摘要：智能变电站时间同步技术利用时间同步系统为智能变电站中站控层、间隔层装置以及智能电子设备（IED）等提供可靠稳定的时间同步信息，同步数据的准确性直接影响测量数据的可用性和保护功能的品质。智能变电站目前主要采用1PPS、IRIG-B等单向时间信号或者基于网络的NTP网络时间协议。随着智能变电站对时间同步性能提出了更高要求，IEEE1588精确网络时间同步技术也被推广应用。评价智能变电站时间同步系统性能的标准是所有授时设备及被授时设备的时间准确度和稳定度。因此验证授时设备和被授时设备的准确度和稳定度是变电站的重要运维工作。目前智能变电站实际运行中，往往通过离线检查来判断时间同步设备和被授时设备是否满足时间同步性能的要求，这种检查方式只能说明设备在被检查时刻的准确度，不具备长期判断力。因此，为了在运行过程中能及时反应智能变电站时间同步系统的运行状态，对时间系统中授时设备和被授时设备在运行过程中出现的任何问题做到实时掌握和快速决策，建立对智能变电站时间同步系统的在线监测手段十分必要。
关键词：智能变电站；时间同步；在线监测
1时间同步技术
目前，智能变电站一般配置一套公用时间同步系统，主时钟双重化配置，支持北斗导航系统（BD）和全球定位系统（GPS）信号，且优先采用北斗导航系统。站控层设备采用NTP协议对时方式，间隔层和过程层设备则采用IRIG-B码对时方式。
1.1 网络时间协议（NTP）
NTP（Network Time Protocol）是使用最普遍的国际互联网时间传输协议[3]。属于 TCP/IP 协议族，是一种基于软件协议的同步方式。NTP 以客户机和服务器方式进行通信，根据客户机和服务器之间数据包所携带的时间戳确定时间误差，并通过一系列算法来消除网络传输不确定性的影响，进行动态时延补偿。时间准确度范围是：100~1 000 ms（广域网）、10~100 ms（城域网）、200 μs~10 ms（局域网）。NTP 属于跨越广域网或局域网的复杂的同步时间协议，采用的是客户机/服务器的往返时延（Round-trip）计算模式，客户机以传统的客户机/服务器方式周期性地向服务器请求时间信息报文，NTP协议的工作原理如图 1 所示：图 1 中，T1 表示客户端发送查询请求的客户端时间，T2 为服务器端收到同步请求的服务器时间，T3 为服务器端回送时间同步信息的服务器时间，T4表示客户端接收到同步信息的客户端时间，d 表示信息在网络上的延时，若用 θ 表示客户端和服务器端的时间偏差，则有：
在式（1）~（4）中，假定时间请求和回复信息在网上传播的时间相同。NTP 协议中 T1~T4 这几个时间标签信息，都是在客户机/服务器的应用层“加盖”的。由于传输延迟不仅包括了报文在网络上传输时延，又包括了数据帧被计算机处理时间。当上下行帧等长时，网络传输时延可以认为相等，但计算机处理时间既包括了对数据打包和解包，又包括系统中断响应时间和进度调度时间，由于客户机和服务器处理能力不同，故客户机和服务器之间报文往返传输延迟不是严格相等，这不可避免的会有因网络协议堆栈处理和操作系统多任务处理所带来的时间误差，其误差为毫秒级，所以通常认为 NTP 时间协议可达到毫秒级的对时精度。NTP 组网方式技术成熟，理论简单，实现方便，适用于电力系统 IP 网络已覆盖的站点，但由于 IP网的固有属性，其对时精度相对较低，不能满足变电站中对时间要求较高的装置比如合并单元的对时精度要求。
1.2 IRIG-B 码对时
IRIG 码是由美国国防部下属的靶场仪器组（IRIG）制定的一种对时标准[4]，目前已被广泛应用于军事、商业、工业等领域。IRIG 时间序列码分为 G，A，B，E，H，D 共六种编码格式，其中应用最广泛的是 IRIG-B 格式，简称 B 码。该编码的特点是以每秒1 次的频率发送包括日、时、分、秒等在内的时间信息，B 码信号是每秒一帧的时间串码。B 码的基本码元有“0” 码元、“1”码元和“P”码元，每个码元占用10 ms 的时间，一个时间帧串码包含 100 个码元。码元“0”和码元“1”对应的脉冲宽度分别为 2 ms 和 5 ms，“P”码元是位置码元，对应的脉冲宽度为 8 ms。在图2 中给出了 B 码的基本码元示意图。
B 码脉冲序列以连续两个“P”码元表明整秒的开始，第二个“P”码元的脉冲前沿是“准时”参考点，定义其为“Pr”。每 10 个码元有一个位置码元，每帧B 码中共有 10 个位置码元，分别定义为 P1，P2，…，P9，P0。B 码时间格式的时序为秒、分、时、日，所占信息位为秒 7 位、分 7 位、时 6 位、日 10 位，其位置在P0 ~ P5 之间。在一帧 B 码序列中若从 Pr 开始对码元进行编号，分别定义为第 0、1、2、…、99 码元，则“秒”信息位于第 1，2，3，4，6，7，8 码元，“分 ”信息位于第 10，11，12，13，15，16，17 码元，“时”信息位于第 20，21，22，23，25，26 码元，“日” 信息位于第30，31，32，33，35，36，37，38，40，41 码元。日、时、分、秒用二进制编码的十进制（BCD）码表示，个位在前，十位在后，个位与十位间有一个脉冲宽度为 2 ms的索引标志码元。控制功能码位于 P5~P8 之间。从P8 码元开始是纯二进制秒码（SBS），SBS 是直接用秒信号表示一日时间的时间编码方法，共 17 位二进制信号，每日重复。B 码对时采用直流电位携带码元信息，可通过专线进行传输，无传输距离限制。B 码对时的优点是时间精度高，其时间准确度范围为 10～1 000 μs；缺点是组网不灵活，需要进行点对点传输。B 码对时技术基本可以满足变电站内除行波测距和功角测量装置外大部分设备的对时精度要求，但由于采用固定时延补偿，需要对时延补偿量进行实时调整。
1.2.3 IEEE1588对时
IEEE1588的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”，该协议既可以只使用软件，亦可以同时使用硬件和软件配合的方式，以获得更准确的定时同步。IEEE1588是通过以太网同步时钟，提供亚微秒的对时精度。其对时过程一般包括两步：确定网络中提供主时钟的设备和通过计算主从时钟偏移量和网络延时修正从设备时钟。IEEE1588 协议在智能变电站过程层中的应用主要体现在利用 IEEE1588主时钟为过程层各合并单元提供PTP对时信号。
2 智能变电站时间同步系统设计
2.1 授时系统的选择
时间同步包括绝对时间同步和相对时间同步。前者是指与国 际 标 准 时 间（UTC-Universal Time Coordinated）同步，后者是指一个系统内的各部分时钟同步。GPS授时系统是目前卫星系统中商业化程度最高，市场占有率最多的卫星导航定位系统。但是 GPS 受美国限制，可靠性、自主性差。电力工业是国民经济的基础产业，是具有社会公用事业性质的行业。目前从授时系统可靠性考虑，同时采用GPS和北斗同时作为网络时钟源，以北斗对时为主、GPS为辅，且对时源可根据需要进行切换。天基和地面链路同步各有优缺点，天基技术成熟，但受环境及其他因素影响大；地面链路受通道运行环境变化影响大，两种方式结合起来将可以最大限度避免各种原因造成的影响，极大提高时间同步的准确度和可靠性。
2.2 智能变电站对时系统的结构
智能变电站内的对时系统，可以分为两种结构：网络发布式结构和点对点对时结构。时钟系统包括主时钟和从时钟，主时钟通过各种对时方式取得当前时间。网络发布式结构中，主时钟定期向网络上发布当前时间，各个设备直接通过网络取得当前时间；点对点结构则由主时钟直接向各个设备传送当前时间，而不经过网络发布。网络发布式结构简单，易于维护扩展，使用过程中需考虑网络阻塞、延迟等造成的不利影响。点对点结构要求主时钟接口较多，但可以避免网络传输造成的影响，因此，在实际应用中对时钟要求较高设备大多选用此方案。
3智能设备在线监测
智能变电站的设计规范完全采用 DL/T860标准体系结构，因此智能设备的通讯完全遵循DL / T860 的标准结构。由此，智能设备通过网络可以输出 GOOSE、SMV 等信息，而这些信息又带有鲜明的时间信息，这就为在线监测这些智能设备提供了时间依据。DL/T860中定义的时间准确度的测试方法，如图 3 所示。
图 3 中 IED 表示智能设备，通过北斗或GPS时间源、时间装置或者发生器等多种装置作为智能设备的信号输入使智能设备产生 DL/T860 相关的具有时刻信息的报文信息，通过对报文中的时刻信息进行分析和比较可以判断智能设备的时间准确度。通过时间注入进行分析的理论依据主要是所有设备产生含有时间信息报文的触发源都是相同的，如果解析发现时间信息报文通过比对存在个别差异，就能间接判断这些差异化设备的时间精度存在问题。智能变电站建立在DL/T860规范基础上，本文所介绍的检测方法无需增加额外的信息，通过整合智能变电站现有IEC61850报文信息，即可实现对时间同步及准确度的测试，具有快速、简便、经济的操作可行性。
结束语
目前国内外对于时间同步的运行基本都处于离线检测手段，很多厂家都提供时钟检测仪帮助用户进行时间性能检测，或者通过时间同步技术指标检测是否满足设计规范要求，但这只能停留在调试阶段或者检修阶段，不能充分保证系统运行时的异常情况被及时发现和处理。因此对智能变电站时间同步在线监测技术的研究将很大程度上帮助设备运维人员有效地掌握智能变电站时间同步的运行情况，提高了智能变电站SOE（事件顺序记录）信号的时间准确性，并大大减少智能变电站因为时间同步原因引起的保护误动、拒动等事件的概率。
参考文献：
[1]邓永生.浅谈智能变电站技术[J].中国高新技术企业，2015，16：128-130.
[2]黄程程.浅谈智能变电站关键技术与构建方式[J].西部广播电视，2015，09：203+209.
[3]胡兰.智能变电站继电保护测试技术浅谈[J].现代工业经济和信息化，2015，24：58-59.
论文作者:付鹏,吴俊
论文发表刊物:《电力设备》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/30
标签：时间论文; 变电站论文; 智能论文; 设备论文; 时钟论文; 信息论文; 网络论文; 《电力设备》2017年第23期论文;