分析電力系統中的時(shí)鐘同步技術(shù)

電力系統是時(shí)間相關(guān)系統,無(wú)論電壓、電流、相角、功角變化,都是基于時(shí)間軸的波形。近年來(lái),超臨界、超超臨界機組相繼并網(wǎng)運行,大區域電網(wǎng)互聯(lián),特高壓輸電技術(shù)得到發(fā)展。電網(wǎng)安全穩定運行對電力自動(dòng)化設備提出了新的要求,特別是對時(shí)間同步,要求繼電保護裝置、自動(dòng)化裝置、安全穩定控制系統、能量管理系統和生產(chǎn)信息管理系統等基于統一的時(shí)間基準運行,以滿(mǎn)足同步采樣、系統穩定性判別、線(xiàn)路故障定位、故障錄波、故障分析與事故反演時(shí)間一致性要求。確保線(xiàn)路故障測距、相量和功角動(dòng)態(tài)監測、機組和電網(wǎng)參數校驗的準確性,以及電網(wǎng)事故分析和穩定控制水平,提高運行效率及其可靠性。未來(lái)數字電力技術(shù)的推廣應用,對時(shí)間同步的要求會(huì )更高。

1電力系統時(shí)間同步概況

目前,電力系統中的時(shí)間同步處于變電站內GPS統一的狀態(tài),甚至有很多老舊變電站還沒(méi)有實(shí)現GPS統一,需要對時(shí)的每套設備都配置一套獨立的時(shí)鐘系統。由于GPS設備品牌不同,性能不統一,造成站內、站與站之間時(shí)間不統一。這些時(shí)間接收系統相互間不通用。無(wú)法互為備份,使得整個(gè)系統的可靠性無(wú)法保證。為了逐步實(shí)現全電網(wǎng)的同一時(shí)間,有必要在發(fā)電廠(chǎng)、變電站、控制中心、調度中心建立集中和統一的電力系統時(shí)間同步系統,而且該系統應能基于不同的授時(shí)源建立時(shí)間同步并互為熱備用。

2電力系統對時(shí)間同步的需求

電力自動(dòng)化設備對時(shí)間同步精度有不同的要求。一般而言,電力系統授時(shí)精度大致分為4類(lèi):

(1)時(shí)間同步準確度不大于1μs:包括線(xiàn)路行波故障測距裝置、同步相量測量裝置、雷電定位系統、電子式互感器的合并單元等。

(2)時(shí)間同步準確度不大于1ms:包括故障錄波器、SOE裝置、電氣測控單元、RTU、功角測量系統(40μs)、保護測控一體化裝置、事件順序記錄裝置等。

(3)時(shí)間同步準確度不大于10ms:包括微機保護裝置、安全自動(dòng)裝置、饋線(xiàn)終端裝置(FTU)、變壓器終端裝置(TTU)、配電網(wǎng)自動(dòng)化系統等。

(4)時(shí)間同步準確度不大于1s:包括電能量采集裝置、負荷,用電監控終端裝置、電氣設備在線(xiàn)狀態(tài)檢測終端裝置或自動(dòng)記錄儀、控制,調度中心數字顯示時(shí)鐘、火電廠(chǎng)和水電廠(chǎng)以及變電站計算機監控系統、監控與數據采集(sCADA),EMS、電能量計費系統(PBS)、繼電保護及保障信息管理系統主站、電力市場(chǎng)技術(shù)支持系統等主站、負荷監控,用電管理系統主站、配電網(wǎng)自動(dòng)化,管理系統主站、調度管理信息系統(DMlS)、企業(yè)管理信息系統(MlS)等。

3目前電力系統內時(shí)間同步技術(shù)

電力系統設備常用的對時(shí)方式有以下4種:

(1)脈沖對時(shí)

也稱(chēng)硬對時(shí),是利用脈沖的準時(shí)沿(上升沿或下降沿)來(lái)校準被授時(shí)設備。常用的脈沖對時(shí)信號有1PPS和分脈沖(1PPM),有些情況下也會(huì )用時(shí)脈沖(1PPH),其中1PPM和1PPH也可以通過(guò)累計1PPS得到。

脈沖對時(shí)的優(yōu)點(diǎn)是授時(shí)精度高,使用被動(dòng)點(diǎn)時(shí),適應性強;缺點(diǎn)是只能校準到秒(用1PPS),其余數據需要人工預置。

(2)串口報文對時(shí)

也稱(chēng)軟對時(shí),是利用一組時(shí)間數據(年、月、日、時(shí)、分、秒)按一定的格式(速率和順序等),通過(guò)串行通信接口發(fā)送給被授時(shí)裝置,被授時(shí)裝置利用這組數據預置其內部時(shí)鐘。常用的串行通信接口為RS-232和RS-422/RS-485。

串口報文對時(shí)的優(yōu)點(diǎn)是數據全面,不需要人工預置;缺點(diǎn)是授時(shí)精度低,報文的格式需要授時(shí)和被授時(shí)裝置雙方約定。

目前,很多場(chǎng)合采用以上2種方式的組合方式,從而可以充分利用兩者的優(yōu)點(diǎn),克服兩者的缺點(diǎn)。

(3)時(shí)間編碼方式對時(shí)

為了解決前2種對時(shí)方式的矛盾,在實(shí)際應用中常采取2種對時(shí)方式結合的方法,即串口+脈沖。這種方式的缺點(diǎn)是需要傳送2個(gè)信號。為了更好地解決這個(gè)矛盾,采用國際通用時(shí)間格式碼,將脈沖對時(shí)的準時(shí)沿和串口報文對時(shí)的那組時(shí)間數據結合在一起,構成一個(gè)脈沖串,來(lái)傳輸時(shí)間信息。被授時(shí)設備可以從這個(gè)脈沖串中解析出準時(shí)沿和一組時(shí)間數據。這就是目前常用的IRIG-B碼,簡(jiǎn)稱(chēng)B碼。

時(shí)間編碼方式對時(shí)的優(yōu)點(diǎn)是數據全面。對時(shí)精度高,不需要人工預置;缺點(diǎn)是編碼相對復雜。

(4)網(wǎng)絡(luò )方式對時(shí)

網(wǎng)絡(luò )方式對時(shí)基于網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議(NTP)、精確時(shí)間協(xié)議(PTP)。目前,簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議(SNTP)應用較多。網(wǎng)絡(luò )時(shí)鐘傳輸的是以1900年1月1 日0時(shí)0分0秒算起時(shí)間戳的用戶(hù)數據協(xié)議(UDP)報文。用64位表示,前32位為秒,后32位為秒等分數。網(wǎng)絡(luò )中報文往返時(shí)間是可以估算的,因而采用補償算法可以達到精確對時(shí)的目的。網(wǎng)絡(luò )授時(shí)方式可以為接入網(wǎng)絡(luò )的任何系統提供對時(shí),其中NTP授時(shí)精度可達到50ms,PTP授時(shí)精度可達到 1μs,SNTP授時(shí)精度可達到1s。

網(wǎng)絡(luò )方式對時(shí)的優(yōu)點(diǎn)是基于現有網(wǎng)絡(luò ),物理實(shí)現方便;缺點(diǎn)是高精度補償算法復雜。

上述4種授時(shí)方式各有優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際應用中,在滿(mǎn)足同步精度要求的前提下,考慮到經(jīng)濟性,采用組合方式授時(shí),即在一套運行管理系統中并存多種方式,可以充分應用授時(shí)時(shí)鐘能夠提供的信息。