童大中，唐 明，韓 磊，周開運(yùn)，朱開成

（國網(wǎng)湖州供電公司，浙江 湖州 313000）

0 引 言

隨著變電站智能化水平不斷提高，統(tǒng)一時(shí)間就顯得愈發(fā)重要，這是如果所有設(shè)備都在一個(gè)高同步性的時(shí)間下運(yùn)行，將有助于故障發(fā)生后的分析和事故還原。為實(shí)現(xiàn)時(shí)間一致性的目標(biāo)，需要建立變電站對時(shí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能為站內(nèi)各設(shè)備提供精準(zhǔn)的時(shí)鐘源。然而，對時(shí)系統(tǒng)故障發(fā)生率較高，且發(fā)生故障的環(huán)節(jié)較多，故障處置難度也較大。本文通過對變電站對時(shí)系統(tǒng)的分析，同時(shí)結(jié)合科技創(chuàng)新開展常見對時(shí)系統(tǒng)故障處置方式的相關(guān)研究[1]。

1 變電站主流對時(shí)系統(tǒng)介紹

當(dāng)前，變電站主流對時(shí)系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)，即站控層使用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（Network Time Protocol，NTP）對時(shí)，間隔層、過程層使用IRIG-B（Inter-Range Instrumentation Group-B）碼對時(shí)，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。站控層設(shè)備如監(jiān)控主機(jī)、五防主機(jī)、遠(yuǎn)動(dòng)主機(jī)、錄波主機(jī)等，均通過站控層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行NTP對時(shí)；間隔層設(shè)備如繼電保護(hù)、測控、故障錄波、電度表等均通過IRIG-B（電口）對時(shí)；過程層設(shè)備如合并單元、智能終端均通過IRIG-B（光口）對時(shí)[2]。

圖1 變電站主流對時(shí)系統(tǒng)

1.1 脈沖對時(shí)

脈沖對時(shí)分為秒脈沖（Pulse Per Second，PPS）、分脈沖（Pulse Per Minute，PPM）、時(shí)脈沖（Pulse Per Hour，PPH），一般采用無源接點(diǎn)，由北斗同步時(shí)鐘裝置每秒（分等）輸出一個(gè)脈沖到空接點(diǎn)，被授時(shí)設(shè)備在相應(yīng)時(shí)刻進(jìn)行整點(diǎn)清零來進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)。目前，在某些還未改造完成的變電站里，還存在部分脈沖對時(shí)設(shè)備，該方式存在精度不高、不能時(shí)分秒同時(shí)對時(shí)等缺點(diǎn)，已經(jīng)逐步被淘汰。

1.2 IRIG-B對時(shí)

IRIG-B對時(shí)根據(jù)傳輸介質(zhì)不同分為電B碼和光B碼2種對時(shí)方式，分別如圖2所示。IRIG-B碼對時(shí)是變電站中最常用的對時(shí)方式，傳輸介質(zhì)可用電纜或者光纖。IRIG-B對時(shí)是一種精度很高并且含有絕對精準(zhǔn)時(shí)間信息的對時(shí)方式，對時(shí)設(shè)備通過對標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)星時(shí)鐘源的解析，將高精度時(shí)間轉(zhuǎn)換成BCD碼并解調(diào)成DC數(shù)字或AC正弦信號發(fā)送給設(shè)備對時(shí)，報(bào)文中不僅包含準(zhǔn)確的時(shí)間信息，還包括時(shí)間質(zhì)量、閏秒信息、夏時(shí)制、時(shí)區(qū)偏移等信息，授時(shí)精度高達(dá)1μs[3]。采用該種485總線的對時(shí)方式，不再需要時(shí)鐘裝置輸出大量脈沖接點(diǎn)信號，可以實(shí)現(xiàn)一對多授時(shí)，極大地簡化了現(xiàn)場的對時(shí)網(wǎng)絡(luò)[3]。

圖2 IRIG-B對時(shí)回路

1.3 網(wǎng)絡(luò)對時(shí)

IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)要求智能變電站采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對時(shí)方式，時(shí)間同步協(xié)議依賴于所選擇的具體通信服務(wù)映射（Specific Communication Services Mapping，SCSM），網(wǎng)絡(luò)對時(shí)協(xié)議有 NTP、IEEE 1588 PTP 等，目前主要采用NTP網(wǎng)絡(luò)對時(shí)協(xié)議[4]。

NTP網(wǎng)絡(luò)對時(shí)，對時(shí)裝置經(jīng)過對衛(wèi)星時(shí)鐘的處理，轉(zhuǎn)換成高精度的NTP格式網(wǎng)絡(luò)對時(shí)報(bào)文，直接通過交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)給站內(nèi)各服務(wù)器或者其他以接收以太網(wǎng)絡(luò)對時(shí)的設(shè)備授時(shí)。

2 變電站對時(shí)系統(tǒng)常見故障及處置方法

2.1 變電站對時(shí)系統(tǒng)常見故障分析

圖3為變電站對時(shí)系統(tǒng)常見故障分布，包括衛(wèi)星接收裝置、同步時(shí)鐘裝置、時(shí)鐘裝置發(fā)送模塊、對時(shí)通道回路和二次設(shè)備接收模塊組成，任一部分出現(xiàn)問題將造成二次設(shè)備對時(shí)故障。

圖3 變電站對時(shí)系統(tǒng)常見故障點(diǎn)

衛(wèi)星接收天線故障。衛(wèi)星接收天線用來接收衛(wèi)星發(fā)出的同步時(shí)鐘信號，運(yùn)行時(shí)間久之后可能存在短路或者斷路的問題，導(dǎo)致對時(shí)設(shè)備無法接收到衛(wèi)星信號。

衛(wèi)星接收天線與同步時(shí)鐘裝置的連接線故障。衛(wèi)星接收天線接收到衛(wèi)星的同步時(shí)鐘信號后，利用連接線向同步時(shí)鐘裝置傳遞。

（3）同步時(shí)鐘裝置內(nèi)部故障。同步時(shí)鐘裝置內(nèi)部故障的原因很多，可能的情況有電源插件故障、CPU插件故障、北斗/GPS天線輸入故障等，故障現(xiàn)象就是對時(shí)設(shè)備發(fā)不出各種對時(shí)信號或者時(shí)好時(shí)壞。

（4）同步時(shí)鐘發(fā)送模塊故障。同步時(shí)鐘的發(fā)送模塊根據(jù)對時(shí)方式來劃分，可分為電模塊、光模塊和以太網(wǎng)模塊等，發(fā)送模塊故障會(huì)造成對時(shí)系統(tǒng)故障。

（5）對時(shí)通道回路故障。對時(shí)通道回路包括電回路、光回路和以太網(wǎng)，對時(shí)回路故障將造成二次設(shè)備無法接收同步時(shí)鐘裝置的對時(shí)信號。

（6）二次設(shè)備接收模塊故障。二次設(shè)備對時(shí)接收模塊可分為電模塊、光模塊和以太網(wǎng)模塊，接收模塊故障會(huì)造成該設(shè)備無法接收同步時(shí)鐘裝置的對時(shí)信號[5]。

2.2 變電站對時(shí)系統(tǒng)故障一般處置方法分析

為了快速處置變電站對時(shí)系統(tǒng)故障，首要目標(biāo)是對故障點(diǎn)進(jìn)行定位。表1反映了對當(dāng)前6種可能出現(xiàn)故障的位置進(jìn)行判定的方法，其中只有同步時(shí)鐘裝置可以直接定位故障點(diǎn)，其余部分故障均不能直接判定，需要使用間接手段。如當(dāng)發(fā)生“二次設(shè)備接收模塊故障”，只要“同步時(shí)鐘裝置發(fā)送模塊故障”和“對時(shí)通道回路故障”任一種故障的可能性無法被排除，故障點(diǎn)就無法被準(zhǔn)確定位。

表1 當(dāng)前6種對時(shí)系統(tǒng)故障點(diǎn)判定方法

綜上所述，由于沒有專門的對時(shí)系統(tǒng)故障校驗(yàn)工具，同步時(shí)鐘裝置發(fā)送模塊、對時(shí)通道回路等故障無法直接判定，也沒有針對性高、可直接判定故障點(diǎn)的方法，需要更換同步時(shí)鐘裝置的發(fā)送模塊、發(fā)送接口、對時(shí)通道回路等，故障處理時(shí)容易受到現(xiàn)場各類實(shí)際條件的限制，導(dǎo)致變電站對時(shí)系統(tǒng)故障處置成功率較低[6]。

3 新型對時(shí)系統(tǒng)校驗(yàn)工具的研制

目前，因國內(nèi)沒有同時(shí)針對以上3種對時(shí)方式的手持式校驗(yàn)設(shè)備，檢修人員往往需要攜帶RS485通信電纜、ST光纖、以太網(wǎng)線等備件到現(xiàn)場進(jìn)行相關(guān)故障消缺。當(dāng)備品備件準(zhǔn)備不足時(shí)，故障處置就難以有效展開。如沒有對時(shí)系統(tǒng)校驗(yàn)工具，難以定位故障點(diǎn)的情況下，盲目地重復(fù)試驗(yàn)和更換對時(shí)系統(tǒng)中各接口和連接線也難以保證故障消除的成功率。

針對這類問題的處理方式和實(shí)際現(xiàn)場的功能需求，可以研究一種對時(shí)系統(tǒng)校驗(yàn)工具同步時(shí)鐘裝置。該裝置具有輸出各類對時(shí)信號的能力，站內(nèi)二次設(shè)備具有接收對時(shí)信號的能力，將二者相結(jié)合，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際使用習(xí)慣和便攜的考慮，可以極大地提升現(xiàn)場的消缺效率。該裝置主要由北斗/GPS定位授時(shí)模塊，B碼接收、發(fā)生及光電轉(zhuǎn)換模塊，液晶顯示模塊、鋰電池充放電模塊組成，具備多樣化的輸入輸出接口，可對變電站對時(shí)系統(tǒng)的多個(gè)部分進(jìn)行故障檢測，從而快速定位故障點(diǎn)。

手持式變電站對時(shí)系統(tǒng)校驗(yàn)工具同時(shí)具有對時(shí)信號的輸入和輸出能力，能覆蓋變電站所有對時(shí)方式，包括光、電IRIG-B碼輸入；光、電IRIG-B碼輸出；PPS輸入、輸出；NTP輸出。

為了更好地判斷故障，設(shè)備前面板設(shè)置4個(gè)功能按鍵，加減鍵可以隨時(shí)更改各個(gè)輸出口的時(shí)間，復(fù)位鍵可以隨時(shí)還原到當(dāng)前時(shí)間，校驗(yàn)鍵則可以隨時(shí)改變B碼輸出的奇偶校驗(yàn)。

各種LED的顯示及按鍵交互方式見圖4。

圖4 對時(shí)系統(tǒng)校驗(yàn)工具接口及交互方式

其中液晶顯示內(nèi)容，可以直觀地反映一些關(guān)鍵的時(shí)鐘信息，除了年月日時(shí)分秒，還有B碼校驗(yàn)方式、當(dāng)前時(shí)鐘源、衛(wèi)星數(shù)量等，現(xiàn)場消缺時(shí)可以更好給檢修人員提供參考。

另外，面板上各LED燈反應(yīng)校驗(yàn)裝置運(yùn)行工況及時(shí)鐘關(guān)鍵信息，具體定義如表2。

表2 對時(shí)系統(tǒng)校驗(yàn)工具指示燈功能描述

通過LED以及液晶顯示屏各種時(shí)鐘狀態(tài)指示，可以非常直觀地判斷對時(shí)系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的問題，為現(xiàn)場對時(shí)故障的消缺處理帶來極大的便利。

4 結(jié) 論

針對變電站對時(shí)系統(tǒng)消缺成功率低下的難題，通過分析變電站對時(shí)系統(tǒng)配置及常見消缺方法，結(jié)合新型手持式對時(shí)系統(tǒng)校驗(yàn)工具的研制，使其具備多種對時(shí)信號的輸入和輸出能力，能覆蓋變電站所有對時(shí)方式下的接口需求，為同步時(shí)鐘裝置發(fā)送模塊故障、對時(shí)通道回路故障、二次設(shè)備接收模塊故障等對時(shí)系統(tǒng)故障類型的判定，提供了針對性高、可直接判定故障點(diǎn)的方法。檢修人員無需通過不斷地重復(fù)試驗(yàn)來間接定位故障點(diǎn)，大大簡化了變電站對時(shí)系統(tǒng)故障消缺的處置方法，大幅度提高了變電站對時(shí)系統(tǒng)故障的消缺成功率。