（江苏方天电力技术有限公司211102）
摘要：针对智能变电站二次设备时间同步状态的现状，本文提出了基于IEC61850规约的智能变电站二次设备时间同步状态在线监测方案及具体的实施过程。根据提出的方案，本文还介绍了同步监测系统的设计方法，具体包括同步监测装置和监视后台的结构、原理及具体功能。
关键词：IEC61850；二次设备；在线监测
引言
随着数字化技术在国内各个变电站中的快速推广，IEC61850标准已经作为一项重要的技术被应用[1]。IEC61850标准是未来全球变电站通信的统一标准，近几年来已经得到普遍的认可和关注，被越来越多的新建和改造站点作为变电站站内规约所采用[2]。
目前变电站中都配置有时钟同步系统来保证事件时标的正确性。站内二次设备都具备向变电站站内时钟设备对时的能力，其对时方式主要包括：串口脉冲、IRIG-B码、IEEE1588（精密时间协议）和SNTP（简单网络时间协议）[3]。但是二次设备的对时状态、精度、品质还没有有效的监测手段，只能人工的逐一检查设备的对时状态，但人工的方式无法保证对时精度，可能对故障的事后分析和故障定位造成困难。
智能变电站全站采用IEC61850标准，过程层的数据以GOOSE报文形式通过交换机网络传输。本文根据智能变电站的通讯特性，提出了变电站二次设备对时状态在线监测系统，利用模拟开关量变位发送GOOSE报文的周期性上报二次设备的本地时标[4]。
本方案无需增加额外的物理接线和网络设备，仅需在变电站中部署监测装置，而且二次设备无需增加额外的逻辑功能，通过修改配置实现发送对时专用GOOSE报文。
二次设备对时状态监测方案
1.网络结构
如图1所示，在变电站内部署监测设备，接受与二次设备同源的时钟设备授时，并且以GOOSE订阅者身份接入GOOSE交换机，接收二次设备作为发布者周期性发送的对时状态监测专用GOOSE报文[5]。监测装置根据接收到GOOSE报文的时间Ts和报文中携带的时标信息Td，并且考虑到组包与发包延迟Ks和网络延迟Kn等影响因素，可计算出二次设备的对时时差△t：
△t=Ts-Td-Ks-Kn（1）
监测装置将监测数据（时标信息及时差数据）上送给监视平台，由监视平台显示二次设备的对时状态和对时精度。监测平台提供了多种统计分析监测数据的方法，方便用户统计、对比、分析二次设备对时时差。
2.GOOSE报文发送时刻选择
二次设备周期性主动发送包含二次设备时标信息的GOOSE报文。变电站内二次设备众多，若同时发送对时监测GOOSE报文，有可能引起网络风暴，影响真正的GOOSE变位报文的传送，也为对时监测装置造成了瞬时计算压力。因此选择对时监测GOOSE报文的发送时刻变得极为重要。本文设计了对时GOOSE报文发送规则，使得发送时刻满足二次设备间能够错时发送对时监测GOOSE报文。
对时监测GOOSE报文发送时刻算法，是根据二次设备的MAC地址以及发送周期，换算出一个延时数，当发送周期到来时，延时一定时间（根据延时数确定）后再发送对时监测GOOSE报文。延时Tdly计算方法如下：
Tdly=（X1X2^X3X4^X5X6）%Ts（2）
其中，X1-X2-X3-X4-X5-X6为二次设备MAC地址，Ts为发送周期（单位：秒）。发送周期可以选择5分钟、10分钟、15分钟、20分钟或者半小时。上式中，把MAC地址6段中的连续两段作为2字节的16进制数值，将3个数值进行异或运算；将异或运算后的结果除以周期秒数取余数。
以MAC地址为90-FB-A6-0B-4B-61、发送周期为30分钟为例：
Tdly=（0x90FB^0xA60B^0x4B61）%1800=1545
即二次设备在每半点和整点后的第1545秒发送对时监测GOOSE报文。
3.对时监测GOOSE报文发送机制
IEC61850标准规定，在事件发生后，通过重发相同的数据来获得额外的可靠性，报文发送的时间间隔如图1所示。
根据本方案的特性以及对GOOSE网络低使用率的原则，规定以下重传机制：
a）取消原有以固定时间间隔T0发送的报文，仅发送时间间隔为T1、T2和T3的报文。
b）T1、T2和T3的时间间隔按照IEC61850的规定执行。
c）周期发送时刻达到后，二次设备连续发送报文，其中每一个报文的EventTimestamp均需标记新时标，监测装置以此时标作为二次设备的发送时刻。
d）在该次发送的对时监测GOOSE报文组中，选取准确性最高监测数据作为本次监测结果。
图1对时监测GOOSE发送机制
2.对时状态的判定及分析方法
IEC61850标准中要求GOOSE的处理传输时间小于4ms，为此Ts和Td的时差理论上应小于4ms，在实测系统中GOOSE处理传输时间一般小于2ms。
a）由于二次设备自身的组包与发包延时Ks无法统计，且Ks计入二次设备的对时误差；
b）根据不同的GOOSE交换机和具体设备，网络延时应视为常数，且适用于所有二次设备；
c）二次设备所采用的对时方式不同，会直接影响其对时精度；
d）所以，把△d=Ts-Td视为二次设备的对时精度；
e）根据不同的对时方式设置不同的时差绝对值和相邻时差的差值判定范围，用于对二次设备的对时精度进行评级；允许1-2次对时状态的异常，在稳态跳动状态下才判定为异常；对二次设备之间进行横向比对，判断设备之间的对时准确性；
f）同时，可以对单个设备进行长期的跟踪记录，找出对时状态的跳动规律，尝试分析出引起对时状态异常的原因。
二次设备对时状态监测结果
图2二次设备对时精度曲线
监视后台接收到监测装置上传的二次设备时间和基准时间并进行差值计算，若连续3个差值超过设定值时，则判定此二次设备的对时状态有误，并给出告警信息。图2给出了某二次设备100分钟内的对时精度曲线。
结论
本文根据智能变电站的特点，给出了智能变电站二次设备时间同步状态的在线监测方案及实现。目前，以本方案为基础的变电站二次设备时间状态在线监测系统已经在常州、镇江、扬州和淮安等变电站中部署。系统实时显示了变电站内二次设备的对时状态，为变电站工作人员及时发现对时故障设备提供了便利，并有助于发现设备的对时状态规律，取得了良好的使用效果。
参考文献：
[1]李澄，黄伟，吴刚.数字化变电站新技术特点及应用[J].江苏电机工程，2007.26（z1）：8-10.
[2]樊陈，倪益民，沈健等.IEEE1588在基于IEC61850-9-2标准的合并单元中的应用[J].电力系统自动化，2011，35（6）：55-59.
[3]张清枝，左群业，何刚等.智能变电站网络对时测试研究[J].电力系统保护与控制，2010，38（21）：237-240.
[4]李澄，陈颢，宁艳.二次设备时间同步状态在线监测系统研究[J].江苏电机工程，2012，31（1）：9-11.