变电站智能变电站时间同步系统设计

摘要：本专题针对智能变电站中时间同步系统的配置和应用进行研究。专题首先对时间同步系统在智能变电站的应用情况进行了研究和分析；其次对保护直采直跳、直采网跳、网采网跳三种方案下对外部时钟的需求分别进行研究。本工程最终对时方案：站控层SNTP授时、过程层和间隔层IEC61588授时。提出时间同步系统的配置方案，并进行技术经济比较和系统可靠性的论证；最后展望了时间同步网的建立，可作为未来智能变电站时间同步系统建设的参考方案。
关键词：智能变电站同步系统
1007-9416（2012）10-0015-01
1、概述
对于电网的运行和事故系统性分析需要有描述电网暂态过程的电流、电压波形，断路器、保护装置动作时序的时间，各种事件发生的时间序列在电网运行或故障分析过程中起着决定性的作用，同时全站的时间同步技术也是智能化变电站乃至智能电网稳定运行的关键技术之一。与常规变电站相比，智能变电站的结构体系存在巨大的差异。智能变电站的二次系统通常包含电子式互感器、合并单元、交换机、保护测控等设备。传统互感器、保护以及断路器之间复杂的电缆硬导线连接被光纤代替，保护测控设备的电流电压等采样值输入也由模拟信号转变为数字信号输入，信息的共享程度和数据的实时性大幅度提高，这些变化对智能变电站的时钟同步系统提出严格的要求。

2、智能变电站时间同步系统应用现况分析

2.1 时间同步系统应用现况

目前在已经投运和在建站的智能变电站中，时间同步系统主要技术方案并不统

一、主要有：

（1）主时钟双重化配置，支持北斗系统和GPS标准授时信号，优先采用北斗系统。站控层设备宜采用SNTP对时方式。间隔层和过程层设备采用IRIG-B（DC）对时方式。（2）站控层设备采用SNTP对时方式。（3）间隔层和过程层设备采用B码和IEC61588网络对时。（4）主时钟支持北斗系统和GPS标准授时信号，全站采用IEC61588精确对时协议。

2.2 时间同步系统方案分析

上述各站由于建设期不一，站内设备对时需求不同，导致技术方案有相同之处和不同差异，主要表现在：（1）主时钟源选择：各站时钟源信号选择比较统一，均支持北斗系统和GPS标准授时信号，优先采用北斗系统。220kV及以上电压等级变电站主时钟均采用双重化配置。（2）授时方式选择：站控层授时方式选择较为统一，采用SNTP网络对时。间隔层和过程层授时方式选择较为多样。

2.3 现存对时方式分析

目前，国内普遍使用的电力系统自动化设备的对时系统，主要有以下几种：（1）脉冲对时方式：脉冲对时方式多使用空接点接入方式，主要有秒脉冲（PPS）对时、分脉冲（PPM）对时、时脉冲（PPH）对时三种对时方式。脉冲对时方式的优点是可以获得较高的同步精度（可达微秒级），对时接收电路比较简单。不足之处是从设备必须预先设置正确的时间基准，当主时钟和扩展时钟相差太大时，这种对时方式将无法校正分钟以上的误差。（2）串行口对时方式：串口对时方式是对时从设备（如微机故障录波及监控设备等）通过串行口接收GPS时钟信息，来校正其自身的时钟。由于串口接收一帧数据的时间较长，这种方式对时的精度较低（只能达到毫秒级的精度），但是对时接收电路简单通用。串行口对时方式可分为RS-232 （近距离）和RS-485（远距离）两种。（3）IRIG-B时钟码对时方式（简称B码方式）：B码是专为时钟串行传输同步而制定的国际标准，采用脉宽编码调制。同步时钟源每秒钟发出一帧含有秒、分、时、当前日期及年份的时钟信息。IRIG-B码对时方式融合了脉冲对时和串口对时的优点，具有较高的对时精度（可达微秒级）。（4）SNTP对时方式：SNTP基于NTP，适用于对时间要求不是十分严格的网络，精度只能达到毫秒级。（5）IEC 61588（PTP）：IEC61588网络测控系统精确时间同步协议，简称PTP。能够使分布式网络内的各时钟节点与其中最精确时钟节点进行同步，可用于标准的以太网或其他支持组播功能的分布式总线系统中，对时精度可达到微秒级。

3、智能变电站对时方式

根据智能变电站技术方案，全站自动化系统采用“三层两网”结构，三层为过程层、间隔层和站控层，两网为过程层网络和站控层网络。

3.1 二次设备对时精度需求

各层二次设备对时钟同步精度的要求不同，其中过程层、间隔层要求精度为微秒级，站控层要求为毫秒级。

3.2 保护采样跳闸方式对时需求

目前智能变电站保护信息传输方式主要包括直采直跳、直采网跳和网采网跳三种。在上述三种方式下，距离保护和方向保护功能实现均不依赖于外部时钟，以下论述仅针对于差动保护。
（1）直采直跳方式：保护SV采样为直采方式、其余SV采样为组网方式，SV与GOOSE共交换机传输，保护跳闸采用光纤直跳。（2）直采网跳方式：保护SV采样为直采、其余SV采样为组网方式，SV网与GOOSE网共交换机传输，保护跳闸采用GOOSE网跳闸。保护直采网跳方案中，保护装置采样方式与直采直跳类似，因此不需依赖外部时钟信号。保护网络跳闸同样不依赖于外部时钟信号。（3）网采网跳方式：保护和测控SV采样均组网，SV网与GOOSE网共交换机传输，保护跳闸采用GOOSE网跳闸。

3.3 授时方式比较

目前智能变电站站控层授时方式意见较为统一，采用SNTP网络对时，过程层和间隔层授时方式主要包括IEC61588和光纤B码两种方案，以下对两种方式进行比较。
（1）技术先进性比较：IEC61588是一种用于测控系统中的高精度网络时间同步协议，通过计算机网络进行传输，其同步精度可达亚？s级。在智能变电站时间精度严格要求，以及二次设备组网方式下，较光纤B码授时方式具有先天性的技术优势。即使在网络通信时同步信号产生一定的波动，协议仍然能够达到很好的同步。
（2）组网方式简单：IEC61588网络对时报文与变电站自动化系统信息共网传输，不需要增加额

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外的传输路径，接线简单，扩建时也不需要增加设备。光纤B码方式在时钟设备和被授时设备间布置大量光缆/电缆，施工接线以及后期调试维护工作量大，扩建增加设备时需要重新布线。

3.4 小结

通过上述保护采样跳闸方式对时需求分析，IEC 61588和光纤B码授时方式技术经济比较，结合本工程采用保护直采直跳方案，推荐站控层采用SNTP、间隔层和过程层采用IEC 61588网络对时的方案。