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电力系统的时钟同步

2018.11.09

2016年,国家电网公司发布了《全面推进智能计量体系建设的意见》,其中,在提升采集效率方面,对负荷管理、有序供电管理、有序用能管理,它的重要事件、时钟同步、档案同步和设备状态的监测要达到一分钟采集要求。

为了满足即插即用的要求,今后的表计终端只要接入系统,一分钟内要完成时钟同步、档案同步和重要参数的同步。在控制方面,不管是量控、费控还是重要参数的下发,要达到5秒钟的时间响应。这些都对时钟同步提出了更高的要求。

近年来电力系统的自动化技术迅速发展,发电厂自动化控制系统、变电站综自系统、调度自动化系统、PMU、故障录波装置、微机继电保护装置等的广泛应用,也离不开时间记录和统一的时间基准。通过时钟同步技术为每个系统馈送的正确时钟信号,结合自动化运行设备的实时测量功能,实现了对线路故障的检测、对相量和功角动态监测、提高在电网事故中分析和判断故障的准确率,提高了在电网运行中控制机组和电网参数校验的准确性。

电力系统对时间同步的要求是:继电保护装置、自动化装置、安全稳定控制系统、能量管理系统和生产信息管理系统要基于统一的时间基准运行。这样来满足同步采样、系统的稳定性判别、线路故障及逆行那个具体的定位、故障录波、故障进行分析以及故障反演时间一致性的要求,从而提高电网系统运行的效率。

电力系统时间同步及其原理

当前,电力系统的时间同步主要通过确定变电站内GPS和北斗卫星授时系统统一状态,以及对于一些比较陈旧的变电站要进行时间同步的配置。

在电力系统的运用中,时间同步是一种最基本的应用,也在不断的更新技术以及工艺。但是在GPS和北斗卫星授时系统中,由于设备的品牌不同,这就使得站内、站与站之间的时间不能统一。在运行的过程中,时间接受系统之间不能相互通用,这就会造成内部之间的运行不能准确备份,难以保障整个系统运行的可靠性。因此电力系统的设备更新要逐渐扩展到发电厂、变电站控制中心、调度中心等,加强时间同步技术,并且要基于不同的授时源建立时间同步,而且要互为热备用。

现代的时钟同步的原理是在电力系统中安装了监控装置、PMU、故障录波器、微机保护装置、分时电能表等。这些自动化设备的内部都有实时时钟,但是这些电子钟也有可能出现的误差是:初始值设备的不够准确;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,其中的原理就与我们日常生活中的对手表一样,要定期对时间基准信号进行设置。当前主要是利用GPS和北斗卫星授时系统取得时间基准信号,并转换成各种自动化设备需要的时间信号输出,这就实现了各个自动化设备的时间统一。

电力系统对于时间同步的需求

电力自动化设备对于时间同步有不同的精度要求,授时精度可以大致分为4种:

  • 时间同步准确度不大于1μs;

    包括线路行波故障测距装置、同步相量装置、雷电定位系统的装置、电子式互感器的合并单元等相关的装置。

  • 时间同步准确度不大于1ms;

    包括故障录波器、SOE装置、电气测控单元、PMU、功角测量系统、保护测控一体化装置、事件顺序记录装置等一系列的装置。

  • 时间同步准确不大于10ms;

    包括微机保护装置、安全自动化装置、馈线终端装置、变压器终端装置、配电网自动化系统等 。

  • 时间同步准确不大于1s;

    这其中包括:电能量采集装置、负荷,用电监控终端装置、电气设备在线状态检测终端装置或者是自动化记录、控制、调度中心数字显示时钟、火电厂以及水电厂、变电站计算机监控系统、监控与采集数据、EMS、电能量计费系统、继电保护以及保障信息管理系统主站、电力市场技术支持系统等一些主站,还有负荷监控,用电管理系统主站、配电网自动化、管理系统的主站、调度管理信息系统、企业管理信息系统等相关的管理系统。

电力系统内时间同步技术

时钟同步技术能够使电力系统中的智能电子设备获得统一的时间基准,因此这种技术对于电网的实时监控、并网管理和安全保护具有很重要的意义。比较常见的电力系统时间同步技术有:

脉冲对时

脉冲对时也叫做硬对时,其原理是利用脉冲的准时沿即上升沿或者下降沿来校准被授时设备。脉冲对时的优点是授时精度比较高,在使用过程中被动点的适应性比较强;缺点是仅仅能够校准到秒,其他的数据都需要人工预置进行。其中比较常用的脉冲对时的信号有1PPS、1PPH等信号。

串口报文对时

这种对时也称为软对时。它是通过利用一组时间数据并按照一定的格式进行的,在串行通信的接口发送给被授时装置,被授时装置就会利用这组数据预设内部时钟。串口报文对时的优点是:数据比较全面、不需要任何人工预置;缺点是授时精度比较低,报文的格式需要授时和被授时装置双方进行约定。其中常用的串行通信接口有RS-232,RS-422或RS-485等接口通信。

时间编码方式对时

这种时钟同步技术主要是为了解决两种对时方式的矛盾,通常采用脉冲和串口相结合的方法,但是在输送的过程中需要同时输送两种信号,这就造成了信号的矛盾,因此为了解决这种矛盾,目前采用的是国际上通用的时间格式码。它的原理是将脉冲对时的准时沿和串口报文对时的数据结合在一起,这样就能够组成一个脉冲串,最终来输送时间信息。因此被授时设备就能够通过这个脉冲串中解析准时沿和一组时间数据。这种码被称为IRIG-B码,研究表明:时间编制码方式对时的优点是数据比较全面,其中对时的精度比较高,不需要人工预置,但是它的结构比较复杂,很有可能带来一些困扰。

网络方式对时

网络方式对时主要是基于时间协议NTP,精确时间协议PTP。当前比较简单的网络时间协议SNTP应用的比较多。网络时钟传输是以1990年1月1日0时0分0秒算起时间戳的用户数据协议报文,PTP所具备的的双重优点能够满足对时间精度的要求。PTP系统是支持PTP时钟同步协议的网络,一个PTP系统通常包括PTP时钟同步设备和各种普通设备、终端等。网络授时方式可以接入网络的任何系统提供对时。

影响时钟同步精度的因素有两个:时间戳数据精度、路径延迟对称情况。

电力系统中GPS和北斗卫星授时系统时钟同步技术的作用

在电力系统中时钟同步技术的作用是能够相位测量。在电力系统中的电压和电流波形基本上是通过正弦波、频率、幅值和相角弦波等要素,在电力系统中,频率是相同的,幅值比较容易测量,其中相角测量是一个难题。对于故障测距,在电力系统中,输电线路经常发生各种故障,线路比较长,并且地形比较复杂,但是GPS和北斗卫星授时系统应用输电线路发生故障时,故障点将产生线路两端以光速进行的行波,如果能在同一时间基准下记录两端首次接受到的行波时刻,就很容易确定出故障点的位置,这就是行波测距的原理;雷电监测系统是在雷电闪产生电磁波往空间各个方向传播时,各个基站测出接收到电磁波的时间和电磁波的幅值,同时能够传送到中心站,这样就可以测量出雷闪位置以及雷电流的大小;继电保护,GPS和北斗卫星授时系统的继电保护有线路差劲保护和保护联合调试。

GPS和北斗卫星授时系统卫星同步时钟技术在电力系统中的使用,能够有效地减少检修和运行人员的工作量,使变电站内部的运行设备得到统一、标准的时间基准,方便了设备运行,提高了电力系统中自动化的水平。

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