時間同步及其在電力系統中的應用

薛昊XUE Hao；蔣南JIANG Nan

（①江蘇省高新技術創業服務中心，南京 210008；②南京南瑞集團公司信息通信技術分公司，南京 211100）（①Jiangsu Province High-tech Innovation Service Center，Nanjing 210008，China；②Jiangsu Nanrui Group Information Technology Branch，Nanjing 211100，China）

時間同步及其在電力系統中的應用

薛昊①XUE Hao；蔣南②JIANG Nan

（①江蘇省高新技術創業服務中心，南京 210008；②南京南瑞集團公司信息通信技術分公司，南京 211100）
（①Jiangsu Province High-tech Innovation Service Center，Nanjing 210008，China；②Jiangsu Nanrui Group Information Technology Branch，Nanjing 211100，China）

針對電力系統中時間同步技術的重要性，本文在分析常規時間同步方案的基礎上，根據電力系統的特點，提出了電力系統中站點間采用衛星與SDH時間同步方式相結合，站點內部采用NTP與IRIGB同步方式相結合的綜合時間同步方案，并分析了其優點以及應用前景，為電力系統時間同步提出了一個綜合解決方案。

時間同步；SDH；電力系統

1 時間同步的意義

時間同步是指各分布式系統或終端以中心控制系統的標準時鐘作為基準，使各分布式系統或終端的時鐘與中心控制系統標準時鐘同步，其誤差符合一定的標準，從而實現整個系統在時間上的統一或同步。

時間同步是隨著航天、航空、衛星通訊等遠距離監測、控制、通訊等實際應用需求而發展起來的一門新興技術，其廣泛應用于現代通訊、導航、軍事、電力、雷達等領域，并且隨著計算機以及網絡技術的發展，時間同步已成為其實現主要功能的基礎之一。

在計算機網絡應用中，時間是數據交互的依據之一，不同的時間標準造成的時間偏差，不僅可能造成數據延時，甚至可能引起數據丟失，因此時間同步是計算機網絡同步的基礎；在電信等通訊網絡中，各子網絡承載維護、管理以及計費等功能，同樣對時間同步具有嚴格的要求，且其各個子網絡之間必須要求嚴格同步；衛星通訊等導航系統中的各個設備之間也必須保持時間的絕對同步，以避免各個系統之間的誤操作；在電力系統等網絡中，對各個設備的監控、控制以及管理，各個子系統對故障告警和日志信息同樣需要高精度的時間信息，以便進行故障定位和性能分析。

因此，時間同步技術對現代科技發展具有十分重要的意義，研究時間同步技術無論是在理論上還是在實際應用中都具有非常重要的應用價值。

2 時間同步系統

常規時間同步技術主要有以下5種實現方案：①衛星時間同步方案，接收全球定位系統（GPS）[1]或北斗系統輸出的標準時間作為系統時間的方案；②有線傳輸時間同步方案，采用諸如時間編碼IRIGB[2]或利用串口傳輸等，在短距離內實現時間的精確同步；③網絡時間協議（NTP）或簡單網絡時間協議（SNTP）[3,4]，NTP或SNTP是利用以太網包進行高精度時間同步的方案；④精確時鐘對時（PTP）協議[5]，是通過在網絡的物理層協議中添加時間信息，以提高時間傳輸精度的方案；⑤基于SDH的時間同步方案[6]，以SDH作為傳輸介質，采用雙向對時協議進行時間校準，以實現時間的精確同步[7]。

以上幾種方案各有優缺點。基于GPS的時間同步方案的優點是成本較低，技術成熟，因此得到了廣泛的應用，且其標稱精度可以達到納秒級，但其缺點同樣明顯，其受環境天氣的影響，在天氣情況較差的情況下，會出現時間失鎖的情況，造成時間在一段時間內無法同步，因此需要在本地設計一個時間保持設備，在一段時間內保持時間同步功能，因此這種方式很難時刻保持較高的同步精度。

有線時間同步方案如IRIGB協議等的優點是時間同步可靠，穩定，時間同步精度高，且其成本較低，但其缺點是工作距離較短，長距離傳輸會造成時間同步精度的急劇下降。IRIGB協議如圖1所示。

NTP、SNTP以及PTP協議均是基于交換網絡的時間同步方式，但是由于交換網絡的延時不確定性，因此其同步精度不能滿足電力系統的應用需求。NTP與SNTP協議在局域網中的時間同步精度可以達到毫秒級，在廣域網中性能則更差，只能達到幾十毫秒的精度。PTP協議在理論上可以實現納秒級的同步精度，但其需要系統硬件升級。PTP時間同步算法如圖2所示。

基于SDH的時間同步方案。將電路域SDH網絡作為時間傳輸[7]媒介，利用雙向對時協議進行時間同步，可實現系統時間高精度同步。基于SDH的時間同步系統如圖3所示。基于SDH的時間同步方案的缺點是需要占用一條專用SDH鏈路[8]。

3 時間同步在電力系統中的應用

3.1 電力系統中時間同步系統 時間同步是電力系統可靠運行的關鍵，但目前電力系統的時間同步還僅限于各個站點內部的局部時間同步，各個變電站、電廠之間的時間尚未完全同步，因此給供電安全造成了比較大的隱患[9]。

3.1.1 站點間時間同步方案 目前電力系統中各個站點間尚處于“各自為政”的狀態，各個系統均采用一套獨立的衛星對時系統，由于衛星對時系統生產廠家繁多，雖然均為衛星對時系統，但各個對時系統處理方式不一致，造成接口形式不統一，系統守時精度難以保證。因此電力系統站點間并未實現真正的時間同步[9]。

3.1.2 站點內部時間同步方案 電力系統站點內部之間的時間同步以衛星同步方式為主，輔以以NTP為主的網絡時間協議對時方案。站點內部各個設備均采用衛星授時，設備與從設備之間則采用以NTP等網絡時間協議為主的對時方式。因此電力系統站點內部的時間同步方案是基本可靠的。

3.2 電力系統的綜合時間同步方案 針對上述分析可知，目前的電力系統中，雖然站點內部的時間同步基本建立，但各個站點間的時間同步尚未完全建立，因此，建立站點間的時間同步是電力系統中時間同步的關鍵。目前的電力系統有兩條主要通訊網絡：基于分組交換的以太網以及基于電路交換的SDH網絡，基于兩種網絡又存在兩種主要時間同步協議：PTP時間同步協議以及基于SDH的時間同步協議。由于電力系統中任意兩個站點間的距離一般較遠，因此任意兩個站點經過分組交換的以太網進行通訊，必然需要經過多級交換機或路由器，在這種復雜的網絡環境中，以網絡對時協議NTP為代表的時間同步協議的精度只能達到毫秒級，達不到電力系統對時間同步的要求；而以IEEE 1588為代表的時間同步協議雖然可以達到納秒級的時間同步精度，但其需要外部硬件的支持，更新網絡中的全部或部分硬件對目前電力系統而言，代價太大，因此基于分組交換的時間同步系統并不適合于電力系統中站點間的時間同步。

而基于SDH的時間同步協議對網絡兩端站點遠近并無要求，且在不更換硬件的前提下，即可以實現高精度的時間同步，利用電力系統中SDH網絡，可在不增加額外成本的前提下，實現精確的網絡時間同步。

對于任何一個時間同步系統而言，時間同步的可靠性均依賴通訊鏈路的穩定，而任何一條通訊鏈路均不可能完全可靠，因此，單一時間同步方式對任何一個需要高可靠性的系統而言，均是不夠的。考慮到成本以及目前任何一個站點均擁有一套衛星時間同步系統，因此，建立一套結合SDH與衛星的時間同步系統對于電力系統站點間時間同步是一個理想的選擇。

站點內部由于距離較近，且有各種有線通訊，因此采用有線時間同步方式結合網絡時間同步方式是一個理想的時間同步方案。

因此，本文提出電力系統中站點間采用衛星與SDH時間同步方式相結合，站點內部采用NTP與IRIGB同步方式相結合的綜合時間同步方案。

其具有如下優點：①成本低，利用現有的網絡與硬件資源，在滿足系統要求的前提下，使系統設計方案成本最低；②穩定性高，充分利用每種時間同步方案的優點，結合電力系統的實際特點，最大限度的提高了系統的穩定性；③可靠性高，利用多種時間同步協議互為補充，互為備份，大大提高了系統的可靠性。

由上述分析可知，本方案在無需較大投入的情況下，即可實現一套既可靠又穩定的電力系統時間同步方案，因此具有十分廣闊的應用前景。

4 結論

針對電力系統的組成及網絡特點，本文在分析目前時間同步方案優缺點的前提下，提出了電力系統中站點間采用衛星與SDH時間同步方式相結合，站點內部采用NTP與IRIGB同步方式相結合的綜合時間同步方案。為電力系統時間同步提出了一個綜合解決方案。

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[2]賀鵬,曾維魯.電廠數據采集與監控系統的時間同步技術[J].華北電力大學學報,2000,27(3):42-45.

[3]王燕山,李運華,劉恩朋等.以太網時鐘同步技術的研究進展及其應用[J].測控技術,2007,26(4):4-6.

[4]黃小耘.NTP在電力自動化設備時鐘同步中的應用探討[J].電力系統自動化，2005，29(15):93-95.

[5]于鵬飛,喻強,鄧輝等.IEEE1588精確時間同步協議的應用方案[J].電力系統自動化,2009,33(13):99-103.

[6]Serizawa Y,Kitamura K,Myoujn M K.SDH-based Time Synchronous System for Power System Communications [J].IEEE Transactions on Power Delivery,1998,13(1):59-65.

[7]陳寧,李洪濤,俞剛等.電力系統中基于SDH的時間同步系統研究[J].科學技術與工程,2011,11(16):3672-3678.

[8]陳寧.電力系統中基于SDH的時間同步系統設計與實現[D].南京：南京理工大學，2011.

[9]于躍海,張道農,胡永輝等.電力系統時間同步方案[J].電力系統自動化,2008,32(7):82-86.

Time Synchronous and Its Application in Power System

According to the strict time requirements of power system,the paper firstly analyzes the advantages and disadvantages of synchronization schemes used in the present time,and then presents the SDH-based time synchronous combined with satellite-based time synchronous schemes between the transformer substations,and NTP-based time synchronous combined with IRIGB-based time synchronous schemes in the same transformer substations based on the characteristics of the power system.Finally the advantages of the presented schemes was analyzed.

time synchronous；SDH；power system

薛昊（1982-），男，江蘇泰興人，碩士，助理研究員，江蘇省高新技術創業服務中心，研究方向為分組交換通訊、網絡通訊及計算機等；蔣南（1984-），女，江蘇南京人，本科，助理工程師，南京南瑞集團公司信息通信技術分公司，研究方向為電力系統監測、電力系統時間同步等。

TN929.1

A

1006-4311（2014）13-0042-02