淺談電力系統中的時鐘同步技術
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汪明達1由 分享
電力系統是時間相關系統,無論電壓、電流、相角、功角變化,都是基于時間軸的波形。近年來,超臨界、超超臨界機組相繼并網運行,大區域電網互聯,特高壓輸電技術得到發展。電網安全穩定運行對電力自動化設備提出了新的要求,特別是對時間同步,要求繼電保護裝置、自動化裝置、安全穩定控制系統、能量管理系統和生產信息管理系統等基于統一的時間基準運行,以滿足同步采樣、系統穩定性判別、線路故障定位、故障錄波、故障分析與事故反演時間一致性要求。確保線路故障測距、相量和功角動態監測、機組和電網參數校驗的準確性,以及電網事故分析和穩定控制水平,提高運行效率及其可靠性。未來數字電力技術的推廣應用,對時間同步的要求會更高。
1 電力系統時間同步概況
目前,電力系統中的時間同步處于變電站內GPS統一的狀態,甚至有很多老舊變電站還沒有實現GPS統一,需要對時的每套設備都配置一套獨立的時鐘系統。由于GPS設備品牌不同,性能不統一,造成站內、站與站之間時間不統一。這些時間接收系統相互間不通用。無法互為備份,使得整個系統的可靠性無法保證。為了逐步實現全電網的同一時間,有必要在發電廠、變電站、控制中心、調度中心建立集中和統一的電力系統時間同步系統,而且該系統應能基于不同的授時源建立時間同步并互為熱備用。
2 電力系統對時間同步的需求
電力自動化設備對時間同步精度有不同的要求。一般而言,電力系統授時精度大致分為4類:
(1)時間同步準確度不大于1μs:包括線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)時間同步準確度不大于10ms:包括微機保護裝置、安全自動裝置、饋線終端裝置(FTU)、變壓器終端裝置(TTU)、配電網自動化系統等。
(4)時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、電氣設備在線狀態檢測終端裝置或自動記錄儀、控制,調度中心數字顯示時鐘、火電廠和水電廠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、電力市場技術支持系統等主站、負荷監控,用電管理系統主站、配電網自動化,管理系統主站、調度管理信息系統(DMlS)、企業管理信息系統(MlS)等。
3 目前電力系統內時間同步技術
電力系統設備常用的對時方式有以下4種:
(1)脈沖對時
也稱硬對時,是利用脈沖的準時沿(上升沿或下降沿)來校準被授時設備。常用的脈沖對時信號有1PPS和分脈沖(1PPM),有些情況下也會用時脈沖(1PPH),其中1PPM和1PPH也可以通過累計1PPS得到。
脈沖對時的優點是授時精度高,使用被動點時,適應性強;缺點是只能校準到秒(用1PPS),其余數據需要人工預置。
(2)串口報文對時
也稱軟對時,是利用一組時間數據(年、月、日、時、分、秒)按一定的格式(速率和順序等),通過串行通信接口發送給被授時裝置,被授時裝置利用這組數據預置其內部時鐘。常用的串行通信接口為RS-232和RS-422/RS-485。
串口報文對時的優點是數據全面,不需要人工預置;缺點是授時精度低,報文的格式需要授時和被授時裝置雙方約定。
目前,很多場合采用以上2種方式的組合方式,從而可以充分利用兩者的優點,克服兩者的缺點。
(3)時間編碼方式對時
為了解決前2種對時方式的矛盾,在實際應用中常采取2種對時方式結合的方法,即串口+脈沖。這種方式的缺點是需要傳送2個信號。為了更好地解決這個矛盾,采用國際通用時間格式碼,將脈沖對時的準時沿和串口報文對時的那組時間數據結合在一起,構成一個脈沖串,來傳輸時間信息。被授時設備可以從這個脈沖串中解析出準時沿和一組時間數據。這就是目前常用的IRIG-B碼,簡稱B碼。
時間編碼方式對時的優點是數據全面。對時精度高,不需要人工預置;缺點是編碼相對復雜。
(4)網絡方式對時
網絡方式對時基于網絡時間協議(NTP)、精確時間協議(PTP)。目前,簡單網絡時間協議(SNTP)應用較多。網絡時鐘傳輸的是以1900年1月1日0時0分0秒算起時間戳的用戶數據協議(UDP)報文。用64位表示,前32位為秒,后32位為秒等分數。網絡中報文往返時間是可以估算的,因而采用補償算法可以達到精確對時的目的。網絡授時方式可以為接入網絡的任何系統提供對時,其中NTP授時精度可達到50ms,PTP授時精度可達到1μs,SNTP授時精度可達到1s。
網絡方式對時的優點是基于現有網絡,物理實現方便;缺點是高精度補償算法復雜。
上述4種授時方式各有優點。實際應用中,在滿足同步精度要求的前提下,考慮到經濟性,采用組合方式授時,即在一套運行管理系統中并存多種方式,可以充分應用授時時鐘能夠提供的信息。
1 電力系統時間同步概況
目前,電力系統中的時間同步處于變電站內GPS統一的狀態,甚至有很多老舊變電站還沒有實現GPS統一,需要對時的每套設備都配置一套獨立的時鐘系統。由于GPS設備品牌不同,性能不統一,造成站內、站與站之間時間不統一。這些時間接收系統相互間不通用。無法互為備份,使得整個系統的可靠性無法保證。為了逐步實現全電網的同一時間,有必要在發電廠、變電站、控制中心、調度中心建立集中和統一的電力系統時間同步系統,而且該系統應能基于不同的授時源建立時間同步并互為熱備用。
2 電力系統對時間同步的需求
電力自動化設備對時間同步精度有不同的要求。一般而言,電力系統授時精度大致分為4類:
(1)時間同步準確度不大于1μs:包括線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)時間同步準確度不大于10ms:包括微機保護裝置、安全自動裝置、饋線終端裝置(FTU)、變壓器終端裝置(TTU)、配電網自動化系統等。
(4)時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、電氣設備在線狀態檢測終端裝置或自動記錄儀、控制,調度中心數字顯示時鐘、火電廠和水電廠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、電力市場技術支持系統等主站、負荷監控,用電管理系統主站、配電網自動化,管理系統主站、調度管理信息系統(DMlS)、企業管理信息系統(MlS)等。
3 目前電力系統內時間同步技術
電力系統設備常用的對時方式有以下4種:
(1)脈沖對時
也稱硬對時,是利用脈沖的準時沿(上升沿或下降沿)來校準被授時設備。常用的脈沖對時信號有1PPS和分脈沖(1PPM),有些情況下也會用時脈沖(1PPH),其中1PPM和1PPH也可以通過累計1PPS得到。
脈沖對時的優點是授時精度高,使用被動點時,適應性強;缺點是只能校準到秒(用1PPS),其余數據需要人工預置。
(2)串口報文對時
也稱軟對時,是利用一組時間數據(年、月、日、時、分、秒)按一定的格式(速率和順序等),通過串行通信接口發送給被授時裝置,被授時裝置利用這組數據預置其內部時鐘。常用的串行通信接口為RS-232和RS-422/RS-485。
串口報文對時的優點是數據全面,不需要人工預置;缺點是授時精度低,報文的格式需要授時和被授時裝置雙方約定。
目前,很多場合采用以上2種方式的組合方式,從而可以充分利用兩者的優點,克服兩者的缺點。
(3)時間編碼方式對時
為了解決前2種對時方式的矛盾,在實際應用中常采取2種對時方式結合的方法,即串口+脈沖。這種方式的缺點是需要傳送2個信號。為了更好地解決這個矛盾,采用國際通用時間格式碼,將脈沖對時的準時沿和串口報文對時的那組時間數據結合在一起,構成一個脈沖串,來傳輸時間信息。被授時設備可以從這個脈沖串中解析出準時沿和一組時間數據。這就是目前常用的IRIG-B碼,簡稱B碼。
時間編碼方式對時的優點是數據全面。對時精度高,不需要人工預置;缺點是編碼相對復雜。
(4)網絡方式對時
網絡方式對時基于網絡時間協議(NTP)、精確時間協議(PTP)。目前,簡單網絡時間協議(SNTP)應用較多。網絡時鐘傳輸的是以1900年1月1日0時0分0秒算起時間戳的用戶數據協議(UDP)報文。用64位表示,前32位為秒,后32位為秒等分數。網絡中報文往返時間是可以估算的,因而采用補償算法可以達到精確對時的目的。網絡授時方式可以為接入網絡的任何系統提供對時,其中NTP授時精度可達到50ms,PTP授時精度可達到1μs,SNTP授時精度可達到1s。
網絡方式對時的優點是基于現有網絡,物理實現方便;缺點是高精度補償算法復雜。
上述4種授時方式各有優點。實際應用中,在滿足同步精度要求的前提下,考慮到經濟性,采用組合方式授時,即在一套運行管理系統中并存多種方式,可以充分應用授時時鐘能夠提供的信息。