浅析电力系统中配电变电站时间同步技术

浅析电力系统中配电变电站时间同步技术

徐会玲

（国网河南省电力公司内黄县供电公司456300）

摘要：在电力系统中，电能的生产、输送、分配、使用是同时进行的，系统中的电流、电压、功率是随时间一直变化，因而在监控分析系统运行状况过程中时间序列就起着决定性作用。本文以电力系统中常规配电35KV变电站为例，分析时间的重要性及对时技术的方式。

关键词：GPS；同步；时钟

一、电力系统概况

电力技术的发明、电力工业的发展至今已有100余年的历史。1831年法拉弟发现了电磁感应定理，奠定了发电机的理论基础；1882年爱迪生建成了世界上第一座正规发电厂；1886年美国的乔治•威斯汀豪斯建成了第一个单相交流输电系统；1891年德国建成了第一条三相交流送电线路。

我国电力工业从1882年上海建立第一个12kW发电厂起至1949年全国解放时，全国发电的总装机容量仅为185万kW,年发电量为43亿kW•h。而到1990年，全国发电装机容量已达到13789万kW，年发电量达到6213亿kW•h，名列世界第4位。随着电力工业的发展需要，电力系统中的输送功率、输送距离与输电线路的电压等级之间的关系日趋重要，远距离、超高压、特高压输电线路逐步建立。目前已经建成1000kV交流和±800kV直流输电线路，形成东北、华北、华东、西北和南方联营等跨省（区）的联合电力系统。为全面、实时地、准确地监控电力系统的运行状态，以便分析事故发展的过程和原因，需要有描述电网暂态过程的电流、电压波形、断路器、保护装置动作的准确时标，因而需要设置对时系统，统一时间基准。

二、电力系统中对时系统的重要性

以35kV常规配电变电站为例，变电站由一次设备和二次设备组成，一次设备主要有变压器、开关、隔离开关、电容器、电抗器、电流互感器、电压互感器等，二次设备主要有测量装置、继电保护装置、远动装置、电源系统、通信设备、监控系统、控制电缆等。一次设备运行的电压高、电流大，需要通过二次设备才能实现对一次设备的监测、控制、调节、保护等。如果一次设备发生故障，二次设备则通过SOE(事件顺序)记录一次设备动作情况，SOE是带时间信息的故障报文，只有事件记录的时间的正确可用，才能够正确分析判断出故障类型及原因，时间的正确性直接会影响到故障分析的结果。

在实际运行中，各二次设备如果按各自的实时时钟运行，有可能出现时间差，如初始值设备不够准确；石英晶体振荡频率误差及其频率振荡的温度漂移和老化漂移；电路中电容量的变化等。因此要对这些电子钟进行校准，实现时间统一,确保二次设备运行在统一的时间基准。

三、变电站对时系统的方式

变电站内各二次装置除自带的高精度实时时钟，还有同步对时回路接收对时系统时钟同步信号。国内变电站对时系统主要从GPS卫星上获取标准的时间信号，然后将这些信息通过各种接口类型来传输给需要时间信息的设备（计算机、保护装置、故障录波器、事件顺序记录装置、安全自动装置、远动RTU），这样就可以实现整个系统的时间同步。

对时系统的对时方式有：

1.脉冲对时方式

脉冲对时方式一般以空接点、TTL电平、DC24V有源电

平、差分电平输出,主要有秒脉冲(PPS)、分脉冲(PPM)和时脉冲(PPH)三种对时方式，在整秒、整分、整时时，脉冲沿作用于自动装置的时钟清零线，实现时钟的同步。脉冲对时方式的优点是可以获得较高精度的同步精度(μs级),对时接收电路比较简单。不足之处是无法直接提供时间信息，设备必须预先设置正确的时间基准。例如PPM需要外界补充给出年、月、日、时、分的时间信息,PPS秒脉冲需要外界补充给出年、月、日、时、分、秒的时间信息。

2.串行口对时方式

串行口对时方式是指GPS同步时钟通过RS-232／422／485串口以串行数据流的方式输出时间信息，各种智能装置接收串行时间信息后获得时间同步。串口对时方式是对时从设备通过串行口接收时钟信息,来校正其自身的时钟。串口校时的时间报文包括年、月、日、时、分、秒，不需要外界补充时间信息，缺点是串口接收一帧数据的时间较长,精度较低(ms级)。

3.IRIG-B对时方式

IRIG码是美国靶场司令委员会制定的一种时间标准。其中最常用的是IRIG-B时间码格式,采用脉宽编码调制。同步时间报文中包含了秒、分、小时、本年度第1日到当前日的总天数的日信息等时间信息，同时每一帧报文的第一个跳变又对应于整秒，相当于秒脉冲同步信号。IRIG-B对时方式携带信息量大，接口标准化，国际通用等特点，融合了脉冲对时和串口对时的优点,具有较高的对时精度(μs级)，但需要外界补充给出年的时间信息。

4.简单网络时间协议(SNTP)

SNTP基于NTP,采用客户/服务器工作方式，适用于对时要求不是十分严格的网络,最高精度只能达到ms级。

5.IEEE1588(PTP)

IEEE1588是用于网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准,能达到μs级同步精度。主要运用于智能变电站，这里不再叙述。

四、对时方式的实际应用

介于目前各变电站改造程度差异，对时方式各有不同。通常采用脉冲对时方式的装置较多，采用此方式时还应结合软对时，即装置通过本身的时钟(初始值靠人工设置)、SNTP、IEC103、通讯报文等方式获取年月日时分秒信息，同时通过脉冲信号精确到ms、us，以保证时间的正确。串行口通信时钟对时方式主要用于主站计算机。IRIG-B对时是目前大力推广的方式，只需要在微机装置上核准年的信息，同时关闭与主站通信软对时，以避免软对时的干扰。SNTP对时方式是用来同步网络中的计算机时钟的。

为广泛应用中，自动化装置一般具备接收多种时钟信号的功能，支持的时钟信号源包括标准时钟装置发出的IRIG-B、PPS、PPM、SNTP、RS-232／422／485串口、IEEE-1588等信号。如南瑞PCS-9611D系列保护装置就可自主选择对时源。其中“硬对时”包括差分IRIG-B、差分PPS、空接点PPS等信号，“软对时”包括SNTP广播、SNTP点对点、IEC103后台对时等，“扩展板对时”包括光纤IRIG-B、光纤PPS和IEEE-1588等信号。

为提高时间同步精度，如上图，变电站装置一般先判断各对时方式的有效性，再自动根据优先级（IEEE-1588>IRIG-B>差分PPS>空接点PPS），选择一种时钟信号进行同步。并支持灵活的对时切换，一旦高优先级的对时信号断开，自动选择低优先级的对时信号。

五、结语

对时技术是确保整个系统同时动作的必要措施，其对变电站的重要性不言而喻,本文讲述了对时系统的多种实现方式及实际应用，随着对时技术的发展，它将在电力系统中发挥更大的作用。

参考文献：

【1】张炜；电力系统分析[D].郑州电力专科学校，2004.

【2】陈建民、骆敬年、吴小建、李代沪，变电站自动化系统GPS对时问题的解决方案；第二十九届中国电网调度运行会收录论文全集.

【3】李小叶、史恒超；自动化系统GPS对时技术分析[J].《企业技术开发•下旬刊》2015(03).