一种电力时间同步系统在线监测新方案

作者：张毅  

    本文通过分析时间同步系统的现状及存在的问题，研究同步网在线监测技术及监测方式．在此基础上给出一种基于电力调度数据网的时间同步在线监测系统的设计原则和系统架构．最后以冀北电力公司为例，分析了在线监测系统的实施方案．为后续电力时间同步网在线监测系统的建设提供参考，

1  时间同步监测系统现状

    为了满足电力系统中各种白动化保护设备对时间同步的高精度需求，各变电站均配置一套时间同步系统通过卫星基准来实现站点内各个系统的时间同步。但由于一方面卫星接收机故障率高，卫星信号容易受到干扰：另一方面GPS受美国军方控制，安全性无法得到保障。一旦卫星接收信号出现问题．随时都可能影响站内设备及系统的同步性能。

    时间同步系统作为电网的重要组成部分，在运行中没有对其进行实时同步性能的监测工具和手段．只能靠运行人员或二次专业人员的自我判断．来断定时间同步系统是否存在问题，但判断的依据受人为冈素影响，而且对于较小的时间误差．根本无法人为判断，难以做到及时、有效监测。

    目前．电网中存在通过人工巡视、电话联系等方法来保证多个时钟设备的同步，此种方法比较困难，一般仅仅只是简单判断时钟设备锁星，并不能知晓时钟设备所输出的时间准确性，工作效率低，同步性能无法获知。

    因此，急需建设一套同步网在线监测系统，对时间同步系统和被授时设备的时间同步精度进行有效监控，随时掌控系统的同步性能劣化情况，及时告知运维人员进行故障排查，确保电网在统一准确时间基准下运行，对电网特别是智能电网的安全运行具有十分重要的意义。

2时间同步在线监测技术分析

    建设同步网在线监测系统要明确需要监测的信号类型和可能采取的监测方式，以确保监测系统的部署方案满足对变电站内时问同步系统和被授时设备的监测需求。

2.1  时间同步信号监测分析

    时间同步信号包括脉冲信号、美国靶场仪器组码-B码(inter range instrumentation group-B，IRIG-B)信号、网络时间信息等。脉冲信号包括秒脉冲(1  pulsepersecond，  1PPS)、分脉冲(1 pulseperminute，  1PPM)、  日寸脉冲(l  pulseperhour，1PPH)，网络同步时问信息包括精确时间协议( precision time protocol，PTP)和网络时间协议( network time protocol,  NTP)。

    对于脉冲信号、IRIG-B信号，它们都是通过专线传输方式实现对时，属于点对点单向同步技术，被授时端无时间反馈，不能通过同步过程确定同步设备是否真正实现了同步．且其时间延迟只能根据实际工况进行同定补偿。

    对于NTP和PTP同步方式而言，它们都是基于以太网的同步方式．基于主从时钟的双向通信机制实现同步，数据包中带有时间戳，可以计算时间延迟及偏差，从而进行动态补偿。

    综合上述情况，对于脉冲信号/IRIG-B等专线单向通道传输的信号需要通过横向比对原则进行仲裁判断，来分析时间信号的相对偏差。对于NTP/PTP等以太网的双向通信同步机制．可以通过网络通道，通过NTP/PTP各自提供的时间精度分析机制进行时间精度的判断和分析。

2.2  监测方式分析

    对于在线监测系统中的监测终端而言．按照其参考基准的不同．主要分为绝对监测和相对监测2种监测方式，、

    (1)相对监测方式。相对监测方式是指监测终端从被监测设备获取到同步信号精度等信息后，利用上级授时设备传输过来的时问信号作为比对基准信号，比对出两者的偏差信息，再通过数据网上报给上级在线监测系统进行分析和处理，、其监测原理如图l所示。图1中监测终端的比对基准来自上级同步系统，此监测方式中基准信号的传输有2种方案：NTP对时和PTP对时。其中，NTP对时方式，低精度、低成本、不占用专用El通道；PTP对时方式，高精度、高成本方式、需占用专用El通道。但为了保证厂站端的时间同步精度．NTP实现同步几乎不能满足要求．因此须采用PTP主从同步方式。即上级同步系统可通过基于SDH网络的El通道，采用PTP技术将时间同步信号传输给本级的监测设备作为监测比对的基准。

    (2)绝对监测方式  绝对监测方式是指监测设备从被监测设备获取到同步信号精度等信息后．利用自身的北斗／全球定位系统(global positioning sVstem，GPS)卫星信号源作为比对基准信号，比对出两者的偏差信息，再通过数据网上报给上级在线监测系统进行分析和处理。其原理与相对监测方式类似，只是比对基准信号改为北斗/GPS卫星信号。

    (3)2种监测方式的比较。相对监测方式是采用地面链路来传输对比基准信号，该方式安全可靠。但要实现PTP对时方案获取比对基准信号，则必须要求主站端具备PTP输出端口供厂站端接收，同时要求厂站端的监测终端具备PTP信号接收能力，才能与主站端时钟保持同步。目前电力系统变电站内的实际情况是主站端不具备PTP输出能力的时钟设备，需要重新购置或者扩展现有的没备功能。

    绝对监测方式是采用卫星信号作为比对基准信号，监测终端需要配置北斗/GPS模块．成本会变高。该监测方式是建立在卫星信号可靠的前提下，一旦卫星信号劣化，将无法判断所监测信号的优劣。

3电力时间同步在线监测系统

3.1  系统设计原则

    针对电力时间同步系统的现状及其缺乏监测系统等问题，结合同步在线监测技术的分析结果．设计了一套适用于电力时间同步系统的在线监测系统，实现对同步信号运行质量的实时在线监测一该系统设计时遵循以下原则：

    (1)系统设计是基于开放系统标准，是一套系统完整、性能可靠、技术成熟、功能完善并相对独立的系统。

    (2)系统功能应包括数据的自动采集、远传、合理性检查、存储、统计、分析处理、系统自诊断等功能。

    (3)系统应具有灵活的配置性，良好的扩展性、开放性，良好的人机界面，并且能够适应未来发展需求的扩充升级。

    (4)系统的部署可以充分利用现有资源，芎约投资成本，使经济利益最大化。

3.2监测系统架构

    日前．变电站内时钟设备及被授时设备多数都不支持PTP信号输出，所以，可先采用绝对监测方式建立时间同步在线监测系统，待变电站内时钟设备和被授时设备全部进行功能扩展或更换为具有PTP信号输出的新设备后，再采用相对监测的方式。

    该在线监测系统的部署方案是在调度站布置1台服务器（安装监测系统软件）、1套电力时间同步网在线监测系统软件以及相关的网络接入设备；在各厂站布置含厂站原时钟系统、1台时钟测量单元(time measurement unit，TMU)设备及相关的网络接人设备。各厂站与调度站通过数据网进行通信。监测系统结构示意图如图2所示。

    被监测设备：包括时间同步系统和被授时设备．时间同步系统一般包括位于主控室的主时钟设备和位于保护或其他小室的从时钟设备（或扩展时钟）。被授时设备包括变电站内需要时间同步的自动化保护设备、系统等。

    监测终端(TMU)：部署在发电厂或变电站，通常每个厂站只需配备一个TMU设备。TMU内置卫星授时模块和恒温晶振，提供精确的标准时间作为参考，比对厂站内的被测时钟设备（如主时钟和保护小室的从／扩展时钟）。TMU可以实时采集被测时钟信号的精度，测量出的偏差值和监测单元装置本身的工作状态等信息均通过电力数据网实时传输给在线监测系统。

    电力数据网：作为通信通道，实现监测终端TMU与在线监测系统软件问的数据交互。

    在线监测系统软件：实时采集监测终端反馈过来的同步质量运行数据，并对同步精度、稳定性进行统计分析，当测量到的信号相对于参考信号超出门限．系统将及时发出告警，告警可通过短信、E-mail等方式传送给维护人员。且在监测系统程序服务端成功部署后，任何一个与内网相通的PC机都可通过浏览器访问系统，作为管理用户终端。

3.3  同步监测过程

    时间同步监测系统的具体监测过程如下：

    (1) TMU接收北斗/GPS卫星信号时产生时间基准。

    (2)接收并解析站端时钟系统IRIG -B码信号，计算时间偏差。其中IRICJ -B码信号的测量

值包含变电站名、被测设备名、被测信号类型、测量精度、当前测量时间、被测信号连接电缆的时延、被测信号超限与否等信息。

    (3)站内扩展时钟通过空接点向测控设备发送遥信控制脉冲。测控设备接收到站内扩展时钟的遥信控制脉冲后产生变位，由仪表的事件顺序记录( sequence  of event，SOE)功能记录后将相应的报文发送至TMU。TMU比较站内扩展时钟发送遥信控制脉冲的时刻与测控设备产生变位时刻从而获取其时间差。

    (4) TMU将获得的时间偏差发送至交换机。子站交换机将TMU上传信息发送至数据网，由中心站的交换机进行接收并发送至服务器。服务器上的时间同步监测系统接收TMU的上传信息，对其进行分析运算，进行数据存储、图形化显示、告警显示等操作，形成对时间同步系统、被授时设备时间状态的监测。

    (5)通过预先设置的阈值，将紧急告警信息通过短信和E-mail等方式第一时间告知运维人员，便于运维人员及时排除故障，防止事态的恶化。

4在线监测系统实施方案

    以冀北电力公司的在线监测系统部署方案为例，进行分析，其中，监测中心放置于冀北本部，时问监测单元放置于各个变电站内的主控室，监测信号的传输通过电力调度数据网来完成。在线监测系统在冀北公司的具体部署架构如图3所示。

    图3中时间同步监测系统服务器布置在冀北本部调度中心，服务器上运行着监测系统软件，用于处理各个时间监测单元L传的监测数据。在昌黎变电站和霸州变电站分别配置一套时间监测单元TMU, TMU接收北斗/GPS卫星信号产生时间基准．测量并计算出时间同步系统IRIG-B码输出信号与基准的时间偏差。TMU将获得的时间偏差发送至交换机。子站交换机将TMU上传信息发送至数据网，由中心站的交换机进行接收并发送至服务器。服务器上的时间同步监测系统获取上传的时间偏差数据，通过长时间的统计分析．得到时间精度偏移曲线，最大／小偏差，选定周期内的平均偏差等参数，与标准模板进行对比，从而得知被监测设备的性能是否劣化，当性能劣化时，监测系统能实时发出告警信息，有助于运行维护人员及时进行故障排除，提高业务质量。

5结语

通过对时间同步系统现状及问题分析．得出相对监测方式和绝对监测方式2种在线监测原理．分析在线监测系统设计原则。提出了基于绝对监测方式的在线监测系统架构，研究同步监测的过程，最终提出冀北公司在线监测系统实施方案。本文的研究成果对于电力时间同步在线监测系统的设计与部署具有一定的参考价值。

6摘要：为解决变电站内时间同步系统及被授时装置缺乏监控措施的问题，分析了相对监测和绝对监测2））种方式的适用性．得出相对监测方式适用于具有精确时间协议（PTP）信号输出的时间同步系统，绝对监测方式适合于相互独立的时间同步系统、结合电力时间同步系统的现状和绝对监测方式，提出在电力调度数据网上传输监测信号的时间同步监测系统架构，利用时间监测单元设备对厂站端授时装置及电力二次设备授时状态进行监测，最终给出冀北电力公司的时问同步在线监测系统的实施方案。