专利名称：电力系统二次设备时间同步监测系统及监测方法
技术领域：
本发明涉及工业自动化信息监测技术，尤其涉及电力系统中二次设备时间同步监 测系统及监测方法。
背景技术：
在电力系统中，二次设备是保证电力系统正常运行的各类自动化设备的总称，包 括时间同步装置、保护装置、远动装置(监控装置)、测量装置(相量测量装置、电能质量监 测装置、雷电测量装置)、记录装置(故障录波装置)、计量装置(智能电表)等，其中时间 同步装置可以提供时间信号和时间报文信息输出接口，其它的二次设备只能接收时间信号 或时间报文信息并使用。为了确保这些二次设备的实时处理的正确性以及历史数据的真实 性，需要将其时间同步。目前，各二次设备的时间是否同步成为制约变电站数字化、电网智 能化发展的瓶颈。尽管时间同步装置能提供统一的时间，但提供的时间的精准性和稳定性 无法监测，其它二次设备在时间使用上是否正确也无从了解，上述问题都亟待解决。目前变电站自动化系统中都安装了时间同步装置(GPS对时装置)，也给其他二次 设备提供了同步时间，但在对故障数据、波形分析中还是出现同一故障时间不一致的情况。 究其原因有以下几点1.时间同步装置的可靠性和稳定性不高，如单主时钟、单GPS时钟 源，其均无高精度的守时能力；2.其它二次设备本身对时间信号处理有缺陷，如脉冲信号 和串口时间的配合、IRIG-B的解码，多数是采用软件实现而非硬件实现，容易出现处理不及 时导致错误；3.容错处理能力差，当信号受到干扰不能识别而使用了错误的信号，导致时 间错误，也无法纠正。传统技术中对上述问题的处理方式是选择将时间同步系统做得更加强大、稳定性 更高，自动化装置的时间处理更加完善，但是这样会明显提高设计的难度，且可靠性不高。 而如果选择对提供时间信息的时间同步装置以及使用时间信息的二次设备的使用状态进 行在线监测，分析二次设备时间的正确性以及时间精度、稳定度等指标，势必会大大提高二 次设备的时间稳定性、可靠性，并且该方式实现起来也简单。目前还没有一种电力系统二次 设备时间同步监测系统及监测方法出现。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电力系统二次设备时间同步监测系统及 监测方法，解决传统技术中二次设备时间精度低、稳定性差的问题。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是电力系统二次设备时间同步监测 系统，包括厂站监控系统网络交换机、二次设备单元，所述二次设备单元通过网络交换机连 接厂站监控系统，该电力系统二次设备时间同步监测系统还包括时间同步采集装置和时间 同步监测后台机，所述时间同步采集装置连接二次设备单元，所述时间同步监测后台机连 接网络交换机和时间同步采集装置。所述二次设备单元为时间同步装置和具备开关量输入的二次设备的组合，所述时间同步装置连接具备开关量输入的二次设备、时间同步采集装置和网络交换机，所述具备 开关量输入的二次设备连接网络交换机和时间同步采集装置。所述二次设备单元为时间同步装置和不具备开关量输入的二次设备及串口网络 服务器的组合，所述时间同步装置连接网络交换机和时间同步采集装置，所述不具备开关 量输入的二次设备通过串口网络服务器连接网络交换机，所述串口网络服务器连接时间同 步采集装置。所述二次设备单元为时间同步装置和具备开关量输入的二次设备、不具备开关量 输入的二次设备及串口网络服务器的组合；所述时间同步装置连接具备开关量输入的二次 设备、时间同步采集装置和网络交换机，所述具备开关量输入的二次设备连接网络交换机 和时间同步采集装置，所述不具备开关量输入的二次设备通过串口网络服务器连接网络交 换机，所述串口网络服务器连接时间同步采集装置。所述时间同步监测后台机采用具备主时钟板卡的工控机。所述时间同步采集装置具备电源插件、频标插件、CPU插件及可选插件，所述可选 插件包括以太网插件、RS-232/422/485通信接口插件、RS-485输入接口插件、RS-485输出 接口插件、TTL输入接口插件、TTL输出接口插件、光纤输入接口插件、光纤输出接口插件、 脉冲输入接口插件和脉冲输出接口插件。电力系统二次设备时间同步监测方法，包括以下步骤a.时间同步采集装置与时间同步监测后台机进行PTP(精密时间协议)网络对 时；b.时间同步采集装置采集各二次设备的时间信息，并传送给时间同步监测后台 机；c.时间同步监测后台机接收上述时间信息并进行整理；d.时间同步监测后台机从厂站监控系统提取SOE(事件顺序记录)信息，结合步骤 c中整理后的时间信息生成各二次设备的时钟；e.时间同步监测后台机将生成的各二次设备的时钟与标准时钟源做比对分析，统 计出各二次设备的走时误差和稳定性并以图表显示；f.对超出设定走时误差或稳定性不达标的二次设备进行报警。进一步，在步骤f之后还包括步骤g 各厂站时间同步监测后台机将步骤e中各二 次设备的时钟与标准时钟源比对分析后的结果传送至上级调度中心。步骤a中，时间同步监测后台机作为主时钟，时间同步采集装置作为从时钟，按照 IEEE1588精密时间协议实现PTP网络对时，对时间隔k，对时精度20ns。步骤b中，时间同步采集装置采集各二次设备的时间信息的方法是bl.对于时间同步装置，直接采集时间信号；b2.对于具备开关量输入的二次设备，由时间同步采集装置输出时间脉冲触发其 产生时间顺序记录，通过厂站监控系统提取事件触发的时间；b3.对于不具备开关量输入的二次设备，由时间同步采集装置通过串口监听对时 报文的应答，提取时间信息。本发明的有益效果是对二次设备的时间状态进行监控，及时发现问题解决问题， 从而提高二次设备时间的正确性、稳定性，提高时间精度，最大限度保证设备正常运行。
图1为本发明的实施例中电力系统二次设备时间同步监测系统结构框图；图2为本发明的电力系统二次设备时间同步监测方法流程图；图3为本发明中的时间同步采集装置的后台处理流程图；图4为本发明中的时间同步监测后台机的后台处理流程图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。本发明公开了一种电力系统二次设备时间同步监测系统，其在传统厂站自动化系 统中增加了对二次设备时间状态采集和监控的时间同步采集装置和时间同步监测后台机， 通过对采集到的时间信号进行分析处理，及时发现问题解决问题，从而提高二次设备时间 的正确性、稳定性，提高时间精度，最大限度保证设备正常运行。本发明还公开了电力系统 二次设备时间同步监测方法。实施例如图1所示，本例中的电力系统二次设备时间同步监测系统，包括厂站监控系统、 网络交换机、二次设备单元、时间同步采集装置和时间同步监测后台机；二次设备单元通过 网络交换机连接厂站监控系统，时间同步采集装置连接二次设备单元，且时间同步采集装 置通过时间同步监测后台机连接网络交换机。其中，二次设备单元由时间同步装置、备开关 量输入的二次设备、不具备开关量输入的二次设备及串口网络服务器组成，具备开关量输 入的二次设备与网络交换机、时间同步装置、时间同步采集装置均连接；不具备开关量输入 的二次设备与时间同步采集装置连接，且通过串口网络服务器接入网络交换机。本例中，具备开关量输入的二次设备可以为保护装置、远动装置、测量装置、记录 装置等，它们都可以直接与时间同步装置连接，以接收时间信号实现时间同步，而对于不具 备开关量输入的二次设备(如智能电表等)则需要通过串口网络服务器接入网络交换机， 从而接收时间同步信号实现时间同步。时间同步监测后台机可采用工控机，增加一块主时钟板卡，主时钟板卡与工控机 采用PCI总线连接，主时钟板卡上的主要功能器件包括CPU (如AT91RM200)、4M FLASH,64M SDRAM、GPS接收模块、IOM恒温晶振、2个具有PTP协议的以太网网口(如DP83640)，其中 一个网口作为对下一级(时间同步采集装置)的主时钟，另一个作为对上一级(调度中心) 的从时钟。时间同步监测后台机的后台处理流程如图4所示，包括6个部分1. PTP对时与 时间同步采集装置进行PTP网络对时；2.接收整理各设备的时间信息接收时间同步采集 装置的网络报文，整理各设备的时间信息；3.从厂站监控系统提取SOE信息；4.生成各设 备的时钟；5.统计分析各设备的时钟误差和稳定性；6.进行图表显示和报警。时间同步采集装置可采用背插式19"标准机箱，必备插件包括电源插件、频标 插件和CPU插件，可选插件包括以太网插件、RS-232/422/485通信接口插件、RS-485输 入接口插件、RS-485输出接口插件、TTL输入接口插件、TTL输出接口插件、光纤输入接口 插件、光纤输出接口插件、脉冲输入接口插件和脉冲输出接口插件。2个电源插件是为了确保装置的供电可靠性，工作电源输入电压为220V AC/220V DC/110V DC通用。频标插件内 设IOM恒温晶振，经驯服后守时误差小于1 μ s/h。CPU插件内设AT91RM9200.4M FLASH、 64M SDRAM、FPGA和DP83640，提供的PTP协议的以太网网口为从时钟。其余的可选插件 根据实际情况选配。以太网插件提供4个RJ45以太网接口，可实现NTP/SNTP网络协议； RS-232/422/485通信接口插件提供4个DB9接口 ；RS-485输入接口插件提供16路RS-485 差分信号输入；RS-485输出接口插件提供16路RS-485差分信号输出；TTL输入接口插件提 供16路TTL输入；TTL输出接口插件提供16路TTL输出；光纤输入接口插件提供8路ST 光纤输入；光纤输出接口插件提供8路ST光纤输出；脉冲输入接口插件提供16路输入，最 高输入电压250V DC ；脉冲输出接口插件提供16路输出，OC门最高耐压250V DC。时间同 步采集装置提供的输入、输出时间信号的误差小于100ns。时间同步采集装置的后台处理流程如图3所示，包括5个部分1. PTP对时接收 与时间同步监测后台机的PTP网络对时；2.网络报文处理接收网口时间报文，记录时间戳 和设备号；3.串口时间报文处理接收串口时间报文，记录时间戳和设备号；4.时间信号处 理捕捉时间信号沿，对时间信号进行解析，记录时间戳和设备号；5.脉冲信号输出对特 定时刻和间隔的脉冲输出，记录脉冲输出时刻。下面阐述利用上述电力系统二次设备时间同步监测系统进行时间同步监测的方 法如图2所示，该方法包括以下步骤1.时间同步采集装置与时间同步监测后台机进行PTP网络对时时间同步监测后 台机作为主时钟，时间同步采集装置作为从时钟，按照IEEE 1588精密时间协议实现PTP网 络对时，对时间隔2s，对时精度20ns ；2.时间同步采集装置采集各二次设备的时间信息，并传送给时间同步监测后台 机对于二次设备时间信息的采集分三种情况a.对时间同步装置的时间信息的采集直 接接收时间同步装置输出的时间信号，将接收的时间信号加盖内部时间戳，通过以太网传 送至时间同步监测后台机；b.对具备开关量输入的二次设备的时间信息的采集由时间同 步采集装置输出PPS(秒脉冲)/PPM(分脉冲)/PPH(时脉冲)或特定的时间间隔脉冲，触 发这些二次设备产生SOE信息或开关量变位信息，这些事件记录被汇总发送到厂站监控系 统或调度中心的SCADA/EMS系统中，时间同步监测后台机通过厂站监控系统或调度中心的 SCADA/EMS系统提取事件触发的时间，从而获得时间信息；c.对不具备开关量输入的二次 设备的时间信息的采集时间同步采集装置监听串行通信中的对时报文信息，加盖内部时 间戳，通过以太网传送至时间同步监测后台机。3.时间同步监测后台机接收上述时间信息并进行整理；4.时间同步监测后台机从厂站监控系统或调度中心的SCADA(数据采集与监视控 制系统)/EMS(电网能量管理系统)系统提取相关二次设备(具备开关量输入的二次设备) 因时间同步采集装置输出的时间脉冲而产生的SOE信息，并结合前一步骤整理后的时间信 息生成各二次设备的时钟；5.进行时钟比对分析，统计出各二次设备的走时误差和稳定性并以图表显示时 间同步监测后台机将生成的各二次设备的时钟与标准时钟源做比对分析，这里的标准时钟 源可以选择时间同步监测后台机本身的GPS时钟源，在调度中心与厂站之间具有PTP网络时，也可以选择将时间同步监测后台机从调度中心接收的时钟作为标准时钟源；经过比对 之后，可以统计出各二次设备的走时误差、一致性和稳定性，并以图表的形式进行显示；6.对超出设定走时误差的二次设备或者稳定性不符合要求的二次设备进行报警 提示，以便工作人员及时发现，及时处理；7.各厂站时间同步监测后台机将分析结果通过电力数据专网传送到所辖的调度 中心，地区级调度中心再将数据转发到省级调度中心。因此，在各发电厂、各变电站、各级调 度中心都能监测到所辖设备的时间信息。
权利要求
1.电力系统二次设备时间同步监测系统，包括厂站监控系统、网络交换机、二次设备单 元，所述二次设备单元通过网络交换机连接厂站监控系统，其特征在于还包括时间同步采 集装置和时间同步监测后台机；所述时间同步采集装置连接二次设备单元，所述时间同步 监测后台机连接网络交换机和时间同步采集装置。
2.如权利要求1所述的电力系统二次设备时间同步监测系统，其特征在于所述二次 设备单元为时间同步装置和具备开关量输入的二次设备的组合，所述时间同步装置连接具 备开关量输入的二次设备、时间同步采集装置和网络交换机，所述具备开关量输入的二次 设备连接网络交换机和时间同步采集装置。
3.如权利要求1所述的电力系统二次设备时间同步监测系统，其特征在于所述二次 设备单元为时间同步装置和不具备开关量输入的二次设备及串口网络服务器的组合，所述 时间同步装置连接网络交换机和时间同步采集装置，所述不具备开关量输入的二次设备通 过串口网络服务器连接网络交换机，所述串口网络服务器连接时间同步采集装置。
4.如权利要求1所述的电力系统二次设备时间同步监测系统，其特征在于所述二次 设备单元为时间同步装置和具备开关量输入的二次设备、不具备开关量输入的二次设备及 串口网络服务器的组合；所述时间同步装置连接具备开关量输入的二次设备、时间同步采 集装置和网络交换机，所述具备开关量输入的二次设备连接网络交换机和时间同步采集装 置，所述不具备开关量输入的二次设备通过串口网络服务器连接网络交换机，所述串口网 络服务器连接时间同步采集装置。
5.如权利要求1所述的电力系统二次设备时间同步监测系统，其特征在于所述时间 同步监测后台机采用具备主时钟板卡的工控机。
6.如权利要求1至5任意一项所述的电力系统二次设备时间同步监测系统，其特征在 于所述时间同步采集装置具备电源插件、频标插件、CPU插件及可选插件，所述可选插件 包括以太网插件、RS-232/422/485通信接口插件、RS-485输入接口插件、RS-485输出接口 插件、TTL输入接口插件、TTL输出接口插件、光纤输入接口插件、光纤输出接口插件、脉冲 输入接口插件和脉冲输出接口插件。
7.电力系统二次设备时间同步监测方法，其特征在于包括以下步骤a.时间同步采集装置与时间同步监测后台机进行PTP网络对时；b.时间同步采集装置采集各二次设备的时间信息，并传送给时间同步监测后台机；c.时间同步监测后台机接收上述时间信息并进行整理；d.时间同步监测后台机从厂站监控系统提取SOE信息，结合步骤c中整理后的时间信 息生成各二次设备的时钟；e.时间同步监测后台机将生成的各二次设备的时钟与标准时钟源作比对分析，统计出 各二次设备的走时误差和稳定性并以图表显示；f.对超出设定走时误差或稳定性不达标的二次设备进行报警。
8.如权利要求7所述的电力系统二次设备时间同步监测方法，其特征在于在步骤f 之后还包括步骤g 各厂站时间同步监测后台机将步骤e中各二次设备的时钟与标准时钟 源比对分析后的结果传送至上级调度中心。
9.如权利要求7所述的电力系统二次设备时间同步监测方法，其特征在于步骤a中， 时间同步监测后台机作为主时钟，时间同步采集装置作为从时钟，按照IEEE 1588精密时间协议实现PTP网络对时，对时间隔k，对时精度20ns。
10.如权利要求7至9任意一项所述的电力系统二次设备时间同步监测方法，其特征在 于步骤b中，时间同步采集装置采集各二次设备的时间信息的方法是 bl.对于时间同步装置，直接采集时间信号；b2.对于具备开关量输入的二次设备，由时间同步采集装置输出时间脉冲触发其产生 时间顺序记录，通过厂站监控系统提取事件触发的时间；b3.对于不具备开关量输入的二次设备，由时间同步采集装置通过串口监听对时报文 的应答，提取时间信息。
全文摘要
本发明涉及工业自动化信息监测技术，其公开了一种电力系统二次设备时间同步监测系统，解决传统技术中二次设备时间精度低、稳定性差的问题。其技术方案的要点是电力系统二次设备时间同步监测系统，包括厂站监控系统、网络交换机、二次设备单元，所述二次设备单元通过网络交换机连接厂站监控系统，该电力系统二次设备时间同步监测系统还包括时间同步采集装置和时间同步监测后台机；所述时间同步采集装置连接二次设备单元，所述时间同步监测后台机连接网络交换机和时间同步采集装置。此外，本发明还公开了一种电力系统二次设备时间同步监测方法。本发明适用于对各发电厂、变电站的二次设备时间监控。
文档编号H04J3/06GK102055544SQ20101058136
公开日2011年5月11日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者兰凌美, 刘晓川, 唐勇, 许振山, 骆飞, 魏旺全 申请人:成都引众数字设备有限公司