WO2014089898A1 - 基于ieee1588的适应继电保护应用的合并单元同步对时方法 - Google Patents

基于ieee1588的适应继电保护应用的合并单元同步对时方法 Download PDF

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Abstract

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。

Description

基于 IEEE1588的适应继电保护应用的合并单元同步对时方法 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歩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 外部同歩对时信号， 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 DeviceJED) 必须保证相互之间同步， 并与外部同歩信号源同歩。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 )Τϋ -， 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 络同歩对时（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 1 μ5。 IEEE1588精确时钟协议 (ΡΤΡ)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歩精度要求。 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 了同歩的可靠性。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) "失歩状态"到 "同步跟随状态" 的切换条件为： 连续 N1(N1E[2, 60]) 个对时周期， 授时源时间均匀性误差小于 Tl(Tle[2，4])US， 此时合并单元拉序 号； 连续 N2(N2E[60, 120])个对时周期， 授时源时间均匀性误差小于 Tl(Tie
[2, 4])us;
(2) "同歩跟随状态"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(T2e[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 13001343
3
等于 T3(T3=5， 60)min; 连续 N3(N3e [2, 60])帧报文与合并单元绝对时间差大于 T2(T2G [5， 125]) us且时间均匀性小于 Tl (Tl E [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(N4G [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(T4E [5, 125])us 时间均 匀性小于 Tl(Tie[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(T5e [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 Nl=10个对时周期， 授时源时间均匀性误差小于 Tl=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 Tl=3us;
(2) "同歩跟随状态"到 "同歩守时状态"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) "同歩守时状态"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 T1二 3us;
(4) "同歩守时状态"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 Tl=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) "失歩状态"到 "同步跟随状态" 的切换条件为： 连续 Nl=10个对时周期， 授时源时间均匀性误差小于 Tl=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 Tl=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 α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 Tl=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 Tl=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 同歩可靠性， 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。 尤其在智能变电站釆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 01343
5
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釆样技术工程 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。
本发明己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 Tl=2; Τ2=5; Τ3=5; Τ4=5 ; Ν1=2; Ν2=60; Ν3=2; Ν4=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 同歩。 主时钟时间跳变 1秒持续时间 3秒后恢复， 合并单元进入失歩状态 62秒 后重新进入同歩状态。 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秒后进入同歩状态。 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 入同歩状态。
2、在对时周期为 1秒，合并单元对时方法参数设置为 Tl=4; Τ2=125 ; Τ3=60; Τ4=125; Ν1=60; Ν2=120; Ν3=60; Ν4=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 值同歩。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 秒后重新进入同歩状态。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 Tl=3 ; Τ2=10; Τ3=10; T4=10; Nl = 10; N2=64; N3=10; N4=3。
主时钟己正常运行， 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 同歩。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 后重新进入同歩状态。 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 新进入同歩状态。
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。

Claims

权 利 要 求 书
1、 基于 IEEE1588 的适应继电保护应用的合并单元同步对时方法， 其特征在于 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 Nl(Nie[2,60])个 对时周期，授时源时间均匀性误差小于 Tl(Tle[2，4])us，此时合并单元拉序号； 连续 Ν'2(Ν2Ε [60, 120])个对时周期， 授时源时间均匀性误差小于 Π (Tl Ε
[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(T2E[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(N3e [2, 60])帧报文与合并单元绝对时间差大于 T2(T2e [5, 125]) us且时间均匀性小于 Tl (Tl Ε [2, 4])us;
(4) "同歩守时状态"到 "同步跟随状态"的切换条件为： 连续 N4(N4e[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(T4E[5， 125])us 时间均 匀性小于 Tl(Tie[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 "同歩跟随状态"： 与授时源绝对时间误差小于 T5(T5G [5， 20])us, 通过一次也可多次时间调整与授时源同步。
2、 根据权利要求 1所述基于 IEEE1588的适应继电保护应用的合并单元同步对 时方法， 其特征在于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 Nl=10个对时周期， 授时源时间均匀性误差小于 Tl=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 Tl=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) "同歩守时状态"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=10rain; 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 Tl=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 Tl=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"： 与授时源绝对吋间误差小于 T5=10us， 通 过一次也可多次时间调整与授时源同步。
3、 根据权利要求 1所述基于 IEEE1588的适应继电保护应用的合并单元同步对 时方法， 其特征在于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) "失歩状态"到 "同步跟随状态"的切换条件为： 连续 Nl=10个对时周期， 授时源时间均匀性误差小于 Tl=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 Tl=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 Tl=3us;
(4) "同歩守时状态"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 Tl=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。
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