基于IEEE1588的适应继电保护应用的合并单元同步对时方法

摘要

本发明属于输变电技术领域，特别涉及一种智能变电站中基于IEEE1588对时方式的适应继电保护应用的合并单元同步对时方法，合并单元在三种对时状态间切换：失步状态，同步跟随状态，同步守时状态。本发明基于合并单元晶振频率不能突变的假设，将自身时钟与授时时钟进行比对，时间差超出设定范围则丢弃该对时报文，解决了IEEE1588实际应用过程中偶发的引起保护装置短时闭锁的重大问题。本发明经过充分的试验验证，能够在保证继电保护系统可靠性的基础上躲过各类时钟系统的短时异常，可直接应用于工程应用的合并单元中。

说明书

技术领域

本发明属于输变电技术领域，特别涉及一种智能变电站中基于IEEE1588对时方式的适应继电保护应用的合并单元同步对时方法。

背景技术

电力系统是由电能的生产、输送、分配和消费等环节构成的一个整体，在国民经济中占有十分重要的地位。智能电网技术作为实现低碳电力的基础和前提，近年来在很多国家得到快速发展。我国提出建设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，具有信息化、自动化、互动化特征的统一坚强智能电网。变电站作为电力系统中的一个重要环节，担负着电压转换和电能二次分配的任务。智能变电站是坚强智能电网的核心内容之一，是重要的组成部分，也是实现风能、太阳能等能源接入电网的重要支撑，在技术上和功能上能够地满足智能电网信息化、自动化、互动化的要求。

传统变电站电压、电流等电气量信息的同步采样在保护装置中完成，保护装置的不同数据通道之间的采样同步采集是通过发送的采样保持脉冲实现，不依赖外部同步对时信号，不需要统一的时钟源。与传统变电站不同，智能变电站内所有智能电子设备（Intelligential Electrical Device,IED）必须保证相互之间同步，并与外部同步信号源同步。一旦丢失外部同步信号或设备对时发生异常，将导致全站保护闭锁，退出运行，严重影响电力系统的安全稳定运行。合并单元作为电子式互感器与保护装置接口的重要组成部分，其主要功能是将采集到的同一时刻的三相电压、电流数据汇总按照一定的格式输出给二次保护控制设备进行信息处理和操作，因此各IED的时钟同步实际上就是合并单元的时钟同步。

目前，变电站内常用的时钟同步方式有脉冲对时、IRIG-B码对时、简单网络同步对时（SNTP）和精确网络同步时钟（IEEE1588）等。IEC61850标准根据变电站的不同应用，对变电站内IED提出了不同等级的同步精度要求，最高等级精度要求达到1μs。IEEE1588精确时钟协议(PTP)作为应用于工业控制和测量领域的时钟协议，通过软硬件相结合的方式，采用在物理层硬件打时标的方式，可以使其同步精度达到亚微秒级。能够满足变电站所有设备的同步精度要求。

发明内容

目前IEEE1588的应用在智能变电站的建设中还处于试点阶段，由于工程现场及实验室出现了交换机在转发1588报文时突然错误的设定驻留时间的问题，导致这种高精度的网络对时技术的应用受到阻碍。发生上述情况时合并单元（Merge Unit，MU）时间发生跳变，输出的序号不连续，从而继电保护装置闭锁退出运行。从对时系统的技术要求，当然无论是主时钟还是交换机都不应该出现任何理由的时间跳变。授时设备如果具备了能够躲过这类异常的功能，就提高了同步的可靠性。基于这种想法，本发明提出了一种系统性的解决方案，使合并单元智能的判别出这类异常，输出特性保证继电保护运行的连续性和可靠性。

本发明基于合并单元晶振频率不能突变的假设，将自身时钟与授时时钟进行比对，时间差超出设定范围则丢弃该对时报文。在这个基本原理的基础上，充分考虑设备的守时性能及例如主时钟跳变、合并单元重新启动等异常情况形成了一种基于IEEE1588的适应继电保护应用的合并单元同步对时方法。这种方法经过充分的试验验证，能够在保证继电保护系统可靠性的基础上躲过各类时钟系统的短时异常。

本发明总体原则：

1 、合并单元在同步状态中不能跳号，保护不闭锁。

2 、主时钟的整秒准时沿不能跳变，秒以下的时间偏差调整可以采用每个对时周期500ns的步长。

本发明是通过以下技术方案实现的：

基于IEEE1588的适应继电保护应用的合并单元同步对时方法，合并单元在三种对时状态间切换：失步状态，同步跟随状态，同步守时状态；

（1） “失步状态”到“同步跟随状态”的切换条件为：连续N1(N1∈[2,60])个对时周期，授时源时间均匀性误差小于T1(T1∈[2,4])us，此时合并单元拉序号；连续N2(N2∈[60,120])个对时周期，授时源时间均匀性误差小于T1(T1∈[2,4])us；

（2）“同步跟随状态”到“同步守时状态”的切换条件为：与授时源绝对时间误差大于T2(T2∈[5,125])us（1次错误对时），启动守时计时器；

（3）“同步守时状态”到“失步状态”的切换条件有2个：守时计时器计时大于等于T3(T3=5,60)min；连续N3(N3∈[2,60])帧报文与合并单元绝对时间差大于T2(T2∈[5,125])us且时间均匀性小于T1(T1∈[2,4])us；

（4）“同步守时状态”到“同步跟随状态”的切换条件为：连续N4(N4∈[3,20])帧时钟源对时报文与合并单元绝对时间差小于等于T4(T4∈[5,125])us时间均匀性小于T1(T1∈[2,4])us，则合并单元守时计时器清零，关闭计时器；

（5）合并单元处于“同步跟随状态”：与授时源绝对时间误差小于T5(T5∈[5,20])us，通过一次也可多次时间调整与授时源同步。

在合并单元守时要求为4us/10min，采样频率为4000点/秒时按如下参数设置切换指标：

（1）“失步状态”到“同步跟随状态”的切换条件为：连续N1=10个对时周期，授时源时间均匀性误差小于T1=3us，此时合并单元拉序号；连续N2=64个对时周期，授时源时间均匀性误差小于T1=3us；

（2）“同步跟随状态”到“同步守时状态”的切换条件为：与授时源绝对时间误差大于T2=10us（1次错误对时），启动守时计时器；

（3）“同步守时状态”到“失步状态”的切换条件有2个：守时计时器计时大于等于T3=10min；连续N3=10帧报文与合并单元绝对时间差大于T2=10us且时间均匀性小于T1=3us；

（4）“同步守时状态”到“同步跟随状态”的切换条件为：连续N4=10帧时钟源对时报文与合并单元绝对时间差小于等于T4=10us且时间均匀性小于T1=3us，则合并单元守时计时器清零，关闭计时器；

（5）合并单元处于“同步跟随状态”：与授时源绝对时间误差小于T5=10us，通过一次也可多次时间调整与授时源同步。

在合并单元守时要求为48us/2h，采样频率为4000点/秒时按如下参数设置切换指标：

（1）“失步状态”到“同步跟随状态”的切换条件为：连续N1=10个对时周期，授时源时间均匀性误差小于T1=3us，此时合并单元拉序号；连续N2=120个对时周期，授时源时间均匀性误差小于T1=3us；

（2）“同步跟随状态”到“同步守时状态”的切换条件为：与授时源绝对时间误差大于T2=10us（1次错误对时），启动守时计时器；

（3）“同步守时状态”到“失步状态”的切换条件有2个：守时计时器计时大于等于T3=60min；连续N3=60帧报文与合并单元绝对时间差大于T2=10us且时间均匀性小于T1=3us；

（4）“同步守时状态”到“同步跟随状态”的切换条件为：连续N4=10帧时钟源对时报文与合并单元绝对时间差小于等于T4=40us且时间均匀性小于T1=3us，则合并单元守时计时器清零，关闭计时器；

（5）合并单元处于“同步跟随状态”：与授时源绝对时间误差小于T5=40us，通过一次也可多次时间调整与授时源同步。

    本发明的优点及效果是：本发明能够在应用IEEE1588对时技术的智能变电站中，避免在实际运行中频繁出现的由于交换机及主时钟短时异常造成合并单元输出异常，导致继电保护闭锁的影响变电站可靠运行的问题。大幅提高合并单元同步可靠性，满足继电保护可靠性要求。本发明的推广应用，将推动IEEE1588对时技术，继电保护网络采样技术在智能变电站工程中的应用。

附图说明

    图1为本发明的同步对时方法中合并单元对时状态及其状态间转换示意图。

具体实施方式

    本发明适用于所有智能变电站二次设备供应商制造在其制造的需要可靠对时的二次设备上。尤其在智能变电站采用基于网络采样的继电保护设备及IEEE1588网络对时方式时，合并单元采用本发明对时方法可以提高继电保护系统可靠性能，避免由于网络设备异常引起全网继电保护闭锁，造成变电站在闭锁期间无保护运行情况。本发明在智能变电站合并单元中的应用，可以大幅度提高继电保护网络采样技术的可靠性水平，推动其在智能变电站中的应用。

    合并单元是智能变电站过程层设备，完成包括继电保护在内的间隔层功能的采样任务，各间隔合并单元需要通过对时的方式保持同步。采用IEEE1588对时方式进行同步的实现分为两部分。一部分是实现基于IEEE1588的对时原理的实现，这部分是接收主时钟对时报文的底层功能。另外一部分是根据接收到的对时报文对本设备时钟频率及相位进行修正的功能实现，在这部分需要充分考虑对时系统的可靠性，这部分的功能实现应用本发明的对时方法。如图1所示，合并单元时钟状态按照本发明的要求分为失步状态和同步状态两种，同步状态分为跟随和守时两种细分状态。设备状态的判断和状态间的转换条件按照本发明的对时方法实现。

采用本发明对时方法的合并单元，极大提高了IEEE1588对时技术在智能变电站中的应用可靠性，极大提高了继电保护网络采样的可靠性。本发明系统性地解决了智能变电站过程层应用IEEE1588对时技术及机电保护网络采样技术工程应用过程中遇到的交换机修正域异常引起合并单元时间调变造成大范围继电保护闭锁的严重问题。

本发明已经在合并单元中实现，并在朝阳何家220kV智能变电站中工程应用，在完成的全站规模的动模试验中进行了充分的测试在不同参数设置时验证了其性能。

1、在对时周期为1秒，合并单元对时方法参数设置为T1=2；T2=5；T3=5；T4=5；N1=2；N2=60；N3=2；N4=3。

主时钟已正常运行，合并单元上电62秒后显示进入同步状态。主时钟时间跳变1秒持续时间1秒后恢复，合并单元一直处于同步状态，输出报文与实际值同步。主时钟时间跳变1秒持续时间3秒后恢复，合并单元进入失步状态62秒后重新进入同步状态。在主时钟的时间输出变量中加入幅值小于1秒的随机变量，5分钟后合并单元失步。在主时钟的时间输出变量中取消幅值小于1秒的随机变量，62秒后进入同步状态。在主时钟的时间输出变量中加入幅值小于1秒的随机变量持续时间为4分钟后取消随机变量，合并单元一直处于同步状态。在主时钟的时间输出变量中加入幅值小于1秒的随机变量持续时间为4分钟后取消随机变量的同时加入1秒的跳变，2秒后合并单元进入失步状态，62秒后重新进入同步状态。

2、在对时周期为1秒，合并单元对时方法参数设置为T1=4；T2=125；T3=60；T4=125；N1=60；N2=120；N3=60；N4=20。

主时钟已正常运行，合并单元上电180秒后显示进入同步状态。主时钟时间跳变1秒持续时间59秒后恢复，合并单元一直处于同步状态，输出报文与实际值同步。主时钟时间跳变1秒持续时间61秒后恢复，合并单元进入失步状态180秒后重新进入同步状态。在主时钟的时间输出变量中加入幅值小于1秒的随机变量，60分钟后合并单元失步。在主时钟的时间输出变量中取消幅值小于1秒的随机变量，180秒后进入同步状态。在主时钟的时间输出变量中加入幅值小于1秒的随机变量持续时间为59分钟后取消随机变量，合并单元一直处于同步状态。在主时钟的时间输出变量中加入幅值小于1秒的随机变量持续时间为59分钟后取消随机变量的同时加入1秒的跳变，125秒后合并单元进入失步状态，180秒后重新进入同步状态。

3、在对时周期为1秒，合并单元对时方法参数设置为T1=3；T2=10；T3=10；T4=10；N1=10；N2=64；N3=10；N4=3。

主时钟已正常运行，合并单元上电74秒后显示进入同步状态。主时钟时间跳变1秒持续时间9秒后恢复，合并单元一直处于同步状态，输出报文与实际值同步。主时钟时间跳变1秒持续时间11秒后恢复，合并单元进入失步状态74秒后重新进入同步状态。在主时钟的时间输出变量中加入幅值小于1秒的随机变量，10分钟后合并单元失步。在主时钟的时间输出变量中取消幅值小于1秒的随机变量，74秒后进入同步状态。在主时钟的时间输出变量中加入幅值小于1秒的随机变量持续时间为9分钟后取消随机变量，合并单元一直处于同步状态。在主时钟的时间输出变量中加入幅值小于1秒的随机变量持续时间为9分钟后取消随机变量的同时加入1秒的跳变，10秒后合并单元进入失步状态，74秒后重新进入同步状态。

试验证明在方法的参数设置范围内进行验证性试验均能够提高合并单元网络对时可靠性。结合多次试验及合并单元、继电保护设备的技术要求，推荐使用第三组参数。