智能电网时间同步方案

第33卷第12期华电技术Vol．33No．122011年12月Huadian TechnologyDec．2011智能电网时间同步方案杨京渝(长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南长沙410114)摘要:根据智能电网对时间同步高精度和高安全性的要求，给出了智能电网时间同步方案，采用北斗卫星导航系统/全球定位系统双模授时和IEEE 1588协议相结合的电力系统时间同步技术。

根据运行模式和授时精度的不同，分别给出了适用于主站、子站的不同时间同步配置方案，从而实现整个智能电网的时间同步。

关键词:智能电网;北斗卫星导航系统;全球定位系统;双模授时;时间同步中图分类号:TM 73文献标志码:B文章编号:1674－1951(2011)12－0036－03收稿日期:2011－08－111智能电网概况智能电网是以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网，通过硬件基础和技术手段可实现智能电网的信息化、数字化、自动化和互动化［1－2］。

智能电网系统的建立和数字化电网的实现需要全网时间同步的紧密支持。

因此，建立安全、可靠、高精度的时间同步系统，是当代电网乃至未来智能电网运行的一项基本要求。

目前，电力系统中的时钟主要采用全球定位系统GPS (Global Positioning System )信号接收单元，是以GPS 信号为“主”的外部时间基准。

实践证明，GPS 由于自身的问题，已经不能满足智能电网、智能调度系统的精确时间同步系统的要求。

当前的电力系统时间同步性很差，制约了电力系统综合性能的提高，无法适应智能电网的需求。

因此，迫切需要新的时间同步方式解决现代电力系统的时间同步问题，以满足智能电网的要求。

2011年4月10日，我国成功地将第8颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道，标志着我国初步完成北斗二代系统的基本组网功能。

按照计划，2012年将形成亚太地区天源服务能力，在2020年前发射35颗卫星，环绕地球运行，最终组成覆盖全球的卫星导航系统［3］。

未来建成的北斗二号卫星导航系统将完全兼容并极大地扩充北斗一号卫星导航系统的现有功能。

我国北斗卫星导航系统(以下简称北斗)的崛起，将在快速定位、双向数据通信和精密授时3大领域充当重要的角色，也将打破美国GPS 一统天下的局面。

为满足未来智能电网对时间同步的要求，本文提出了全网时间同步方案，采用北斗/GPS 互为备用作为智能电网的时钟源，同时给出了全网时间同步框架以及IEEE 1588时间协议的具体应用规则。

该方案不仅在很大程度上保证了全网时间同步质量，而且大大提高了电网运行的安全性。

2GPS 授时技术GPS 是美国陆、海、空三军联合研制的卫星导航定位系统，为陆、海、空领域提供定时、全天候和全球性的导航服务。

GPS 由卫星星座、地面测控站和用户设备3大部分组成。

GPS 的卫星星座由21颗工作卫星和3颗备用卫星构成，他们均匀分布在6个与赤道夹角为55ʎ的近似圆形轨道上，轨道间夹角为60ʎ。

这种布置方式可保证在地球上任何地方、任何时刻都能同时收到4颗以上的卫星信号。

地面监控系统包括1个主站、3个注入站和5个监测站，该系统的作用是:跟踪观测GPS 卫星、计算编制卫星星历、监测和控制卫星状态、保持精确的GPS 时间系统、向卫星注入导航电文和控制命令。

GPS 接收机是用户部分的核心部件，它接收多颗GPS 卫星发出的信号，经过一系列处理后输出定位信息、时间信息以及卫星状态信息等，接收机输出的时间信息包括串行口输出的年、月、日、分、秒和频率为1Hz 的秒脉冲［4］。

但GPS 天线安装位置要求苛刻，从而导致馈线铺设难。

各站GPS 时间系统相当分散、庞大，现场维护困难，易受美国控制。

美国采用了有选择可用性政策SA (Selective Avaibility )，但没有承诺过服务质量，可以控制任何区域、任意时段的GPS 信号而不影响自己和盟友的正常使用。

因此，GPS 的自主性和可靠性都得不到保证。

我国若大规模采用GPS ，一旦发生危机或战争威胁，就会对我国电网构成严重的安全隐患［5］。

3北斗授时技术北斗是我国正在实施的自主研发、独立运行的第12期杨京渝:智能电网时间同步方案·37·全球卫星导航系统。

北斗由空间卫星、地面中心控制系统和用户终端组成。

北斗一号空间部分由2颗地球同步导航卫星和1颗在轨备用卫星组成，这3颗卫星距离地面约3600km，分别位于赤道面东经80．0ʎ，140．0ʎ和110．5ʎ，由它们完成中心控制系统与用户收发机之间的双向无线电信号转发。

地面中心控制系统由1个中心控制站、若干个卫星定轨标校站、差分定位标校站和测高标校站组成。

地面控制中心不仅是北斗的控制和管理中心，而且还是北斗的中枢，它由信号收发分系统、信息处理分系统、时间分系统、监控分系统和信道监控分系统等组成。

用户终端由信号接收天线、混频和放大电路、发射装置、信息输入键盘和显示器等组成，根据执行任务的不同，用户终端分为通信终端、卫星测轨终端、差分定位标校终端和授时终端等［6］。

北斗卫星授时功能具有安全、准确、全天候和通用的特点，具有单向和双向2种授时功能，根据不同的精度要求，利用定时用户终端完成与北斗之间的时间和频率同步，提供100ns(单向授时)和20ns (双向授时)的时间同步精度。

目前，华东电网公司所管辖的富春江水电站、新安江水电站、南京东善桥变电站、上海南汇变电站安装的北斗授时监控装置运行稳定、安全可靠，各项技术指标完全达到设计要求。

4IEEE1588时间协议为提高广域时间同步精度，网络精密时钟同步委员会在2002年年底发布了适用于网络化测量和控制系统的高精度网络时钟同步协议———IEEE 1588协议［7］。

该协议具有占用网络带宽小、对系统资源要求低等优点，采用时间分布机制和时间调度概念，客户机可使用普通振荡器，通过软件调度与主控机的主时钟保持同步，过程简单、可靠，能够达到亚微秒级的同步精度;另外，协议中各类同步报文均是基于用户数据报协议与网络协议(UDP/IP)的多播报文发送，非常适合在目前技术成熟的以太网上实现，是公认的最有发展前途的网络时钟同步协议。

5时间同步方案积极开展智能电网时钟同步技术的研究，既是电力科学技术发展的要求，也是保证我国智能电网建设顺利完成的前提条件。

目前，电力系统中的时间同步大多处于各自为政的状态，缺乏全局考虑，多数应用都只针对某个具体问题，不同装置各自配置独立的GPS接收机，仅实现装置内的局部同步，而非系统的全局同步;各个电厂、变电站、调度中心都是时间孤岛，各机房的时间系统也没有统一的精度要求和安全标准。

现在的电力系统运行管理形成了以调度自动化系统为中心的主站系统，以电站监控(包括发电厂、变电站、开关站等)为主的子站系统。

由于主站、子站的运行模式不同，对授时精度的要求也不同［8］。

针对该问题，笔者分别给出了主站系统和子站系统的时间同步方案。

5．1主站系统时间同步方案主站系统通常由分布在网公司、省(自治区、直辖市)公司、市(地)公司、县公司的多级系统组成，所管理的电压等级、管理范围和用户不同，因此，要各司其职，完成综合管理功能;主站系统通过电力调度运行管理网络，互联成为大型管理信息系统(MIS)，由于应用系统间信息交换的需要，系统之间是互联的，所以接入的计算机数量较大［9］。

主站系统主要包括电能量采集装置、负荷/用电监控终端装置、电气设备在线状态检测或自动记录仪、控制/调度中心数字显示时钟、火电厂/水电厂/变电站计算机监控系统、监控与数据采集(SCADA)系统/能源管理系统(EMS)、电能计费系统(PBS)、继电保护及保障信息管理系统、电力市场技术支持系统、负荷监控/用电管理系统、配电自动化管理系统、调度管理信息系统(DMIS)、管理信息系统(MIS)等。

这些管理系统对时间精度的要求为秒级，授时精度达到0．01s即可。

主站授时网络结构如图1所示。

图1主站授时网络结构图由图1可知，主站系统以北斗/GPS互为备用作为该系统的时钟源，采用高稳恒温晶体振荡器(OCXO)作为本地时钟，运用北斗和GPS双模授时·38·华电技术第33卷技术对高稳晶振进行校频以实现时钟同步。

若北斗和GPS 都被干扰而不能正常使用，高稳晶振自动进入保持状态，继续提供高精度频率和时间信号输出，以维持系统的正常工作。

主站系统以网络作为系统的信息交换媒介，因此，采用IEEE 1588时间协议(PTP )来实现以太网的精确时间同步。

对于要求精度更高的智能电网来说，IEEE 1588标准精确时间协议顺应了报文同步的趋势，它借鉴了NTP 技术，但其在硬件上要求每个网络节点必须有一个包含实时时钟的网络接口，可实现基于PTP 协议栈的相关服务［10］。

主站系统以省调度主站时钟为主时钟，市调度主站、县调度主站为从时钟。

主时钟周期性地给从时钟发送Sync 报文，紧接着发送Follow-Up 报文，该报文携带上个消息的实际发送时间t 1，从时钟记录Sync 报文的到达时间t 2，随后在t 3时刻发送Delay-Rep 报文给主时钟，主时钟记录报文到达时间t 4并发送De-lay-Resp 报文把t 4告知从时钟。

从时钟根据4个时间信息计算出时间偏差t offset =［(t 2－t 1)+(t 3－t 4)］/2，传输延迟t delay =［(t 2－t 1)+(t 4－t 3)］/2。

从时钟利用计算出来的时间偏差修改本地时间，从而与主时钟同步。

上述关于主、从时钟的时间偏差与传输延迟的计算是在报文往返延迟对称的假设下进行的。

但主、从时钟之间的距离往往较长，受网络波动的影响，消息传输延迟相差可能性很大，即引入了很大的非对称性误差，将会严重影响同步精度。

针对该问题，在主、从时钟之间布置若干个透明时钟，逐级同步，减少网络抖动的影响，做非对称性校正，可以排除交换网络造成的非对称延迟的影响，减少了大型拓扑中的积聚误差［11］。

P2P 透明时钟如图2所示。

图2P 2P 透明时钟在图2中，总的驻留时间t a =(t 2－t 1)+(t 4－t 3)+(t 6－t 5)，各段路径延迟之和t b =t b1+t b2+t b3+t b4。

主时钟给从时钟发送Sync 消息和可选的后续消息(Follow-Up )消息之后，从时钟得到时间偏差t offset =t 7－t 0－t a －t b 。

同时还应在调度端建立监视系统，定时采集场站端时间同步设备运行状态，如卫星接收状态、调度信号源、设备硬件运行状态等，可以及时发现故障，对故障进行统计。

5．2子站系统时间同步方案子站系统直接监测和控制电网运行，分布广、同步精度和可靠性要求高，接入子系统的设备非常多，接入方式也相当复杂，所以采用自治时间同步为最佳方案。