电力时钟时间同步系统在变电站应用

变电站自动化系统中时间同步技术应用及其广泛，电力时钟同步系统是智能化时间同步技术的基础，综合分析变电站自动化系统的基本特征和主要功能，根据现有的时间同步技术及多年电力时钟行业的工作经验，分析当前变电站自动化系统中电力时间同步系统的应用。

1、变电站自动化系统

变电站自动化系统是应用控制技术、信息处理技术和通信技术，利用计算机软件和硬件系统或自动装置代替人工进行各种运行作业，提高变电站运行、管理水平的一种自动化系统。变电站自动化系统以计算机和网络技术为依托，面向变电站通盘设计，用分散、分层、分布式结构实现面向对象的设计思想，是确保电网安全、优质、经济的发供电，提高电网运行管理和电能质量水平的重要手段。

变电站自动化系统示意图

随着计算机通信技术的不断发展，变电站综合自动化技术也得到迅速发展，有许多新概念、新原理设计的变电站自动化系统投入运行，特别是电力时钟同步系统的大面积使用，成为我国电力工业技术进步的重要标志，也是电网发展的趋势。

2、变电站自动化系统的基本特征

变电站自动化系统是通过局域网通信，将继电保护、微机自动装置、微机远动装置采集的信号经过数据处理及功能组合，按照预定的程序和要求，对变电站实现综合性的监控和调度。

变电站自动化系统用高性能单片机构成的IED(数字智能电子设备)和计算机主机替代了数量大、功能和结构单一的继电器、仪表、信号灯、自动装置、控制屏等设备，用计算机局域网络(LAN)替代了大量复杂的连接电缆和二次电缆，在遵循信息共享、减少硬件重复配置的原则下，做到继电保护相对独立和有一定的冗余，提高变电站运行的安全可靠性，减少系统维护工作量和提高维护水平。

2.1功能综合化

变电站自动化技术是在计算机及通信技术、自动化技术基础上发展起来的，属技术密集、多专业交叉配合的系统。变电站综合自动化技术综合了变电站内除一次设备和交、直流电源以外的全部二次设备。对于中央信号系统及仪表和对设备控制操作的功能综合是通过监控系统的全面综合，而对于微机保护及一些重要的自动装置（如备自投）是接口功能综合，这种综合的监控方式，既保证了保护和一些更重要的自动装置的独立性和可靠性，又把保护和自动装置的自动化性能提高到一个更新的水平。

2.2结构分布、分层化

变电站自动化系统是由多个子系统（监控、数据采集、保护等）构成，每个子系统可能有多个CPU分别完成不同功能，这样一个由多个子系统群构成一个完整、高度协调有机体的综合集成系统来实现变电站自动化的所有功能。按照变电站物理结构和各子系统功能分工不同，总体结构由按分层原则来组成，IEC61850按照变电站自动化系统所要完成的控制、监视和继电保护三大功能从逻辑上将系统分为3层,即变电站层、间隔层和过程层，由此构成分散（层）分布式系统。

2.3通信局域网络化

随着计算机通信技术和光纤通信技术的普遍应用，变电站自动化系统用计算机局域网络(LAN)替代了大量复杂的连接电缆和二次电缆，使通信系统在传输速度、抗干扰能力等方面不断提高，能够实现高速数据传输，更好的满足了实时性的要求，组网也更加灵活，扩展性、可靠性大大提高。

2.4运行管理智能化

智能化不仅在常规的自动化功能上，如自动报警、事故判别与处理等方面，还表现在能够在线诊断，并不断将诊断结果送往远方的主控端。这是区别常规二次系统的重要特征。自动化系统不仅监测一次设备，还时刻检测自己是否有故障，充分体现了其智能性。

3、变电站自动化系统的主要功能

变电站自动化是多专业性的综合技术的集中体现，它以计算机技术应用、网络通信技术为基础，将变电站的继电保护、测量和控制、通信管理、自动控制装置、远动和消防、防盗报警等所有功能组合在一起，形成一个完整的体系，主要有如下功能：

3.1监控功能

此功能包括站内数据采集与处理、运行监视及报警记录、设备检测与诊断、报表编辑生成修改与打印、人机交互联系及系统维护管理、计算统计、历史数据记录、事件顺序记录（SOE）、事故追忆、故障录波与测距功能、远方通信等常用SCADA功能、五防闭锁功能、运行技术管理、谐波分析与监视、自诊断、自恢复和自动切换、消防、防盗报警功能等。

3.2继电保护功能

继电保护主要包括主变保护、线路保护、母线、电容器保护、备自投系统等，由于继电保护的特殊性和重要性，必须保证继电保护的独立性和可靠性。因此，继电保护按设备间隔分别独立设置，保护CT与测量CT分开，通信系统不依赖主网，跳闸信号单独出口；继电保护管理系统可远方投退压板和控制字，在线修改定值，带简短的事故采样数据和动作记录；具有故障之诊断、自闭锁和自恢复能力。

3.3自动控制装置的功能

为保证安全、可靠供电性和提高电能质量，变电站自动化系统都配置了相应的自动控制装置，如电压、无功控制装置等。

1）电压无功综合控制。变电站电压、无功综合控制是利用有载调压变压器和母线无功补偿电容器及电抗器进行局部的电压及无功补偿的自动调节，使负荷侧母线电压偏差在规定范围内。

2）低频低压减载控制。当电力系统因事故导致有功功率缺额引起系统频率下降时，该装置应能及时切除一部分负荷，防止频率进一步降低，保证系统稳定，并可以手动或延时自动恢复。

3）小电流接地选线。小电流接地系统中发生单相接地时，接地保护应能正确的选出接地线路及接地相，并报警。

3.4远动及数据通信

变电站自动化系统的通信功能主要包括站内通信和与地调的通信两部分。站内通信主要包括变电站自动化内部各子系统与监控系统的数据和信息交换，通信范围在变电站内。与地调通信主要包括将所采集的模拟量和状态量信息，以事件顺序记录远传至调度端，同时从调度端接收操作、控制、修改定值等命令。

4、常用时间同步技术

时间同步技术也叫“对钟”，是通过时刻比对，将分布在不同地方的时钟的钟面时刻值调整到一定的准确度或一定的符合度。前者为绝对时间同步，后者为相对时间同步。时间同步技术经过长时间的发展，已经取得了长足进步。

根据同步时间的建立方式可以分为两大类：一类是多个需要同步的时间用户单向的被动接收同一个系统外的授时台或授时系统的时刻数据作为本地系统时间，来达到自身系统内的同步，如我们日常生活中一般都是使用或同步于北京时间；另一类，需要同步的系统自身主动建立一个内部系统时钟，系统内各用户都同步于这个建立的内部系统时间，在系统时间建立过程中各个分布系统都要主动或被动的参与时间的建立，如国际原子时的建立过程。

从定义上时间同步分为两种，即频率同步和时间同步。频率同步是维持各点的频率相同，它们可以是任意相位。由于不考虑相位，时钟设备在跟踪时钟源的过程中，只要调整本地时钟信号与时钟源频率相同即可，但会有跟踪的相位积累。另外，时钟信号在传递线路上，有传输损伤，如光纤的温度漂移等，这些传输损伤也会产生一些相位漂移积累；时间同步(时刻同步即时间统一技术)是要求各点之间的绝对时间相同。

比如，我们国内都使用或者说是同步于北京时间。时间同步设备就是调整本地的时间时钟，使之与北京时间严格同步，并使各地之间的时间时钟误差维持在很小的范围内，如小于100ns。维持时间同步与维持频率同步相比要困难得多，它要求在维持频率同步的同时，还要严格维持相位同步，不允许有相位积累。要消除时间设备跟踪过程中带来的相位误差以及传输过程中引入的相位损伤，技术难度相对较高。要使本地时间与标准时间实现同步，就要解决时间这一量值的传递，所以也可以根据同步建立所使用的量值传递方法把时间同步分为：短波同步、长波同步、卫星同步和网络同步技术。下面就按照这种分类对现在还在使用的一些同步方法作一个简单的介绍。

4.1短波同步技术

短波同步与短波通信一样，其无线电波的传播方式有两种:地波和天波。地波沿地表传播，其路径稳定，适合标准时间信号的需要，但由于衰减较大，只适合距离主同步站几十公里的用户使用。天波是依靠电离层对短波的反射作用而传播的，由于电离层可以反射多次，故其传播距离很大。但电离层受太阳照射的影响很大，并且存在严重的多经效应，产生传播时延的误差较大。精度只有毫秒量级。

同时短波传输存在噪声大、干扰多和明显的衰落，以及由于电离层扰动引起突然中断等问题。它的最低可用频率和最高可用频率是随时间变化的。由于在使用中有覆盖广、同步设备及设备简单的优点，使其成为最早的时间同步技术。现在我国和世界上还在使用这种方法。由中国科学院国家授时中心于1970年开始提供的BPM短波授时台使用准确度为10-12的载频；UTC发播时刻准确度优于50μs，UTI发播误差小于300μs。

4.2长波同步技术

长波可以用来远距离传播标准时间和标准频率信号。在电导率很高的海面可以传播1000km——2000km。地波由于其幅度和相位十分稳定，因此用其传播标准时间和标准频率信号的误差小。天波也会由于电离层的起伏和扰动影响电磁波的幅度和相位，不过相对于短波影像要小的多，并且可以传播更远达2000km——3000km。如果使用甚低频发播标准时间频率信号进行同步，依靠天波传播，并且避开日出日落时间，使用时间编码格式，其同步精度可达10μs。

由于长波的载频很低，不适合用来传输频谱丰富的前沿陡峭的时间脉冲信号;此外，地波虽然其幅度和相位十分稳定，但容易受幅度较大的天波信号的“污染”。需要对载频精心设计，一般使用100KHz。**的罗兰-C(LORAN-C)系统就是长波授时系统。

我国建立了BPL长波授时台和东部地区的三个长波导航台链。其中BPL长波授时台的发播时刻准确度为1μs，频率准确度<1μs，发射功率峰值>0.8MW，作用距离：地波1000km——2000km，天波3000km。

4.3卫星通信

由于卫星轨道高，可以实现大面积的覆盖，是实现远距离时间同步的最好方法。另外卫星至用户的无线电波是直达波，大气折射的影响要比短波和长波反射实现远距离传播的方法小的多，并且大部分时间是在近似真空的环境中传播的。GPS是美国国防部为了实现全天候全球性的连续导航定位，满足军事部门和民用部门对连续实时、高精度导航定位的迫切要求，于1973年12月批准研制，1993年全面建成并投入运行的新一代卫星导航、定位和授时系统。全称为“授时与测距导航系统/全球定位系统”（NavigationSystemTimingandRanging/GlobalPositioningSystem――NAVSTAR/GPS），简称“全球定位系统”。

GPS卫星的主要功能有:

1）接收和存储由地面发来的导航信息，接收并执行地面的控制指令;

2）由星载原子频标提供所需的标准时间、频率信号;

3）接收地面的调度命令，如调整姿态、启动备用频标或卫星由备用转入工作状态等;

4）向用户发送导航定位信号，其载频=1575.42MHz,Lz=1227.60MHzo分别传输CIA码(CoarseAcquisitionCode粗捕获码)，D码，P码(PreciseCode精码)。

整个GPS系统由地面控制部分、空间部分和用户部分构成：控制部分能观察和校正卫星的位置和时间，并根据跟踪结果计算和编制卫星星历、向卫星注入导航电文和控制指令。对卫星的“健康”状况进行监视和控制。其由1个主控站、3个注入战和5个检测站组成；空间部分由24颗工作卫星组成，均匀分布在6个倾角为55’的轨道面上，每个轨道上有4颗卫星，此外还有4颗卫星备用。卫星运行在20230km的近圆轨道上，周期约为12h。保证了在全球任何地方同时可观测仰角在150以上的卫星有4颗至8颗。卫星上与授时密切相关的导航分系统包括:导航电文存储器、原子频标、伪随机码发生器、S频段接收机和L频段双频段发射机。

早期GPS卫星的星载钟是铆钟或艳钟，现在的使用氢钟作为星载钟。整个GPS的空间部分和地面部分的时钟是高精度统一的；GPS接收机是用户部分的核心部件，它接收多颗GPS卫星发播的信号，经过一系列处理后输出3维定位信息、时间信息以及GPS卫星状态信息等。一般情况下，用普通的商用GPS接收器就能方便地获得GPS提供的时间信息、位置信息、速度信息等等。GPS接收机输出的时间信息包括串行口输出的年、月、日、时、分、秒和频率为1Hz的秒脉冲（1PPS）。其中，普通接收机收到1PPS的上升沿与国际标准时间（UTC）的统计误差为1μs。

GPS利用的是卫星信号提供精确的时钟同步，其最高分辨精度可以达到100ns。当GPS信号转换为计算机系统内核的时钟脉冲时会损失一定的精度，但其仍可将延迟范围控制在微秒以内，这种精度对于绝大多数的需求来说是足够的。

一般说来卫星定时接收机比长波、短波接收机更为复杂，但由于其高度集成化，又较高的性能价格比，使用也较为方便。前苏联也建立了全球卫星导航系统(GlobalNavigationSatelliteSystem,GLONASS)，它与GPS的原理是相似的。我国也使用卫星建立了自己的“北斗一号”和“北斗二号”卫星导航定位系统，与GPS和GLONASS不同的是北斗系列卫星主要起转发中央站和用户数据的作用，同步误差大约为20ns——100ns。

4.4网络时间同步

目前可以用于网络对时的协议主要有：时间协议(TimeProtocol，简称TP)、日期时间协议(DaytimeProtocol，简称DP)、网络时间协议(NetworkTimeProtocol，简称NTP)以及简单网络时间协议(SimpleNetworkTimeProtocol，简称SNTP)。时间协议和日期时间协议都只能表示到秒，而且没有估算网络延时，同步精度较低，目前在工程中应用较少。网络时间协议NTP（NetworkTimeProtocol）是用于互联网中时间同步的标准互联网协议，主要开发者是美国特拉华大学的DavidL.Mills教授。NTP的设计充分考虑了互联网上时间同步的复杂性，提供的机制严格、实用、有效，适应在各种规模、速度和连接通路情况的互联网环境下工作。

NTP本身基于UDP/IP，使用层次式时间分布模型，具有相当高的灵活性，可以适应各种互联网环境。NTP不仅校正现行时间，而且持续跟踪时间的变化，能够自动进行调节，即使网络发生故障，也能维持时间的稳定。NTP产生的网络开销甚少，并具有保证网络安全的应对措施，可以在互联网上获取可靠和精确的时间同步，并使NTP成为互联网上公认的时间同步工具。目前，在通常的环境下，NTP提供的时间精确度在WAN上为数十毫秒，在LAN上则为毫秒级，在专用的时间服务器上，则精确度更高。

国外现在普遍使用网络时间协议和简单网络时间协议提供时间同步服务，已有300多个一级时间服务器分布在澳大利亚、加拿大、法国、德国、美国、英国等国家。国内在一些有条件的重点高校和研究单位也建立了自己的一级时间同步服务器。SNTP是NTP的一个子集，数据包格式与NTP兼容，它的精确度为秒级。适用于时间精确度低于NTP的客户机，并强烈建议**于使用在时间同步网的终端位置。SNTP的实现比较简单，尤其是对于Client侧的实现。一些商用的操作系统（如Windows操作系统）直接支持Client端的SNTP协议。

5、电力时钟时间同步系统应用

目前应用最为广泛的电力时钟同步系统是接收gps北斗卫星双模信号，相互冗余备份，另外还可以接收外部的IRIGB-码、PTP等时钟信号，输出各种电力时钟同步信号，有脉冲对时信号，网络NTP、SNTP、PTP等对时信号、串口tod、IRIG-B码编码对时等，还有各种告警功能。比如西安同步电子科技有限公司生产的SYN4505A型时钟同步系统就完全满足电力时钟同步系统的需求。