IEEE1588V2在電力系統時鐘同步方面的應用

江蘇金智科技股份有限公司 沈 峻

一、電力系統時間同步基本概況

電力系統是時間相關系統，無論電壓、電流、相角、功角變化，都是基于時間軸的波形。近年來，超臨界、超超臨界機組相繼并網運行，大區域電網互聯，特高壓輸電技術得到發展。電網安全穩定運行對電力自動化設備提出了新的要求，特別是對時間同步，要求繼電保護裝置、自動化裝置、安全穩定控制系統、能量管理系統(EMS)和生產信息管理系統等基于統一的時間基準運行，以滿足事件順序記錄(SOE)、故障錄波、實時數據采集時間一致性要求，確保線路故障測距、相量和功角動態監測、機組和電網參數校驗的準確性，以及電網事故分析和穩定控制水平，提高運行效率及其可靠性。未來數字電力技術的推廣應用，對時間同步的要求會更高。

電力系統被授時裝置對時間同步準確度的要求大致分為以下4類：

1)時間同步準確度不大于1μs：包括線路行波故障測距裝置、同步相量測量裝置、雷電定位系統、電子式互感器的合并單元等。

2)時間同步準確度不大于1ms：包括故障錄波器、SOE裝置、電氣測控單元/遠程終端裝置(RTU)/保護測控一體化裝置等。

3)時間同步準確度不大于10ms：包括微機保護裝置安全自動裝置、饋線終端裝置(FTU)、變壓器終端裝置(TTU)、配電網自動化系統等。

4)時間同步準確度不大于1s：包括電能量采集裝置、負荷/用電監控終端裝置、電氣設備在線狀態檢測終端裝置或自動記錄儀、控制/調度中心數字顯示時鐘、火電廠和水電廠以及變電站計算機監控系統、監控與數據采集(SCADA)/EMS、電能量計費系統(PBS)、繼電保護及保障信息管理系統主站、電力市場技術支持系統等主站、負荷監控/用電管理系統主站、配電網自動化/管理系統主站、調度管理信息系統(DMIS)、企業管理信息系統(MIS)等。

根據各類電力自動化設備(系統)對時間同步精度要求的不同，確保電力自動化設備(系統)安全穩定可靠地對電力系統實施控制，保證電力系統運行，考慮到時鐘源的互為備用、戰時備用等因素，電力系統的同步時鐘不能只選1個或同一時鐘源，應至少選擇2個不同的時鐘源。

時鐘源提供標準時鐘信號。其中：無線授時系統有歐洲伽利略(Galileo)導航系統、中國北斗導航系統、俄羅斯全球導航衛星系統(GLONASS)等衛星定位、導航、授時系統，以及長波授時系統(BPL)、短波授時系統(BPM)等，而目前廣泛應用的時鐘源是美國的GPS。

在實際應用中常采取串口+脈沖的對時方式，采用國際通用時間格式碼，將脈沖對時的準時沿和串口報文對時的那組時間數據結合在一起，構成一個脈沖串，來傳輸時間信息。被授時設備可以從這個脈沖串中解析出準時沿和一組時間數據。這就是目前常用的IRIG-B碼，簡稱B碼。

B碼分為調制B碼(也稱交流B碼)和非調制B碼(也稱直流B碼)。交流B碼調制在正弦波信號上，其包絡線是直流B碼。交流B碼是模擬量，由授時設備直接傳送給被授時設備。直流B碼可以直接傳送給被授時設備，電壓等級常用TTL電平(+5V)，用IRIG-B DC TTL表示。直流B碼還可以通過串行通信接口發送給被授時裝置，用IRIG-BDC 232和IRIG-B DC 422表示傳統的時間同步方案，如圖1所示：

圖1 傳統的時間同步方案

二、IEEE1588在電力系統同步對時方面的應用

IEEE1588，即PTP(Precision Time Protocol)是適應智能化變電站時間同步的網絡對時方式。該標準在提出之初是致力于工控和測量的精密時鐘同步協議標準，目標是提供亞微妙的同步精度應用。后來該標準受到了自動化領域尤其是分布式運動控制領域的關注，遠程通信和電力系統等相關組織也對其表現出濃厚的興趣。目前在智能化變電站方面，IEEE1588是時間同步的第一選擇。

IEEE1588分為V1和V2兩個版本，V2在V1的基礎上規范了報文格式，增加了Endto-end transparent clock和Peer-to-peer transparent clock等設備類型，增加了可以減少報文數量Peer Delay的對時機制。對于電力系統的點對點對時要求，V1就完全可以滿足。

IEEE1588網絡同步對時方式如圖2所示：

圖2 IEEE1588網絡同步對時方式

同步相量的測量需要一個精度達到1us的UTC時間源，這可以通過為每個站點提供一個GPS接收器作為主參照時間來得到。就目前而言，站點內各個設備采用IRIG-B技術從GPS接收器獲得相應的時間。

站點內設備數據的采集和傳送一般通過局域網LAN進行，而正是由于采用了局域網這種方式，為IEEE 1588標準在電力系統中的應用提供了一種機遇，并且由于目前市場上已經具有可以實現IEEE 1588功能的邊界時鐘交換機，因此從技術上和應用環境上分析，采用IEEE 1588技術來代替現有的IRIG-B技術是切實可行的。而且，電廠內部各個電器設備，包括電壓器、電流互感器、電壓互感器以及各種監控設備之間的距離通常在一公里到兩公里的范圍之內，這剛好是IEEE 1588標準所適用的局域網范圍。

相對于傳統的脈沖，IRIG-B等的硬對時方式，IEEE 1588可以自動校正線路的距離，這跟IRIG-B相比，極大地簡化了站點內部各個設備之間時間的分配和同步。而且，由于采用IEEE 1588標準使用網絡對時，可以減少系統內部專用的對時雙絞線，因此可以提高系統的穩定性，并且費用也比采用IRIG-B的方案更加經濟方便。所以，IEEE1588網絡對時方式以其無以倫比的靈活性必將取代傳統的硬對時方式成為電力系統最主要的通信方式。

三、使用DP83640實現IEEE1588V2同步對時方案

DP83640芯片是一款由美國國家半導體公司推出的集成IEEE1588精確時鐘協議硬件支持功能的以主網收發器。芯片內置高精度IEEE1588時鐘，并設有由硬件執行的時間標記功能，可為接收及發送信息包印上標記。

DP83640主要包括PHY以太網物理層接口、IEEE1588包檢測和處理模塊、IEEE1588控制和IEEE1588時鐘。

圖3 基于DP83640的1588實現

由于DP83640提供了底層時間印章的捕獲功能，1588協議實現的工作將主要集中在軟件上。

主時鐘節點將執行下面過程：a.1在每個時間間隔(默認2秒)，讀取當前時間值，根據1588協議規定，構建Sync報文；a.2發送Sync報文；a.3從83640寄存器中獲得Sync報文發送的準確時間，構建Follow_up報文，并發送；b.在任意時刻，監聽Delay_req消息，一旦收到，構建Delay_resp報文，并發送。

從時鐘節點將執行下面過程：a.1監聽來自主時鐘節點的Sync消息；a.2監聽來自主時鐘節點的Follow_up消息；a.3進行偏移測量計算，設置本地時鐘值；b.1根據1588標準產生發送Delay_req報文的時間，并在此時間構建Delay_req報文并發送；b.2根據Delay_resp中的時間印章，計算延遲時間，修正本地時鐘值。c.多次獲取時間差值樣本后，用模式分類方式，估計本地時鐘值并對其修正。

四、結束語

許多工業、測試和測量、通信應用都要求高精度的時鐘信號以便同步控制信號和捕捉數據等。在標準以太網中應用的IEEE 1588精密時間協議(PTP)為傳播主時鐘時序給系統中的許多結點提供了一種方法。本文所介紹的使用DP83640實現IEEE1588V2的方案已經在本公司的Mi4-3031R01實現6網口的主從時標同步。

[1]Technical Committee on Sensor Technology,IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems,24 July 2008.

[2]National Semiconductor Corporation,DP83640 Precision PHYTER-IEEE 1588 Precision Time Protocol Transceiver,January 7,2009.

[3]National Semiconductor Corporation,National Semiconductor Ethernet PHYTER Software Development Guide,October 2,2008.

[4]蘇建峰.IEEE1588在電力系統應用的可行性與方案研究[J].