变电站GPS校时产品（GPS对时设备）在线监测技术

变电站GPS校时产品（GPS对时设备）在线监测技术

变电站GPS校时产品（GPS对时设备）在线监测技术

京准电子科技技术交流VX（ahjzsz）

1 、引言
       智能变电站时间同步是智能变电站运行的基本组成部分，它利用时间同步系统为智能变电站中的所有智能电子设备提供可靠稳定的时间同步信息，目前基本采用PPS.PPM.IRIG-B等单向时间信号或基于网络的NTP网络时间协议。随着智能变电站及更高时间性能需求的出现，PTP精确时间同步协议也应用而生。评价智能变电站时间同步好坏的标志是所有授时设备及被授时设备的时间质量在运行过程中的准确度和稳定度。因此，验证授时和被授时设备的准确度和稳定度是变电站的重要生产维护工作。目前，智能变电站建设实施中，往往通过离线检查来判断时间同步设备和被授时设备是否满足时间同步的技术要求，这种检查方式只能说明设备在被检查时刻的准确度，不能具有长期的判断力，为了在运行过程中能及时反应智能变电站时间同步中授时设备及被授时设备的运行状态，建立对智能变电站时间同步的在线监测将是工作中的重中之重，才能对时间系统中授设备和被授时设备在运行过程中出现的任何问题做到实时掌握和快速决策。

       对于智能变电站的授时设备，可以建立对授时设备输出信号的比对来监测精度的长期变化或通过授时装置的通讯通道由授时设备直接输出装置状态完成对其的监测，而对于变电站中通过PPS. PPM. IRIG-B等单向发送的时间信号进行同步的设备，由于通过时间信号的同步过程不能发现被授时设备的准确度变化，因此可以通过对被授时装置在准时刻触发的SOE记录进行对比和筛选来决策时间准确度的变化范围是否满足技术要求，或者可以通过被授时装置应用信息的时间性能来判断装置时间同步的稳定度，同时对于智能变电站中目前已经使用的NTP及PTP网络技术，由于他们是基于网络的双向时间同步协议。因此，在时间同步过程中就可以确认时间同步精度的变化，而且网络通道也为这些设备通过已用通道进行自身状态的传输提供了很方便的通讯渠道。目前智能变电站实施中，合并单元、保护装置、测控装置、智能终端等电子设备也可以利用GOOSE， SV9-2等信息的时刻标志来分析运行过程中这些装置的时间准确度和稳定度。
       本文旨在研究和分析智能变电站各种不同类型的时间同步装置和被授时装置的在线监测技术，为智能变电站时间同步在线监测系统的建设提供合理的解决方法。

 2 、概述
       智能变电站时间同步包括:授时和被授时部分两个方面、因此，智能变电站时间同步在线监测的对象必须包括:对授时部分的在线监测和被授时部分的在线监测。智能变电监测的主要内容是研究和分析各种被监测装置的时间状态，通过分析判断被监测装置的时间准确度及稳定度，对各种潜在的问题提前进行分析和预警，减少智能变电站事故发生的概率。
       授时部分主要功能是通过输出各种时间同步信号，如PPS、 PPM、 IRIG-B、NTP和PTP等各种专线或者网络时间信号，目的是为被授时设备提供统一的时间源。被授时设备主要是智能变电站内的智能设备，如合并单元、智能终端、保护装置、测控装置、故障滤波装置、表计等智能变电站必备设备，每种智能设备都肩负不同的工作使命确保智能变电站的安全稳定运行。
       智能变电站时间同步在线监测技术主要是完成对授时设备和被授时设备的时间在线监测，而由于设备种类多、性能差别大等因素的存在，对在线监测的技术提出了很高要求，如何监测、如何实施等诸多方面的工作都必须考虑进去，因此，通过研究和分析各种针对性的监测技术手段，避免智能变电站时间同步在线监测的实施复杂性及厂家成本的无限扩张。

3、时间信号 
       时间信号由智能变电站的时间同步系统提供，智能变电站时间同步系统中最复杂的主备式系统结构如图1所示。

 

                 

图1 时间同步系统(主备式)

       主备式时间同步系统由两台主时钟、多台从钟和信号传输介质组成，与主从式的差别在于使用主备两套主时钟与从时钟之间建立同步互备关系，通过稳定的时间同步网为被授时设备或系统提供对时功能，这样做的优势在于时间同步系统的容错性增强，正常状态下从时钟只接收其中一个主时钟的信号作为自己外部基准、当其中一台主时钟发生问题的时候，从时钟可以快速切换到另外一个备用主时钟，这样可以确保整个时间同步网的时间年会发生偏差。
       时间同步信号包括脉冲信号、IRIG-B码信号、网络时间同步信息等。PPS和PPM都属于脉冲信号，网络时间信息包括NTP和当前比较新型的IEEE 1588信息。
       时间同步系统输出的时间信号及特征见表1所示。

项目	PPS/PPM/IRIG-B	NTP/PTP
传输通道	专线	以太网
对时机制	单向通道	双向通道

 

补偿机制

固定补偿

动态补偿

       1PPS是脉冲对时，每秒发送一次，通过脉冲的上跳沿或下跳沿来调整时间与秒实现对齐的时间同步方式，属于点对点单向同步技术、没有时间反彼。时间补偿也是静态补偿，而且PPS脉冲对时方式，不能告诉设备绝对的时间信息，只能满足时间误差控制在秒信息内时间同步需求。1PPM是脉冲对时，每分钟发送一次，属于点对点单向同步技术，没有时间反馈。时间补偿也是静态补偿。对时周期长，只能满足慢速对时共求的设备。

        IRIG-B码是由美国国防部下属的靶场间测f仪器组(IRIG)制定的一种对时标准格式，传输信息每秒一次，需要铺设专线进行时间同步，无距离限制，属于点对点单向同步技术，没有时间反馈信息，不能通过同步过程确定同步装置是否真的同步上，而且对于同步装里而宫其时间延迟不能动态补偿，需要根据实际工况进行固定补倦。IRIG-B的DC方式采用IRIG-B000格式进行发送，IRIG-B的AC方式采用IRIG-B120格式发送。 
       NTP是使用最普遮的互联网时间传输协议，是一种基于软件协议的同步方式DL/T 860标准中已经引入了简单网络协议SNTP，它是网络时间协议NTP的简化版本。NTP/SNTP根据客户机和服务器之间数据包所携带的时间戳来确定时间误差，并通过一系列的算法来消除网络传输的不确定性，进行动态补偿。
       PTP则是最新的网络时间同步协议，它由相关网络时间同步领域的技术人员成立的网络精密时间同步委员会提出的，2002年底获得IEEE标准委员会通过并作为IEEE 1588标准。IEEE 1588的全称是网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准。PTP的基本构思是通过硬件和软件将网络设备的内时钟与主控机的主时钟实现同步。与NTP相比，PTP的时标由硬件完成，根据时间标签计算出传输时延和时钟偏差。IEC组织也完成对其的扩充定义为IEC 61588标准。 
       综上所述，对于PPS/PPM/IRIG-B等专线单向通道传输的信号需要通过横向比对原则进行仲裁判断来分析时间信号的相对偏差，当某个信号的偏差增大时，可以通过决策系统给出告警。对于NTP/PTP等以太网的双向通讯同步机制，可以通过网络通道通过NTP/PTP各自提供的时间精度分析机制进行时间准确度的判断和分析。另外对于主时钟和从时钟的外部时间源的状态，可以通过主时钟和从时钟自身的通讯通道报告状态信息，在线监测系统只要通过获取状态信息就可以识别主时钟和从时钟的外部时间源的工作状态。

 时间信号的在线监测基本方法如图2：

 

       时间监测单元TMU主要负责时间信号的横向对比和NTP/PTP等时间信号准确度的收集，同时通过以太网通讯通道的MMS标准通讯协议获取各个主时钟和从时钟的工作状态包括外部源状态、内部时间状态等等。

4 、智能设备
       智能变电站的设计规范完全采用DL/T 860标准体系结构，因此智能设备的通讯完全遵循DL/T 860的标准结构。目前各个厂家在智能设备的设计规范上已经基本将PPS输出和网络通讯口作为了最基本的接口定义。PPS输出的主要目的是提供时间同步准确度的检测接口，网络通讯口的主要目的是提供满足DL/T 860的通讯接口。

       由于智能设备都采用了DL/T 860作为了标准架构，因此智能设备通过网络可以输出GOOSE, SMV等信息，而这些信息又具有鲜明的时刻信息，这就为在线监测设备提供了时间依据。DL/T 860中定义的时间准确度的测试方法。如图3所示。

       图中IED表示智能设备，通过GPS时间源、时间装置或发生器等多种装置作为智能设备的信号输入使智能设备产生DL/T 860相关的报文信息，通过多报文中的时刻信息进行分析和比较可以判断智能设备的时间准确度。
       通过时间注入进行分析的理论依据主要是所有设备产生含有时间信息报文的触发源是相同的，如果时间信息报文的触发源都是相同的，如果解析发现时间信息报文通过比对存在个别差异，就能间接判断这些差异化设备的时间精度存在问题。由于智能变电站的实施就是依据DL/T 860进行的设计，因此这种监测方法的实施是经济和简单的，并没有太多刻意的增加额外的信息，一切都是利用了智能变电站的现有资源进行整合，具有快速、简便、经济的操作可行性。

 

5、结束语
       目前国内外对于时间同步的运行基本都是处于离线监测手段，很多厂家都提供始终检测仪帮助用户进行时间性能检测，或者通过时间同步技术指标监测是否满足设计规范要求，但这只能停留在调试阶段或检修阶段，不能充分保证系统运行时的异常情况被及时发现和处理。因此，对智能变电站时间同步在线监测的技术研究在很大程度上帮助用户更有效的掌握智能变电站时间同步的运行情况，大大减少智能变电站因时间同步原因引起的事故概率。

智能变电站时间同步在线监测技术的研究与分析

1 、引言
       智能变电站时间同步是智能变电站运行的基本组成部分，它利用时间同步系统为智能变电站中的所有智能电子设备提供可靠稳定的时间同步信息，目前基本采用PPS.PPM.IRIG-B等单向时间信号或基于网络的NTP网络时间协议。随着智能变电站及更高时间性能需求的出现，PTP精确时间同步协议也应用而生。评价智能变电站时间同步好坏的标志是所有授时设备及被授时设备的时间质量在运行过程中的准确度和稳定度。因此，验证授时和被授时设备的准确度和稳定度是变电站的重要生产维护工作。目前，智能变电站建设实施中，往往通过离线检查来判断时间同步设备和被授时设备是否满足时间同步的技术要求，这种检查方式只能说明设备在被检查时刻的准确度，不能具有长期的判断力，为了在运行过程中能及时反应智能变电站时间同步中授时设备及被授时设备的运行状态，建立对智能变电站时间同步的在线监测将是工作中的重中之重，才能对时间系统中授设备和被授时设备在运行过程中出现的任何问题做到实时掌握和快速决策。

       对于智能变电站的授时设备，可以建立对授时设备输出信号的比对来监测精度的长期变化或通过授时装置的通讯通道由授时设备直接输出装置状态完成对其的监测，而对于变电站中通过PPS. PPM. IRIG-B等单向发送的时间信号进行同步的设备，由于通过时间信号的同步过程不能发现被授时设备的准确度变化，因此可以通过对被授时装置在准时刻触发的SOE记录进行对比和筛选来决策时间准确度的变化范围是否满足技术要求，或者可以通过被授时装置应用信息的时间性能来判断装置时间同步的稳定度，同时对于智能变电站中目前已经使用的NTP及PTP网络技术，由于他们是基于网络的双向时间同步协议。因此，在时间同步过程中就可以确认时间同步精度的变化，而且网络通道也为这些设备通过已用通道进行自身状态的传输提供了很方便的通讯渠道。目前智能变电站实施中，合并单元、保护装置、测控装置、智能终端等电子设备也可以利用GOOSE， SV9-2等信息的时刻标志来分析运行过程中这些装置的时间准确度和稳定度。
       本文旨在研究和分析智能变电站各种不同类型的时间同步装置和被授时装置的在线监测技术，为智能变电站时间同步在线监测系统的建设提供合理的解决方法。

 2 、概述
       智能变电站时间同步包括:授时和被授时部分两个方面、因此，智能变电站时间同步在线监测的对象必须包括:对授时部分的在线监测和被授时部分的在线监测。智能变电监测的主要内容是研究和分析各种被监测装置的时间状态，通过分析判断被监测装置的时间准确度及稳定度，对各种潜在的问题提前进行分析和预警，减少智能变电站事故发生的概率。
       授时部分主要功能是通过输出各种时间同步信号，如PPS、 PPM、 IRIG-B、NTP和PTP等各种专线或者网络时间信号，目的是为被授时设备提供统一的时间源。被授时设备主要是智能变电站内的智能设备，如合并单元、智能终端、保护装置、测控装置、故障滤波装置、表计等智能变电站必备设备，每种智能设备都肩负不同的工作使命确保智能变电站的安全稳定运行。
       智能变电站时间同步在线监测技术主要是完成对授时设备和被授时设备的时间在线监测，而由于设备种类多、性能差别大等因素的存在，对在线监测的技术提出了很高要求，如何监测、如何实施等诸多方面的工作都必须考虑进去，因此，通过研究和分析各种针对性的监测技术手段，避免智能变电站时间同步在线监测的实施复杂性及厂家成本的无限扩张。

3、时间信号 
       时间信号由智能变电站的时间同步系统提供，智能变电站时间同步系统中最复杂的主备式系统结构如图1所示。

 

                 

图1 时间同步系统(主备式)

       主备式时间同步系统由两台主时钟、多台从钟和信号传输介质组成，与主从式的差别在于使用主备两套主时钟与从时钟之间建立同步互备关系，通过稳定的时间同步网为被授时设备或系统提供对时功能，这样做的优势在于时间同步系统的容错性增强，正常状态下从时钟只接收其中一个主时钟的信号作为自己外部基准、当其中一台主时钟发生问题的时候，从时钟可以快速切换到另外一个备用主时钟，这样可以确保整个时间同步网的时间年会发生偏差。
       时间同步信号包括脉冲信号、IRIG-B码信号、网络时间同步信息等。PPS和PPM都属于脉冲信号，网络时间信息包括NTP和当前比较新型的IEEE 1588信息。
       时间同步系统输出的时间信号及特征见表1所示。

项目	PPS/PPM/IRIG-B	NTP/PTP
传输通道	专线	以太网
对时机制	单向通道	双向通道

 

补偿机制

固定补偿

动态补偿

       1PPS是脉冲对时，每秒发送一次，通过脉冲的上跳沿或下跳沿来调整时间与秒实现对齐的时间同步方式，属于点对点单向同步技术、没有时间反彼。时间补偿也是静态补偿，而且PPS脉冲对时方式，不能告诉设备绝对的时间信息，只能满足时间误差控制在秒信息内时间同步需求。1PPM是脉冲对时，每分钟发送一次，属于点对点单向同步技术，没有时间反馈。时间补偿也是静态补偿。对时周期长，只能满足慢速对时共求的设备。

        IRIG-B码是由美国国防部下属的靶场间测f仪器组(IRIG)制定的一种对时标准格式，传输信息每秒一次，需要铺设专线进行时间同步，无距离限制，属于点对点单向同步技术，没有时间反馈信息，不能通过同步过程确定同步装置是否真的同步上，而且对于同步装里而宫其时间延迟不能动态补偿，需要根据实际工况进行固定补倦。IRIG-B的DC方式采用IRIG-B000格式进行发送，IRIG-B的AC方式采用IRIG-B120格式发送。 
       NTP是使用最普遮的互联网时间传输协议，是一种基于软件协议的同步方式DL/T 860标准中已经引入了简单网络协议SNTP，它是网络时间协议NTP的简化版本。NTP/SNTP根据客户机和服务器之间数据包所携带的时间戳来确定时间误差，并通过一系列的算法来消除网络传输的不确定性，进行动态补偿。
       PTP则是最新的网络时间同步协议，它由相关网络时间同步领域的技术人员成立的网络精密时间同步委员会提出的，2002年底获得IEEE标准委员会通过并作为IEEE 1588标准。IEEE 1588的全称是网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准。PTP的基本构思是通过硬件和软件将网络设备的内时钟与主控机的主时钟实现同步。与NTP相比，PTP的时标由硬件完成，根据时间标签计算出传输时延和时钟偏差。IEC组织也完成对其的扩充定义为IEC 61588标准。 
       综上所述，对于PPS/PPM/IRIG-B等专线单向通道传输的信号需要通过横向比对原则进行仲裁判断来分析时间信号的相对偏差，当某个信号的偏差增大时，可以通过决策系统给出告警。对于NTP/PTP等以太网的双向通讯同步机制，可以通过网络通道通过NTP/PTP各自提供的时间精度分析机制进行时间准确度的判断和分析。另外对于主时钟和从时钟的外部时间源的状态，可以通过主时钟和从时钟自身的通讯通道报告状态信息，在线监测系统只要通过获取状态信息就可以识别主时钟和从时钟的外部时间源的工作状态。

 时间信号的在线监测基本方法如图2：

图2 时间信号在线监测方法

 

       时间监测单元TMU主要负责时间信号的横向对比和NTP/PTP等时间信号准确度的收集，同时通过以太网通讯通道的MMS标准通讯协议获取各个主时钟和从时钟的工作状态包括外部源状态、内部时间状态等等。

4 、智能设备
       智能变电站的设计规范完全采用DL/T 860标准体系结构，因此智能设备的通讯完全遵循DL/T 860的标准结构。目前各个厂家在智能设备的设计规范上已经基本将PPS输出和网络通讯口作为了最基本的接口定义。PPS输出的主要目的是提供时间同步准确度的检测接口，网络通讯口的主要目的是提供满足DL/T 860的通讯接口。

       由于智能设备都采用了DL/T 860作为了标准架构，因此智能设备通过网络可以输出GOOSE, SMV等信息，而这些信息又具有鲜明的时刻信息，这就为在线监测设备提供了时间依据。DL/T 860中定义的时间准确度的测试方法。如图3所示。

 

                   

图3 时间同步及准确度测试方法

 

       图中IED表示智能设备，通过GPS时间源、时间装置或发生器等多种装置作为智能设备的信号输入使智能设备产生DL/T 860相关的报文信息，通过多报文中的时刻信息进行分析和比较可以判断智能设备的时间准确度。
       通过时间注入进行分析的理论依据主要是所有设备产生含有时间信息报文的触发源是相同的，如果时间信息报文的触发源都是相同的，如果解析发现时间信息报文通过比对存在个别差异，就能间接判断这些差异化设备的时间精度存在问题。由于智能变电站的实施就是依据DL/T 860进行的设计，因此这种监测方法的实施是经济和简单的，并没有太多刻意的增加额外的信息，一切都是利用了智能变电站的现有资源进行整合，具有快速、简便、经济的操作可行性。

5、结束语
       目前国内外对于时间同步的运行基本都是处于离线监测手段，很多厂家都提供始终检测仪帮助用户进行时间性能检测，或者通过时间同步技术指标监测是否满足设计规范要求，但这只能停留在调试阶段或检修阶段，不能充分保证系统运行时的异常情况被及时发现和处理。因此，对智能变电站时间同步在线监测的技术研究在很大程度上帮助用户更有效的掌握智能变电站时间同步的运行情况，大大减少智能变电站因时间同步原因引起的事故概率。