Синхронизация измерений в инфраструктуре ЦПС
На подстанциях ФСК реализовано много различных систем, отслеживающих и регулирующих технологические процессы собственно транспорта электроэнергии и сопутствующих технологических процессов — диагностики, ведения режима ОИК, различных защит оборудования, учет электроэнергии, определение места повреждения, фазовые измерения напряжения, измерение параметров качества электроэнергии и т. д. Требования к анализируемым временным интервалам, синхронизации и точности измерений для вышеозначенных задач определены для обычных аналоговых подстанций и различаются на порядки. Определить требования к ЦПС, при которых будут реализованы параметры хуже, чем для аналоговой ПС — шаг назад, поэтому можно принять, что требования к синхронизации измерений на ЦПС должны быть не хуже, чем на аналоговых ПС.
В литературе и утвержденных зарубежных и отечественных стандартах уделяется большое внимание возможностям различных синхронизирующих протоколов, но часто обеспечение синхронизации зависит от загрузки сети, нормированных задержек, вероятности потерь информации и т. д. Кроме того, необходимо проследить всю цепочку синхронизации до результата. Результат — единичное измерение физической величины (тока или напряжения), маркированное временем. Большое значение при этом имеет не только точность измерения величины, но и точность маркирования временем. Для определения точности маркирования данных временной меткой нужно проследить процесс маркирования временем результата измерения и временных погрешностей от спутниковой группировки и до факта позиционирования единичного отсчета в SV-потоке терминала.
Общая погрешность будет складываться из следующих факторов:
- Погрешности синхронизации сервера времени Δ1 с единым временем (системы GPS, ГЛОНАСС и погрешность синхронизации с ними).
- Погрешности ежесекундной синхронизации внутренних часов терминалов сервером времени на ЦПС Δ
- Погрешности организации сетки времени Δ3 из 14 400 позиций между секундными отсчетами (определяется внутренними часами терминала и алгоритмом подстройки сетки времени).
- Временная погрешность выполнения измерения Δ4 по отношению к сетке времени терминала (14 400 точек между секундными синхронизациями).
Как показывает оценка, величину погрешности Δ1 можно считать не превышающей 100 нс.
Погрешность Δ1 определяется погрешностями часов на спутниках относительно мирового времени, погрешностью позиционирования спутников в пространстве, погрешностями длины пути в ионосфере и тропосфере, а также погрешностями астральных факторов (например, замедление вращения Земли). На все эти влияющие факторы вводятся поправки, передаваемые от спутников наземному приемнику, и общие погрешности при этом в идеале не превосходят 10–20 нс. Погрешность часов сервера времени относительно часов спутниковой группировки при использовании профессионального оборудования, учитывающего все поправки, может быть уменьшена до 50 нс. Она будет зависеть также от метеоусловий и числа видимых спутников. Для синхронной работы оборудования на одной ЦПС погрешность сервера времени относительно единого времени не имеет значения, потому что все терминалы одной ЦПС синхронизутся одним сервером времени. Поэтому погрешность измерения активной и реактивной мощностей, вычисляемых по измерениям напряжения и тока на одной ПС, не зависит от рассинхронизации сервера времени с единым временем. Но при сравнении фазовых измерений напряжения, поступающих с разных подстанций, взаимная синхронизация серверов времени внесет свой вклад в погрешность определения сдвига фаз. Это скажется на системах фазовых измерений СМПР и системах определения места повреждения, работающих по обоим концам линии. Впрочем, как показывает оценка, величину этой погрешности (Δ1) можно считать не превышающей 100 нс, что значительно меньше допустимых сдвигов фаз в аналоговых ТН на классических подстанциях. Это значение как технически вполне реализуемое на современной аппаратной базе можно узаконить в виде задаваемого и контролируемого параметра при построении ЦПС.
Погрешности синхронизации Δ2—Δ4 вносят вклад в рассинхронизацию терминалов между собой на одной ЦПС и в несинхронность выполнения любых измерений, выполняемых различными терминалами.
Погрешность синхронизации Δ2 определяется способом синхронизации терминала с сервером времени (выбор интерфейсов, скорости передачи и протоколов, а также расстояниями) в пределах одной ЦПС. Расстояния от сервера времени до цифровых ТТ и ТН с расположением электронных модулей на ОРУ может достигать 2 км. При таких расстояниях самый простой метод синхронизации — по сигналу PPS создаст огромную погрешность вследствие задержки распространения электрического сигнала по электрическому кабелю такой длины (время составит 10 мкс для 2 км). Использование такого механизма синхронизации допустимо для расстояний не более 20 м (при этом задержка составит около 100 нс). Оптические кабели, соединяющие электронные блоки ТТ на ОРУ и терминалы обработки прикладных задач при длине 200 м создадут аналогичную задержку распространения световых сигналов с учетом показателя преломления около 1 нс / 20 см. Диапазон достижимых погрешностей синхронизации при использовании протокола двустороннего обмена PTP v2 составляет по разным источникам от 1 мкс до 20 нс, поэтому такой способ синхронизации является наиболее эффективным на объектах ФСК, учитывая их размеры и удаленность измерительных трансформаторов и терминалов различного функционала. Конечно, достигнуть на практике рассогласования часов терминалов не более 20 нс — задача дорогостоящая и технологически трудная, но, судя по литературным данным, с применением аппаратной поддержки фиксации времени получения пакетов во всех устройствах сетевой инфраструктуры и эффективных механизмов фильтрации при обработке коррекции времени погрешность синхронизации в пределах 100 нс вполне достижима при небольших затратах на оборудование.
Погрешность Δ3 определяется отклонением генерируемой в измерительных ТТ и ТН сетки времени для выполнения измерений от идеального деления секундного интервала на 14 400 (число отсчетов). При самом распространенном алгоритме — генерации сетки с автоподстройкой частоты, кратковременная погрешность определяется квантом автоподстройки генератора сетки, а долговременная (при пропадании синхронизации от сервера времени) — стабильностью частоты встроенного генератора. Квант автоподстройки частоты может иметь длительность 10–30 нс и кратковременная погрешность (достижимая точность автоподстройки) будет иметь такую же величину. Долговременная относительная стабильность генератора 3×10 в −8 степени и ее температурная зависимость 10 в −9 степени на градус Цельсия обеспечат работу с ошибкой синхронизации не более 1 мкс в течение не менее 100 с без внешней синхронизации (даже при резком изменении температуры на 10°С). Такая точность обеспечивается, например, термостатированным генератором ГК137-ТС, а ГК142-ТС еще на порядок точнее. Этого времени вполне достаточно для перехода на синхронизацию от резервного сервера времени с отклонением времени не более 100 нс.
Погрешность Δ4 определяется отклонением момента измерения (срабатывания устройства выборки хранения АЦП) от реализованной в ТТ и ТН сетки времени. Параметры допустимой ошибки для погрешностей Δ3 и Δ4 определяются свойствами конкретного средства измерения и должны быть указаны в его спецификации (для ТТ, ТН и т. д.).
Из приведенных рассуждений следует, что вполне (при умеренных финансовых затратах) технически достижимой является рассинхронизация измерений на уровне 0,5 мкс. Поэтому в стандартах ФСК установлено требование синхронности измерений не хуже 1 мкс. Учитывая, что период основной частоты 20 мс = 20 000 мкс = 360 = 360×60` = 21 600`, получим, что задержка в 1 мкс эквивалентна угловому сдвигу 1,08`. Следовательно, аналог требования максимального допустимого фазового сдвига для аналогового ТТ класса 0,2S (10`) составит 9,25 мкс, а для класса 0,1 (5`) эквивалентная задержка составит 4,6 мкс. Как видно, для ЦПС предельно допустимая несинхронность измерений равная сумме погрешностей синхронизации по всем пунктам 1–4 и составляющая 1 мкс лучше значений, получаемых для аналоговых подстанций приведением угловой погрешности.
Конечно, приведенная норма допустимой рассинхронизации измерений обеспечивается только при тщательном выборе сервера времени, сетевой инфраструктуры и средств измерений.