CN112491015A - 一种适用于配电网的时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中低压配电网时钟同步方法，通过中低压配电线路下游保护装置处注入一个对时特征信号，在上游保护装置处采集扰动信号波形并记录当地时标，下游保护装置通过载波通道传送扰动信号波形并打上开始扰动时的当地时标，上游保护装置通过计算两曲线的相关度进而确定两端设备的时标差。实施本发明，充分考虑了中低压配电网的现状及特点，不受通道延时影响，无需另外铺设专用通道，低成本地实现两个异地时钟时间统一和采样时刻严格同步。

Description

一种适用于配电网的时间同步方法

技术领域

本发明属于配电自动化领域，特别是涉及一种适用于配电网的时间同步法。

背景技术

对于线路保护而言，最有效的方式当属电流差动保护。电流差动保护在算法上要求参加比较的各端电流量必须同步采样或采样同步化处理得到，这是实现电流差动保护的关键所在。电流差动保护可以实现故障线路零秒速断，且原理简单，不受电压互感器的影响。输电线路中常采用乒乓算法或利用GPS时钟信号实现数据同步，中低压配电网中不具备这样的通信条件，其电流差动保护的实施应充分考虑中低压配电网的现状及特点，线路各端电流采样的同步问题是实现数字电流差动保护的技术关键，现有的时钟同步方法有以下几种：

(一)、采样时刻调整法

线路或设备两侧保护其中一端定为主站，另一端定为从站，主站自由采样。首先由主站发送信息帧，从站收到后将命令和延时时间返回给主站，主站计算通道延时并将其传送到从站，从站根据该延时调整自己的采样时刻。以此来达到线路两侧保护装置同步采样的目的。

(二)、采样数据修正法

采用该方法时两侧保护不分主从，每侧保护在各自晶振控制下，以相同的采样频率独立采样。发送的每一帧数据中包含时间标签、电流采样数据等信息，电流采样数据为某采样时刻经傅氏变换的电流向量。在假设两侧接受数据通道延时相等的前提下计算出通道延时，进而求出两侧采样偏差，保护将接受到的对侧电流相量乘以旋转因子，得到修正后的同步采样数据。

(三)、时钟校正法

两侧保护一端为参考端，另一端为同步端，参考端自由采样。首先由同步端发信息帧，参考端收到后将命令和延时时间返回给同步端，同步端计算两侧时钟的Δt，按此步骤同步端按照一定比率对时钟进行校正直到Δt为零，两侧时钟进入同步运行状态。

(四)、基于参考矢量的同步法

首先建立线路等效模型，计算出线路两端代表同一量的两个电流相量，由于参考相位不同，这两个电流相量之间有相位差，而参考相位的差异正是由两端装置采样不同步造成的，因此可以利用这两个电流相量之间的相位差对数据进行修正，达到采样同步的目的。

(五)、GPS同步法

GPS同步法通过GPS授时信息实现两侧装置同步采样，采样时钟每过1s被1PPS信号同步一次(相位锁定)，能保证晶振体产生的脉冲前沿与UTC具有1μs的同步精度，在线路两端采样时钟给出的采样脉冲之间具有不超过2μs的相对误差，实现了两端采样的严格同步。

上述方法中，采样数据修正法、采样时刻调整法、时钟校正法及其改进方法需借助于通道完成。由于这些方法的前提是收发通道延时一致，因而一般采用专用通道或SDH网络进行数据通信；采用乒乓算法或利用GPS时钟信号实现数据同步。这些方法只能应用于通信条件完善的输电线路中，配电网中不具备这样的通信条件，需要采用上述方法，需要增加很大的成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种适用于配电网的时间同步方法，可以在中低压配电系统中，低成本地实现两个异地时钟时间统一和采样时刻严格同步。

根据本发明的第一方面，提供了一种适用于配电网的时间同步方法，应用于中低压配电网中，其包括如下步骤：

步骤S10，配电网中的上游保护装置在检测到线路故障时，向配电网中的下游保护装置发出启动对时命令；

步骤S11，下游保护装置接收到启动对时命令，通断电阻产生一个预定频率的高频扰动信号；

步骤S12，上游保护装置检测到该扰动信号形成扰动信号波形后，打上本地时标，并存储；

步骤S13，下游保护装置在接收启动对时命令后形成对时特征信号波形，打上本地时标，经延时通过载波信息通道传送至上游保护装置；

步骤S14，上游保护装置接收到所述对时特征信号波形后，与所存储的扰动信号波形进行相关度计算，获得两端时钟相对误差；

步骤S15，根据所述获得的两端时钟相对误差调整上游保护装置或下游保护装置的采样时刻。

优选地，所述步骤S11具体为：

在下游保护装置接收到请求对时命令后，通过对电阻的通断产生一个频率为1025Hz的高频扰动信号，将此高频扰动信号叠加到工频电流信号中。

优选地，所述步骤S12进一步包括：

上游保护装置正常状态下周期性记录两个周波的波形信号，在检测到扰动信号时，继续存储两个周波的扰动信号，与扰动信号之前记录的两个周波的扰动信号一起构成四个周波的扰动信号波形，并为扰动信号波形打上所述上游保护装置的本地时标。

优选地，所述步骤S13进一步包括：

下游保护装置正常状态下周期性记录两个周波的波形信号，在接收到启动对时命令的时刻再记录两个周波的波形信号，与接收到启动对时命令之前所记录的两个周波的波形信号一起构成四个周波的对时特征信号；并将此信号打上下游保护装置的本地时标，并在延时后通过载波信息通道传送给上游保护装置。

优选地，，所述步骤S14进一步包括：

步骤S140，确定上游保护装置所存储的扰动信号波形与对时特征信号波形进行相关性的计算公式如下：

其中，x(m)为扰动信号波形，其窗口中心为扰动发生时刻t，固定窗口长为2T，T为高频扰动信号波形的周期；y(m)为对时特征信号波形；R_xy(k)为x(m)、y(m+k)在时延k上的互关函数，即相关系数；

步骤S141，对对时特征信号波形y(m)进行扫描，计算R_xy(k)取得最大值时k值的大小，假设此时k＝Δt，则Δt表征两终端时钟相差时间；

其中，当Δt>0，则说明上游保护装置时钟较下游保护装置时钟超前；当Δt<0时，则说明上游保护装置时钟较下游保护装置时钟滞后。

优选地，所述步骤S15进一步包括：

根据所计算出来的两端时钟相对误差，对上游保护装置或下游保护装置的下次采样时刻进行调整，使上游保护装置和下游保护装置稳定同步。

优选地，所述步骤S15进一步包括：

根据所计算出来的两端时钟相对误差，采用一个稳定调节系数，对上游保护装置或下游保护装置的下次采样时刻进行逐步调整，使上游保护装置和下游保护装置稳定同步。

实施本发明，具有如下的有益效果：

本发明实施例提供适用于配电网的时间同步方法，合理利用了中低压配电网的特点，中低压配电网中的主干线路较短，扰动信号电磁波的传播时间在这样长的线路上可被忽略，线路上游保护装置会无延迟的检测到该扰动信号，故无需依赖通信通道，也不需要附加专门对时装置，与现有的技术相比，更能适应中低压配电网环境；

同时，本发明的方法仅利用线路载波通信通道，而无需铺设另外的专用通道即可以完成时钟同步，降低了成本；具备在中低压配电网中广泛应用的条件，推动了差动保护在中低压配电网中的应用，填补了中低压配电网主干线路保护的空白；

另外，本发明可实现时钟的同步精度较高，由于中低压配电网中电压等级较低，便于实现通过对电阻的通断产生高频扰动，在不同低压配电环境下调节电阻阻值也较为方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为本发明提供的一种适用于配电网的时间同步方法的一个实施例的主流程示意图；

图2为本发明涉及的一种配电网的台区结构示意图；

图3为本发明涉及的对时特征信号波形与扰动信号波形的对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对发明做进一步的阐述。

如图1所示，示出了本发明提供的一种适用于配电网时间同步方法的一个实施例的主流程示意图，一并结构图2和图3所示，在本实施例中，所述应用于中低压配电网中，其包括如下步骤：

步骤S10，配电网中的上游保护装置在检测到线路故障时，向配电网中的下游保护装置发出启动对时命令；具体地，下述以图2为例进行说明，中低压配电网中的通信条件并不完善，例如存在中低压配电网中的主干线路较短的特点，具体地以上游保护装置P21、下游保护装置P41为例进行说明,由上游保护装置P21向下游保护装置发送启动对时命令；

步骤S11，下游保护装置接收到启动对时命令，通断电阻产生一个预定频率的高频扰动信号；具体地，下游保护装置P41接收到请求对时命令后，通过对电阻的通断产生一个频率为1025Hz的高频扰动信号，将此高频扰动信号叠加到工频电流信号中。

步骤S12，上游保护装置检测到该扰动信号形成扰动信号波形后，打上本地时标，并存储；具体地，上游保护装置P21正常状态下周期性记录两个周波的波形信号；由于低压配电线路的长度较短，电磁波的传播时间在这样长的线路上可被忽略，上游保护装置P21会立即检测到该扰动信号，在检测到扰动信号时，继续存储两个周波的扰动信号，与扰动信号之前记录的两个周波的扰动信号一起构成四个周波的扰动信号波形，并为扰动信号波形打上所述上游保护装置的本地时标。

步骤S13，下游保护装置在接收启动对时命令后形成对时特征信号波形，打上本地时标，经延时通过载波信息通道传送至上游保护装置；具体地，下游保护装置P41正常状态下周期性记录两个周波的波形信号，在接收到启动对时命令的时刻再记录两个周波的波形信号，与接收到启动对时命令之前所记录的两个周波的波形信号一起构成四个周波的对时特征信号；并将此信号打上下游保护装置的本地时标，并在延时(如t_m)通过载波信息通道传送给上游保护装置。

步骤S14，上游保护装置接收到所述对时特征信号波形后，与所存储的扰动信号波形进行相关度计算，获得两端时钟相对误差；

可以理解的是，此时上游保护装置同时存储了扰动信号波形与对时特征信号波形，由于采样的两段波形边界模糊，无法确定起始点，所以在上游保护装置将检测到的扰动信号与载波通信发送的对时特征信号进行相关度计算。

其中，相关分析是研究随机变量之间相关性的统计分析方法。确定性信号可视为是平稳的，且具有遍历性的随机信号的特例，因此可以用相关分析方法来判断两个波形的相似程度。设x(t)、y(t)为两个能量有限的连续函数，则它们相关运算定义如下：

式中，R_xy(τ)为x(t)、y(t-τ)在时延τ上的互关函数，即相关系数。

上游保护装置采集到的扰动信号波形与对时特征信号波形均为离散信号，对于离散信号x(m)、y(m)，则相关函数定义为：

式中，k为采样点序号。

相关运算的过程相当于是将一个函数平移后，对另一个函数进行扫描，反映的是相似程度的大小由它们的互相关函数来衡量，在两函数相似程度最大的地方相关函数的值最大。求τ使相关系数R_xy(τ)最大，此时的波形x(t)平移τ后恰好与y(t)对齐，也即求得了两个波形的时间差。

故在具体的实施例中，参考图3，所述步骤S14进一步包括：

步骤S140，确定上游保护装置所存储的扰动信号波形与对时特征信号波形进行相关性的计算公式(3)如下：

其中，x(m)为扰动信号波形，其窗口中心为扰动发生时刻t，固定窗口长为2T，T为高频扰动信号波形的周期，即

y(m)为对时特征信号波形；R_xy(k)为x(m)、y(m+k)在时延k上的互关函数(也称相关系数)，可以反映两个函数在不同偏移量下的相似程度；

步骤S141，对对时特征信号波形y(m)进行扫描，计算R_xy(k)取得最大值时k值的大小，此时两波型最相似，假设此时k＝Δt，则Δt表征两终端时钟相差时间；

其中，当Δt>0，则说明上游保护装置时钟较下游保护装置时钟超前；当Δt<0时，则说明上游保护装置时钟较下游保护装置时钟滞后。

步骤S15，根据所述获得的两端时钟相对误差调整上游保护装置或下游保护装置的采样时刻。

具体地，下游保护装置可以根据上游保护装置修改自己的时标，反之亦然；也可以上下游都保存两侧的时标，记忆两侧时标的对应关系。

在一些例子中，可以根据所计算出来的两端时钟相对误差，对上游保护装置或下游保护装置的下次采样时刻进行调整，使上游保护装置和下游保护装置稳定同步。

例如，假定采用以上游保护装置的时标为两侧时标方式，Δt>0时，则说明上游保护装置时钟较下游保护装置时钟超前，Δt<0时，则说明上游保护装置时钟较下游保护装置时钟滞后。为使两端装置同步采样，下游保护装置下次采样时刻应调整为：t_i+1＝(t_i+T_s)-Δt。采样间隔为T_s，由晶振控制。

在一些例子中，所述步骤S15进一步包括：

根据所计算出来的两端时钟相对误差，采用一个稳定调节系数，对上游保护装置或下游保护装置的下次采样时刻进行逐步调整，使上游保护装置和下游保护装置稳定同步。

例如，为稳定调节，常采用下式进行调整：

其中2ⁿ为稳定调节系数，逐步调整，当上下游稳定同步后，即可向对侧传送采样数据。

故，为保持两侧时钟的经常一致和采样时刻实时一致，上下游保护装置之间需要定时地(一定数量的采样间隔)进行校对和采样同步控制(取决于两侧晶振体的频差)。

实施本发明，具有如下的有益效果：

本发明实施例提供适用于配电网的时间同步方法，合理利用了中低压配电网的特点，中低压配电网中的主干线路较短，扰动信号电磁波的传播时间在这样长的线路上可被忽略，线路上游保护装置会无延迟的检测到该扰动信号，故无需依赖通信通道，也不需要附加专门对时装置，与现有的技术相比，更能适应中低压配电网环境；

同时，本发明的方法仅利用线路载波通信通道，而无需铺设另外的专用通道即可以完成时钟同步，降低了成本；具备在中低压配电网中广泛应用的条件，推动了差动保护在中低压配电网中的应用，填补了中低压配电网主干线路保护的空白；

另外，本发明可实现时钟的同步精度较高，由于中低压配电网中电压等级较低，便于实现通过对电阻的通断产生高频扰动，在不同低压配电环境下调节电阻阻值也较为方便。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种适用于配电网的时间同步方法，应用于中低压配电网中，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S10，配电网中的上游保护装置在检测到线路故障时，向配电网中的下游保护装置发出启动对时命令；

步骤S11，下游保护装置接收到启动对时命令，通断电阻产生一个预定频率的高频扰动信号；

步骤S12，上游保护装置检测到该扰动信号形成扰动信号波形后，打上本地时标，并存储；

步骤S13，下游保护装置在接收启动对时命令后形成对时特征信号波形，打上本地时标，经延时通过载波信息通道传送至上游保护装置；

步骤S14，上游保护装置接收到所述对时特征信号波形后，与所存储的扰动信号波形进行相关度计算，获得两端时钟相对误差；

步骤S15，根据所述获得的两端时钟相对误差调整上游保护装置或下游保护装置的采样时刻。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S11具体为：

在下游保护装置接收到请求对时命令后，通过对电阻的通断产生一个频率为1025Hz的高频扰动信号，将此高频扰动信号叠加到工频电流信号中。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S12进一步包括：

上游保护装置正常状态下周期性记录两个周波的波形信号，在检测到扰动信号时，继续存储两个周波的扰动信号，与扰动信号之前记录的两个周波的扰动信号一起构成四个周波的扰动信号波形，并为扰动信号波形打上所述上游保护装置的本地时标。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S13进一步包括：

下游保护装置正常状态下周期性记录两个周波的波形信号，在接收到启动对时命令的时刻再记录两个周波的波形信号，与接收到启动对时命令之前所记录的两个周波的波形信号一起构成四个周波的对时特征信号；并将此信号打上下游保护装置的本地时标，并在延时后通过载波信息通道传送给上游保护装置。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S14进一步包括：

步骤S140，确定上游保护装置所存储的扰动信号波形与对时特征信号波形进行相关性的计算公式如下：

其中，x(m)为扰动信号波形，其窗口中心为扰动发生时刻t，固定窗口长为2T，T为高频扰动信号波形的周期；y(m)为对时特征信号波形；R_xy(k)为x(m)、y(m+k)在时延k上的互关函数；

步骤S141，对对时特征信号波形y(m)进行扫描，计算R_xy(k)取得最大值时k值的大小，假设此时k＝Δt，则Δt表征两终端时钟相差时间；

其中，当Δt>0，则说明上游保护装置时钟较下游保护装置时钟超前；当Δt<0时，则说明上游保护装置时钟较下游保护装置时钟滞后。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S15进一步包括：

根据所计算出来的两端时钟相对误差，对上游保护装置或下游保护装置的下次采样时刻进行调整，使上游保护装置和下游保护装置稳定同步。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S15进一步包括：

根据所计算出来的两端时钟相对误差，采用一个稳定调节系数，对上游保护装置或下游保护装置的下次采样时刻进行逐步调整，使上游保护装置和下游保护装置稳定同步。

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