智能站变电站时钟同步系统（时间同步系统）
智能站变电站时钟同步系统（时间同步系统）
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1.概述
在现代电网中，统一的时间系统对于电力系统的故障分析、监视控制及运行管理具有重要意义。变电站的对时是指站内的保护、测量、监控设备为了统一时间的需要，采用相应的对时方法，实现与标准时钟源时间保护同步的过程，从而确保电力系统实时数据采集的一致性，为系统故障分析和处理提供了准确的时间依据，提高电网运行效率和可靠性，提高电网事故分析和稳定控制的水平，提高线路故障测距、相量和功角动态监测、机组和电网参数校验的准确性。
传统变电站采用常规互感器，一、二次电气量的传变延时很小可以忽略，只要根据继电保护等自动化装置自身的采样脉冲在某一时刻对相关TA、TV的二次电气量进行采样，就能保证数据的同时性。智能变电站继电保护等自动化设备的数据采集模块前移至合并单元，互感器一次电气量需要经前端模块采集再由合并单元处理。由于各间隔互感器的采集处理环节相互独立，没有统一协调，且一、二次电气量的传变附加了延时环节，导致各间隔电子式互感器的输出数据不具有同时性，无法直接用于对数据同步性要求高的保护计算。由此可见，时钟同步是保证网络采样同步的基础。电力系统中合并单元、同步相量测量装置、故障录波器、电气测控单元、远方终端、保护测控一体化装置、微机保护装置、安全自动装置、电能量采集装置、计算机监控系统主站、配电网终端装置和配电网自动化系统均需要进行对时，这些设备对时间同步准确度的要求如表1：
1.1 时间的基本概念
时间是物理学的一个基本参量，也是物质存在的基本形式之一，是所谓空间坐标的第四维。时间表示物质运动的连续性和事件发生的次序和久暂，其最大特点是不可能保持恒定不变。
下面介绍几个不同的计时方式：
1、世界时：UT/UT0/UT1/UT2
天文学界将在英国格林尼治天文台观测得到的由平子夜起算的平太阳时称作世界时，记为UT，并一直沿用至今。
通过观测恒星直接得到的世界时称为UT0。
地球的自转轴不是固定不变的，因此需对UT0进行极移修正，并将经过极移修正得到的世界时记为UT1，则UT1=UT0+Δλ。
地球的自转速率有不规则的变化，自转速率正在变慢，再对UT1进行地球自转速率周期变化的改正，就得到UT2。即UT2=UT1+ΔTs=UT0+Δλ+ΔTs。
2、原子时/国际原子时：TA/TAI
原子物理学和量子物理学研究告诉人们，原子核外围电子会产生能级跃迁，以原子由高能级向低能级跃迁时辐射出的频率作为频率标准，即所谓的原子频率标准（原子频标）。以原子频标为基准的时间计量系统称为原子时，简称TA。
国际时间局建立的原子时被国际计量大会指定为国际原子时，命名为TAI。
3、协调世界时：UTC
我国电力系统主要使用协调世界时（UTC），它代表了国际原子时TAI和世界时UT1这两种时间尺度的结合。UTC的定义为
UTC(t)—TAI(t)=N秒（N为整数）
|UTC(t)—UT1(t)|＜0.9s
UTC的具体实施办法是取消频偏调整，使UTC秒长严格等于TAI秒长，在时刻上又使UTC接近于UT1。这样由地球自转速率不均匀性造成的UT1与TAI的差值采用在UTC时刻中加1s或减1s的闰秒（即跳秒）措施来补偿。闰秒的时间定在6月30日或12月31日，也就是说使UTC在6月30日或12月31日这两个日期的最后一分钟为61s或者59s。由于地球自转速度的不均匀性，近20年来，世界时每年比原子时大约慢1s，二者间的差逐年累积，到2013年已达35s。
1.2 常用授时系统
时钟源用于提供标准时钟信号，授时系统主要包括无线授时和有线授时两类。无线授时系统包括美国GPS（Global Positioning System）导航系统、欧洲伽利略（Galileo）导航系统、中国北斗导航系统和俄罗斯全球导航卫星系统（GLINASS）等；有线授时系统以网络或专线作为载体，例如通信网络授时系统。目前变电站中主要应用的时钟源为GPS卫星授时和北斗授时技术。
（1）GPS卫星授时
GPS（Global Positioning System）即全球定位系统，是美国从20世纪70年代开始研制的。GPS系统由专门的接收器接收卫星发射的信号，可以获得位置、时间和其他相关信息。GPS系统每秒发送一次信号，其时间精度在100ns以内。其时间信息包含年、月、日、时、分、秒以及1PPS（标准秒）信号，因而具有很高的频率精度和时间精度。在综自变电站中采用GPS卫星同步时钟可以实现全站各系统在统一时间基准下的运行监控和事故后的故障分析。
（2）北斗授时技术
北斗卫星导航系统是中国独立开发的全球卫星导航系统，类似于美国的GPS和欧洲的伽利略定位系统，它提供海、陆、空全方位的全球导航定位服务，目前已经发展至第二代，授时精度可以达到20ns。目前已将13颗北斗导航系统组网卫星顺利送入太空预定转移轨道，预计在2020年建成由30多颗卫星组成的，覆盖全球的“北斗”卫星导航定位系统。北斗时间系统，简称北斗时（BDT），是一个连续的时间系统，秒长取国际单位制SI秒，起始历元为2006年1月1日0时0分0秒协调世界时（UTC）。BDT与UTC的偏差保持在100ns以内。
1.3 智能变电站授时技术和时间同步系统
变电站GPS时间同步系统由主时钟、扩展时钟和时间同步信号传输通道组成，主时钟和扩展时钟均由时间信号接收单元、时间保持单元和时间同步信号输出单元组成。
因智能变电站对时间同步采集需求较高，为保证实时数据采集时间的一致性，智能变电站应配置一套全站公用的时间同步系统，主时钟应双重化配置。时钟同步精度和守时精度满足站内所有设备的对时精度要求，异常时钟信息的防误、主从时钟的传输延时补偿等满足智能化变电站同步采样要求。
智能变电站宜采用主备式时间同步系统，由两台主时钟、多台从时钟和信号传输介质组成，为被授时设备/系统对时。
主时钟采用双重化配置，支持北斗授时系统和GPS标准授时信号，优先采用北斗授时系统。主时钟对从时钟授时，从时钟为被授时设备/系统对时。时间同步精度和守时精度满足站内所有设备的对时精度要求。站控层设备宜采用SNTP对时方式，间隔层和过程层设备宜采用直流IRIG-B码对时方式，条件具备时也可采用IEEE 1588网络对时。根据需要和技术要求，主时钟可留有接口，用来接收上一级时间同步系统下发的有线时间基准信号。
在智能变电站中，时间装置的技术特点及主要指标如下：
（1）多时钟信号源输入无缝切换功能。具备信号输入仲裁机制，在信号切换时1PPS输出稳定在0.2μs以内。
（2）异常输入信息防误功能。在外界输入信号受到干扰时，仍然能准确输出时间信息。
（3）高精度授时、守时性能。时间同步准确度优于1μs，秒脉冲抖动小于0.1μs，守时性能优于1μs/h。
（4）从时钟延时补偿功能。弥补传输介质对秒脉冲的延迟影响。
（5）提供高精度可靠地IEEE 1588时钟源。
（6）支持DL/T860建模及MMS组网。
（7）丰富的对时方式，配置灵活。支持RS232、RS485、空触点、光纤、网络等多种对时方式。
图2 智能变电站对时系统结构图
智能站变电站时钟同步系统（时间同步系统）
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1.概述
在现代电网中，统一的时间系统对于电力系统的故障分析、监视控制及运行管理具有重要意义。变电站的对时是指站内的保护、测量、监控设备为了统一时间的需要，采用相应的对时方法，实现与标准时钟源时间保护同步的过程，从而确保电力系统实时数据采集的一致性，为系统故障分析和处理提供了准确的时间依据，提高电网运行效率和可靠性，提高电网事故分析和稳定控制的水平，提高线路故障测距、相量和功角动态监测、机组和电网参数校验的准确性。
传统变电站采用常规互感器，一、二次电气量的传变延时很小可以忽略，只要根据继电保护等自动化装置自身的采样脉冲在某一时刻对相关TA、TV的二次电气量进行采样，就能保证数据的同时性。智能变电站继电保护等自动化设备的数据采集模块前移至合并单元，互感器一次电气量需要经前端模块采集再由合并单元处理。由于各间隔互感器的采集处理环节相互独立，没有统一协调，且一、二次电气量的传变附加了延时环节，导致各间隔电子式互感器的输出数据不具有同时性，无法直接用于对数据同步性要求高的保护计算。由此可见，时钟同步是保证网络采样同步的基础。电力系统中合并单元、同步相量测量装置、故障录波器、电气测控单元、远方终端、保护测控一体化装置、微机保护装置、安全自动装置、电能量采集装置、计算机监控系统主站、配电网终端装置和配电网自动化系统均需要进行对时，这些设备对时间同步准确度的要求如表1：
1.1 时间的基本概念
时间是物理学的一个基本参量，也是物质存在的基本形式之一，是所谓空间坐标的第四维。时间表示物质运动的连续性和事件发生的次序和久暂，其最大特点是不可能保持恒定不变。
下面介绍几个不同的计时方式：
1、世界时：UT/UT0/UT1/UT2
天文学界将在英国格林尼治天文台观测得到的由平子夜起算的平太阳时称作世界时，记为UT，并一直沿用至今。
通过观测恒星直接得到的世界时称为UT0。
地球的自转轴不是固定不变的，因此需对UT0进行极移修正，并将经过极移修正得到的世界时记为UT1，则UT1=UT0+Δλ。
地球的自转速率有不规则的变化，自转速率正在变慢，再对UT1进行地球自转速率周期变化的改正，就得到UT2。即UT2=UT1+ΔTs=UT0+Δλ+ΔTs。
2、原子时/国际原子时：TA/TAI
原子物理学和量子物理学研究告诉人们，原子核外围电子会产生能级跃迁，以原子由高能级向低能级跃迁时辐射出的频率作为频率标准，即所谓的原子频率标准（原子频标）。以原子频标为基准的时间计量系统称为原子时，简称TA。
国际时间局建立的原子时被国际计量大会指定为国际原子时，命名为TAI。
3、协调世界时：UTC
我国电力系统主要使用协调世界时（UTC），它代表了国际原子时TAI和世界时UT1这两种时间尺度的结合。UTC的定义为
UTC(t)—TAI(t)=N秒（N为整数）
|UTC(t)—UT1(t)|＜0.9s
UTC的具体实施办法是取消频偏调整，使UTC秒长严格等于TAI秒长，在时刻上又使UTC接近于UT1。这样由地球自转速率不均匀性造成的UT1与TAI的差值采用在UTC时刻中加1s或减1s的闰秒（即跳秒）措施来补偿。闰秒的时间定在6月30日或12月31日，也就是说使UTC在6月30日或12月31日这两个日期的最后一分钟为61s或者59s。由于地球自转速度的不均匀性，近20年来，世界时每年比原子时大约慢1s，二者间的差逐年累积，到2013年已达35s。
1.2 常用授时系统
时钟源用于提供标准时钟信号，授时系统主要包括无线授时和有线授时两类。无线授时系统包括美国GPS（Global Positioning System）导航系统、欧洲伽利略（Galileo）导航系统、中国北斗导航系统和俄罗斯全球导航卫星系统（GLINASS）等；有线授时系统以网络或专线作为载体，例如通信网络授时系统。目前变电站中主要应用的时钟源为GPS卫星授时和北斗授时技术。
（1）GPS卫星授时
GPS（Global Positioning System）即全球定位系统，是美国从20世纪70年代开始研制的。GPS系统由专门的接收器接收卫星发射的信号，可以获得位置、时间和其他相关信息。GPS系统每秒发送一次信号，其时间精度在100ns以内。其时间信息包含年、月、日、时、分、秒以及1PPS（标准秒）信号，因而具有很高的频率精度和时间精度。在综自变电站中采用GPS卫星同步时钟可以实现全站各系统在统一时间基准下的运行监控和事故后的故障分析。
（2）北斗授时技术
北斗卫星导航系统是中国独立开发的全球卫星导航系统，类似于美国的GPS和欧洲的伽利略定位系统，它提供海、陆、空全方位的全球导航定位服务，目前已经发展至第二代，授时精度可以达到20ns。目前已将13颗北斗导航系统组网卫星顺利送入太空预定转移轨道，预计在2020年建成由30多颗卫星组成的，覆盖全球的“北斗”卫星导航定位系统。北斗时间系统，简称北斗时（BDT），是一个连续的时间系统，秒长取国际单位制SI秒，起始历元为2006年1月1日0时0分0秒协调世界时（UTC）。BDT与UTC的偏差保持在100ns以内。
1.3 智能变电站授时技术和时间同步系统
变电站GPS时间同步系统由主时钟、扩展时钟和时间同步信号传输通道组成，主时钟和扩展时钟均由时间信号接收单元、时间保持单元和时间同步信号输出单元组成。
因智能变电站对时间同步采集需求较高，为保证实时数据采集时间的一致性，智能变电站应配置一套全站公用的时间同步系统，主时钟应双重化配置。时钟同步精度和守时精度满足站内所有设备的对时精度要求，异常时钟信息的防误、主从时钟的传输延时补偿等满足智能化变电站同步采样要求。
智能变电站宜采用主备式时间同步系统，由两台主时钟、多台从时钟和信号传输介质组成，为被授时设备/系统对时。
主时钟采用双重化配置，支持北斗授时系统和GPS标准授时信号，优先采用北斗授时系统。主时钟对从时钟授时，从时钟为被授时设备/系统对时。时间同步精度和守时精度满足站内所有设备的对时精度要求。站控层设备宜采用SNTP对时方式，间隔层和过程层设备宜采用直流IRIG-B码对时方式，条件具备时也可采用IEEE 1588网络对时。根据需要和技术要求，主时钟可留有接口，用来接收上一级时间同步系统下发的有线时间基准信号。
在智能变电站中，时间装置的技术特点及主要指标如下：
（1）多时钟信号源输入无缝切换功能。具备信号输入仲裁机制，在信号切换时1PPS输出稳定在0.2μs以内。
（2）异常输入信息防误功能。在外界输入信号受到干扰时，仍然能准确输出时间信息。
（3）高精度授时、守时性能。时间同步准确度优于1μs，秒脉冲抖动小于0.1μs，守时性能优于1μs/h。
（4）从时钟延时补偿功能。弥补传输介质对秒脉冲的延迟影响。
（5）提供高精度可靠地IEEE 1588时钟源。
（6）支持DL/T860建模及MMS组网。
（7）丰富的对时方式，配置灵活。支持RS232、RS485、空触点、光纤、网络等多种对时方式。
图2 智能变电站对时系统结构图
