智能电网高精度统一时钟系统的关键技术

李剑锋

摘 要

时间同步系统是智能化变电站的关键设备，同时也是通信支撑网的重要组成部分。目前电网的时钟同步设备存在着分散独立、缺乏统一标准和精度低误差大等问题，制约着智能电网的发展，需要加大力度开展高精度统一时钟系统的技术研究。

【关键词】时钟系统 高精度 切换 传递 误差修正

时间同步系统给智能电网的运行、维护、计费确立统一的时间基准，为向用户提供更优质的服务打下良好的基础。对于智能电网生产系统，精确统一的时间可以保证与时间有关的设备的良好运行；对于智能电网电量计费系统，精确统一的时间可以保证计费的准确，避免与客户的纠纷；对于智能电网维护部门，精确统一的时间有利于定位系统的故障原因分析，为解决问题提供准确的资料；对于智能电网电力试验部门，精确统一的时间可以保证试验结果的有效性和完整性。

高精度统一时钟系统是电力行业近年来重点发展和推广的关键技术，目前电力系统已开始分层次分阶段构建全网时间同步系统，在发电厂、变电站、控制中心、调度中心建立集中和统一的电力系统时间同步系统，且要求系统能基于不同的授时源建立时间同步并互为热备用，实现统一的全网时间基准，以保证电力系统自动化装置和系统的正常运行和作用的发挥，保障电力系统的安全、稳定、可靠运行。

1 高精度统一时钟的需求

高精度统一时钟系统是电网智能电子设备对高精度统一时钟的需求：

1.1 故障录波、事件顺序记录和故障定位

采用统一时钟同步技术之后，全网就可以维持一个统一的时间基准。这样通过收集分散在各个变电站的故障录波数据和事件顺序记录，可以在全网内更好地重现事故发生发展的过程，监视系统的运行状态。对故障录波和事件顺序记录来说，对时精度不宜低于1ms。基于卫星同步时钟的电网故障定位系统可以通过检测个变电站接收到故障反馈信号的精确时间、对比不同站点的时差关系来定位故障发生的位置。理论上讲，对时精度达到1uS时，测距精度可以达到300m。

1.2 同步相量测量

同步相量测量技术及以其为基础的广域监测系统已在电网的实时监测中得到了应用。目前投入运行的同步相量测量装置都以GPS作为同步时钟源。相量测量的可靠性依赖于GPS的可用性以及授时信息的准确度，要求全网对时精度达到1uS。

1.3 两个变电站间的同步试验

可以利用卫星同步时钟在线路两侧进行故障暂态同步试验，来检验线路纵联保护装置，包括相差保护、电流差动保护、高频距离保护、高频方向保护装置的特性。对于距离保护和方向保护，由于主要采用就地信息，线路两端只交换逻辑信号，对时精度在几个mS内就可以了；但是差动保护、相差保护因为要比较两侧的模拟量，要求对时精度应达到uS级。

2 建设高精度统一时钟系统的关键技术

2.1 高精度网络授时技术

高精度网络授时是未来电力系统特别是智能电网的发展方向。目前，电力系统网省调、地市中心和厂站的装置，普遍采用NTP授时；由于NTP/SNTP授时精度为1毫秒～100毫秒量级，已经不能适应电力系统的新需求，基于1588协议的PTP高精度网络授时是实现全网高精度时间同步的核心。

高精度网络授时技术包括网络授时协议、接口、网络授时精度和网络管理等，为满足高精度网络授时的需求，高精度的时间戳处理技术和采用的网络授时协议尤其重要。目前主要采用基于硬件层时间戳处理技术，时间戳精度达100纳秒量级，采用IEEE1588 V2 高精度网络授时协议。

2.2 通过E1业务或开销通道传输时间，通道1+1保护

目前电网SDH网络已经覆盖所有地调、县调、220KV及大多数110KV变电站。由于全网时间同步系统所占用的E1资源很少，可以通过E1业务通道或开销通道利用一条E1通路或n*64k通道等传输时间。

在基于E1传递时间信息的过程中，要特别注意通道倒换、环路自愈问题对时间传递精度的影响。当工作通道传输中断或性能劣化到一定程度后，线路保护倒换功能将将主用传输自动转到备用传输通道；环形网保护是当前传输链路断或性能劣化到一定程度后，所引起的通道倒换。因此，在SDH传输中，通道倒换和环路自愈时将重新选择一条传送通路，从而产生较大的抖动时延；通过采用双向法在SDH网络中传递时间信号时，常用SDH环形结构由于不能满足任意两个网元间收发路径的对称性，无法实现高精度的时间信号传递，可通过采用PTP精确时间传输协议来解决SDH网络传递路径不对称的时延传输问题。

2.3 各级间的时间基准传递与传输时延误差修正

当利用SDH网络传输时间基准信号时，SDH網络传递时间的通道特性将直接影响时间的传递质量，包括授时精度、时间可用率等指标。因此，在实施地面时间传递时，需要对通信通道进行专门的研究，通过分析通道的特性，提出时间传递技术的自适应补偿方法；通过分析时间传递的特殊要求，选择合适的传输通道，以满足高精度时间传递的需求。其中，SDH网络的传输时延包括：传输时延和网元节点的处理时延。

线缆传输的时延修正：在全网时间同步系统中，SDH传送网络的光缆、电缆的长度、温差等变化将对时间的传递影响较大，线路固定的传输时延基本上是固定值。因此，在时间传递过程中必须要对传输线缆产生的时延进行误差修正。目前普遍采用的是双向时间比对法，通过收发端的高精度时间戳比对、自适应滤波等手段，基于PTP时间处理技术，可有效的自适应消除线路传输时延，传输时延修正误差达百纳秒量级。

SDH网元的时延抖动误差修正：电力SDH网络是在光纤上进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的网络，其传输网络和网元引起的时延误差，主要包括因指针调整、映射处理等产生的时延抖动变化。通过双向传输时间比对、自适应时延滤波等手段，完全可以消除因指针调整、映射处理等产生的时延抖动影响。

2.4 多时钟源切换技术

高精度统一时钟系统的时间基准源通常包括北斗、GPS时间源，以及来自地面链路传送过来的地面时间源，各级的时间源融合、选择和近似无损切换尤其重要。

北斗、GPS及地面链路多时间源自动切换技术：由于北斗与GPS系统存在系统差，双系统切换时保证相位连续性技术难度很大。通过对北斗与GPS系统授时性能长期分析，提出了自主的北斗和GPS双卫星系统秒时差处理模型。地面链路与卫星系统间存在较大的相差，通过高精度标示北斗、GPS、地面链路的授时系统差，采用自主完好性监测与智能估计、训练等算法，通过对多时间基准源实时的相差统计、比对，实时修正多时钟源的相差，能较好地解决了多时间基准源的授时融合难题。

3 结束语

开展智能电网高精度统一时钟系统研究，解决目前时间同步技术应用情况混乱、技术水平参差不齐、技术方案不规范等问题，可满足目前电网和未来智能电网的时间统一需求和对全网时间同步系统的管理要求，提高时间同步技术应用和运行管理水平。

作者单位

广东翰新科技有限公司 广东省珠海市 519000