时钟管理系统中继电保护B码对时研究

0 引 言

目前变电站自动化系统中时间同步系统处于开环状态，缺乏反馈信息，无法获知变电站时钟工作状态。为了对变电站时钟形成有效管理，减少因对时错误引起的事件顺序记录无效，甚至导致设备死机等运行事故，相关电网单位制定一套全新的时钟同步体系，即时间同步管理技术方案。该方案将时钟和被对时设备形成闭环监测，使变电站运行人员有效掌握整个变电站时间运行体系[1]。

1 时钟管理重要性

时间的**和统一在电网中是十分重要的。在电力系统的许多领域，诸如时间顺序记录、继电保护、故障测距、电能计费、实时信息采集等都需要有一个统一的、高精度的时间基准。**统一的时间基准，可以保证智能变电站数字采样的同步性，从而确保智能变电站正常可靠运行[2]。特别是在短时间内发生连续故障的情况下，全站统一的时间基准可以方便地分析研究各微机保护的动作行为、故障原因、故障类型、故障发**展过程。这对于事故分析, 保证电力系统安全运行有着重要意义。

在目前运行或在建的变电站中，B码对时以其对时环节简单，精度高，实现简单等三大优点被广泛应用,文献［3－4］提出间隔层和过程层设备宜采用B码、秒脉冲对时方式。为了适应新形势下变电站时钟同步体系对继电保护装置B码对时要求，加强继电保护时钟精度的研发和测试，本文结合某型号微机变压器继电保护装置，介绍了一种基于高精度继电保护测试仪和GPS时间同步系统搭建的B码时钟管理系统测试环境，为新一代智能变电站继电保护时钟管理系统的研发和测试提供指导。

2 B码对时在继电保护中的实现

B码是目前电力继电保护行业应用*广泛的一种对时方式，由图1可见，B码是一种脉宽码，帧长度为1s，码速率位100PPS，码元周期10ms，码元有三种（码元“P”、码元逻辑“1”和码元逻辑“0”）。位置识别标志的脉宽是8ms，位置识别码元P的前沿在帧参考点前一个索引数间隔处，以后每10个码元有1个位置识别标志，分别是P1、P2、……、P9，PR为帧参考点。

继电保护获取到正确连续的B码对时信号，经过软件判别B码脉冲信号的信息无误后，提取B码脉冲相关时间信息并对继电继电保护装置对时，使其实现与GPS时钟同步功能。由于B码脉冲信号是每秒一次连续的脉冲信号，因此要求继电继电保护装置应能1秒钟正确捕获一次B码脉冲信号，并能及时进行相关

分析处理，这就对继电保护逻辑运算处理能力有一定的性能要求[6]。

3 时钟同步管理系统对微机保护B码对时要求

时钟同步管理系统是一种在线时钟监测系统，通过将时钟、被对时设备（继电保护等）构成闭环，使对时状态可检测，且检测结果可上送，从而将时间同步系统纳入自动化监测系统管理[7]。这对继电保护装置在B码对时逻辑处理性能方面有一定的要求。根据《加强时间同步管理的整体技术方案》与《电力系统的时间同步运行管理技术的检测规范》的相关技术规范（见表1、表2和表3），继电保护装置应有以下功能：

（1）继电保护装置时间连续性（跳变侦测）判断，是本地秒间隔刷新，即0ms时，本地时间的年月日时分秒与收到的年月日时分秒比较，逻辑上相同则认为时间是连续的，反之则不连续。

（2）继电保护装置应有检测输入时间不连续的能力，在出现时间不连续时应能进入守时，并发出时间连续异常告警（不包括初始化阶段）。

（3）继电保护装置应能正确处理闰秒时间，避免产生错误的时间不连续状态。

（4）继电保护装置应能正确处理对时报文中的品质、检验位，并在自检信息中反应。

4 B码的测试环境及测试原理

为了对继电保护的B码对时做**详细的量化测试，我们用高精度继电保护测试仪与GPS时间同步系统搭建一套**测试继电保护B码时钟精度管理的测试环境。详见图2和图3。

继电保护装置B码处理性能：（1）继电保护装置在接收到B码对时信号时能正确更新时间并置同步标志。（2）继电保护装置在B码对时信号消失后能正确守时并置失步标志。（3）继电保护装置在对时状态应能正确更新装置时间，同时对时精度应满足相关标准或设计要求。（4）继电保护装置应能正确识别时间跳变、正负闰秒、校验位错误、时间质量错误，并给出相应告警提示。

测试原理及测试环境1：如图2，微机变压器继电保护装置支持±5V差分B码，对B码抖动处理误差为1ms，而高精度继电保护测试仪模拟±5V差分B码的抖

动误差为0.6ms左右，且其能回放超过60个B码脉冲信号，回放的波形文件可以以Excel格式打开并修改任1秒钟的B码码元，从而模拟各种情况B码信号（如图4），因此高精度继电保护测试仪完全满足微机变压器继电保护装置B码对时逻辑处理性能的测试。例如：利用继电保护测试仪回放20个连续的B码脉冲信号，时间起始为2013-01-01 07:59:51至2013-01-01 08:00:10，修改中间部分B码脉冲的码元，模拟各种正常或非法的B码信号，验证继电保护装置B码对时逻辑处理功能的正确性。

测试原理及测试环境2：如图3，GPS时间同步系统采用GPS卫星同步，对外发送±5V差分B码的抖动误差不大于200ns，其性能指标完全满足微机变压器继

电保护装置B码对时要求。利用GPS时间同步系统长时间输出B码脉冲稳定可靠[8]，对微机变压器继电保护装置进行B码对时长期拷机，验证保护装置长期运行中有无误检时间跳变及对时信号异常等现象。同时GPS时间同步系统还有能支持220V电压信号的空节点，空节点每秒闭合一次（闭合20ms，断开980ms），利用该空节点对微机变压器继电保护装置施加220V硬开入，通过装置记录开入时间检验继电保护装置B码对时精度。

5 测试环境的应用

5.1 性能指标考核

对时精度：利用图3测试环境对继电保护装置进行对时精度测试，GPS时间同步系统每秒给继电保护装置一个220V的开入信号，装置记录开入时间与GPS

时钟对比，误差小于1ms，试验结果符合预期效果。守时性能：利用图3测试环境对继电保护装置进行守时性能测试，GPS时间同步与继电保护装置B码

对时成功后，去掉B码信号，装置拷机48小时，比较继电保护装置走时与GPS时钟，误差2ms，试验结果符合预期效果。

稳定性：利用图3测试环境对继电保护装置进行48小时稳定性拷机，拷机结束后，查看继电保护装置相关统计记录，确认48小时拷机中有无误检时间跳

变、时间质量错误、校验位错误和正负闰秒等异常现象。拷机结果正常，试验结果符合预期效果。

5.2 正常B码信号考核

脉冲采样：利用图2测试环境，使用继电保护测试仪对继电保护装置回放20个正常B码脉冲信号，回放20次，继电保护装置每次均能正确识别该20个脉冲信

号。试验结果符合预期效果。正闰秒：利用图2测试环境，使用继电保护测试仪对继电保护装置回放21个带正闰秒预告(LSP)和正闰秒(LS)标志的正常B码脉冲信号[9]，脉冲秒位起始时间为51s至下一分钟的10s，年月日等分别设为2012年1月1日7时59分、2012年7月1日7时59分、2012年8月20日7时59分，三种情况各试验5次，试验结果验证继电保护装置能正确识别1月1日7时59分和7月1日7时59分的正闰秒，且能正确显示正闰秒60，同时不识别其他时间的正闰秒。试验结果符合预期效果。负闰秒测试与正闰秒测试相同。

时间质量：利用图2测试环境，使用继电保护测试仪对继电保护装置回放20个正常B码脉冲信号，模拟其中个别B码脉冲时间质量错误，试验10次，继电保

护装置每次均能正确识别时间质量错误的B码时间脉冲。试验结果符合预期效果。

校验位：利用图2测试环境，使用继电保护测试仪对继电保护装置回放20个正常B码脉冲信号，模拟其中个别B码脉冲校验位错误，试验10次，继电保护装

置每次均能正确识别校验位错误的B码时间脉冲。试验结果符合预期效果。

5.3 异常B码信号考核

脉冲异常：利用图2测试环境，使用继电保护测试仪对继电保护装置回放20个正常B码脉冲信号，模拟其中某一秒脉冲多发一次、某一秒脉冲丢失不发、某

一秒脉冲的5V电平信号丢失，三种情况下各试验5次，继电保护装置在每种情况下均能正确识别异常的B码时间脉冲，及时识别出相关的时间跳变。试验结

果符合预期效果。

非法时间：利用图2测试环境，使用继电保护测试仪对继电保护装置回放20个正常B码脉冲信号，模拟其中个别B码脉冲时间非法，非法时间有年非法、天

非法（闰年超过366，非闰年超过365）、时非法（超过24）、分非法（超过59）、秒非法（正润秒超过60），以上几种情况各试验5次，继电保护装置在每种情况下均能正确识别非法B码时间。试验结果符合预期效果。

6 结束语

文章分析了时钟管理体系对继电保护B码对时要求，通过自己实际测试经验，结合微机变压器继电保护装置，讲述了一种通过高精度继电保护测试仪与GPS时间同步系统详细测试继电保护B码对时的方法，为时钟管理体系中继电保护B码时钟处理机制[10]的研发及测试提供一个指导。