提升电力系统稳定性的集控站时钟同步改进方案
NTP网络时间同步服务器（时间同步装置）助力电力自动化系统精准NTP网络时间同步服务器（时间同步装置）助力电力自动化系统精准
摘要：集中控制站时钟同步是影响电力系统运行稳定性和可靠性的重要因素之一。本文首先详细介绍了利用GPS时钟实现整个集中控制站时钟同步的原理和流程，然后分析了目前某供电公司所辖集中控制站时钟同步系统的缺点，最后提出改进方案。该方案中，GPS时钟冗余且互用，大大提高了时钟同步系统的精度。
1.电力系统时钟同步系统概述
电力系统时钟同步系统采用全球定位系统GPS时钟，统一同步发电厂和发电厂的计算机监控系统、测控装置、线路微机保护装置、故障录波装置、电能计费系统等的时间。变电站实现整个发电厂和变电站的时钟完全统一。全网时钟不同步会导致一些特殊故障，如数据信息丢失、SOE事件信息逻辑混乱、部分工作站当机甚至系统瘫痪等。因此，时钟同步是影响电力系统运行稳定性和可靠性的重要因素之一。
1.1 GPS时间同步
GPS是1993年在美国全面建成并投入运行的新一代卫星导航、定位和时间同步系统。如图1所示，GPS系统由地面控制部分（监控主站）、空间部分（GPS卫星）和用户部分（接收器）。 GPS时间同步利用GPS卫星搭载的高精度原子钟产生参考信号和时间标准，提供覆盖全球的授时服务。其计时精度高达十亿分之二秒。电力系统主要利用GPS的精确授时特性。 GPS接收器可随时同时接收其视野内的4-8颗卫星信号。其内部硬件电路和处理软件对接收到的信号进行解码和处理，提取并输出两个时间信号： (1)时间 对于间隔为1s的脉冲信号PPS，脉冲前沿与国际标准时间之间的同步误差(格林威治标准时间）不超过1μs； (2) 通过串口输出PPS脉冲前沿对应的国际标准时间和日期代码。如果采用PPS信号作为标准时钟源同步电网中运行的各种时钟，可以保证各厂站时钟的高精度同步运行。
1.2 时钟同步原理
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现代电力系统配备了各种自动化设备，如测控装置、RTU、故障录波器、微机保护装置、分时电能表等，这些自动化设备内部都有实时时钟。实时时钟实际上是电子时钟。电子钟不可避免地存在误差：（1）初值设置不准确； (2)石英晶体振荡频率误差及频率振荡的温度漂移和老化漂移； (3)电路中电容器的电容量变化等。随着时间的推移，累积误差会越来越大。因此，电子钟需要进行校时校准。原理就像我们每天校准手表一样，按照一定的时间间隔按照一定的时间参考信号进行设置。这种自动时钟校准的过程称为时钟同步。目前，利用GPS卫星获取时间参考信号是一种方便、经济的方法。 GPS时钟接收GPS卫星的精确时间信号作为时间基准信号，并将其转换成各种自动化设备所需的时间信号输出，实现各自动化设备的时间统一。
2、中央控制站时钟同步系统
集控站自动化系统分为主站系统和分站系统两部分。主站系统是指集控站，分站系统是指集控站控制的各个变电站。通常，集控站整个网络内，集控站主站接收GPS时间，然后通过通信通道与各分站监控系统进行时间同步，保证整个集控站内时间统一。集中控制站网络。实现全网时钟同步一般分为三个步骤：
(1)集控站内各操作员站、前端计算机、服务器的时间同步。
(2)中央控制站前端计算机发出授时信息，与各变电站监控系统同步。
(3)变电站监控系统设有各区间定时保护、测控等装置。
2.1集控站时间调整
集控站中各操作员站、前端计算机、服务器的定时是为了保证在发生数据的增、改、删等操作时整个网络的一致性和完整性。数据不一致和不完整会导致主备系统切换或历史数据存储时无法正确识别数据的一致性和完整性，导致信息和数据丢失，甚至系统瘫痪 。操作员站、前端计算机和服务器的石英晶振芯片长时间运行后，会出现时钟不准确的情况。因此，需要采用相应的时间同步方法来实现集中控制站的时钟同步。如图2所示：操作员站、历史服务器、SCADA服务器和前端计算机分别连接到网络A和网络B。 GPS时钟输出的时间信号直接连接到A网络和B网络，通过网络广播将时间同步命令与各服务器同步，实现集控站内的时钟同步。
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2.2 变电站时间调整
变电站时钟同步的目的是保证系统事件序列记录和事故回忆的准确性，为事故调查提供依据。前端计算机与集中控制站的GPS时间同步后，就会有准确的时间。前端计算机按一定周期向各变电站发送同步信息，使各变电站的监控系统与集中控制站的时间保持一致。监控系统通过网络广播时间同步命令，与各区间保护、测控等设备进行时间同步，从而实现与集中控制站的时间同步。这样集中控制站全网所有设备的时间就统一了。部分变电站安装了GPS时钟装置。正常情况下，变电站内的设备通过变电站内的GPS时钟来同步时间。 GPS 时钟偶尔会出现故障。当GPS时钟发生故障时，变电站内设备将根据集控站下发的同步报文同步时间。
3、某供电公司集控站时钟同步系统现状
目前，某供电公司220kV变电站基本安装了GPS时钟。 110kV综合自动化变电站大多配备GPS时钟；未安装110kV常规变电站。因此，很多110kV变电站需要依靠中央控制站下发同步消息，以实现时钟同步。此外，在安装了GPS的变电站中，GPS时钟也可能出现故障。例如，2007年8月，110kV龙王庙变电站GPS时钟损坏，保护动作时间不一致，无法区分事件先后顺序，给运行人员造成很大麻烦。 2008年3月，220kV金银滩变电站GPS时钟损坏，站内各测控设备时间不同步。在GPS时钟损坏期间，还需要依靠集控站下发时间同步消息进行时钟同步。因此，集控站时钟是否准确具有重要意义。
4、集控站时钟同步系统设计
无法接收信号或GPS天线损坏将严重影响GPS时钟的准确性。为了提高时间基准信号的精度，我们对原有的GPS时钟同步系统进行了改进。
如图3所示：集中控制站内设置两个GPS时钟。两个时钟的天线应尽可能远离，以保证至少一根天线能同时接收到卫星信号。时钟A和时钟B的时间信号接收单元通过光纤连接，互为备份。光纤具有很强的防雷性能，可以降低设备被雷击损坏的概率。时间信号输出单元与网络连接，同时只有一个时钟输出时间信号。当主时钟时间信号接收单元出现问题，如卫星无法跟踪、天线或其他方面损坏等时，会自动切换到备用时钟信号，保证参考信号的正常输出时间信号。返回搜狐查看更多
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