電力二次設備時間同步測試系統的研制及應用

朱長銀，姬生飛，李興建，于 哲，篤 峻，李忠安，劉 偉

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

隨著電網的高速發展和站內自動化設備的大規模應用，電力系統生產、控制業務對時間同步精度的要求愈來愈高［1-11］。電力系統時間同步的準確性是保障電網運行控制及故障分析的重要基礎，是提高電網事故分析和穩定控制水平的根本保證［12-13］。在變電站中，電力二次設備中的測控裝置、故障錄波器、微機保護裝置、功角測量裝置PMU、安全自動裝置、過程層的智能設備等都需要有站內一個統一的時鐘對其授時。這些智能二次設備各自的功能不同，對時間的精度要求也不盡相同，在發生電網故障時，變電站各個設備的時間不一致會造成上送到調度的繼電保護動作時刻不準確，給電網故障分析和繼電保護動作正確性分析帶來困難，甚至引起誤判［14］。為了避免此類問題的發生，國家電網有限公司在2014 年發布了《國調中心關于強化電力系統時間同步監測管理工作的通知》，通知中要求對電力系統時間系統進行同步監測，遵循分級管理的原則，通過分級時間同步監測的方法實現對電力系統時間同步系統的閉環管理，同時確定了調度主站端、廠站端時間同步監測的技術要求和管理技術方案，并同步下達了各地市公司變電站時間監測的改造計劃。

在發布的技術方案中，明確規定了廠站端的設備應具備時間同步監測相關的功能，功能主要包括設備狀態的自檢和對時狀態的測量，同時規定了相關規約支持同步監測系統的閉環管理［15］。功能和規約的規定如表1所示。

表1 時間同步監測功能及采用規約表Table 1 Time synchronization monitoring function and used protocol

1 測試需求分析及現狀

國家電網有限公司在2014 年出臺時間同步監測管理工作通知，各二次廠家也迅速在自己的產品中增加了通知和規范中要求的相關功能，但截至目前，各廠家對這些功能的測試手段仍然比較缺乏：文獻［16］在自家的產品中實現了一種時間同步可控的測試儀，可以輸出UART報文授時、IRIG-B時間編碼授時、IEEE-1588網絡報文授時，但是其產品實現的功能僅能控制外部設備和主時鐘裝置間的時間差，達到調整設備間時間差的目的，但對于二次設備時間狀態自檢功能中需要的跳秒、閏秒、時間變化等缺乏必要的手段支持，同時也不具備對二次設備對時監測上送規約進行檢測的能力，是一種開環方式的測試，使用中有很大的局限性。文獻［17］的專利中提到了一種通過SNTP（Simple Network Time Protocol）對配電設備進行對時后，觸發配電設備動作事件，模擬104規約獲取事件，然后用提取事件信息中時間的方法提供設備對時功能檢測的方法，該方法提供了測試手段和測試系統，具備一定的借鑒意義，但是該系統也具有一些自身的局限。首先該專利沒有用二次設備中最常用的IRIG-B 作為對時源信號，也不具備二次設備時間狀態自檢功能中需要的跳秒、閏秒、時間變化等功能；其次雖然該專利模擬了規約但是僅限于對所觸發的事件信息的提取，沒有在規約中提供表1中對時狀態測量的功能。

由于缺乏必要的測試手段，二次設備廠家往往需要搭建復雜的測試環境，把對時裝置、二次設備和后臺監控系統甚至調度系統組合在一起，進行系統級別的聯調才能對這些功能進行詳細地測試，同時對于一些設備告警信息，需要手動插拔對時裝置的對時電纜/光纖進行模擬，對于對時信號質量標志、信號校驗、閏秒等功能甚至需要對時裝置進行特殊修改才能進行測試，這無疑給二次設備時間功能測試帶來了極大的不便，給時間同步監測功能留下了一定隱患。

2 時間同步測試系統總體設計

為實現保護裝置、錄波裝置、安穩裝置、測控裝置、合并單元、智能終端等電力系統二次設備的時間同步功能的測試，本文設計了一套完整的測試系統，其測試架構組成如圖1所示，包括測試管理單元、時間同步測試單元、被測試單元3部分。

圖1 時間同步測試系統架構圖Fig.1 Architecture diagram of time synchronization test system

2.1 測試管理單元

在時間同步測試系統中，測試管理單元是系統控制管理中樞，包含時間同步測試單元控制模塊、網絡IEC103/IEC104/IEC61850 模 塊、GOOSE/SV 模 塊 以 及NTP模塊3部分，各模塊的功能如下：

1） 時間同步測試單元控制模塊

該模塊主要提供對時間同步測試單元的人機接口，用于控制時間同步測試單元。本模塊提供兩種方式的人機控制模式，第一種是定制好的人機界面功能，這種方式采用C++編程，充分發揮C++語言面向對象、執行效率高等優點，但是該模式只能提供給用戶固定的功能，適用于使用門檻較低，快速測試的場景。另一種是提供Python 腳本接口，該模式的主控程序使用C++編程實現，同時內嵌了一個python腳本解析器，用于解析執行測試腳本，從而很方便地利用腳本控制和擴展對時功能的測試，測試腳本是目前比較流行的測試方法，可以減少測試人員的工作量，提高軟件測試的可維護性，同時腳本語言可移植性好，有利于腳本代碼的可重用性，提高測試的可重復性［18］。用戶可以通過腳本方式靈活定制測試功能，完成功能擴展，充分利用了腳本語言和系統編程語言兩者的優點，達到提高開發效率，增強程序的靈活性和交互性的目的，實現python與C++的完美融合。

2） 網絡IEC103/IEC104/IEC61850［19-21］模塊

目前電力系統二次設備中廣泛采用的通信規約主要是網絡103、104 和IEC61850 規約，網絡103 規約即IEC 60870-5-103規約，在智能化站推廣之前是二次設備中主流規約，目前仍在廣泛應用，很多已經采用IEC61850 規約的智能站設備中，網絡103 一般也會提供支持，這兩種規約的技術細節在各種文章中已經有了充分的論述，本文不再贅述。參考表1，時間同步監測要求在已建站通過擴充網絡103、網絡104 以及IEC61850協議規約，將時間狀態測量信息和設備自檢信息通過這些規約上傳至監控后臺/調度后臺以完成時間同步監測的功能。因此本文在測試管理單元中實現了網絡IEC103/IEC104 和IEC61850 規約，通過這些主流的規約可以和目前絕大多數的二次設備進行通信，一方面可以收取二次設備的SOE動作及告警事件，提取其中的時間信息，用于輔助校驗對時功能測試的結果；另一方面可以通過這些協議直接獲取被測單元的時間狀態信息，完成時間同步功能基本功能的測試。在保護裝置、測控裝置、錄波裝置等二次設備中，網絡103、網絡104 和IEC61850 都是Server 端，因此在本文中實現的是Client 端的程序功能，本系統直接重用本公司變電站廠站后臺監控軟件的通信規約接口，這樣就最大可能地逼近了現場運行環境，可以可靠地和二次設備進行通信，完成SOE 事件和時間同步狀態測量信息獲取，通過這些信息中時間信息的提取完成時間同步測試功能的結果判斷。

3） NTP［22］（Network Time Protocol，網絡時間協議）模塊

參考表1 可知對新建站的二次設備中，一般都支持NTP Server 功能，通過NTP 協議的乒乓法獲取本裝置的時間信息，實現了NTP的Client端的功能，測試時主動對被測試單元發起時間信息的乒乓請求，通過乒乓原理獲取時間信息，完成測試。時間同步管理的乒乓原理如圖2所示。

圖2 NTP乒乓原理圖Fig.2 NTP ping-pong schematic diagram

T0、T1、T2、T3為裝置時標，△t為被測試單元和測試系統的時鐘差，用于抵消測量的誤差，提高測試級精度。

NTP建立在網絡鏈路延遲對稱的假設上，因此：

在式（1）、式（2）中，T0和T3時標為測量請求端已知，被測對象（響應端）返回T1、T2 時標在網絡IEC103/IEC104/IEC61850 模塊中獲取時間狀態信息時也用到了乒乓原理的方法。

4） GOOSE/SV模塊

該模塊主要用于合并單元和智能終端的對時狀態測量信息的獲取，對智能終端和支持GOOSE的合并單元，時間同步監測信息數據和設備狀態自檢數據都通過GOOSE 傳輸，對于不支持GOOSE 的設備則通過SV協議傳輸，其檢測原理也是上述的NTP乒乓原理，不過時間信息在標準GOOSE/SV規約的應用數據中根據規定做了適當擴充［15］。本文系統實現的是監測請求觸發的命令，通過解析被測單元返回的報文，按照上述乒乓原理完成測試。

2.2 時間同步測試單元

時間同步測試單元主要實現電力時間同步設備IRIG-B 對時信號的模擬，用于輸出IRIG-B 正常及異常編碼脈沖信號功能，包括以下幾個功能：

1） IRIG-B時間設置功能：通過時間同步測試單元控制模塊的人機接口任意設定系統的時間，時間同步測試單元根據設置的時間更新模塊系統時間，同時輸出對應的IRIG-B編碼脈沖信號，此后系統時間自動每秒遞增并同步輸出IRIG-B 編碼脈沖信號提供給被測試設備，該功能配合上述管理測試單元中各協議模塊提供的乒乓原理的功能，完成被測試設備對時測量狀態功能和性能的檢測。

標準的IRIG-B碼脈沖波形如圖3所示。

圖3 標準的IRIG-B碼輸出脈沖波形圖Fig.3 Standard IRIG-B code output pulse waveform

2） IRIG-B碼的啟?？刂乒δ埽嚎梢愿鶕藱C接口設置的任意時間序列的組合啟停IRIG-B 編碼脈沖信號的輸出，用于對時功能中丟失及恢復時的邏輯驗證，設置的時間包括開始時間、持續時間參數，時間同步測試單元在設定的開始時間輸出對應的IRIG-B 編碼脈沖信號，此后系統時間自動每秒遞增并同步輸出IRIG-B 編碼脈沖信號，持續時間到達后，停止IRIG-B編碼脈沖信號的輸出，該功能主要用于模擬以往測試中手動插拔對時光纜產生對時接口告警，以及被測設備守時等功能的檢測。

3） 奇偶校驗功能：可以根據人機接口設置的任意時間序列的組合，改變IRIG-B編碼脈沖信號中的奇偶校驗位，用于驗證對時功能中的奇偶校驗變化時的功能邏輯，設置的時間包括開始時間、持續時間參數，時間同步測試單元先根據系統時間輸出IRIG-B 編碼脈沖信號，此時奇偶校驗位按照系統默認輸出，在設置的開始時間，根據設置值改變輸出IRIG-B編碼脈沖信號的奇偶校驗位，持續時間到達后，奇偶校驗位的編碼恢復默認值。

4） 品質控制功能：可以根據人機接口設置的任意時間序列的組合改變IRIG-B 編碼脈沖信號中的品質位，用于驗證對時功能中品質變化時的功能邏輯，設置的參數包括開始時間、持續時間和品質位參數，時間同步測試單元先根據系統時間輸出IRIG-B 編碼脈沖信號，此時品質位按照系統默認輸出，在設置的開始時間，根據設置值改變輸出IRIG-B編碼脈沖信號的品質位，持續時間到達后，品質位的編碼恢復默認值。

5） 閏秒控制功能：可以根據人機接口設置的任意時間序列的組合在IRIG-B 編碼脈沖信號中產生閏秒的變化，包括正閏秒和負閏秒，用于驗證對時功能中產生閏秒變化時的功能邏輯，設置參數包括開始時間和閏秒的變化方式參數，時間同步測試單元首先根據模塊的系統時間產生正常的IRIG-B編碼脈沖信號，正閏秒模式時，在設置的開始時間的分鐘結束時按58-59-60-00 變動系統時間的秒值，并同步輸出相應的IRIG-B編碼脈沖信號；負閏秒模式時在設定的開始時間分鐘結束時按58-00 變動系統時間的秒值，并同步輸出相應的IRIG-B 編碼脈沖信號，閏秒變化后，恢復正常的IRIG-B編碼脈沖信號輸出。

6） 跳秒功能：可以根據人機接口設置的任意時間序列的組合在IRIG-B 編碼脈沖信號中產生跳秒的變化，用于驗證對時功能中的跳秒變化時的功能邏輯，設置參數包括開始時間、持續時間和跳秒數值等參數，時間同步測試單元首先根據模塊的系統時間產生正常的IRIG-B編碼脈沖信號，在設置的開始時間到達時根據設定的跳秒數值變化系統時間的秒值，在跳秒變化后的系統時間基礎上每秒變化秒值同步輸出IRIG-B 編碼脈沖信號，持續時間到達后，恢復系統時間，并同步輸出IRIG-B 編碼脈沖信號。

3 時間同步監測功能的具體測試方法

由上述可知，電力二次設備的時間同步監測主要對基本對時功能、時間狀態測量功能和設備狀態自檢的功能進行監測，同時檢查設備規約支持情況，測試項目如表2。

表2 被授時設備功能檢測表Table 2 Function test sheet of timed device

對于上述功能的測試，測試連接圖如圖1所示，基本對時功能的檢測主要是驗證被測設備接入對時信號時，應能正確地解析時間，正確同步，且對時的精度要能滿足相關標準的要求。而設備狀態自檢功能則是驗證被測試設備在各種異常情況下能產生相關的告警信息，這兩種場景的測試方法和流程基本類似：

1） 通過時間同步測試裝置產生不同功能所需的IRIG-B信號，本文提供的模塊每種功能都包含了起始時間和持續時間，通過Python 提供的腳本接口設置每種功能所需要時間的組合，形成狀態序列的組合，控制時間同步測試裝置模擬對應的功能IRIG-B信號。

2） 時間同步測試管理單元通過相對應的規約讀取被測試設備的時間信息，對于基本對時功能以及對時狀態測量功能通過表1規定的規約讀取被測設備的時間信息（ 新設備通常是NTP規約），并根據乒乓原理的方法對時間信息提供校準，以修正網絡傳輸帶來的誤差，對于設備狀態的自檢功能，此處還對應相關協議中上送的告警信息，時間同步測試管理單元通過對應的規約收集對應事件信息。

3） 測試管理單元根據相關標準制定相關測試功能校驗的判據，根據第二步收集的時間信息和告警事件信息綜合判斷，給出功能測試的結果，完成測試過程。

以上是基本的測試步驟，但是電力系統中投運的裝置眾多，對于尚有一些早期投運的裝置可能并未根據相關規定在規約中提供對應的功能，因此本文的時間同步測試裝置，除具備IRIG-B 信號模擬外，還可以同步產生開關量信號，包括常規的開關量信號和標準GOOSE 規約信號，在IRIG-B 產生的相關時刻，同步輸出開關量變位，觸發被測試裝備產生SOE事件，然后通過對應的規約收集這些信息，解析其中的時間信息，輔助相關功能的判斷。

通過上述步驟，完成了電力二次設備的時間同步監測中的基本對時功能、時間狀態測量功能和設備狀態自檢的功能測試，測試時同步驗證了相關的規約功能。

4 時間同步測試系統的實際應用

本文提出時間同步測試系統是在國家電力調度控制中心強化電力系統時間同步監測管理工作的情況下開發使用的，南京南瑞繼保電氣有限公司的新產品在送檢時需要詳盡的測試時間同步監測的相關功能，對于老產品的升級改造也需要進行詳細的測試，在沒有測試手段的情況下，需要借助GPS時間同步裝置、監控后臺搭建系統進行測試，對于時間狀態信息測量的功能通過這種方法雖然測試復雜，但還可以完成；對于檢測被測設備在對時源異常狀態下的功能測試，這些異常場景使用標準的時間同步裝置時，即使通過手動方法測試，也很難模擬，難以完成全部的功能測試，且費時費力。

通過本文所提供的接口功能，用戶很容易通過Python腳本或者功能界面完成被測設備的時間同步監測管理功能的測試，特別是Python 腳本的方式控制方便靈活，可以方便定制模擬各種場景的功能測試。在研發測試中，對被測試設備的功能及性能測試以及功能升級后的回歸測試中發揮極大的作用，顯著提高測試效率，給南京南瑞繼保電氣有限公司產品性能和可靠性的提升提供了很大的幫助，這種測試方法應用方便，易于重用，在工程驗收的場景下也可以發揮相應的作用。

5 結語

時鐘同步技術對電力系統運行具有重要意義，通過引入時間同步監測管理功能，對全網時間同步的狀態實施統一監管，保證了系統的精確運行，而本文引入自動化手段，對這些功能進行詳盡地測試，則進一步保證了電力二次設備時間同步的功能和性能，同時降低了運維檢測人員的工作量，提升了效率，從而也能更好地保證電力生產運行的安全。