IEEE1588在智能配電終端的研究與應用

曹紅亮 王小峰

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南　鄭州　450002）

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IEEE1588在智能配電終端的研究與應用

曹紅亮 王小峰

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南鄭州450002）

摘要：為了解決智能配電網中智能配電終端的時間同步技術問題，滿足愈來愈高時間同步精度的要求，研究了IEEE1588協議的基本原理。根據目前配電網結構體系，設計了智能配電終端與IEEE1588相結合的組網方案。

關鍵詞：配電網；配電終端；IEEE1588；時間同步

1　引言

智能電網是電力系統發展變革的最新動向，中低壓配電網是智能電網的重要組成部分，配電網直接面向用戶，是保證供電質量、提高電網運行效率的關鍵環節，因此配電網的智能化將成為智能電網建設的重中之重，其中智能配電終端的建設是重要的一環［1］。

國際電工委員會（IEC）制定的《IEC61850變電站通信網絡和系統標準》［2］對時間同步的精度要求是±1s，一般的同步技術如GPS對時，B碼對時，NTP/SNTP對時都無法滿足這么高精度的要求。IEEE1588精確時間協議（preci?sion time protocol，PTP）［3，4］的出現，為要求越來越高的同步精度提供了有效的解決方法。

2　IEEE1588基本原理

IEEE1588標準的全稱是/網絡測量和控制系統的精確時鐘同步協議。一個IEEE1588精確時鐘系統包括普通時鐘（僅有一個PTP端口）、透明時鐘和邊界時鐘（具有多個PTP端口），系統的每個節點均被認為是一個時鐘，通過網絡將整個系統的時鐘相連，并由最佳主時鐘（Best Master Clock，BMC）算法根據端口提供的信息，確定每個域內的時鐘狀態。IEEE1588的時鐘同步過程通過兩個步驟實現：偏移量測量和延遲量測量。

BMC算法作為IEEE1588v2協議的核心算法，主要根據各個PTP端口提供的外主時鐘的質量信息和當前的路徑情況，選擇性能最優的時鐘作為域內的主時鐘。各個端口都執行BMC算法，根據此算法，確定狀態。

3　影響同步精度的因素

如果PTP報文在應用層打上時間戳，然后發送到時鐘物理層出口的時間不確定，所以協議棧處理報文的時間會影響時間戳的準確性；IEEE1588協議中計算偏差量

4　提高精度的方法

IEEE1588V2協議中引入了多種方法降低誤差，例如為小系統涉及消除網絡組建影響；軟硬件結合打時間戳；使用邊界時鐘，透明時鐘機一部降低非對稱性影響；精簡PTP報文幀頭，減少網絡帶寬開銷，相應降低可能的網絡排隊延時［5］。

4.1硬件打時間戳

在網絡通訊過程中，要降低網絡傳輸延遲的不確定性，需要盡可能的將時間戳獲取點向協議棧的底層移動，時間戳的獲取點越靠近傳輸介質，獲取的發送和接收時間戳的精度就越高。

圖1中的虛線框部分表示NTP/SNTP等以太網時鐘同步協議對時鐘報文進行標記的位置。由于標記進行在應用層，報文從上至下的傳輸過程中經過通信協議棧的多次打包封裝操作，其延時抖動變的不確定［6］。圖2中實線框部分表示IEEE1588同步報文在MAC層和物理層之間打時間戳，即硬件打時間戳。硬件打時間戳延時抖動一般在數個納秒之間，在理出入借口最近的地方打時間戳大大消除了協議棧等延遲的影響。

圖1　IEEE1588協議時間標記原理

圖2　邊界時鐘網絡同步關系

4.2邊界時鐘

如果主從時鐘之間距離較長，傳送報文時會受到網絡波動和網絡設備的影響，不可避免的會出現幾到幾百微妙的不確定延遲抖動。為了這個問題，IEEE1588協議提出邊界時鐘，邊界時鐘通訊實現過程如圖2。

邊界時鐘具有多個端口，每個端口處于不同的狀態，從端口收到主時鐘發送的Sync報文以后，不再向下轉發該同步報文，而是把自己當作從時鐘，將自身本地適中的時間調整并同步到上級主時鐘；與此同時該邊界時鐘又作為主時鐘想與它連接的從時鐘來發布Sync報文。邊界時鐘不僅能降低非對稱性的影響，也能用于劃分域和連接底層技術不同的域。

4.3透明時鐘

在跨網段的時鐘同步系統中，邊界時鐘采用逐級同步的方式，而邊界時鐘的增加會造成控制環的級聯，造成系統的不穩定，各級網絡元件的同步精度誤差會逐漸放大［7］。因此IEEE1588協議提出兩種透明時鐘端到端透明時鐘（E2E）和點到點透明時鐘（P2P）。透明時鐘與邊界時鐘不同的是，透明時鐘不參與同步過程，沒有主從狀態，只負責轉發PTP事件報文，并計算出該時間報文通過其滯留時間校正值，從而對該時間報文進行修正。透明時鐘通訊實現過程如圖3。

4.3.1端到端透明時鐘（E2E）

E2E透明時鐘在主從時鐘之間，只是轉發全部的報文；PTP的時間報文經過這些透明時鐘，滯留時間區會測量PTP時間報文的滯留時間。PTP報文的傳遞過程和原理如圖4所示：

Δt1和Δt2分別為Sync報文經過透明時鐘TC的滯留時間，Δt3和Δt4分別是Delay_req報文經過TC的滯留時間。當Fllow_up報文到達從時鐘節點時，報文修正區域的時間值為：

當Delay_req報文由從時鐘傳遞到主時鐘是，該報文修正區域的時間值為：

透明時鐘同步過程與上文提到的主從同步過程類似，也要分為兩步：1.偏移量測量2.延遲量測量。

所以，可得到偏差量Offset和延遲量Delay：

圖3　透明時鐘網絡同步關系

圖4　E2E透明時鐘間的PTP報文傳遞

4.3.2點到點透明時鐘（P2P）

E2E透明時鐘只是測量PTP報文滯留的時間，而P2P不僅具有這項功能，還具備額外一個模塊，這個模塊是計算相近節點之間的鏈路延時。在P2P透明時鐘使用對等延遲機制，該機制的計算基于端口與其鏈路對端交換Pdelay_req、Pdelay_resp和Pdelay_resp_follow_up報文。

對等延時機制如圖5所示，B端口在T1時刻發送Pdelay_req報文，A端口在T2時刻收到該報文；A端口緊接著在T3時刻發送Pdelay_resp報文；緊接這A端口發送Pde?lay_resp_follow_up報文。假設端口A和端口B的傳輸時間是對稱的，也就是TAB和TBA是相等的，則可計算出傳輸延遲Delay

Ts1為PTP事件報文在TC中的滯留時間，該時鐘將Delay和ts1分別加入到跟隨報文修正域中，該報文修正域值為：

在當PTP事件報文離開TC時，該時鐘將加入到該報文修正域中，最終的修正域值為：

記主時鐘發送Sync報文的時間為TM1，從時鐘最終接收到報文的時間為TS2，主從時鐘間的時鐘偏差為Offset，由式9、10、11可以得出：

Offset=TS2-T_correction-TM1

5　組網方案設計

PTP時間同步技術，它憑借統一的標準，良好的時間和頻率同步質量將成為時鐘同步技術的主流方向［8］。IEEE1588的優點在于能夠提供頻率和時間同步，基于光纖環網不需重新鋪設通信通道，同步精度較高。

配電網同步方案如圖6所示。配電網主要由配網主站、配電終端、配網子站和通信通道等組成。配網主站主要實現配電網數據采集、監控及分析功能；配電終端是指安裝于中壓配電網現場的各種遠方檢測、控制單位的總稱，主要包括FTU、TTU、DTU等。配電子戰時刻配置的，一般根據實際的配網項目的需要，把某一片區的所有配電終端集中到配網子站，再由配網子站送至配網主站。通信通道一般采用手拉手式光纖環網將各個配電終端、配網子站與主站鏈接起來，光纖環網可根據配網實際情況組成一個或多個環網。在圖6環網中，采用基于IEEE1588標準的交換機和智能配電終端，作為邊界時鐘、透明時鐘和普通時鐘。MC源時鐘可通過GPS接收器獲得精確時間，MC通過邊界時鐘和P2P透明時鐘，同步相連各個智能配電終端。P2P透明時鐘用來減少非對稱性影響。邊界時鐘用來連接不同底層技術的網絡，提供多個端口；圖7表示的是一個光纖環網，邊界時鐘BC可與相近的另一個光纖環網的BC連接起來，可以起到備份的作用，當某個源時鐘失效時，與之相連的邊界時鐘可以作為另一個邊界時鐘的從時鐘，同步時間。

圖5　P2P透明時鐘間的PTP報文傳遞

圖6　配電網同步系統設計方案

6　小結

IEEE1588協議提出的PTP技術提供BMC算法，頻率同步和時間同步，從而使同步精度達到亞微秒級，適用于同步精度要求高的各個領域中。PTP技術在提高同步精度上進行了很多改進，采用硬件打時間戳，透明時鐘等技術來降低延遲和誤差。

PTP技術應用在智能配電終端中，使得配電網可不再依靠GPS、NTP/SNTP技術進行時間同步成為可能，為解決智能電網等時間同步精度的高要求提供了新的方案。

參考文獻：

［1］李大友，金文龍，徐丙垠等.配電技術［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［2］IEC.IEC61850 Communication networks and sys?tems in substations［S］.Geneva，Switzerland：IEC，2003.

［3］IEEE.Precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems［S］.IEC 61588，2004.

［4］NIST.Introduction to IEEE 1588［EB/OL］.http：// ieee1588.nist.gov/，2008.

［5］NIST.IEEE 1588-2008 is now available from the IEEE Standards Association［EB/OL］.http：//ieee1588.nist.gov/，2008.

［6］陳炯聰等.IEEE1588同步技術在電力系統中的應用［M］.北京：中國電力出版社，2012.

［7］趙上林，胡敏強，竇曉波等.基于IEEE1588的數字化變電站時鐘同步技術研究［J］.電網技術.2008，32（21）：100-101.

［8］王相周，陳華嬋.IEEE1588精確時間協議的研究與應用［J］.計算機工程與設計.2009，30（8）：1846-1849.

中圖分類號：TM76

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5168-（2016）02-0086-04

收稿日期：2016-1-10

作者簡介：曹紅亮（1989-），男，碩士，研究方向：電氣工程；王小峰（1990-），男，研究方向：凝聚態物理。和延遲量是基于延遲對稱的，但是在現實的傳輸過程中，由于網絡抖動的等因素，延遲是很難對稱的，從而這些不對稱性會影響同步精度；多層次的主從時鐘逐級同步也會累積誤差。

Research of IEEE1588 In Smart Distribution Terminal

Cao HongliangWang Xiaofeng
（Patent Examination Cooperation Henan Center of the Patent office SIPO，Zhengzhou Henan 45000）

Abstract：To solve problems of smart distribution terminals time synchronization in the smart distribution grid，meet the requirements of increasingly high time synchronization accuracy，the basic principle of the IEEE1588 are stud?ied.According to the current distribution network architecture，intelligent power distribution terminal and IEEE1588 combining networking solutions was designed.

Keywords：distribution grid；distribution terminals；IEEE1588；time synchronization