面向电力系统的时间管控平台建设研究论文

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 摘   要：国家电网的迅猛发展，带动着电力事业的前进步伐，同时推进了电力通信网的发展壮大，对时间同步提出了更高 的要求。研究利用硬件 NTP 测量技术的强大处理能力及超高授时精度，对时间同步装置、时间服务器的时间准确度进行管控， 实现高精度、大规模的时间监测，形成指导公司生产经营工作的一整套时间同步技术体系。

关键词： 电力系统；管控平台；建设
      【Abstract】： The rapid development of the State Grid has driven the progress of the power industry, promoted the development and growth of the power communication network, and put forward higher requirements for time synchronization. Research and use the powerful processing capabilities and ultra-high timing accuracy of hardware NTP measurement technology, control the time accuracy of time synchronization devices and time servers, realize high-precision and large-scale time monitoring, form a complete set of time synchronization technical system to guide the production and operation of the company.
      【Key words】： power system;control platform;build

1 研究背景及目标

      国家电网有限公司大力推进数字新基建，建设数字 化、智能化的新一代电网，以云计算、大数据、物联 网、移动通信、人工智能和区块链为特征的数字电网对 时间同步有广泛的需求：
（1）电力系统中调度自动化系统、继电保护装置、 电量计费装置、变电站站控系统等均对时间同步有要 求。功角测量、雷电定位、故障测距要求同步精度达到 1μs。（2）清洁电网的大比例新能源接入、源网荷互动、 实时电力交易等更需要广域范围的时间同步。（3）  4GLTE 和 5G 等移动无线通信需要时间同步。不断发展壮大的 5G 移动通信，需要 ±10ns 左右的高精度时间同步；  电力无线专网的基站采用 LTE-TDD 技术，其时间同步要求小于1.5μs；载波聚合 CA 的时间偏差也要求小于 0.13μs。（4）  通信 SDN 网络需要时间同步。NFV或者 SDN 都需要网络资源的大数据及网元的业务流做 支撑，这些数据需要同步和时间对齐，以确保网络调度 策略的正确性。（5）通信网故障诊断分析需要时间同 步。通信网络是电网数字化的基础设施，其安全性和可 靠性对电网至关重要，因此需要对通信网络中的各类设 备进行实时监控及管理，能够及时发现故障设备及潜在 隐患，以此保障通信网安全运行。设备的管理系统，可 以将设备运行状态实时呈现，同时需要精准的时间来支 撑。（6）信息安全技术需要时间同步支撑。分布式入侵 检测系统需要分析分布在多个计算机系统中的事件，通过分析相关事件的发生时间、结束时间，以及事件之间 的先后关系，发现入侵行为。时间同步是分布式入侵检 测系统发挥作用的必备条件。基于时间同步技术的动态 口令是一种非常有效的安全认证技术。通过时间标签， 可判断信息的准确性及安全性。准确的时间标签是保障多媒体通信质量和安全的必然要求。（7）云计算需要时 间同步。边缘计算在网关进行区域化的计算需要时间同 步。（8）视频信息共享平台需要时间同步。在图像自动 化处理系统中，精确时间同步能够有效的消除远距离数 据传输过程中误码、滑码现象。时间同步能够提高应急 指挥的实时性。（9）网络管理需要时间同步。分布式入 侵检测系统通过分析相关事件的发生时间、结束时间， 以及事件之间的先后关系，发现入侵行为，故系统状
态、告警、日志等需要时间同步。

      目前时间同步设备的运行无实时监测技术及预警机 制，电网时间的准确性依靠维护人员根据现场的设备时 间显示来判断。但对于毫秒级的时间偏差人眼是根本无 法判断的，微秒级的偏差一般简单的测试仪表也难发 现。因此缺乏有效及时的实时监测和预警手段，需要尽 快建立一套行之有效的时间管控平台，确保对电网时间 的实时监测，及时发现偏差，防患于未然。

2 关键技术及算法

2.1 监测技术

      （1）共视比对技术。卫星共视比对的测量准确度极 高可以达到 10ns 级准确度，其原理为：GGTTS 数据格 式用 BIPM 制定，假设两地的 GPS 时间接收机使用同 一个共视时间表，接收相同的 GPS 卫星信号，分别由 两地的接收机输出秒脉冲来代表 GPS 时间，并送至其 内部的时间间隔计数器，再与本地原子钟的秒脉冲进行 比较，得到本地原子钟时间与 GPS 时间的时间差。两 地的数据可通过通信网传送至计算机中，将两个数据相 减可得两台原子钟之间的时间差。（2）专线测量技术。 专线测量技术是监测设备安装在远端被监测设备站，被 监测设备输出的时间信号如 1PPS、DCLS 直接与监测 设备以本地的卫星信号或用户自己的标准时钟为测量基 准的时间进行比对，得出二者之间的实际偏差值，通过 数据网络传输到主站，主站系统进行统计、汇总和分 析。由于传送的带时间戳的偏差值，传输网络不会对测 量准确度造成影响，测量精度可以达到 25ns。（3）网 络测量技术。若被监测设备与监测站不共址，则可以利 用网络测量技术，即将被监测设备输出的时间信号通过 数据通信网传送到监测站，在监测站内部进行时间比对。时间信号经由网络传送至监测站，无法减少网络的 抖动时延对测量结果准确度带来的影响。这样就引出硬 件 NTP（NTP 为 IP 包数据）测量技术，监测设备需要 具备硬件 NTP 功能，   因为软件测量方式对测量结果准 确度的影响是无法估量的。采用 NTP 硬件测量准确度 可以达到微秒级。（4）硬件 NTP 技术。普通 NTP 在应用层打时 间戳，   网络层和应用层协议栈延时抖动对精度的影响大，同步精度低，毫秒级。“硬件 NTP”技术， 在以太网驱动层打时标，克服了网络层和应用层协议栈 延时抖动对精度的影响，同步精度高，微秒级。硬件 NTP 能够极大地提高网络的处理能力和授时精度，可 处理瞬时大流量的 NTP 请求，抵御“网络风暴”。主要 应用在对时间同步装置、时间服务器的时间准确度进行 实时监测，实现高精度、大规模的时间监测。（5）技术 比较及选择。共视比对和专线监测精度高，但都是一对一监测，需要在被监测站设置监测设备，而被监测站数 量巨大，导致监测设备数量大，建设经济性差。网络测 量技术可以实现一对多监测，监测设备数量可以大幅度 减少，硬件 NTP 技术也可以保证测量精度，因此在平 台建设初期优先选用硬件 NTP 测量技术 [1]。

2.2 钟差比对及算法

      采用多输入整体控制结构，  支持北斗、GPS、IRIG-B、1PPS+TOD、PTP 共 5 个参考时间信号和一个本地振荡 器信号。每个输入参考都被接入一个专用的双 / 单输入 控制环结构。各个输入控制环独立工作，且自动计算各 外接参考信号的相位差。每个输入控制环根据原始相位 数据产生一个 NCO 分数纠正频率输出。采用合成算法 给各个参考信号分配最适当的权重，从而产生一个最终的控制锁相环的参数。  动态调节各输入信号权重，  相位差越小的参考信号被赋予更大的权重。原理框图如图 1 所示，算法示意如图 2 所示。


3 平台组成结构

      时间管控平台由时间监测装置、主站系统（服务 器）、运维终端、传输通道组成，如图 3 所示。

    （1）时间监测装置。时间监测装置根据需要部署。 时间监测装置通过北斗时间、GPS 时间、地面同步时 间的比对，产生时间基准，通过硬件 NTP 时间同步协 议，监测同步时钟设备的时间。在省公司、地市公司、 县公司分别布置监测装置，每台监测装置标准均配置网 络测量端口，每个测量端口可以通过电口或光口监测上 百个时钟设备，测量出的时间偏差值实时传输给时间监 管控平台主站系统。为了及时给运行维护人员提供强有 力的支持，监测装置允许设置一个最大偏差值为告警门 限，当测量到的信号相对参考信号超出门限，系统将及 时给出告警，并建立事件库，以备后续查对。告警可以 通过短信、电子邮件等方式传送给维护人员。（2）主 站系统。将主站系统部署在省公司及省备调（包括硬件 和软件）。硬件选用的高性能服务器同时具备数据库模 块，网管软件采用实时时间监测系统软件。实时时间监 测系统采用 TCP/IP 等开放系统标准，能够提供开放、 标准的接口与其他系统互联，依靠其成熟的技术、完善 的功能、完整的系统及高可靠的性能等特点。时间监测 系统具备数据采集、检查、传送、存储、统计分析等功 能。（3）服务器和工作站。服务器和工作站通常部署在 时间同步系统的运行管理部门。硬件采用品牌 UNIX 或Linux 服务器和工作站，  采用国产数据库。（4）  维护终 端。维护终端是方便具体运行维护人员在任何地点、任 意时刻实时登陆网管服务器或直接登陆监测装置的有效 工具，其客户端软件可安装于便携式笔记本电脑，并采 用密码保护管理，  Web 模式登陆。（5）传输通道。本 次研究选用数据通信网做为时间监测系统的传输通道。
监测装置需具备以太网通信接口及通信串口。由于监测 装置硬件 NTP 消除了协议栈的网络延时，又通过 NTP 协议消除了网络延时，将通信通道的时延影响降到最 低，以保证测量结果的准确性 [2]。

4 平台建设成效

     （1）定位“错误时间”。一旦出现错误时间，平台就能精准定位已经发现的“错误时间”来自哪里，是时 钟设备本身出现了时间错误，还是被对时装置没有对 上时。（假如监测设备不能准确定位错误的时间来自哪里，那么监测设备就失去存在的价值）。（2）鉴定投产 时钟设备。监测时钟设备，鉴定它是否为真正的达标产 品。（假如监测设备的测量精度都达不到时钟设备本身 的精度，那么监测设备根本起不到鉴定的效果）。（3） 监测运行时钟设备。监测时钟设备，观察是否有故障隐 患。（对时装置的行业指标是精度小于 1 微秒。只有当 监测设备记录的历史测量数据从趋势上有超出 1 微秒的 趋势、或已超出 1 微秒并呈劣化趋势、或不时地在 1 微 秒左右摇摆，那么通过这些数据就可以精准地预测时钟 设备的故障隐患。相反，如果监测设备的历史测量数据 都是很差的精度，系统无法实现预测效果）。（4）纠正 “错误时间”。记录时钟设备的时间变化数据，在事故分 析中提供佐证。（假如监测设备精确地记录了每一个时 刻的时间差异，即使时钟设备时间有差错，也可为事故 分析理清事件顺序提供有价值的信息）。（5) 支撑“能源 互联网”。建设“能源互联网企业”已成为国家电网公 司的战略目标，能源互联网是实现国网公司战略的有效 支撑，实现业务协同和数据贯通，统一物联管理，各级 智慧能源综合服务平台具备基本功能，支撑电网业务与 新兴业务发展。能源互联网感知层的传感器网络、网络 层的 5G 移动通信、智能应用层的大数据、云计算等都 需要时间戳信息，时间监测可以及时发现提供时间戳参 考时间的时间服务器的时间是否发生偏差，更好保障能 源互联网企业的建设。

5 结语

      总之，建设面向电力系统的时间管控平台，确保电 网在一个统一的准确的时间基础上运行，对能源互联网 的安全运行和电网现代化管理具有十分重要的意义。

参考文献

[1] 尹亮,马军,张宏杰,等.基于调度数据网的变电站时间监测技 术研究[J].宁夏电力,2017(3):55-59.
[2] 杨春玲,张军有,王锌桐,等.电力系统中数字同步网和时间同 步网两网合一研究[J].机电信息,2019(23):143+145.

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