測變電站母線上的電壓信息,并向饋線上配電終端下發(fā)標準時鐘源信息。

饋線上分段開關(guān)處的FTU功能:監(jiān)測并采集饋線上的電壓信息、開關(guān)分合狀態(tài),根據(jù)采集的數(shù)據(jù)分析判斷線路故障,同時接收標準時鐘源信息,以此校正饋線上FTU本地時鐘。

變電站母線處配電終端FTU0與變電站GPS直接連接,用于接收標準時鐘源信息。饋線1分段開關(guān)處的配電終端FTU11、FTU12、FTU13的時鐘信息始終與FTU0保持同步。所有配電終端都以AB線電壓信號為基礎(chǔ)。對時的時間戳由整數(shù)部分為頭32位、小數(shù)部分為后32位的64位無符號浮點數(shù)組成,以秒為單位,時間相對于1900年1月1日零點。

3.2 具體實施方案

系統(tǒng)對時方案如圖2所示。

(1)FTU0向同一饋線上所有配電終端(FTU11、FTU12、FTU13)發(fā)送標準時鐘源信息,以此同步饋線上的配電終端FTU11、FTU12、FTU13。

(2)FTU11向FTU0發(fā)送對時請求命令,同時FTU11開始采集AB線電壓信號并計算各周波工頻分量周期值,記錄每個周波的0°相位時刻。

圖1 饋線自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 配電終端對時通信過程圖

(3)FTU0收到對時請求命令后,開始采集AB線電壓信號并計算各周波工頻分量周期值,計算5個周波為止,并記錄第1個周波0°相位時刻T0和之后的連續(xù)5個周波的開始時刻T01~T05。

(4)連續(xù)5個周波的周期值計算完成后,F(xiàn)TU0向FTU11發(fā)送對時響應命令,命令信息包含第1個周波的起始時刻和連續(xù)5個周波的起始時刻。

(5)FTU11收到FTU0發(fā)送的對時應答命令后,停止周期值計算。

(6)FTU11根據(jù)收到的對時應答信息計算FTU0采集的5個周波周期值,利用相鄰兩個周波的起始時刻計算周期值t0i,t0i=T0i-T0i-1,i從1開始。

(7)FTU11根據(jù)本地的各周波起始時刻計算周期值t1i,t1i=T1i-T1i-1,i從 1 開始。

(8)FTU11從本地第1個周期值開始,第N-5個周期值結(jié)束,與FTU0采集的5個周期值進行逐一比對,分別計算:

其中,t1(i+k-1)表示FTU11記錄的周期值,t0(i)表示FTU0記錄的周期值,k表示FTU11記錄的第k個周期值,k從1開始。選取ρ值最小時對應的k,此刻認為FTU11第k個周波開始對應的時刻T1k-1與FTU0返回的時刻T0相同,時鐘偏差為Toffset=T0-T1k-1。

(9)FTU11時間校正方式T=T+Toffset。

(10)FTU12、FTU13等配電終端對時方案與FTU11相同,步驟重復(1)~(9)。

4 結(jié) 論

在電力系統(tǒng)中,一切電力設(shè)備的統(tǒng)一協(xié)作均依賴于高精度的時間基準。在饋線自動化中,配電終端之間的時鐘同步是基礎(chǔ)性要求。本文利用電網(wǎng)工頻分量周期值是時刻變化的且不同地點同一時刻的電網(wǎng)工頻分量周期值相同的特點,以電網(wǎng)工頻分量周期值作為參考量來研究智能電網(wǎng)中各配電終端的對時方法,能夠有效提高配電線路上不同配電終端之間的對時精度。

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