對智能變電站中精密時鐘同步系統的探討

摘要：本文就智能變電站"NTP"和"IEEE1588"時鐘同步對時方式進行了對比分析，并根據同步報文時間戳的產生與識別以及變電站的過程層與站控層網絡的拓撲結構，將精密時間同步系統嵌入到智能變電站過程層和站控層。最后通過精度測試驗證滿足"IEC61850"標準最高"T5"等級（1us）的要求。

關鍵詞：智能變電站;NTP"同步對時;IEEE1588"同步對時

1""NTP"和"IEEE1588"時鐘同步報文實現

1.1"NTP"和"IEEE1588"時鐘同步工作原理

NTP"對時采用的客戶端/服務器（C/S）模式進行時鐘同步的。客戶端跟隨服務器的時鐘變化，實現與服務器的時鐘同步。客戶端不定期的向服務器發送"NTP"對時報文請求，服務器接收到客戶端發送的報文請求后向客戶端發送"NTP"對時報文響應。

IEEE1588"協議將同步網絡中的時鐘分為主、從時鐘兩種。主時鐘是通過BMC算法來得到的，主時鐘廣播、多播和組播同步信號，從時鐘讀取主時鐘發送的時鐘同步信號，將得到的時間參數記錄下來，通過本地時鐘同步算法計算出主、從時鐘之間的誤差，通過對從時鐘進行誤差修正來實現從時鐘同步。IEEE1588"協議主要是利用M-S模式進行變電站"IED"設備的主、從時鐘同步。

1.2時間戳的產生與識別

（1）NTP"對時方式時間戳的產生

NTP"是一個能夠兼容底層設備的協議，只需要"NTP"網絡通信接口就可以實現，對設備硬件沒有嚴"格要求。NTP"對時方式的時間戳產生與識別是在應用層中進行的，帶有應用層時間戳的"NTP"對時報文開始傳輸時，通過傳輸層進行UDP打包封裝，然后在網絡層將"UDP"打包的數據加上"IP"前綴與后綴構成"IP"數據包，最后在數據鏈路層中的MAC層實現以太網幀格式封裝，經由物理層端口發送到交換機以太網上進行同步傳輸。

（2）IEEE1588"對時方式時間戳的產生

IEEE1588"對時方式的時間戳產生與識別是在數據鏈路層與物理層之間的MII口。由應用層產生"PTP"數據，通過傳輸層進行"UDP"打包封裝，然后在網絡層將"UDP"打包的"PTP"數據加上"IP"前綴與后綴構成"IP"數據包，最后在數據鏈路層中的"MAC"層實現以太網幀格式封裝，在"MII"口進行"IEEE1588"時間戳的加載，經由物理層發送到網線上進行傳輸。而從時鐘經物理層接收來自網線上傳輸的對時幀，在"MII"口處進行"IEEE1588"時間戳的讀取，在網絡訪問層中的"MAC"層解幀，在網絡層中將"IP"數據包中的前綴與后綴去除，通過"TCP/IP"協議進行數據包解封，最后傳入從時鐘的應用層，根據本地時鐘算法實現主、從時鐘同步。

1.3"同步時間報文檢測原理

IEEE1588"同步時間報文檢測的基本原理就是從幀開始標志結束后，將報文的數據流中的"MAC"地址，報文類型和"UDP"端口號記錄下來，并與已知的"MAC"地址，報文類型和"UDP"端口號等參數進行比對，當參數匹配時才能確定為時鐘同步報文。為了簡化報文檢測的設計，一般情況下主時鐘與從時鐘的報文檢測方法一樣。

Sync"報文檢測方法（主時鐘端發出，從時鐘端接收）：

（1）Sync"報文的"MAC"目的地址是：6"個字節"FF（廣播地址）;

（2）（2）Sync"報文的類型是：UDP"類型;

（3）Sync"報文的"UDP"目的端口號是：319。

Delay_Req"報文檢測方法（主時鐘端接收，從時"鐘端發出）：

（1）Delay_Req"報文的"MAC"目的地址是：主節點的"MAC"地址;

（2）Delay_Req"報文類型是：UDP"類型;

（3）Delay_Req"報文的"UDP"目的端口號是：319。

Sync"與"Delay_Req"報文的檢測數據必須同時滿"足（1）、（2）和（3），才能被認定為時鐘同步報文，然后鎖定該時刻的本地時鐘時間值，并提出中斷申請，由應用層來進一步判定報文的完整性與合理性，最后通過本地時鐘算法實現主、從時鐘同步。

2"變電站同步網絡結構

過程層網絡與站控層網絡相互獨立的變電站時鐘同步網絡結構是當今智能變電站的常用時鐘同步網絡結構。該結構又具體分為兩種網絡結構：

（1）過程總線分段模式

站控層網絡、過程層網絡、測控裝置和保護裝置均采用雙倍冗余，站控層網絡采用雙星形拓撲結構。這種拓撲結構最大的特點就是網絡"延時小、造價比較低，但是變電站信息傳輸的可靠性比較低。過程層網絡采用雙環形拓撲結構，這種拓撲結構可靠性最高，是對GOOSE"報文、SV"報文、時間同步報文的傳輸的重要保障。

（2）單一總線模式

站控層網絡、過程層網絡、測控裝置和保護裝置均采用雙倍冗余。站控層網絡和過程層網絡都采用雙星形拓撲結構。

3"智能變電站的精密時鐘同步系統

針對過程層網絡與站控層網絡相互獨立的變電站時鐘同步網絡結構來構建智能變電站的精密時鐘同步系統。主要包括兩種構建方案：

方案一，通過冗余結構的根時鐘GC來實現智能變電站的全站IEEE1588對時（如圖1）。圖1"中的交換機1～8在該方案中承載著透明時鐘TC的作用，PTP"同步報文從GC時鐘開始經過那8個透明時鐘來完成與變電站其余IED設備的內部從時鐘同步任務。該方案能夠提供全站納秒級的同步精度，但是每個主時鐘、從時鐘和透明時鐘都必須具有"IEEE1588"時"間戳的產生與識別功能，實際工程的應用成本比較高。

圖"1"全站"IEEE1588"對時

方案二：通過雙冗余的"GC"與"SNTP"時間服務器結構實現變電站的精密時鐘同步系統。其中，站控層網絡采用"SNTP"對時方式，過程層網絡采用"IEEE1588"對時方式。該方案中使用的"SNTP"服務器具備兩個網口，其中一個網口支持"IEEE1588"同步對時方式，另一個網口僅支持"SNTP"同步對時方式。IEEE1588"網口用于實現對時時間性"能要求比較高的過程層網絡，而"SNTP"網口卻承擔著站控層網絡的時鐘服務器功能。該方案不僅能夠省去對同步精度要求不高的站控層網絡設備中"IEEE1588"時間戳的發生與識別硬件，還能夠保證系統的同步功能需求，提高了對時系統的性價比。圖1與圖2的同步對時系統相比過程層網絡中看起來更加簡明，但是該單一過程總線網絡拓撲結構對透明時鐘交換機"TC"的性能要求非常高，因為只有這樣才能保證這個變電站關鍵信息的高實時性，尤其是"GOOSE"跳閘報文的實時性。采用優先級設置、虛擬局域網"VLAN"設置都可以減少網絡延時對同步系統的影響，保證全站"IED"設備的時鐘同步精度。

圖"2"SNTP"與"IEEE1588"對時結合

4"精度測試

本次實驗的設備主要有兩個羅杰康生產的支持IEEE1588（V2）的"RSG2288"交換機和一個示波器。其中一個RSG2288交換機設置為主時鐘，另外一個設置為從時鐘，兩個交換機通過網線鏈接起來。

根據交換機中的背景流量的百分比來設置試驗場景。場景一：網絡流量正常;場景二：疊加"30%"背景流量。由圖3與圖4可以得出兩種場景的測試結果，如表1。

圖"3正常流量測試結果""""""""圖"4疊加"30%背景流量測試結果

表"1"測試結果

場景

精度

正常流量

100ns

疊加30%背景流量

150ns

由表1可以看出，基于"IEEE1588"的同步對時方式能夠實現百納秒級的對時精度，可以滿足現代智能變電站對時鐘同步的要求。

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