數(shù)字化變電站中通信設(shè)備時鐘同步技術(shù)的研究

王彥亮 卜憲德 高安邦 張 浩 何迎利

（1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，南京 210003；2.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223200）

1 引言

時鐘同步系統(tǒng)是數(shù)字化變電站建設(shè)中的重要一環(huán)，無論是數(shù)字化變電站中間隔層的保護裝置、測控裝置，還是過程層的光電互感器、合并器都離不開同步信息，如何實現(xiàn)數(shù)字化變電站過程層、間隔層和站控層各設(shè)備的精確同步是必不可少的。

在數(shù)字化變電站中數(shù)據(jù)信息的共享程度和數(shù)據(jù)的實時性將得到大幅度提高。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)對智能電子設(shè)備的時鐘精度功能要求劃分為 5個等級（Tl～T5），其中用于計量的 T5 等級精度達到±lμs。

2 與時鐘同步相關(guān)的技術(shù)

目前數(shù)字化變電站內(nèi)的時鐘同步技術(shù)主要有GPS同步、SNTP簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議同步以及IEEE1588 PTP網(wǎng)絡(luò)精確時間同步協(xié)議。下面就3種同步方式各自特點給以說明。

目前全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）在變電站自動化系統(tǒng)（Substation Automation System，SAS）中應(yīng)用很多，GPS同步設(shè)備通過硬接線利用脈沖信號進行對，具有精度高、成本低的特點，其相關(guān)技術(shù)已很成熟。但對于站內(nèi)其他設(shè)備和系統(tǒng)的對時，在通信協(xié)議和對時接口的兼容性上存在不足。

隨著變電站的數(shù)字化發(fā)展，站內(nèi)二次硬接線被串行通信線所取代，為此IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)引入了簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（Simple Network Time Protocol，SNTP）作為網(wǎng)絡(luò)對時協(xié)議。SNTP是互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（Network Time Protocol，NTP）的簡化標(biāo)準(zhǔn)，在一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，NTP對時精度可達 Tl等級（1ms），廣域網(wǎng)內(nèi)誤差范圍為 10～100ms。NTP/SNTP的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用雖然較成熟且方便，但是實現(xiàn)T3等級精度很困難。

2002年 IEC TC57第 10工作組引入了 IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)用于數(shù)字化變電站內(nèi)通信設(shè)備的時鐘同步。IEEE 1588定義了一種用于分布式測量和控制系統(tǒng)的精密時間協(xié)議（Precision Time Protocol,PTP），其網(wǎng)絡(luò)對時精度可達μs級，它具有高精度的分布式網(wǎng)絡(luò)對時特點，其精度能夠達到數(shù)字化變電站通信業(yè)務(wù)對時鐘同步的要求。因此研究IEEE 1588在數(shù)字化變電站中的具體應(yīng)用具有重要意義。

3 IEEE1588 PTP精密時鐘同步協(xié)議[1]

PTP系統(tǒng)中的時鐘在結(jié)構(gòu)上分為普通時鐘（Ordinary Clock，OC）與邊界時鐘（Boundary Clock，BC），功能上解釋為主時鐘與從時鐘。OC為只有一個 PTP端口的對時源端或終端設(shè)備，BC為有多個PTP端口的交換機、路由器或智能設(shè)備。系統(tǒng)中的源時鐘稱為根時鐘（grandmaster clock，GC）。

IEEE1588有3種工作模式：BC（Boundary Clock邊界時鐘模式）、TC E2E（End to End Transparent Clock）和 TC P2P（Peer to Peer Transparent Clock）。

（1）BC（邊界時鐘）模式

BC模式采用主從層次式結(jié)構(gòu)來同步時鐘，實現(xiàn)機制如圖1所示。T1為主端發(fā)送同步報文的時間；T2為從端收到同步報文的時間；T3為從端發(fā)送延遲請求報文的時間；T4為主端收到延遲請求報文的時間。這里假設(shè)同步報文的收到延遲與延遲請求報文的發(fā)送延遲相同，即路徑是對稱的。

圖1 BC模式的主從層次式結(jié)構(gòu)

主從時鐘間的偏移量 Offset和傳輸延遲 Delay的計算公式為

BC模式的工作特點：①必須內(nèi)置高精度可調(diào)時鐘源，以確保網(wǎng)絡(luò)交換機PTP時鐘的精確度；②網(wǎng)絡(luò)交換機分別作為主、從設(shè)備收發(fā)各種 IEEE1588幀，其必須完全支持 IEEE1588協(xié)議（包括管理報文等）；③BC網(wǎng)絡(luò)交換機時鐘傳遞的方式是逐級傳遞，會產(chǎn)生時間誤差積累。

（2）TC E2E模式

E2E模式中網(wǎng)絡(luò)交換機并不傳遞時鐘，它只是簡單記錄同步報文及延遲請求報文在交換機中的駐留時間，并且在后續(xù)報文的時間戳標(biāo)記中把這部分時間扣除，其實現(xiàn)機制如圖2所示。ΔS是SYNC報文在交換機中的駐留時間，ΔR是Delay_Req報文在交換機中的駐留時間。

圖2 E2E模式實現(xiàn)機制

主從時鐘間的偏移量 Offset和傳輸延遲 Delay的計算公式為

E2E模式的工作特點：①網(wǎng)絡(luò)交換機并不傳遞時鐘，它只是簡單記錄同步報文及延遲請求報文進出網(wǎng)絡(luò)交換機的時間；②E2E模式下的計算量要小于P2P模式，精度卻要高于P2P模式；③E2E模式下在局域網(wǎng)內(nèi)有很多終端設(shè)備時，所有的延時請求報文都會匯聚給根時鐘，對其造成較大響應(yīng)負擔(dān)，導(dǎo)致來不及響應(yīng)，影響終端設(shè)備時鐘同步精度。

（3）TC P2P模式

P2P模式對同步報文和跟隨報文的處理方式與E2E模式大致相同，區(qū)別在于P2P網(wǎng)絡(luò)交換機還需要事先測出主設(shè)備到交換機的線路時延，并將它加到 Follow_up包的時間中。P2P網(wǎng)絡(luò)交換機將延時請求和響應(yīng)報文當(dāng)作普通報文處理。其實現(xiàn)機制圖3所示。圖 3中：主設(shè)備到網(wǎng)絡(luò)交換機之間的線路延時定義為Delay_1，網(wǎng)絡(luò)交換機到從設(shè)備之間的線路延時定義為Delay_2，從設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)交換機的時間差定義為Offset_2，ΔS為SYNC報文在網(wǎng)絡(luò)交換機內(nèi)的駐留時間，TS1、TS2分別是延時請求報文的時間接收時間和延時響應(yīng)報文的實際發(fā)送時間。

主從時鐘間的偏移量 Offset和傳輸延遲 Delay的計算公式為

圖3 P2P模式實現(xiàn)機制

P2P模式的工作特點：①P2P模式要求網(wǎng)絡(luò)交換機測量主設(shè)備到它的線路延時，并將延時值和SYNC包駐留時間一起加到Follow_up包中；②P2P模式需計算和測量的時間量遠多于E2E模式，因此其測量精度不如 E2E；③P2P模式下網(wǎng)絡(luò)交換機將過濾所有的延時請求和響應(yīng)報文，根時鐘只需處理和其直接相連的網(wǎng)絡(luò)交換機發(fā)出的延時請求報文。

4 IEEE1588 PTP在變電站內(nèi)的應(yīng)用分析

由以上分析可以看出，用于數(shù)字化變電站內(nèi)設(shè)備的時鐘同步的手段有多種多樣，只有研究和分析數(shù)字化變電站各層設(shè)備對時鐘同步精度的要求，比較各種時鐘同步技術(shù)的優(yōu)缺點，才提出適合于數(shù)字化變電站內(nèi)設(shè)備間時鐘同步的完整解決方案。

數(shù)字化變電站系統(tǒng)分為過程層、間隔層和站控層 3層網(wǎng)絡(luò)[2]，不同網(wǎng)絡(luò)之間需要統(tǒng)一的全站統(tǒng)一同步時鐘源作為授時和同步的基準(zhǔn)。過程層對同步精度要求：過程層對同步精度要求最高，為μs級。過程層要求信號具有實時性和一致性，而保證采集數(shù)據(jù)的實時性和一致性的基礎(chǔ)和關(guān)鍵就是高精度的同步信號。間隔層對同步精度要求為 ms級；站控層對同步精度要求為ms級。

IEEE 1588是網(wǎng)絡(luò)對時方式，變電站通信網(wǎng)絡(luò)拓撲的不同對其應(yīng)用有較大影響。基于 IEC 61850的數(shù)字化變電站典型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 4所示[3]，圖中虛線及虛線框分別為冗余網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備，router為路由器，switch為交換機。

圖4 數(shù)字化變電站典型的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

5 IEEE1588在數(shù)字化變電站的應(yīng)用解決方案[4]

為便于對同步過程的掌控，對IEEE 1588的站內(nèi)應(yīng)用做出幾點限制：①過程層、間隔層以及變電站層設(shè)備只作為對時網(wǎng)絡(luò)末節(jié)點，扮演從時鐘角色；②通信網(wǎng)絡(luò)中的交換機或路由器作為 BC或從時鐘參與整個對時過程；③設(shè)置專用 GC作為整個對時網(wǎng)絡(luò)的時鐘參考源，該 GC可以有多個網(wǎng)口，但不是交換機或路由器。經(jīng)過上述限制，數(shù)字化變電站對時網(wǎng)絡(luò)的層次變得清晰，功能明確，通用性更強。

對于圖4所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由于過程網(wǎng)絡(luò)與站級網(wǎng)絡(luò)相互獨立，且有前面所述限制，過程網(wǎng)絡(luò)與站級網(wǎng)絡(luò)的對時將被隔開，對此有以下2種解決方法[5]（見圖 5、6）。

圖5 全站設(shè)備時鐘同步解決方案1

圖6 全站設(shè)備時鐘同步解決方案2

方案1：過程網(wǎng)絡(luò)與站級網(wǎng)絡(luò)都采用IEEE 1588進行高精度對時。專用 GC分別連接到過程網(wǎng)絡(luò)與站級網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。GC接入過程網(wǎng)絡(luò)與站級網(wǎng)絡(luò)中的交換機，如圖4中的switch5和switch7，對時報文經(jīng)由這些BC在GC與從時鐘間進行交互，完成對時。此方法需要全站過程層和間隔層設(shè)備的以太網(wǎng)芯片、變電站層計算機的網(wǎng)卡以及通信網(wǎng)絡(luò)中的交換機或路由器都支持IEEE 1588硬件對時，投資較大，但全站設(shè)備都能實現(xiàn)高精度時鐘同步。

方案2：過程網(wǎng)絡(luò)采用IEEE 1588對時，站級網(wǎng)絡(luò)采用SNTP對時，如圖6所示。SNTP服務(wù)器通過一個支持IEEE 1588的網(wǎng)口作為從時鐘與GC對時，通過另一不需支持IEEE 1588的網(wǎng)口接入站級網(wǎng)絡(luò)，以SNTP方式對變電站層設(shè)備對時。過程網(wǎng)絡(luò)的對時方法與方案一相同。此處的SNTP服務(wù)器可以和 GC優(yōu)化成一個時鐘服務(wù)器，該時鐘服務(wù)器一個網(wǎng)口以SNTP對時，一個網(wǎng)口以IEEE 1588對時，這樣可以優(yōu)化功能配置，節(jié)省投資。此方法針對變電站層設(shè)備對時鐘同步精度要求較低的特點，省去了變電站層計算機網(wǎng)卡以及站級網(wǎng)絡(luò)中的交換機或路由器對IEEE 1588的支持，將功能實現(xiàn)與經(jīng)濟性很好地結(jié)合在一起。

6 時鐘同步系統(tǒng)冗余的實現(xiàn)

鑒于數(shù)字化變電站在電網(wǎng)中的重要地位，在組建站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)和配置對時設(shè)備時，冗余措施必不可少，如圖4中虛線所示。以圖5過程網(wǎng)絡(luò)對時為例，IEEE 1588對時的冗余備用可按下述方式配置：站內(nèi)裝設(shè)2套GC（命名為： GCl與GC2），GC上可以有多個支持IEEE 1588的網(wǎng)口。GCl與GC2各有一個網(wǎng)口接至圖4中的switch7，另一個網(wǎng)口接至switch8。GCl作為主GC在主過程網(wǎng)絡(luò)與冗余過程網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送對時報文，GC2作為備用。當(dāng)GCl正常工作時，GC2能接收到 GCl發(fā)送的正確報文；當(dāng)GCI工作不正常時，GC2可能收不到GCl發(fā)送的對時報文或者收到錯誤的報文，據(jù)此可以判斷GCI出現(xiàn)故障并接替GCl進行對時服務(wù)。對于過程層與間隔層設(shè)備，主網(wǎng)口與冗余網(wǎng)口都會收到對時報文。如果主網(wǎng)口正常工作時冗余網(wǎng)口不工作，冗余網(wǎng)口MAC層收到的報文直接被后續(xù)報文覆蓋，當(dāng)主網(wǎng)口故障時，設(shè)備CPU判斷后切換到冗余網(wǎng)口；如果主網(wǎng)口與冗余網(wǎng)口相互獨立工作，則由設(shè)備CPU進行判別后對報文做出取舍。

7 結(jié)論

本文僅對比較簡單的數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)進行了分析，在實際應(yīng)用中，通信網(wǎng)絡(luò)是比較復(fù)雜的，而解決方案都是類似的。

[1]IEC 61588,precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems[S].2004.

[2]TC57-WG57,IEC 61850-5,Communication Requirements for Functions and Device Models [S].

[3]TC57-WG57,IEC 61850-7,Communication networks and systems in substations [S].

[4]趙上林,胡敏強,竇曉波等. 基于IEEE 1588的數(shù)字化變電站時鐘同步技術(shù)研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2008,32(21).

[5]高志遠,劉長虹,劉瑞平.廠站自動化系統(tǒng)中應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)時間同步技術(shù)探討[J].電力自動化設(shè)備,2006,26(7).