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变电站对时与同步的应用分析

范文

张钟毓杨玺梁进国吴方林严浩李蔚

【摘要】对时与同步是变电站内比较普遍的两种应用。文中给出了对时与同步在传统及智能变电站的应用场景，并对其中的应用演变进行了分析，对通过不同间隔层、过程层装置的应用实例，分别对于不同情况下的对时、同步对于各装置的影响及作用展开深层次的分析，并给出传统站、智能站应用的不同给出对时与同步的发展依赖关系。

【关键词】对时同步点对点采样组网采样合并单元

The Analysis of Time Synchronization and Synchronism in Substation Zhang Zhongyu， YangXi， Liang Jinguo， Wu Fanglin， Yan Hao， Li Wei （Wuhan power supply company. Wuhan 430000， China）

Abstract：Time synchronization and syntonization are the most universal techniques. The different applications of these techniques in traditional substation and smart substation are described and the evolution was been analyzed. Furthermore， in the circumstance of the application instance in bay device and process device， the impacts of time synchronization and syntonization was been pointed out. At same time， the relation sheep of time synchronization and syntonization are clarified.

Key words： Time Synchronize； Syntonize； p2p Sample； Network Sample； Merging Unit

引言

在变电站的网络组成上，对时网络通常都是不可缺少的一环。在传统变电站，其对时网络如图1所示，对时主要作用于站控层和间隔层设备；而在目前更新的智能变电站，在增加了带智能设备的过程层后，其对时网络如图2所示[1] [2] [3]。

Fig. 1 Time synchronization network in traditional substation

对时的作用一是给变电站内各个二次设备统一时间基准：如对于保护动作后，保护装置的动作报告与录波器记录的事后事故分析。

对时的作用二是对于变电站内的某些二次设备提供数据同步：如对于PMU记录的矢量数据，只有各个站内的数据是同步的，才能够在调度侧对于多个变电站PMU送来的数据做潮流分析等应用计算。

Fig. 2 Time synchronization network in smart substation

而还有一些二次设备，其可能是可以没有对时，但其主要功能却不能没有同步，如分布式母差保护装置的各个子站，其采样数据必须是同步的，才能够保证母差保护装置的主站计算各个间隔形成的差流的相位关系是正确的。

由此可见，有必要分析变电站内比较典型的对时及同步的应用二次设备。

一、传统变电站内的分布式母差保护

传统变电站的分布式母差组成基本图图3所示。其中，母差保护子站（简称子站）功能为采集一个或多个间隔的电流数据，并上送给母差保护主站（简称主站）；同时，接收并执行主站下发的跳闸命令。随着不同厂家实现的方式不同，子站还可能承担着本间隔后备保护的功能。而主站的功能则为：接收子站采集的电流数据，并自己采集母线电压数据，一般电压做辅助判据，根据各个子站上送的电流实现大差或小差保护，并根据保护动作条件，下发跳闸命令给各个子站。

对于保护设备而言，其主要功能即为其保护逻辑。目前智能变电站经常提出的保护行为不依赖于对时[8]，而对于传统站的母差保护而言，这个问题根本就是不存在的。其核心点即在于主站与子站是中断同步运行的，差动保护的行为只依赖于母差保护主站自身的晶振。在相对较短的时间内（如1个周波），即便主站自身的晶振精度不是很高，也不会有多大的偏差，而在系统运行过程中的连续数据流中，仅仅取其中的一个或几个周波的快照，是不需要关心保护自身的晶振与一次系统传变来的电流工频之间的偏差的。该关系表达示意图如图4所示。

而从另一角度分析：若母差保护的主站和子站全部只接对时，而相互之间不再有同步，再来分析其中的影响。

首先，对于对时，一般均接入站内的对时网络，举例一种比较常见的情况即为站内IRIG-B差分对时网（如图1、2所示）。该对时网络的时钟源及为站内时钟。此时，主站与子站的之间的晶振及全部被同步到外部对时。由于主子站的保护逻辑一般均在CPU的中断内执行，此时即要求主子站的中断产生均基于外部对时。即需要将外部的秒脉冲分频产生内部的中断频率如1.2k，保护中断即在该频率下运行，子站完成采样、主站完成差动保护计算。在正常情况下，整个母差保护系统运行是完全正常的，但由于某些变电站地理位置情况等因素，站内的对时源有可能一段时间失去了外部卫星对时信号，此时对时总线上的IRIG-B码即为站内时钟自己的晶振维护的。虽然站内时钟晶振一般均为精度很高的恒温晶振，但终究会随着时间的流逝而与卫星时间滑开的越来越大。而当一旦其重新捕捉到了外部卫星后，则立刻完成对时同步。而此时对于母差保护即出现了所谓的一次跳变，而采样数据也会有最大可能半个中断周期的跳变（设中断1.2k，则最大可能为416us，对应电气角度7.5度），这对于保护行为是不利的。在保护实际处理上，则是需要短时闭锁保护逻辑或其他技术方法来解决该问题的。

二、传统变电站的线路纵差保护

与母差保护相比，线路纵差保护为站间保护，其纵差保护的实现也依赖于两站电气数据的同步性，其典型工作过程如图5所示。

图中，本侧电流的ADC采样时刻为T1，对侧相同时刻ADC开始采样，但经过光纤通道传输以后，由于有了光纤通道的延时，对侧采样数据在到达本侧装置后，其时标变成了T（1），本侧装置若要准确使用二者数据做差动逻辑，则必须要准确知道光纤的传输延时。

同时，在传统的光纤纵差保护中，由于两侧ADC的同时采样是通过设定两个装置的主从时钟来决定的，其中，从时钟侧需要将其采样中断调整为与主时钟侧一致。这样才能够保证两侧的电流数据差仅仅相差的是光纤传输延时，否则，数据接收方还必须补偿两侧的ADC采样时刻的偏差。进一步分析，一般情况下，不同厂家的纵差保护装置是不能相互配合的，而其中一个最主要原因就是不同厂家的采样环节的延时是不同的。

故对于中断调整为一致即为保证两侧的采样同步，而调整通道延时即可以理解为线路纵差保护装置的内部二次同步。

三、智能变电站的合并单元

智能变电站中的合并单元用于接收多个电子式互感器的远端模块（采集卡）采集的电流电压数据，并做数据合并后再将其发送给保护、计量等其他间隔层设备。

3.1 合并单元的采集控制

在智能变电站中，合并单元是需要接入对时的，而此时对时的作用更多的是同步的意义。从合并单元对远端模块的数据采集的影响来看，在电子式互感器的数据采集过程可以分为独立采集和受控采集：独立采集即远端模块按自己的晶振节拍自主控制其ADC的采样开始转换点，而受控采集则是合并单元向远端模块发送采样同步脉冲，远端模块的才ADC采样开始跟随本采样同步脉冲。

电气量数据采集后能够被间隔层设备最终应用的本质是要保证数据是电气同步的。由此也可以看出远端模块的独立采样和受控采样对于合并单元需要处理的不同：对于独立采样，由于要求合并单元输出数据为对时的0时刻同步数据，故合并单元必须对独立采样的数据进行二次重采样，保证二次重采样的时刻点与外部对时的0时刻绝对同步；而对于受控采样，由于其采样脉冲由合并单元发出，合并单元保证其采样脉冲即是与外部对时0时刻同步的，即合并单元无需二次重采样。

3.2合并单元接入对时的必要性

合并单元除给保护、测控提供数据外，还需要给PMU、录波器等提供数据。对于保护而言，在点对点接入采样的情况下，是无需合并单元接入对时的，但对于组网采样情况下、则合并单元必须提供时标对齐的数据，数据接收方才能够将数据做对其处理。

四、智能变电站的母差保护

在智能变电站的母差保护中，当散热等额外约束条件可以解决时，一般厂家实现均为单台装置，而不再有传统站的分布式母差。从概念上而言，不考虑传统站分布式母差保护的子站中的后备保护功能，则可以理解为在智能站中，传统分布式母差保护的子站已经被智能站中的合并单元（模拟量数据采集）和智能终端（开关量数据采集、继电器出口）所替代。

在智能变电站的母差保护中，依然存在同步问题。这是由于目前国网标准提出了保护不依赖于对时的要求。而本点要求一般是基于站内的电气量数据传输是通过组网方式来完成的。当以网络方式传输电气量数据时，由于其经过了交换机，同时考虑经过交换机的级联，故其采样延时不再准确。而合并单元为了提供时标可参考的数据，其输出数据是包括了采样计数器（smpl_cnt），对于目前一般合并单元的4k采样速率，该计数器在0～3999之间变化。同时，合并单元保证采样计数器为0时，就是外部时钟秒翻转时刻。

母差保护在接收到多个间隔合并单元的电流数据后，需要进行一次数据处理以满足其自身需求。一般情况下，即为保护重采样过程。本过程有两个目的：

1.降低合并单元送来的数据速率为本保护自身的工作频率。（目前保护的工作速率不同厂家时间有所不同，如1.2k，2k等）

2.同步合并单元数据到保护本身的中断时钟上。

对于目的1，无需过多说明；而对于目的2，则需要给出进一步分析。出于母差保护不接收对时的情况，则保护本身的晶振与合并单元发来数据之间时有滑差的，该滑差的实质即为保护本身的晶振与外部时钟源的晶振偏差。同传统站分布式母差保护相同，智能站的母差保护也是通过重采样的方式来消除这两者之间的晶振偏差。使得保护运行过程中，不会出现某次中断没有数据，或某次中断数据过多而无法处理的情况。

其重采样工作过程基本如图6所示。

五、结语

本文通过对于传统站、智能站内典型装置的对时与同步应用给出了较为具体的分析。可以看出，在传统站下，对时与同步关系相对独立，概念上也较为清晰；但在智能站场合下，对于间隔层与过程层装置，对时是起到了双重作用：对时与同步。理解上述概念，对于更好的设计变电站的组网方式，以及厂家相关装置的实现方式会有较好的帮助。

参考文献

[1] 电力系统的时间同步系统第1部分：技术规范 DL/T 1100.1 [S] 2009Time Synchronism systems of power system Part 1： Technical specification. DL/T 1100.1 [S] 2009

[2] IRIG Serial Time Code Formats. IRIG STANDARD 200-98

[3] 智能变电站继电保护技术规范 Q/GDW 441 — 2010.

Technical Specifications of Protection for Smart Substation. Q/GDW 441 — 2010

[4] 刘伟，倪传坤等，智能变电站分布式母线保护实现方案[J]。电力系统保护与控制，2011，39（16），139-141，146。

[5] 李文正，李宝伟等，智能变电站光纤差动保护同步方案研究[J]。电力系统保护与控制，2012，40（16），136-140。

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