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智能变电站时间同步系统的研究及其故障
对继电保护的影响
徐常保，熊寒，何立夫，李忠民，杨军
贵州电力研究所，四川 贵阳
武汉中源华电科技有限公司，湖北 武汉
武汉大学电气工程学院，湖北 武汉
摘要:智能变电站实现了整个变电站信息的数字化，因此时间同步系统变得越来越重要。本文介绍了智能变电站时间同步技术，并提出了智能变电站时间同步系统设计原理。根据时间同步系统故障引起的一些继电保护故障实例，分析了时间同步系统故障对继电保护的影响，并对此提出了一些改进措施。
关键词：智能变电站;时间同步系统;保护装置;影响
The Research of Intelligent Substation Time Synchronization System and the Influence of Its Fault to Relay Protection
Chang-bao Xu1, Han Xiong2, Li-fu He3, Zhong-min Li3, Jun Yang3
Guizhou Electric Power Research Institute, Guiyang, China
Wuhan Zhongyuan Huadian Science amp; Technology CO., LTD,
Wuhan, China 3School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan, China
Email: 863227870@qq.com
ABSTRACT: The intelligent substation realizes the digitization of information in the whole substation and thus time synchronization system becomes more and more important.This paper introduces time synchronization technology of intelligent substation and puts forward the principles for designing intelligent substation time synchronization system.According to some relay protection malfunction examples caused by time synchronization system fault, analyze the influence of time synchronization system fault to relay protection and correspondingly put forward some improving measures.
Keywords:Intelligent Substation; Time Synchronization System; Protection Device; Influence
1.引言
与传统变电站相比，智能变电站结构存在巨大变化。智能变电站二次系统通常包含电子变压器、合并单元（MU）、开关、保护和监控装置等。变压器，保护和断路器的复杂电缆连接已被光纤替代。保护和控制装置的电压和电流采样值的输入已经从模拟信号转换为数字信号。保护和监控设备的模拟信号采样由提出的合并单元而不是设备本身实现，这些变化对智能变电站时间同步系统提出了的更高要求[1]。
常规变电站采用集群抽样，无论主要和次要电气参数的传输延迟如何，继电保护装置和其他自动化设备可以根据其采样脉冲在一定时间内对相应的TA，TV二次参数进行采样，从而保证采样数据的同时性。使用电子仪表变压器后，继电保护装置和其他自动化装置的数据采集模块向前移动到合并单元，互感器的主要电气参数需要前端模块的采样和合并单元的处理。每个互感器的采集和处理是独立的，没有统一的协调，并且一次和二次电参数的传输延迟带来时间延迟，因此，二次电参数在不同变压器之间没有同时性，不能直接用于自动化装置的计算，但是可以使用高精度时钟同步来确保每个间隔合并单元同时进行数据采集。时钟同步已成为继电保护的重要组成部分，其性能直接影响继电保护的正常工作[2]。根据智能变电站的需求，本文介绍了智能变电站时间同步技术，提出了时间同步系统的原理，分析了由时间同步系统故障引起的变电站故障实例，并提出了相应的解决方案。
2.时间同步技术
时间同步技术为各种保护和控制设备提供统一的时间参考，在电力网络事故分析中起着至关重要的作用，保证电力系统运行的安全性[3,4]。IEC61850对采样值同步的精度有非常明确的要求，它定义了同步精度的五个级别：T1-T5。其中，T1是最低水平，精度为1ms，T5为最高水平，精度为1us。目前，智能变电站中常用的时间同步技术是网络时间协议（NTP），IEEE1588时间同步协议和IRIG-B时间同步技术。
2.1 网络时间协议
网络时间协议现已广泛应用于以太网时钟同步协议。它适用于分布式时间服务器和客户之间的时间同步。NTP纯粹基于软件，它是应用层协议运行在IP协议和UDP协议之上[5]。根据客户端和服务器之间数据包携带的时间信息，计算出时间误差，消除了一系列算法对网络传输不确定性造成的影响，并进行动态延时补偿。简单网络时间协议（SNTP）是简化的NTP服务器和NTP客户端策略，通常，SNTP的精度在1ms到50ms之间变化，由同步源，网络路径等特性决定[6]。
NTP的工作原理如图1所示。首先，客户端向服务器发送NTP包，该包包含一个时间戳T1，它离开客户端的时间。当服务器收到NTP包时，它将添加包，以便记录包裹到达和离开的时间戳T2和T3，并将包发送到客户端。客户端接收包的时间戳是T4。然后，客户端可以用这四个时间参数计算时间同步的两个关键参数。这两个关键参数是往返延迟d和客户端与时间服务器t之间的时钟偏移。
d=（T4-T1）-（T3-T2） (2-1)
t=（T2-T1）/2 (T3-T4)/2 (2-2)
图一 NTP的工作原理
在NTP协议中，这4个时间从T1到T4被添加到客户端和服务器的应用层,客户与服务器之间的消息往返传输延迟必须保持稳定，以保证公式（2）的建立。传输延迟包含网络上的延迟以及计算机协议层的处理时间[7]。当上行和下行帧长度相等时，网络传输延迟被认为是相同的。网络协议处理和操作系统多任务处理引起的时间误差不能消除，为毫秒级。所以NTP时间协议通常被认为具有毫秒精度[8]。
NTP时钟系统具有成熟的技术，简单的理论和简单的实现，适用于低精度要求的车站控制层网络，但不能满足具有较高精度要求的过程层网络的需求。
2.2 IEEE1588网络定时
IEEE1588标准定义了精确时间协议（PTP），以实现由网络构成的测控系统的准确时间同步。该协议设计是基于消息流和时间戳的思想，用于分布式测量和监控，采用了硬件和软件组合的方法[9]。与NTP协议的方法相比，IEEE-1588使用软件和硬件，时间戳单元（TSU）位于以太网媒体访问控制层和以太网接收器之间。它可以检测输入数据流和输出数据流，以获得更准确的定时同步。PTP时钟同步通过发送和接收同步消息来实现。以下是主时钟和从时钟实现同步的过程。
1）主时钟周期性地向从时钟发送同步消息，时间间隔为2秒。该消息包含预期发送时间戳，与实际发送时间相比有一些误差。当从时钟接收到Sync消息时，从时钟将记录准确的接收时间TS1。
2）主时钟向从时钟发送跟踪消息，其中包含同步消息实际发送时间戳TM1。
3）从时钟向主时钟发送Delay-Req（延迟请求）消息，并记录特定的发送时间TS3。 Delay-Req消息的间隔独立设置，通常长于同步消息时间间隔。主时钟在收到Delay-Req消息时记录时间戳TM3。
4）主时钟向从时钟发送Delay-Resp（Delay Response）消息，消息包含时间戳TM3。从时钟可以使用TM3及其记录的时间戳精确计算网络传输延迟，并调整其时钟漂移误差。软件和硬件组合的方法克服了时延协议栈的不确定性。这使得IEEE1588协议同步精度达到微秒级，为智能变电站过程层时间同步提供了解决方案[10]。
2.3 IRIG-B定时
图2 PTP工作原理
IRIG时间标准分为两类：一个是并行时间码，随着时间码并行，传输距离接近，代码只能是二进制的。所以并行时间码并不像串行代码那么广泛。另一个是串行时间码，串行时间码具有A，B，D，E，G，H六种编码格式，其中IRIG-B码是最广泛使用的[11]。IRIG-B码的帧周期为1s，包含100个码元，周期为10ms[12]。IRIG-B代码有三种代码元素，它们分别是二进制“0”“1”，位置识别标记“P”，其脉冲宽度分别为2ms，5ms和8ms。每个代码元素的时间参考点是其脉冲前沿，并且帧的参考标记由位置识别标记和相邻参考代码元素组成。每十个代码元素都有一个位置识别标记，分别命名为P1，P2，...，P9，P0。PR是帧参考点。PTP工作原理如图2所示。时间格式帧从帧参考标记开始：如果有两个连续的8ms位置识别标记，则帧从第二个标记的前面开始，IRIG-B代码的第一个字段是关于秒的信息，第二个字段关于分钟的，第三个字段关于小时的，以及第一和第五个字段关于天数，从1月1日计算，因此，帧的时间信号可以从前五个字段中解析出来。IRIG-B代码包含丰富的时间信息和必要的监控信息，方便后端用户使用。IRIG-B时间同步采用直流载入信息，可以通过专线传输，它具有长传输距离较高的时间同步精度和丰富的时间信息。但IRIG-B代码需要点对点传输，网络不敏捷。
3.时间同步系统设计原理
为了确保时间同步系统的可靠性，智能变电站时间同步系统的设计应遵循以下原则。
3.1 GPS和指南针的冗余配置
系统支持GPS和指南针的冗余时钟和IRIG-B旋转保留，并配置高精度准时时钟。时间同步主时钟可以访问GPS 罗盘信号和两条IRIG-B外部同步信号，这两个信号作为另一个旋转储备。时间同步扩展装置可以访问IRIG-B外部同步信号的两条路，两路作为旋转储备。冗余配置可以保持时间同步系统的高可靠性和稳定性。
3.2 自动同步的高稳定性自我维护
系统采用铷原子钟实现高精度同步自我维护，铷原子钟同步自我维护的精度可达3us/天，远远优于55us/day的标准要求。系统采用闭环控制同步自维护理论和卡尔曼数字滤波技术，采用外部时间参考来控制和驯化铷钟。系统输出的1PPS信号由内部频率源的分频实现，它与外部时间参考输出的1PPS信号的长期平均值同步，并克服了外部时间基准的第二个脉冲信号转换引起的影响。时间同步信号具有非常高的精度和稳定性，时间精度为plusmn;0.1us。
3.3 时间跳跃的连续性
标准时间同步主时钟和定时信号扩展设备都具有同步自我维护单元。当同步自我维护单元接收外部时间参考信号时，主时钟实现与外部参考信号的同步。然后，当单位无法接收外部时间参考信号时，它保持一定的时间精度水平以保证输出时间同步信号的精度。当外部时间参考信号恢复时，标准时间同步主时钟和定时信号扩展装置切换到正常工作状态，切换时间小于0.5s。系统在切换过程中逐步改变步骤，保持跳时连续性，防止误操作。
3.4具有统一输出的时间信号
尝试将本地PPS与外部参考源同步时发生内部时间延迟，提前延时补偿技术可以用来克服延迟，每个输出通道都有自己的延时补偿。通常，时间同步系统可以实现与不同种类的端口（如RS232、RS485、光口、电口和网口）的同步，所有这些端口都具有不同的延时，不同端口的不同的延时补偿输出信号可以实现与同一个外部时钟源的同步。多端口延时补偿技术可以根据内部标准PPS和通道信号配置设置不同的延迟补偿，使得设备完全实现与外部时钟源的同步，克服了所有输出板之间的时间偏差，提高了系统的瞬时性和稳定性。
3.5电源冗余设计
电源模块采用板式形式实现，采用双电源冗余备份，DC和AC范围广泛。如果一块电源出现故障，另一块电源仍然可以维护电源，可以进行热插拔更换。
4.时间同步系统故障对继电保护的影响分析
时间同步系统可以为各种电力系统二次设备提供时间和同步信息，例如调度自动化系统，微机继电保护装置，雷电定位系统和 时间同步系统的故障可能导致收集的数据无效，部分次要设备的故障甚至一些保
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