同步時鐘在電力系統(tǒng)應(yīng)用的可行性方案探討
摘要：本文介紹了電力系統(tǒng)時間同步的基本概況，對目前電力系統(tǒng)所采用的各種時間同步方案作了較為具體的研究，并指出目前電力系統(tǒng)中所采用的時間同步技術(shù)的局限性以及存在的問題。在此基礎(chǔ)上，以發(fā)電廠作為一個應(yīng)用實例，結(jié)合IEEE1588（PTP）協(xié)議本身的特點，提出了一個基于IEEE1588（PTP）時間同步協(xié)議的應(yīng)用方案。在綜合各種理論分析和方案對比的基礎(chǔ)上，分析并指出在電力系統(tǒng)中采用IEEE1588（PTP）時間同步標(biāo)準(zhǔn)作為時間同步方案是可行也是可取的。
一、電力系統(tǒng)時間同步基本概況
電力系統(tǒng)是時間相關(guān)系統(tǒng)，無論電壓、電流、相角、功角變化，都是基于時間軸的波形。近年來，超臨界、超超臨界機(jī)組相繼并網(wǎng)運(yùn)行，大區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)，特高壓輸電技術(shù)得到發(fā)展。電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行對電力自動化設(shè)備提出了新的要求，特別是對時間同步，要求繼電保護(hù)裝置、自動化裝置、安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)（EMS）和生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)等基于統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)運(yùn)行，以滿足事件順序記錄（SOE）、故障錄波、實時數(shù)據(jù)采集時間一致性要求，確保線路故障測距、相量和功角動態(tài)監(jiān)測、機(jī)組和電網(wǎng)參數(shù)校驗的準(zhǔn)確性，以及電網(wǎng)事故分析和穩(wěn)定控制水平，提高運(yùn)行效率及其可靠性。未來數(shù)字電力技術(shù)的推廣應(yīng)用，對時間同步的要求會更高。
目前，電力系統(tǒng)中的時間同步處于“各自為政"的狀態(tài)，要求對時的每套系統(tǒng)都配置一套獨(dú)立的時鐘系統(tǒng)，通常選用美國的定位系統(tǒng)（GPS）接收器，結(jié)果使電力企業(yè)、電廠、變電站的樓頂天線林立。由于處理方式、接口標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，這些時間接收系統(tǒng)相互間不通用、無法互聯(lián)，更不用說形成互為備用，而且整個系統(tǒng)的可靠性無法保證，過于依賴于GPS。為了逐步實現(xiàn)全電網(wǎng)的統(tǒng)一時間，有必要在發(fā)電廠、變電站、控制中心、調(diào)度中心建立集中和統(tǒng)一的電力系統(tǒng)時間同步系統(tǒng)，而且要求該系統(tǒng)能基于不同的授時源建立時間同步并互為熱備用。全國電力系統(tǒng)管理及其信息交換標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會已成立電力系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測與時間同步工作組，目前正加緊《電力系統(tǒng)時間同步技術(shù)規(guī)范》的制定工作，以規(guī)范電力系統(tǒng)時間同步運(yùn)行。
目前，中國電力行業(yè)通常使用的是北京時間。協(xié)調(diào)世界時間（UTC）加8h后，轉(zhuǎn)換為北京時間。本文中的時間同步概念，就是通過接收授時系統(tǒng)所發(fā)播的標(biāo)準(zhǔn)時間信號和信息，校準(zhǔn)本地時鐘，換言之，就是實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)時間信號、信息的異地復(fù)制。
二、電力系統(tǒng)對時間同步的需求
電網(wǎng)對時間同步的需求主要體現(xiàn)在電網(wǎng)調(diào)度、電網(wǎng)故障分析判斷上，與電力生產(chǎn)直接相關(guān)的是實時控制領(lǐng)域，直接使用時間同步系統(tǒng)的是電力自動化設(shè)備（系統(tǒng)）。隨著數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)的加快，一些新型的實時監(jiān)測控制系統(tǒng)，如電網(wǎng)預(yù)防控制在線預(yù)測系統(tǒng)（OPS）、廣域測量系統(tǒng)（WAMS）、廣域監(jiān)測分析保護(hù)控制系統(tǒng)（WARMAP）等，對時間同步的需求更為迫切。
電力自動化設(shè)備（系統(tǒng)）對時間同步精度有不同的等級要求，而不是通常所理解的精度越高越好，對時精度的提高需要付出相應(yīng)的代價，因此，沒有必要盲目追求高精度，原則是滿足被授時設(shè)備本身的zui小分辨率即可。一般而言，將電力系統(tǒng)被授時裝置對時間同步準(zhǔn)確度的要求大致分為以下4類：
1） 時間同步準(zhǔn)確度不大于1μs：包括線路行波故障測距裝置、同步相量測量裝置、雷電定位系統(tǒng)、電子式互感器的合并單元等。
2） 時間同步準(zhǔn)確度不大于1ms：包括故障錄波器、SOE裝置、電氣測控單元/遠(yuǎn)程終端裝置（RTU）/保護(hù)測控一體化裝置等。
3） 時間同步準(zhǔn)確度不大于10ms：包括微機(jī)保護(hù)裝置安全自動裝置、饋線終端裝置（FTU）、變壓器終端裝置（TTU）、配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)等。
4） 時間同步準(zhǔn)確度不大于1s：包括電能量采集裝置、負(fù)荷/用電監(jiān)控終端裝置、電氣設(shè)備在線狀態(tài)檢測終端裝置或自動記錄儀、控制/調(diào)度中心數(shù)字顯示時鐘、火電廠和水電廠以及變電站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集（SCADA）/EMS、電能量計費(fèi)系統(tǒng)（PBS）、繼電保護(hù)及保障信息管理系統(tǒng)主站、電力市場系統(tǒng)等主站、負(fù)荷監(jiān)控/用電管理系統(tǒng)主站、配電網(wǎng)自動化/管理系統(tǒng)主站、調(diào)度管理信息系統(tǒng)（DMIS）、企業(yè)管理信息系統(tǒng)（MIS）等。
三、同步時鐘
根據(jù)各類電力自動化設(shè)備（系統(tǒng)）對時間同步精度要求的不同，確保電力自動化設(shè)備（系統(tǒng)）安全穩(wěn)定可靠地對電力系統(tǒng)實施控制，保證電力系統(tǒng)運(yùn)行，考慮到時鐘源的互為備用、戰(zhàn)時備用等因素，電力系統(tǒng)的同步時鐘不能只選1個或同一時鐘源，應(yīng)至少選擇2個不同的時鐘源。具體情況，可以參考電力系統(tǒng)時間同步技術(shù)規(guī)范等指導(dǎo)性文檔。圖1所示為電力系統(tǒng)同步時鐘體系結(jié)構(gòu)，由時鐘源、時間同步信號接收器、頻率源、主時鐘、二級鐘組成。
1） 時鐘源
時鐘源提供標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號。其中：無線授時系統(tǒng)有歐洲伽利略（Galileo）導(dǎo)航系統(tǒng)、中國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、俄羅斯導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS）等衛(wèi)星定位、導(dǎo)航、授時系統(tǒng)，以及長波授時系統(tǒng)（BPL）、短波授時系統(tǒng)（BPM）等，而目前廣泛應(yīng)用的時鐘源是美國的GPS；有線授時系統(tǒng)，例如通信網(wǎng)絡(luò)授時系統(tǒng)，它以網(wǎng)絡(luò)或?qū)＞€作為載體。
通常，授時時鐘源會修正延時到用戶端的時間信號接收單元。不同時鐘源的授時精度不同，例如，GPS授時精度達(dá)到6ns～12ns，基于網(wǎng)絡(luò)的對時系統(tǒng)授時精度為50μs，中國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)授時精度為20ns～100ns，BPL授時精度為1μs，BPM授時精度為1ms。從測量角度分析，被校驗系統(tǒng)的溯源要求比其自身的精度至少高1個數(shù)量級，因此，子站授時系統(tǒng)時間同步需要選擇授時精度達(dá)到100ns的時鐘源，主站授時系統(tǒng)時間同步需要選擇授時精度達(dá)到100ms的時鐘源。
2） 時間同步信號接收器
時間同步信號接收器用來接收時鐘源信號，經(jīng)處理后為主時鐘提供初始時間信號。基于無線授時的信號處理方法，是將載波擴(kuò)頻信號解碼成時間及其相關(guān)信息，包括空間（經(jīng)度、緯度、海拔高度）、接收衛(wèi)星顆數(shù)等，其中BPL和BPM只有時間信息傳送給時鐘信號接收單元的處理器；基于有線授時的信號處理方法，是將傳輸?shù)臅r間報文直接解包，然后讀出，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行延時補(bǔ)償。
3） 頻率源
頻率源又稱頻標(biāo)，提供穩(wěn)定的頻率信號，作為時間同步信號接收器失效時的守時脈沖信號源。對于守時精度要求高以及重要的應(yīng)用場合，可以選用原子頻標(biāo)（如銫原子頻標(biāo)、銣原子頻標(biāo)）、恒溫晶振；對于一般應(yīng)用場合，可以選用普通晶振。
4） 主時鐘
主時鐘也稱分頻鐘，用來接收時間同步信號接收器的時間、秒脈沖（1PPS）信號以及頻率源的頻率脈沖，并將時間信號分配成多路信號，或直接分配給應(yīng)用系統(tǒng)或裝置，或分配給二級鐘。主時鐘需要采取必要的補(bǔ)償算法，以保證出口精度。主時鐘要求配置2路不同的時間同步信號接收器，以接收來自不同時鐘源的時間信號，只要其中任何一路時鐘源正常，都可以完成授時功能。
5） 二級鐘
二級鐘用來接收主時鐘的時間和脈沖信號，提供多路不同方式的時間同步信號輸出。二級鐘配置必要的守時元件（如原子頻標(biāo)、晶振），以確保在主時鐘失效狀態(tài)下能夠保持一定時間長度的授時精度。
二級鐘要求配置2路主時鐘輸入，可以實現(xiàn)主備方式配置的主時鐘輸入。
為確保授時精度，二級鐘與主時鐘之間采用光纖連接，傳輸內(nèi)容可以有2種方式：IRIG（Inter Range Instrumentation Group）-B碼；1PPS+時間報文。
二級鐘與主時鐘之間的傳輸距離需要進(jìn)行算法補(bǔ)償，以確保時間同步，保證二級時鐘出口精度。
四、電力自動化設(shè)備對時方式
電力自動化設(shè)備（系統(tǒng)）可以選用的對時方式有以下4種：
1） 脈沖對時
也稱硬對時，是利用脈沖的準(zhǔn)時沿（上升沿或下降沿）來校準(zhǔn)被授時設(shè)備。常的脈沖對時信號有1PPS和分脈沖（1PPM），有些情況下也會用時脈沖（1PPH）其中1PPM和1PPH也可以通過累計1PPS得到。脈沖對時信號分為有源脈沖和被動點。有源脈沖電源由授時設(shè)備提供，電壓等級常用的有TTL電平（+5V）、24V電和差分電平（±5V）；被動接點等效于開關(guān)，準(zhǔn)時閉合/斷開，被授時設(shè)備自身提電源，通過被動接點轉(zhuǎn)換為有源脈沖。實際應(yīng)用中常用被動接點，因而授時設(shè)備被授時設(shè)備之間不需要約定電壓等級。脈沖對時的優(yōu)點是授時精度高、使用被動點時，適應(yīng)性強(qiáng)；缺點是只能校準(zhǔn)到秒（用1PPS），其余數(shù)據(jù)需要人工預(yù)置。
2） 串口報文對時
也稱軟對時，是利用一組時間數(shù)據(jù)（年、月、日、時、分、秒）按一定的格式（速率和順序等），通過串行通信接口發(fā)送給被授時裝置，被授時裝置利用這組數(shù)據(jù)預(yù)置其內(nèi)部時鐘。常用的串行通信接口為RS-232和RS-422/RS-485。
串口報文對時的優(yōu)點是數(shù)據(jù)全面、不需要人工預(yù)置；缺點是授時精度低、報文的格式需要授時和被授時裝置雙方約定。
目前，很多場合采用以上2種方式的組合方式，從而可以充分利用兩者的優(yōu)點，克服兩者的缺點。
3） 時間編碼方式對時
為了解決前2種對時方式的矛盾，在實際應(yīng)用中常采取2種對時方式結(jié)合的方法，即串口+脈沖。這種方式的缺點是需要傳送2個信號。為了更好地解決這個矛盾，采用通用時間格式碼，將脈沖對時的準(zhǔn)時沿和串口報文對時的那組時間數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，構(gòu)成一個脈沖串，來傳輸時間信息。被授時設(shè)備可以從這個脈沖串中解析出準(zhǔn)時沿和一組時間數(shù)據(jù)。這就是目前常用的IRIG-B碼，簡稱B碼。
B碼分為調(diào)制B碼（也稱交流B碼）和非調(diào)制B碼（也稱直流B碼）。交流B碼調(diào)制在正弦波信號上，其包絡(luò)線是直流B碼。交流B碼是模擬量，由授時設(shè)備直接傳送給被授時設(shè)備。直流B碼可以直接傳送給被授時設(shè)備，電壓等級常用TTL電平（+5V），用IRIG-B DC TTL表示。直流B碼還可以通過串行通信接口發(fā)送給被授時裝置，用IRIG-BDC 232和IRIG-B DC 422表示。
時間編碼方式對時的優(yōu)點是數(shù)據(jù)全面、對時精度高、不需要人工預(yù)置；缺點是編碼相對復(fù)雜。
4） 網(wǎng)絡(luò)方式對時
網(wǎng)絡(luò)方式對時基于網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）、時間協(xié)議（PTP）。目前，簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（SNTP）應(yīng)用較多。網(wǎng)絡(luò)時鐘傳輸?shù)氖且?900年1月1日0時0分0秒算起時間戳的用戶數(shù)據(jù)協(xié)議（UDP）報文，用64位表示，前32位為秒，后32位為秒等分?jǐn)?shù)。網(wǎng)絡(luò)中報文往返時間是可以估算的，因而采用補(bǔ)償算法可以達(dá)到對時的目的。網(wǎng)絡(luò)授時方式可以為接入網(wǎng)絡(luò)的任何系統(tǒng)提供對時，其中NTP授時精度可達(dá)到50ms，PTP授時精度可達(dá)到1μs，SNTP授時精度可達(dá)到1s。
網(wǎng)絡(luò)方式對時的優(yōu)點是基于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)、物理實現(xiàn)方便；缺點是高精度補(bǔ)償算法復(fù)雜。上述4種授時方式各有優(yōu)點。實際應(yīng)用中，在滿足同步精度要求的前提下，考慮到經(jīng)濟(jì)性，采用組合方式授時，即在一套運(yùn)行管理系統(tǒng)中并存多種方式，可以充分應(yīng)用授時時鐘能夠提供的信息。
五、時間同步方案
電力系統(tǒng)運(yùn)行管理形成了以調(diào)度自動化系統(tǒng)為中心的主站系統(tǒng)，以電站監(jiān)控（包括發(fā)電廠、變電站、開關(guān)站等）為主的子站系統(tǒng)。由于主站、子站系統(tǒng)運(yùn)行模式不同，對授時精度要求也不同，本文分別給出其時間同步方案。
5.1主站系統(tǒng)的時間同步方案
主站系統(tǒng)包括SCADA/EMS、DMIS、MIS、繼電保護(hù)及故障信息管理系統(tǒng)、電力市場系統(tǒng)等。這些管理系統(tǒng)對時間精度的要求為秒級，授時精度達(dá)到1s即可。其系統(tǒng)特點如下：
1） 分布式計算機(jī)系統(tǒng)，接入的計算機(jī)數(shù)量大。
2） 通過電力調(diào)度運(yùn)行管理網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)成為大型MIS，由于應(yīng)用系統(tǒng)間信息交換的需要，系統(tǒng)之間是互聯(lián)的。
3） 分層分級，由于管理的電壓等級、管理的范圍和面向的用戶不同，主站系統(tǒng)通常由分布在網(wǎng)公司、省（自治區(qū)、直轄市）公司、市（地）公司、縣公司的多級系統(tǒng)組成，各司其職，完成綜合管理功能。
上述分析表明，主站系統(tǒng)是以網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的信息交換媒介，采用基于網(wǎng)絡(luò)的對時方式是其，而且NTP或SNTP可以滿足其精度要求，在需要高精度授時的應(yīng)用場合可以采用PTP，實現(xiàn)全網(wǎng)時間同步；另外，可以采用IRIG-B碼的特殊形式DCLS（DC Level Shift）時間碼，通過數(shù)字通道傳輸。目前，電力系統(tǒng)通信廣域網(wǎng)系統(tǒng)的接入方式有微波、同步數(shù)字系列（SDH）、異步傳送模式（ATM）和以太網(wǎng)，采用基于光纖通信的SDH和ATM接入可確保信道的帶寬，實現(xiàn)延遲的可預(yù)估，便于補(bǔ)償算法實現(xiàn)。
通過電力廣域網(wǎng)構(gòu)成的主站授時系統(tǒng)可以做到互為備用，保證整個主站系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。規(guī)劃主站授時系統(tǒng)時，應(yīng)該至少配置2種不同的時鐘源；如果條件允許，也可以在調(diào)度中心授時系統(tǒng)中采用雙時鐘源和主、備方式運(yùn)行，以進(jìn)一步提高可靠性。
5.2子站系統(tǒng)的時間同步方案
子站系統(tǒng)直接監(jiān)測和控制電網(wǎng)運(yùn)行，具有分布廣、同步精度要求高、可靠性要求高、接入設(shè)備多和接入方式復(fù)雜等特點，宜采用自治時間同步方案。
采用這種方案，可以使各子站自行接收時鐘源信號和實現(xiàn)守時，以多種方式為現(xiàn)場設(shè)備提供時間同步。子站采用自治的統(tǒng)一時鐘系統(tǒng)，可以*改變子站建筑物上“天線林立"的狀態(tài)，時間同步精度優(yōu)于1μs，使得多個子站之間的時間同步成為可能。
根據(jù)子站運(yùn)行要求的不同，本文分別給出不同的子站授時系統(tǒng)配置方案。其中，對時方式可以根據(jù)現(xiàn)場情況選用第5.4節(jié)中的任何一種方式。
1）zui簡配置方案
zui簡配置方案適用于被授時裝置很少以及被授時裝置與時鐘單元距離較近的子站，配置見圖5-3。其中，主時鐘的時間同步信號接收器可以按子站的重要性配置，重要的子站配置成雙時鐘源方式。
2） 主從配置方案
主從配置方案適用于被授時裝置多或被授時裝置分布點距離較遠(yuǎn)（如500kV變電站的小室、電廠不同機(jī)組的控制室）和重要的子站。其中，二級鐘作為從鐘運(yùn)行，擴(kuò)展出多路時間同步輸出端口為被授時裝置授時。
3） 主備配置方案
主備配置方案適用于重要子站，例如500kV變電站的小室、電廠不同機(jī)組的控制室。其中，2套主時鐘主、備運(yùn)行，并要求接收不同的時鐘源信號，同時，主、備主時鐘的時間同步信號互為輸入，作為備用時鐘源輸入，以確保任何一個時鐘源失效狀態(tài)下不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行；二級鐘同時接收來自主、備主時鐘的時間同步信號。
上述3種典型的子站授時系統(tǒng)配置可以滿足電力系統(tǒng)子站的授時需要，并可根據(jù)實際系統(tǒng)對授時的要求選擇配置。
六、IEEE1588（PTP）在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用方案
電力輸配電系統(tǒng)是一個典型的大型分布式應(yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)時間同步的管理以及各個電力設(shè)備之間的高精度時間同步對于準(zhǔn)確監(jiān)控系統(tǒng)的各種事件狀態(tài)變得至關(guān)重要。在變電站內(nèi)部，采用具有IEEE1588（PTP）時間同步功能的智能電子設(shè)備（IED），從而使得整個系統(tǒng)的時間同步的精度達(dá)到一個新的層次。顯然，電力系統(tǒng)內(nèi)部也可以采用一些其他的同步技術(shù)來實現(xiàn)各個電力設(shè)備之間的時間同步，比如GPS、IRIG-B以及的對時線路。
目前幾乎所有驅(qū)動IEEE1588（PTP）標(biāo)準(zhǔn)作為各種分布式系統(tǒng)的時間同步方案，主要有兩方面的原因。首先，以太網(wǎng)通信技術(shù)本身的發(fā)展以及越來越多的工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)采用以太網(wǎng)進(jìn)行通信的事實。針對電力行業(yè)，不管是變電站內(nèi)部還是外部采用以太網(wǎng)進(jìn)行通信，已經(jīng)是不可置疑的事實。
另一方面，針對那些具有嚴(yán)格硬實時要求的應(yīng)用領(lǐng)域，現(xiàn)有的時間同步技術(shù)由于成本過于昂貴或其技術(shù)本身所能達(dá)到的精度問題，往往不能滿足工業(yè)現(xiàn)場領(lǐng)域苛刻的同步性能要求。在電力行業(yè)領(lǐng)域，目前廣泛采用同步相量（PMU）技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)信息的采集和分析，而這些都涉及到時間同步的實時性問題。同步相量的分析主要用于發(fā)電系統(tǒng)，輸電系統(tǒng)以及配電系統(tǒng)的監(jiān)控。
同步相量是正弦電壓波形相對于UTC參考時標(biāo)的幅值和相位的一個表達(dá)式。由于傳輸線路以及負(fù)載都有電阻和電抗，因此每一個發(fā)電機(jī)所能看到的阻抗同時也包含電阻和電抗兩個部分。在實際的電力系統(tǒng)應(yīng)用中，必須對系統(tǒng)內(nèi)部所有相量之間的關(guān)系進(jìn)行有效地控制，使得傳輸?shù)碾娏磕軌騴ui大化并且能夠?qū)⑾到y(tǒng)的所有組成設(shè)備工作在相應(yīng)的設(shè)計指標(biāo)范圍內(nèi)。在環(huán)境經(jīng)常變動或者系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生變化的情況下，比如由于一些地區(qū)之間經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求或者公司之間的契約等原因，系統(tǒng)內(nèi)部或者系統(tǒng)之間的電流方向會經(jīng)常發(fā)生改變，此時的相位角度監(jiān)控就變得尤其重要。而調(diào)度系統(tǒng)與用電區(qū)域之間的長距離運(yùn)輸，使得電流方向的控制這一問題變得更加復(fù)雜。
在PMU系統(tǒng)實施以前，對廣域范圍內(nèi)的故障事故分析，由于不同地區(qū)的時標(biāo)問題，進(jìn)行故障分析時，迅速地尋找故障點分析事故原因比較困難，需要投入較大的人力物力。通過利用PMU實時記錄的帶有時標(biāo)的波形數(shù)據(jù)，可以對事故的分析能夠提供有力的保障。同時通過其提供的實時信息，可實現(xiàn)在線判斷電網(wǎng)中發(fā)生的各種故障以及復(fù)雜故障的起源和發(fā)展過程，輔助調(diào)度員處理故障，給出引起大量報警的根本原因，實現(xiàn)智能告警。
同步相量測量裝置的基本原理是利用高精度同步時鐘，實現(xiàn)對電網(wǎng)母線電壓和線路電流相量的同步測量，并通過通信系統(tǒng)傳送到電網(wǎng)的控制中心或保護(hù)控制器中，用于實現(xiàn)全網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測控制或?qū)崿F(xiàn)區(qū)域保護(hù)和控制。
交流電力系統(tǒng)的電壓、電流信號可以使用相量表示。相量由兩部分組成，即幅值X和初相角Φ，用直角坐標(biāo)則表示為實都和虛部，所以相量測量就必須同時測量幅值和相角。幅值可以用交流電壓電流表測量，而相角的大小取決于時間參考點，同一個信號在不同的時間參考點下，其相角值是不同的。所以，在進(jìn)行系統(tǒng)相量測量時，必須有一個統(tǒng)一的時間參考點，高精度同步時鐘就提供了這樣一個參考點。任意兩個相量在統(tǒng)一的時間參考點下測得的兩個相角的“差"即為兩地相對相角，這就是相量測量的基本原理。
設(shè)正弦信號：
x （t）=2Xcons（2πft+φ）（5-1） （1）
式中：
x（t）為正弦信號；
f為采樣頻率。
可以采用相量表示為：
X=Xeφ=Xcosφ+jXsinφ=X+jX（5-2） （2）
式中：
XR為相量的實部；
XR為相量的虛部。
由式2可知，相量有兩種表示法，即直角坐標(biāo)法（實部和虛部）和極坐標(biāo)法（幅度值和相位）。交流信號通過傅立葉變換，將輸入的采樣值轉(zhuǎn)換到頻域信號，從而得到相量值。
由以上分析可見。同步相量測量裝置（PMU）是電網(wǎng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它可為電網(wǎng)的安全提供豐富的數(shù)據(jù)源.例如正常運(yùn)行的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、小擾動情況下的離線數(shù)據(jù)記錄、大擾動情況下的濾波數(shù)據(jù)記錄等。
系統(tǒng)中的每一個發(fā)電機(jī)都有它自己的一套控制系統(tǒng)，因此必須協(xié)調(diào)各個發(fā)電機(jī)之間的相互動作從而使得整個系統(tǒng)的性能得到優(yōu)化。由于所有的發(fā)電機(jī)都連接到同一個系統(tǒng)上，因此所有的發(fā)電機(jī)必須工作在同一個時鐘頻率上，系統(tǒng)的實現(xiàn)必須保證頻率的設(shè)計值為一個工作日之內(nèi)的頻率的平均值，通常是50到60Hz。在實際應(yīng)用中，工作頻率與標(biāo)準(zhǔn)頻率之間的偏差值必須維持在一個可以容忍的范圍之內(nèi)，典型的情況是在-0.02Hz到+0.02Hz之間。同時，系統(tǒng)的電壓必須控制在正常電壓的±5%之內(nèi)。
發(fā)電機(jī)功角是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)電勢與定子端電壓或電網(wǎng)參考點母線電壓正序相量之間的夾角，是表征電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要狀態(tài)變量之一，是電網(wǎng)擾動、振蕩和失穩(wěn)軌跡的重要記錄數(shù)據(jù)。可以通過PMU裝置高速采集的發(fā)電機(jī)組勵磁電壓，勵磁電流、氣門開度信號、AGC控制信號、PSS控制信號等，可分析出發(fā)電機(jī)組的動態(tài)調(diào)頻特性，進(jìn)行發(fā)電機(jī)的安全裕度分析，為分析發(fā)電機(jī)的動態(tài)過程提供依據(jù)。監(jiān)測發(fā)電機(jī)進(jìn)相、欠勵、過勵等運(yùn)行工況，異常時報警。繪制發(fā)電機(jī)運(yùn)行極限圖，根據(jù)實時測量數(shù)據(jù)確定發(fā)電機(jī)的運(yùn)行點，實時計算發(fā)電機(jī)運(yùn)行裕度，在異常運(yùn)行時告警。裝置提供通信接口用于和勵磁系統(tǒng)、AGC系統(tǒng)、電廠監(jiān)控系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
通過以上分析，可以在系統(tǒng)中有針對性地選擇一些同步相量的觀測點并在這些觀測點放置相應(yīng)的同步相量測量裝置，則可以對電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行100%的觀測，這一方法為解決電網(wǎng)中的潮流問題提供了實時性的解決方案。在實際的應(yīng)用中，如果將同步測量方法和傳統(tǒng)的潮流狀態(tài)估計算法相結(jié)合，則可以得到*的系統(tǒng)健壯性、更好的同步精度以及更快的收斂效果。
一般而言，同步相量的測量方法需要的硬件設(shè)備。然而，zui近也有一些保護(hù)性繼電器等系統(tǒng)設(shè)備，在其內(nèi)部引入了具備同步相量測量能力的功能，因此降低了該方法在實際應(yīng)用中的成本開銷。由于這些設(shè)備通常用于整個電力系統(tǒng)內(nèi)部，包括變電站和發(fā)電廠，因此可以比較容易的獲得同步相量的信息進(jìn)而對整個系統(tǒng)進(jìn)行有效的監(jiān)控。
在每一個發(fā)電廠和變電站內(nèi)部，同步相量的信息以每秒30到60個相量的速率進(jìn)行采集。每一個采樣時刻都同步到一個UTC參照時間，因此可以為所有的工程調(diào)度人員和管理人員提供一致的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息。從每一個站點采集到的同步相量數(shù)據(jù)，可以利用同步相量數(shù)據(jù)集線器，通過廣域網(wǎng)進(jìn)行收集、按時間進(jìn)行編排以及傳送。這些數(shù)據(jù)zui終被傳送到區(qū)域控制中心，在這里它們可以存儲到不同的服務(wù)器上為系統(tǒng)內(nèi)的操作人員進(jìn)行分析和研究。
同步相量的測量需要一個精度達(dá)到1us的UTC時間源，這可以通過為每個站點提供一個GPS接收器作為主參照時間來得到。就目前而言，站點內(nèi)各個設(shè)備采用IRIG-B技術(shù)從GPS接收器獲得相應(yīng)的時間。
站點內(nèi)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和傳送一般通過局域網(wǎng)LAN進(jìn)行，而正是由于采用了局域網(wǎng)這種方式，為IEEE1588（PTP）標(biāo)準(zhǔn)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了一種機(jī)遇，并且由于目前市場上已經(jīng)具有可以實現(xiàn)IEEE1588（PTP）功能的邊界時鐘交換機(jī)，因此從技術(shù)上和應(yīng)用環(huán)境上分析，采用IEEE1588（PTP）技術(shù)來代替現(xiàn)有的IRIG-B技術(shù)是切實可行的。而且，電廠內(nèi)部各個電器設(shè)備，包括電壓器、電流互感器、電壓互感器以及各種監(jiān)控設(shè)備之間的距離通常在一公里到兩公里的范圍之內(nèi)，這剛好是IEEE1588（PTP）標(biāo)準(zhǔn)所適用的局域網(wǎng)范圍。
同時，我們可以看到，IEEE1588（PTP）可以自動校正線路的距離，這跟IRIG-B相比，極大地簡化了站點內(nèi)部各個設(shè)備之間時間的分配和同步。而且，采用IEEE1588（PTP）作為電力系統(tǒng)內(nèi)部時間同步方案的費(fèi)用也比采用IRIG-B的方案更加經(jīng)濟(jì)方便。除此之外，由于采用IEEE1588（PTP）標(biāo)準(zhǔn)可以減少系統(tǒng)內(nèi)部的對時雙絞線，因此可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。綜上研究和分析，可以看到，相比其它時間同步協(xié)議以及目前不管是整個電力系統(tǒng)內(nèi)部或各個子系統(tǒng)采用的時間同步方案，由于其本身同步技術(shù)的局限以及系統(tǒng)本身應(yīng)用環(huán)境的特點，采用IEEE1588（PTP）時間同步標(biāo)準(zhǔn)作為電力系統(tǒng)的時間同步方案，可以發(fā)揮協(xié)議本身時間同步的高精度，操作簡單和成本低的優(yōu)勢，不僅可以極大地提高系統(tǒng)內(nèi)部各個電力設(shè)備之間的同步精度，而且可以降低整個時間同步系統(tǒng)的費(fèi)用，同時也使得系統(tǒng)中時間基準(zhǔn)的更換和升級變得相對簡單和容易。
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