一种应用于广域保护控制系统的双平面时钟同步方法

摘要

一种应用于广域保护控制系统的双平面时钟同步方法，包括以下步骤：站域保护装置接收合并单元的采样值，计算出该采样值从一次电流/电压的被采样时刻到站域保护装置处理后的传输延时，并且以站域保护装置自身的时钟进行标记；站域保护装置实时测量自身的时钟平面和广域保护网络时钟平面之间的相对时间差；站域保护装置获得一次电流/电压到广域网络时钟平面的传输延时，将该传输延时标记到站域保护装置发送给广域主站采样值的额定延时通道位置，传送到广域网络；广域主站从广域网络上获得采样值均带着传输延时时标。本发明保证各路模拟量之间不存在角差，体现了“谁用谁同步”原则。广域网络使用一个主钟来进行时间同步，这个主钟无需依赖外部的北斗/GPS授时。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统继电保护和自动化技术领域，具体涉及到一种应用于广域保护控 制系统的双平面时钟同步技术。

背景技术

将电力系统内的保护装置通过光纤互联、信息共享,获得系统内多点信息,根据网络拓 扑结构,利用获得的信息对故障进行快速、可靠、精确的切除,分析故障点切除后对系统安 全稳定运行带来的影响并采取相应的控制策略确保电网的安全运行,这种集保护和自动控 制功能于一体的系统称为广域保护控制系统。

广域保护主要对变电站之间的联络线进行保护和控制，对信息进行综合分析做出相应 的决策，广域保护涉及到的保护将不局限于几个装置和几个变电站,而且信息传输的距离 长，如何确保所有的信息都同步到同一时间断面，是一个比较难解决问题。过往的广域保 护控制系统的同步，都依赖于基于北斗/GPS进行授时，将采集的数据带上绝对时间信息。 但是如果北斗/GPS信号因为天气等原因失效，则会同步失败，影响保护，造成保护闭锁。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种应用于广域保护控制系统的双平面 时钟同步方法。广域保护控制系统通过站域保护装置自身时钟平面和广域网络时钟平面的 换算，测量出一次电流/电压到广域主站保护装置的延时，从而实现了数据的同步，解决了 原有广域系统必须依赖于北斗/GPS授时的问题。

本发明具体采用以下技术方案：

一种应用于广域保护控制系统的双平面时钟同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)站域保护装置接收合并单元的采样值，计算出该采样值从一次电流/电压到站域 保护装置额定延迟时间，该额定延时时间包括了合并单元的延时和合并单元到站域保护装 置之间的传输延时(由于合并单元到站域保护装置之间使用光纤传输，该传输时间可以忽 略不计)并且以站域保护装置自身的晶振时钟平面度量该额定延迟时间；

(2)站域保护装置实时测量装置自身晶振时钟的整秒和广域网络时钟整秒之间的相 对时间差，计算站域保护装置自身的晶振时钟平面和广域网络时钟平面的换算比例关系；

把采样值在站域保护装置内处理时间累计到该额定延迟时间内，根据步骤(2)得到 的两个时钟平面之间的换算关系，将累计后的额定延迟时间值折算为广域网络时钟平面的 时间，从而获得以广域网络时钟平面来标记的采样值从一次电流/电压到广域网络之间的传 输延时，并且将该采样值从一次电流/电压到广域网络之间的传输延时作为采样值的额定延 时填入到发送采样值报文的额定延时通道位置，发送到广域网络；

(4)广域主站保护装置从广域网络获取带着从一次电流/电压到广域网络之间的传输 延时的采样值；

(5)广域主站保护装置实时测量装置自身晶振时钟的整秒和广域网络时钟整秒之间 的相对时间差，计算两个时钟平面的换算比例关系；

(6)广域主站保护装置将从一次电流/电压到广域网络之间的传输延时换算成自身晶 振的时钟平面时间，为了保证各个不同站域保护装置发送来过的采样值数据的同步性，将 采样值进行拉格朗日插值同步。

本发明应用于广域保护控制系统，实现了广域保护控制系统中不同接入方式的变电站 和不同间隔的之间数据同步，通过装置自身的时钟平面与广域网络的时钟平面，测量了一 次电流/电压到站域/广域保护装置的延时，对于广域保护装置来说，这等同于光纤直接连 接的点对点方式，成功解决了原有广域保护控制系统必须依赖于北斗/GPS进行授时，如果 因为天气等原因导致北斗/GPS失效，广域保护必须闭锁或者退出的问题。

其次，对于站内过程层采样值传输方式，可以根据实际情况，选择组网传输和点对点 传输均可，这也能为更多的变电站接入广域保护控制系统创造便利条件，有利于广域保护 控制系统的推广。

附图说明

图1为本发明的广域保护控制系统图；

图2为装置自身时钟平面和广域网络时钟平面折算图；

图3为发送到广域网络的采样值报文帧格式；

图4为标记传输延时的位置；

图5为插值同步图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进一步详细说明。

如图1所示，广域保护控制系统由各个站域保护装置、广域保护装置通过广域网络进 行连接，网络上各个装置的硬件、软件完全一致，每个装置根据配置成为站域或者广域保 护，站域保护装置采集本站的数据，通过广域网络进行整个网络共享。整个广域网络有一 个统一的主时钟对整个网络进行对时，该时钟可以无需北斗/GPS授时。

在每个不同的变电站，站域保护装置的站内过程层采样数据的传输，可以根据实际情 况，采用点对点和组网传输均可，因为无论是哪种传输方式，站域/广域保护装置均是需 要获得同一个时间断面的采样值。通过装置自身晶振时钟和广域网络时钟折算，使得所有 从一次电流/电压的采样值到站域保护装置均是同一个时间断面。

本发明具体采用以下技术方案：

(一) 计算采样值从一次电流/电压到站域保护装置之间的额定延迟时间，并且以站域晶 振时间平面度量

(a)当站域保护装置的过程层采样是点对点配置时：合并单元不接同步脉冲，采样数 据帧中将额定延迟配置在采样发送数据集中，站域保护装置直接从采样数据帧中获取采样 值从一次电流或电压到站域保护装置之间的传输延时Ti；

(b)当站域保护装置的过程层采样是组网配置时：由于采样时刻和站域保护装置是时 间同步的，采样时间和站域保护装置外接对时时间是一致。采样值从一次电流/电压到站域 保护装置之间的传输延时，就等同于装置自身的晶振秒沿和外接对时时间的秒沿之间的时 间差Ti；

将传输延时Ti折算为晶振计数。Ti一般是使用微秒表示，一个晶振计数单位为10纳 秒，则换算后的时间为Tt＝Ti*1000/10。

(二) 计算站域保护装置自身平面和广域网络时钟平面的时间差

如图2所示，Inpps表示站域保护装置自身晶振时间轴，其中包含一个循环计数器 Tclock，每经过1个计数单位(约为10纳秒)，时间轴的计数值加1。Tclock的计数速度由晶 振的实际频率决定，晶振的物理特性决定了晶振频率在短时间内不会跳变，因此Tclock的 计数单位在很长的一段时间内会维持稳定，故可将Tclock视为一个稳定、不会跳变的时间 轴。当广域网络时钟的秒沿到来时，记录此刻晶振循环计数器值nHwG；当晶振自身的时 间的秒沿到来时，记录此刻晶振循环计数器值nHwC；nHwG和nHwC两者之差，即为两个 时钟平面的时间差。每两个晶振秒沿到来时之间的晶振循环计数器之差nHwClkPeriod，则 为晶振整秒的时间。将nHwG和nHwC两者之差除以nHwClkPeriod，则获得两个时钟平面的 换算比例。

(三) 站域保护装置将全部延时填入到采样值的额定延时通道位置，发送到广域网络

由于从一次电流/电压的采样值，采样频率均高于站域保护装置的采样频率，所以采 样值在站域保护装置内需重新采样，该重采样需要站域保护装置进行运算，会产生处理时 间Tc，该处理时间Tc以晶振计数值表示。重新采样后的数据需要发送到广域网络，该采 样值数据报文帧格式可以仿照SV报文的IEC61850-9-2协议。报文格式由报文帧头和应用 协议数据单元APDU两部分构成如图3所示，其中以太网类型码为0x88BB，用来区分SV报 文。整个采样值从一次电流/电压的额定延迟时间(Tt+Tc)通过步骤(二)的两个时钟平 面之间的换算关系，折算为广域网络时钟平面的时间Ta，配置在采样发送数据集中的第0 个通道(额定延时通道)，如图4所示。

(四) 广域主站保护装置从广域网络获取带着传输延时的采样值

广域主站保护装置从广域网络接收采样值，从发送数据集中的第0个通道得到(如步 骤(三))折算为广域网络时钟平面的时间Ta。

(五) 广域主站保护装置实时测量装置自身晶振时钟的整秒和广域网络时钟整秒之间的 相对时间差，计算两个时钟平面的换算比例关系

如图2所示，Inpps表示广域主站保护装置自身晶振时间轴，当广域网络时钟的秒沿 到来时，记录此刻晶振循环计数器值nHwG；当晶振自身的时间的秒沿到来时，记录此刻 晶振循环计数器值nHwC；nHwG和nHwC两者之差，即为两个时钟平面的整秒之间的相 对时间差。每两个晶振秒沿到来时之间的晶振循环计数器之差nHwClkPeriod，则为晶振整 秒的时间。将nHwG和nHwC两者之差除以nHwClkPeriod，则获得两个时钟平面的换算 比例关系。

(六) 广域主站保护装置将传输延时换算成自身晶振的时钟平面时间，为了保证各个不

同站域保护装置发送来过的采样值数据的同步性，将采样值进行拉格朗日插值同步

广域主站保护装置将采样值从一次电流/电压的传输延时时间Ta，通过步骤(五)获 取的两个时钟平面换算比例关系，换成Tw，这样所有的站域保护装置发送过来的采样值的 传输延时时间，均转成了广域主站保护装置以自身晶振时钟平面度量的Tw。站域1通道的 延时时间标记为Tw1，站域2通道的延时时间标记为Tw2，站域N通道的延时时间标记为 Twn。由于不同站域保护装置发送过来的模拟量通道的延时不一定相等，Tw1、Tw2、Twn也 并不相等。而广域主站保护装置进行保护运算，需要将各个站域送过来的模拟量通道数据 同步到同一个时间断面。采样值数据同步，可以采用拉格朗日插值方法进行插值同步，如 图5所示。以广域主站保护装置的时钟平面为基准，将不同站域保护装置发送过来的模拟 量重采样至同一时刻，保证各路模拟量之间在拉格朗日重采样后，在广域保护主站装置的 保护运算中不存在角差，体现了“谁用谁同步”原则。

以上是本发明申请人结合说明书附图对本发明所作的详细的说明与描述，详尽的说明 只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何 基于本发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。