淺談電力系統中的時鐘同步技術
General 更新 2024年11月02日
電力系統是時間相關係統,無論電壓、電流、相角、功角變化,都是基於時間軸的波形。近年來,超臨界、超超臨界機組相繼併網執行,大區域電網互聯,特高壓輸電技術得到發展。電網安全穩定執行對電力自動化裝置提出了新的要求,特別是對時間同步,要求繼電保護裝置、自動化裝置、安全穩定控制系統、能量管理系統和生產資訊管理系統等基於統一的時間基準執行,以滿足同步取樣、系統穩定性判別、線路故障定位、故障錄波、故障分析與事故反演時間一致性要求。確保線路故障測距、相量和功角動態監測、機組和電網引數校驗的準確性,以及電網事故分析和穩定控制水平,提高執行效率及其可靠性。未來數字電力技術的推廣應用,對時間同步的要求會更高。
1 電力系統時間同步概況
目前,電力系統中的時間同步處於變電站內GPS統一的狀態,甚至有很多老舊變電站還沒有實現GPS統一,需要對時的每套裝置都配置一套獨立的時鐘系統。由於GPS裝置品牌不同,效能不統一,造成站內、站與站之間時間不統一。這些時間接收系統相互間不通用。無法互為備份,使得整個系統的可靠性無法保證。為了逐步實現全電網的同一時間,有必要在發電廠、變電站、控制中心、排程中心建立集中和統一的電力系統時間同步系統,而且該系統應能基於不同的授時源建立時間同步並互為熱備用。
電力自動化裝置對時間同步精度有不同的要求。一般而言,電力系統授時精度大致分為4類:
***1***時間同步準確度不大於1μs:包括線路行波故障測距裝置、同步相量測量裝置、雷電定位系統、電子式互感器的合併單元等。
***2***時間同步準確度不大於1ms:包括故障錄波器、SOE裝置、電氣測控單元、RTU、功角測量系統***40μs***、保護測控一體化裝置、事件順序記錄裝置等。
***3***時間同步準確度不大於10ms:包括微機保護裝置、安全自動裝置、饋線終端裝置***FTU***、變壓器終端裝置***TTU***、配電網自動化系統等。
3 目前電力系統內時間同步技術
電力系統裝置常用的對時方式有以下4種:
***1***脈衝對時
也稱硬對時,是利用脈衝的準時沿***上升沿或下降沿***來校準被授時裝置。常用的脈衝對時訊號有1PPS和分脈衝***1PPM***,有些情況下也會用時脈衝***1PPH***,其中1PPM和1PPH也可以通過累計1PPS得到。
脈衝對時的優點是授時精度高,使用被動點時,適應性強;缺點是隻能校準到秒***用1PPS***,其餘資料需要人工預置。
***2***串列埠報文對時
也稱軟對時,是利用一組時間資料***年、月、日、時、分、秒***按一定的格式***速率和順序等***,通過序列通訊介面傳送給被授時裝置,被授時裝置利用這組資料預置其內部時鐘。常用的序列通訊介面為RS-232和RS-422/RS-485。
串列埠報文對時的優點是資料全面,不需要人工預置;缺點是授時精度低,報文的格式需要授時和被授時裝置雙方約定。
目前,很多場合採用以上2種方式的組合方式,從而可以充分利用兩者的優點,克服兩者的缺點。
***3***時間編碼方式對時
為了解決前2種對時方式的矛盾,在實際應用中常採取2種對時方式結合的方法,即串列埠+脈衝。這種方式的缺點是需要傳送2個訊號。為了更好地解決這個矛盾,採用國際通用時間格式碼,將脈衝對時的準時沿和串列埠報文對時的那組時間資料結合在一起,構成一個脈衝串,來傳輸時間資訊。被授時裝置可以從這個脈衝串中解析出準時沿和一組時間資料。這就是目前常用的IRIG-B碼,簡稱B碼。
時間編碼方式對時的優點是資料全面。對時精度高,不需要人工預置;缺點是編碼相對複雜。
***4***網路方式對時
網路方式對時基於網路時間協議***NTP***、精確時間協議***PTP***。目前,簡單網路時間協議***SNTP***應用較多。網路時鐘傳輸的是以1900年1月1日0時0分0秒算起時間戳的使用者資料協議***UDP***報文。用64位表示,前32位為秒,後32位為秒等分數。網路中報文往返時間是可以估算的,因而採用補償演算法可以達到精確對時的目的。網路授時方式可以為接入網路的任何系統提供對時,其中NTP授時精度可達到50ms,PTP授時精度可達到1μs,SNTP授時精度可達到1s。
網路方式對時的優點是基於現有網路,物理實現方便;缺點是高精度補償演算法複雜。
上述4種授時方式各有優點。實際應用中,在滿足同步精度要求的前提下,考慮到經濟性,採用組合方式授時,即在一套執行管理系統中並存多種方式,可以充分應用授時時鐘能夠提供的資訊。
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1 電力系統時間同步概況
目前,電力系統中的時間同步處於變電站內GPS統一的狀態,甚至有很多老舊變電站還沒有實現GPS統一,需要對時的每套裝置都配置一套獨立的時鐘系統。由於GPS裝置品牌不同,效能不統一,造成站內、站與站之間時間不統一。這些時間接收系統相互間不通用。無法互為備份,使得整個系統的可靠性無法保證。為了逐步實現全電網的同一時間,有必要在發電廠、變電站、控制中心、排程中心建立集中和統一的電力系統時間同步系統,而且該系統應能基於不同的授時源建立時間同步並互為熱備用。
電力自動化裝置對時間同步精度有不同的要求。一般而言,電力系統授時精度大致分為4類:
***1***時間同步準確度不大於1μs:包括線路行波故障測距裝置、同步相量測量裝置、雷電定位系統、電子式互感器的合併單元等。
***2***時間同步準確度不大於1ms:包括故障錄波器、SOE裝置、電氣測控單元、RTU、功角測量系統***40μs***、保護測控一體化裝置、事件順序記錄裝置等。
***3***時間同步準確度不大於10ms:包括微機保護裝置、安全自動裝置、饋線終端裝置***FTU***、變壓器終端裝置***TTU***、配電網自動化系統等。
3 目前電力系統內時間同步技術
電力系統裝置常用的對時方式有以下4種:
***1***脈衝對時
也稱硬對時,是利用脈衝的準時沿***上升沿或下降沿***來校準被授時裝置。常用的脈衝對時訊號有1PPS和分脈衝***1PPM***,有些情況下也會用時脈衝***1PPH***,其中1PPM和1PPH也可以通過累計1PPS得到。
脈衝對時的優點是授時精度高,使用被動點時,適應性強;缺點是隻能校準到秒***用1PPS***,其餘資料需要人工預置。
***2***串列埠報文對時
也稱軟對時,是利用一組時間資料***年、月、日、時、分、秒***按一定的格式***速率和順序等***,通過序列通訊介面傳送給被授時裝置,被授時裝置利用這組資料預置其內部時鐘。常用的序列通訊介面為RS-232和RS-422/RS-485。
串列埠報文對時的優點是資料全面,不需要人工預置;缺點是授時精度低,報文的格式需要授時和被授時裝置雙方約定。
目前,很多場合採用以上2種方式的組合方式,從而可以充分利用兩者的優點,克服兩者的缺點。
***3***時間編碼方式對時
為了解決前2種對時方式的矛盾,在實際應用中常採取2種對時方式結合的方法,即串列埠+脈衝。這種方式的缺點是需要傳送2個訊號。為了更好地解決這個矛盾,採用國際通用時間格式碼,將脈衝對時的準時沿和串列埠報文對時的那組時間資料結合在一起,構成一個脈衝串,來傳輸時間資訊。被授時裝置可以從這個脈衝串中解析出準時沿和一組時間資料。這就是目前常用的IRIG-B碼,簡稱B碼。
時間編碼方式對時的優點是資料全面。對時精度高,不需要人工預置;缺點是編碼相對複雜。
***4***網路方式對時
網路方式對時基於網路時間協議***NTP***、精確時間協議***PTP***。目前,簡單網路時間協議***SNTP***應用較多。網路時鐘傳輸的是以1900年1月1日0時0分0秒算起時間戳的使用者資料協議***UDP***報文。用64位表示,前32位為秒,後32位為秒等分數。網路中報文往返時間是可以估算的,因而採用補償演算法可以達到精確對時的目的。網路授時方式可以為接入網路的任何系統提供對時,其中NTP授時精度可達到50ms,PTP授時精度可達到1μs,SNTP授時精度可達到1s。
網路方式對時的優點是基於現有網路,物理實現方便;缺點是高精度補償演算法複雜。
上述4種授時方式各有優點。實際應用中,在滿足同步精度要求的前提下,考慮到經濟性,採用組合方式授時,即在一套執行管理系統中並存多種方式,可以充分應用授時時鐘能夠提供的資訊。
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