基于双授时源授时方式的变电站时间同步研究

基于双授时源授时方式的变电站时间同步研究

李永乐任骏坤石立国

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摘要：电力系统中自动化设备及监控系统日益复杂，为电力系统提供足够精度的同步时钟信号成为了提高设备运行稳健度和监控系统准确度的关键因素。基于GPS/北斗系统双授时源同步守时钟电路，出于战略角度，具有重要意义。在卫星及守时钟电路时钟信号的基础上，利用时间间隔测量技术设计了一种高稳定度晶振本地时钟结构，可在一定时间内保持较高的精度。双时钟源互为备用，可根据不同的被授时装置选择相应的授时方式，提高了电力系统授时的稳定可靠性、经济性。

关键词：变电站；时间同步；时钟源；授时方式

引言

随着我国电力系统大区域的互联和负荷的快速增长，同时要保障电力系统的安全稳定运行，大量电力系统参数的测量装置被引入到系统中，而这些测量装置的实时同步性就显得尤为重要。目前电力系统中的各套被授时装置均独立存在，授时源对各装置的授时基本不存在关联，长期的独立发展使得各被授时装置接收方式、处理方式、接口标准不统一，相互时间系统不通用、无法互联，结果是整个电力系统的可靠性无法保证，一些监控测量数据也不准确。出于各个电力自动化设备及实时监测控制系统对于时间同步精度等级的要求不一致的考虑，有必要建立一个基于多种授时源、多种授时方式的同步授时结构，该授时结构中的多种授时源互为备用，并有一定的优先级，可供不同时间同步需求的终端进行选择。

文献[1]提出了一种基于全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）同步时钟载波电源的分布式同步量测系统的结构方案，由载波电源传输线连接GPS同步时钟信号和现场的测量信息单元，GPS同步时钟信号通过载波电源传输线传递给各监控终端，从而提供高精度的同步时钟信号。

本文基于双授时源，提出一种电力系统授时方案基本结构，其主要特点是可以根据对时间需求精度的不同进行时间信号的选择，最大效率的利用时钟信息。该平台中时钟信号的多种传输模式，使得对电力系统的授时更加安全可靠。

1目前电力系统授时现状

目前电力系统中对时间同步要求较高的主要是基于PMU的WAMS系统和基于RTU的SCADA系统。

远端测控装置（RTU）技术相对较为成熟，现代电网日趋高电压、大电流、多参数、远距离，电网监控系统必须实时掌握繁杂的运行状况数据，然后根据情况做出动作，这就要求电网监控系统必须有统一时钟。RTU装置主要应用于电网调度SCADA系统，我国上世纪70年代逐渐开展调度自动化技术，80年代得以大发展，至新世纪初，全国各级调度都建立了自动化调度系统，已形成分层控制的调度系统。目前RTU装置对时主要有两种方式，一种是通过通信规约定时和调度主站计算机的标准时钟对时；另一种是通过GPS卫星时钟进行对时，第二种方式目前已成为主要方式。

2GPS/北斗时钟源

全球定位系统GPS是美国军方研制的卫星导航定位系统，具有全天候、高精度等显著特点。目前，卫星授时普遍基于GPS系统。同时出于战略安全考虑，应重点发展具有自主知识产权的北斗卫星导航系统。我国计划于2020年左右，建成由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成的覆盖全球的北斗卫星导航系统。美国GPS系统要求捕获四颗以上卫星，容易受峡谷、建筑物的影响而信号减弱或失锁，从而影响正常工作。北斗导航系统则基于同步轨道静止卫星，无需星间切换，主要具有定位、通信、授时等功能，系统可提供精度为20~100ns的同步时钟，授时精度优于GPS。

3守时钟

采用锁相环技术，结合简单的硬件电路，可以实现对电力系统智能测控装置的交流信号进行频率跟踪自适应采样。文献[2]介绍了一种基于数字鉴相环（DPD）、数字环路滤波器（DLF）和数字压控振荡器（DCO）所组成的相位反馈控制系统的守时钟结构，可以根据输入信号与本地估算时钟之间的相位误差不断的进行反馈调节，进而实现时钟信号跟踪的目的。

如图1给出一种基于GPS/北斗系统双授时源同步时钟结构，守时钟电路核心元件是具有高精度、高稳定度的数字锁相环（PLL），可以在处理单元的控制下，对接收到的卫星秒脉冲（1PPS）信号进行有效的跟踪，并在有限时间内保持一定的精确度。精确度可以控制在±1μs范围内。守时电路所保持的时钟信号传递给分频器，经过分频可分配成多路信号，有的直接分配到对时模块进行授时，有的分配给本地钟。守时钟电路应设有对GPS和北斗双信号接收口，确保在一路信号停止工作后仍能保持守时畅通。

图2基于卫星或守时钟信号的高稳定度晶振本地钟原理图

由于本地钟采用原子钟或高精度晶振芯片，长期运行时，时间累积误差较大[20]，所以卫星信号或守时钟信号正常运行时需要对本地钟定期进行校核，在卫星信号及守时钟信号不稳定时，一定时间内本地钟仍可保持较高的授时精度。

结语

针对目前电力系统中自动化设备及监控系统日益复杂的现状，对电力系统授时精度、稳定可靠性、经济性提出越来越高的要求，提出电力系统同步授时是很有必要性的。本文在介绍了多种授时源、多种授时方式的基础上构建了一种电力系统同步授时方案，对于解决目前电力系统授时混乱的问题有一定的意义。

参考文献

[1]禹化然，杨贵玉，江道灼，等.基于GPS同步时钟载波电源的分布式同步测量系统[J].电力系统自动化，2008，32（7）：82-86．

[2]钟山，付家伟，王晓茹.高性能同步相量测量装置守时钟研制[J].电力系统自动化，2006，30（1）：68-72.