一種基于IEEE1588的配電網校時方法的研究

鄧大為　盧雙

摘 要：研究了以IEEE1588為基礎的配電網同步技術。分析了配電網通信系統(tǒng)典型的拓撲結構，構建了骨干層、接入層通信模型。重點研究了精確時間同步協(xié)議（PTP）下時鐘校正的時域分割方法，對配電網絡通信節(jié)點進行了合理的時鐘類型設置，同時為兼顧對時可靠性提出了骨干層與接入層的校時冗余方案的設計，將實現配電網絡微秒級別的時間同步精度。

關鍵詞：配電網；精確時間同步協(xié)議；時域分割方法；校時冗余

引言

電網時間同步系統(tǒng)是標準時鐘源傳輸時標的重要系統(tǒng)，將通過通信網絡中的每一個節(jié)點，同步它們的時間，使電網的各種功能能夠在統(tǒng)一的時間基準上進行。電網的各項服務功能對電網的時間同步精度有不同程度的要求，例如對電力信息采集、負荷控制和用電精確管理等功能的精度要求為1s，對測量控制系統(tǒng)SCADA的精度要求為10ms，事件順序記錄SOE的精度要求為1ms，線路行波故障定位、相量測量單元PMU等的精度要求為1微秒。目前輸電網絡中各節(jié)點時間同步的精度已經達到了很高的標準。

配電網廣域測控技術對于配電自動化的建設是關鍵的技術支撐，為了實現配電自動化安全測控與分析平臺建立，配電網廣泛保護與事件分管功能的完善，配電網無縫自愈等功能，配電網的時間同步精度必須要達到微秒級別，但是，目前可以知道的是配電網絡覆蓋節(jié)點的實際的時間同步精度很低，不能滿足配電自動化測控技術的要求。因此，我們研究的構建配電網精確時間同步系統(tǒng)對配電自動化系統(tǒng)的建立具有重要意義。

IEEE1588也稱為精確時間同步協(xié)議（PTP）的分布式測量與控制系統(tǒng)，由校正時間信息包和在底層打時間戳的方式實現微秒級的以太網網絡時間同步精度。該協(xié)議可以實現多路以太網通信網絡，資源利用率低，無需鋪設額外的線路，可以降低系統(tǒng)的建設成本。目前，在IEEE1588的在電力系統(tǒng)中的應用研究主要集中在變電站自動化系統(tǒng)，在配電網的應用仍處于起步階段。對于有大量的成熟的國內和國外廠商支持的IEEE1588協(xié)議，其具有帶寬大、抗干擾能力強、成本相對較低、誤碼率低等特點，有高傳輸速率和良好的安全性，成為光纖通信配送的首選網絡通信系統(tǒng)技術。以千兆工業(yè)以太網建設配電自動化骨干網，用百兆工業(yè)以太網構建配電網自動化接入網的方案已成為構建配電網自動化通信系統(tǒng)的典型方案。基于這一典型方案，文章將在配電網通信系統(tǒng)中采用IEEE1588復用光纖以太網的技術來研究校時系統(tǒng)。

1 基于工業(yè)以太網的配電網通信模型

工業(yè)以太網的通信組網方式具有靈活多變特點，可分為單、雙纖型、鏈式、星式、樹型、環(huán)網型、多分支環(huán)式等。未來通信網絡的發(fā)展變革趨勢是從線到環(huán)，再從環(huán)到網，而遠方的站點需要冗余的雙鏈鏈接。根據通信網絡應與主饋線相鄰，覆蓋主節(jié)點的原則，同時，考慮到許多因素，如節(jié)約成本，明確網絡拓撲層次結構，以及是否能滿足一定的線路冗余等。圖1是基于工業(yè)以太網的典型的配電網通信系統(tǒng)拓撲結構。配電網通信系統(tǒng)分為骨干層和接入層。骨干層時間戳覆蓋城市區(qū)域調度中心和每個變電站。在圖1的典型方案中，通過千兆工業(yè)以太網動態(tài)路由協(xié)議，實現數據路由動態(tài)過渡。接入層主要用于10kV配電網各層終端接入，覆蓋各開閉站、環(huán)網柜、配電站、桿頂單元等。接入層為根據工業(yè)以太網交換機覆蓋的通信匯聚區(qū)域范圍不同所劃定的子環(huán)。

2 時鐘校正的時域分割方法

基于工業(yè)以太網的配電網通信系統(tǒng)的典型拓撲結構可抽象為骨干層結構和接入層結構。考慮每一個通信結構環(huán)作為時鐘校正時間區(qū)域，并將配電主站的交換機節(jié)點時鐘類型配置為邊界時鐘（BC），而其他節(jié)點被設置為透明時鐘（TC）。

在接入層結構環(huán)里，我們選擇關口交換機作為邊界時鐘，而其他交換機節(jié)點設置為TC。主站交換機接收高精度時鐘源消息，以糾正本地節(jié)點的時鐘時間。因為其他交換機節(jié)點被設置為TC，不涉及校正時間本身，在該層中，當主時鐘端口通過TC向下一個TC或接入層的網關交換機發(fā)送糾錯消息時，接入層的所有網關交換機都可以在糾錯結束時完成時間同步。接入層所有網關交換機完成時間同步后，每一個又作為主時鐘本身，向其他連接的交換機或配電終端發(fā)送校正時間消息，校正時間消息通過TC到達下一個TC或連配電終端設備。時鐘校正時域分割與節(jié)點設置如圖2所示。根據分割配置模式能實現校正時間網絡在廣域的多層統(tǒng)一。

在接入層中，BC校時節(jié)點是對時協(xié)議工作的邊界，從而使得對時的組織嚴密，多層次，相對獨立，具有簡單的時間設定過程。關口交換機相當于一個網關的時鐘消息源，環(huán)網的關口交換機，它被設置為BC，使校正時間系統(tǒng)上下層分離，形成相對獨立的對時系統(tǒng)。校正時間系統(tǒng)通過關口交換機廣播校正時間信息包，所有的校正時間消息可以發(fā)送到每一個定時節(jié)點。將關口交換機設置為BC還可以阻止不同層之間的校正時間信息流，減輕線路和設備的通信負荷，提高校正時間系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據該方法，對時鐘校正時間段進行分段，得到了校正后的時間信息可以轉移到其10千伏配電網終端設備。這樣不僅可以將校正時間誤差控制在最小范圍，而且還形成任意外延、廣域多層統(tǒng)一的校正時間網絡。而且，路徑時延抖動在對時信息通過節(jié)點時就被測量，當主時鐘發(fā)送到從時鐘的時間戳消息時，所有路徑時延抖動和關口協(xié)議棧抖動都將加入主時鐘的信息，從時鐘只需要根據本地接收到的時間同步消息，就能夠準確地計算出主時鐘的時間誤差，從而調整自己時鐘信息。

3 校時網絡冗余的實現

3.1 骨干層冗余的實現

骨干層通信網絡的主站節(jié)點接收高精度的時鐘源信息來同步本地時鐘，通過廣播校正所有連接于BC節(jié)點的TC時鐘信息。時鐘源的優(yōu)先級順序：上級高精度網絡時鐘，GPS對時裝置。當主時鐘發(fā)送時鐘信號失敗時，節(jié)點通過最佳時鐘（BMC）算法自動更新切換到二級備用時鐘源，使其成為新的主時鐘，從而形成一個新校正時間樹。該方案中的校正時間網不需要各站配備GPS時間同步設備。只有一套GPS設備就可以在骨干層形成n-2級冗余的時鐘源，大大降低了校正時間系統(tǒng)的成本。當通信環(huán)發(fā)生故障時，通過保護倒換機制，使新的通信線路產生，環(huán)形結構使原來的傳輸方向數據反轉，在這一點上，因為交換機都是TC，其節(jié)點不參與生成新的同步樹。實現方案的時鐘節(jié)點如圖3所示。

3.2 接入層冗余的實現

當通信網絡是直連接入環(huán)，其中設置兩個關口交換機作為BC，一個關口交換機的優(yōu)先級高于另一個，這樣，時間同步樹的形成將更加方便，同時避免了校正時間的沖突。在正常狀態(tài)下，較高的網絡發(fā)送精確的時鐘到左網關交換機，然后發(fā)送精確時鐘信息至所有的普通時鐘（OC）。當有環(huán)保護行為發(fā)生時，較高的網絡分別向網關兩側發(fā)送精確的時鐘信號。當上級通信系統(tǒng)出現故障時會產生一個時間孤島，此時左網關將發(fā)送時鐘信號到所有OC以及將該關口交換機作為主時鐘。當同時有時間孤島和環(huán)保護行為時，可將其看作為兩個時間孤島，在每個時間島的網關交換機將是校時時鐘源。此時應盡快使關口交換機的單項功能恢復，時間孤島和環(huán)保護行為如圖4所示。

4 結束語

文章利用IEEE1588技術在工業(yè)以太網中的應用，通過構建配電網通信模型，以及合理的討論和分析選擇時鐘節(jié)點類型，最后構造了一個強大的廣域多層時間校正系統(tǒng)的配電網，覆蓋所有配電自動化終端節(jié)點，校正時間尺度具有良好的發(fā)散性。

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