IEEE1588對(duì)時(shí)系統(tǒng)在金南智能變電站的實(shí)現(xiàn)

劉海峰，林海鷹，歐陽帆，趙永生

(1． 湖南省電力公司科學(xué)研究院，湖南 長沙410007;2． 上海思弘瑞電力控制技術(shù)有限公司，上海201108)

在常規(guī)綜合自動(dòng)化變電站中，電流和電壓基于模擬量信號(hào)傳輸，裝置的采樣基于中斷機(jī)制實(shí)現(xiàn)，傳輸?shù)逆溌费訒r(shí)可以忽略不計(jì)，數(shù)據(jù)具有天然同步性，時(shí)鐘同步技術(shù)主要用于為各個(gè)裝置提供統(tǒng)一的運(yùn)行時(shí)鐘，從而為電力系統(tǒng)中SOE 記錄、故障錄波、保護(hù)動(dòng)作記錄提供精確的同步數(shù)據(jù)。但智能變電站以全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求〔1〕，裝置采用分散式采樣，全站的信息數(shù)據(jù)均是以數(shù)字信號(hào)的形式通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)交互，也不能夠忽略傳輸鏈路延時(shí)，這就需要各個(gè)智能裝置在一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)上運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步。

IEC 61850 通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)了智能變電站中的數(shù)字通信和數(shù)據(jù)共享，由合并單元實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)間隔數(shù)據(jù)的分散采樣，而間隔層設(shè)備往往對(duì)應(yīng)著多個(gè)合并單元，采集多個(gè)間隔的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的整合計(jì)算。目前智能變電站主要有網(wǎng)絡(luò)采樣和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖直連2 種組網(wǎng)方式，其中網(wǎng)絡(luò)采樣依賴于外部絕對(duì)時(shí)鐘同步數(shù)據(jù)，而直采的方式主要依賴于裝置插值采樣同步，但不論采用那種方式，都要依賴于時(shí)鐘同步技術(shù)。特別是像線路差動(dòng)保護(hù)、母線差動(dòng)保護(hù)和變壓器縱差保護(hù)等需要多端數(shù)據(jù)配合的保護(hù)設(shè)備，更需要精確的時(shí)鐘同步，以防止保護(hù)誤動(dòng)。Q/GDW－2010 《智能變電站合并單元技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，采樣的同步誤差應(yīng)不大于± 1 μs，這樣才能滿足關(guān)口計(jì)量對(duì)于數(shù)據(jù)同步精度的要求?？梢?，高精度的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步對(duì)保證電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行具有重要的意義〔2－4〕。

目前智能變電站間隔層和過程層裝置主要采用IRIG-B 碼和1 pps 秒脈沖對(duì)時(shí)方式，對(duì)時(shí)精度在us級(jí)，站控層主要采用SNTP 對(duì)時(shí)方式，對(duì)時(shí)精度在ms 級(jí)。文中介紹了IEEE 1588V2 精確時(shí)鐘對(duì)時(shí)方式，這種對(duì)時(shí)方式已成功應(yīng)用于湖南長沙110 kV金南變變電站，使整個(gè)系統(tǒng)的對(duì)時(shí)精度達(dá)到ns 級(jí)，系統(tǒng)中的各智能裝置能完全同步。

1 金南變組網(wǎng)方案

圖1 金南變系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

金南變按無人值班運(yùn)行方式設(shè)計(jì)。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)采用開放式分層分布式系統(tǒng)(見圖1)，由站控層、間隔層和過程層組成。采用了三層一網(wǎng)、四網(wǎng)合一的組網(wǎng)方案，即全站采用光纖環(huán)形以太網(wǎng)，3 層設(shè)備共用1 層網(wǎng)絡(luò)，過程層設(shè)備接入變電站網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔⒂蠸V，GOOSE，IEEE1588，MMS。

站控層包括主機(jī)兼操作員工作站、遠(yuǎn)動(dòng)通信裝置、網(wǎng)絡(luò)通信記錄裝置、站域控制裝置等;間隔層包括各測(cè)控裝置、保護(hù)裝置等;過程層包括智能組件(含智能單元、合并單元功能等)。

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)統(tǒng)一組網(wǎng)，信息共享，通信規(guī)約采用DL/T860 或IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)。變電站內(nèi)信息具有共享性和唯一性，保護(hù)故障信息、遠(yuǎn)動(dòng)信息不重復(fù)采集。

110kV，10 kV 就地設(shè)備采用集成“合并單元、智能單元、保護(hù)、測(cè)控”功能的一體化智能組件，就地一體化布置，110 kV 就地設(shè)備的智能組件布置在GIS 智能控制柜內(nèi)，10 kV 就地設(shè)備的智能組件分散在相應(yīng)的開關(guān)柜上。

主變非電量保護(hù)由配置在就地的本體智能組件實(shí)現(xiàn)，采集主變中性點(diǎn)電流、油溫等信號(hào)，實(shí)現(xiàn)非電量保護(hù)功能，包括主變中性點(diǎn)接地刀、主變有載調(diào)壓分接頭位置、風(fēng)冷等的控制;主變本體智能組件的跳閘出口接點(diǎn)直接通過電纜至主變各側(cè)智能組件的操作回路實(shí)現(xiàn)。主變本體智能組件布置在主變本體智能柜上。

各間隔的智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)“間隔”功能自治，保護(hù)直接采樣，保護(hù)功能不依賴于網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)記錄分析裝置兼具全站故障錄波功能，功能合二為一。

配置1 套站域控制裝置，具備110 kV 備自投和10 kV 低頻/低壓減載功能。

110kV 合并單元具備電壓、電流同步功能，同步后的數(shù)據(jù)上傳智能電表作為和對(duì)側(cè)線路關(guān)口計(jì)量比對(duì)用。10 kV 線路計(jì)量單元作為智能組件的一部分，不單獨(dú)配置計(jì)量裝置，由10 kV 智能組件完成計(jì)量功能。遠(yuǎn)動(dòng)工作站兼計(jì)量信息采集功能，將10 kV 計(jì)量信息轉(zhuǎn)發(fā)給電量采集系統(tǒng)。

全站配置一套公用的時(shí)間同步系統(tǒng)，采用IEEE 1588 網(wǎng)絡(luò)方式對(duì)時(shí)。

2 站內(nèi)IEEE1588 對(duì)時(shí)方案

智能變電站內(nèi)常見的對(duì)時(shí)方式有3 種，即SNTP 對(duì)時(shí)，IRIG-B 對(duì)時(shí)和脈沖對(duì)時(shí)。近幾年開始引入IEEE 1588，但尚沒有工程應(yīng)用。IEEE 1588的全稱是網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，IEEE1588v1 精度可以達(dá)到亞mS 級(jí)，IEEEv2精度可以達(dá)到nS 級(jí)。IEEE1588v2 對(duì)IEEE1588v1進(jìn)行了改進(jìn)，提高了同步精度，加入了故障容限，滿足冗余和安全的保障功能，并引入邊界時(shí)鐘和透傳時(shí)鐘2 種新的時(shí)鐘類型。通過主從設(shè)備間傳遞PTP 消息包，從時(shí)鐘計(jì)算時(shí)間和頻率偏移，實(shí)現(xiàn)與主時(shí)鐘的頻率和時(shí)間的同步〔5〕。

IEEE 1588 時(shí)鐘具有邊界時(shí)鐘(OC)和透明時(shí)鐘(TC)2 種方式。透明時(shí)鐘具有多個(gè)端口，但它只能用來轉(zhuǎn)發(fā)PTP 報(bào)文，并提供消息駐留時(shí)間、不對(duì)稱延時(shí)、平均鏈路時(shí)延的修正，其端口既不能作為授時(shí)設(shè)備為其他設(shè)備授時(shí)，也不能同步于其他主設(shè)備。邊界時(shí)鐘對(duì)上作為從鐘進(jìn)行對(duì)時(shí)，對(duì)下作為主鐘，為其他被對(duì)時(shí)設(shè)備提供時(shí)鐘源信號(hào)。

站控層的MMS 服務(wù)在對(duì)時(shí)精度要求不高的情況下，可以考慮采用SNTP 對(duì)時(shí)。間隔層和過程層的保護(hù)跳閘、斷路器位置、聯(lián)鎖信息等實(shí)時(shí)性要求高的數(shù)據(jù)傳輸采用GOOSE 服務(wù)，過程層傳輸采樣值信息和跳閘信息，需要達(dá)到μs 級(jí)的同步精度。考慮到對(duì)時(shí)精度要求較高以及IED 設(shè)備之間通訊數(shù)據(jù)快速且高效可靠，采用IEEE 1588 進(jìn)行同步對(duì)時(shí)將更加精確。

金南變作為國家電網(wǎng)公司第一批試點(diǎn)站之一，在組網(wǎng)方案上進(jìn)行了大膽的嘗試和革新，并率先在工程應(yīng)用中引入了IEEE 1588 對(duì)時(shí)方式。全站采用三層一網(wǎng)、四網(wǎng)合一的組網(wǎng)模式，即站控層、間隔層和過程層共享一層物理網(wǎng)絡(luò)，SV，GOOSE，IEEE 1588，MMS 共網(wǎng)傳輸。這樣不需要單獨(dú)組建IRIG-B 的對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，而是利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全站設(shè)備時(shí)間精確同步。具體配置如下:

1)時(shí)鐘源采用符合電力系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)電力GPS，具備GPS 和北斗2 種授時(shí)方式。該時(shí)鐘源可以提供IRIG-B，PPS，PPM，RS－232/422/485 等幾種接口方式，本站將其輸出的IRIG-B 時(shí)鐘信息接入間隔層帶IEEE 1588 主鐘功能的RSG2288 交換機(jī)，作為IEEE 1588 交換機(jī)的輸入時(shí)鐘基準(zhǔn)源。

2)間隔層配置2 臺(tái)具有IEEE 1588 對(duì)時(shí)功能的光纖接口交換機(jī)，交換機(jī)1 做主鐘，通過IRIGB 碼方式與GPS 進(jìn)行對(duì)時(shí)。然后該交換機(jī)作為IEEE 1588 對(duì)時(shí)的主鐘，通過各交換端口向全網(wǎng)廣播IEEE 1588 對(duì)時(shí)報(bào)文，給掛在交換口上的主變保護(hù)測(cè)控裝置、內(nèi)橋智能組件、進(jìn)線智能組件等裝置對(duì)時(shí)。交換機(jī)2 為peer-to-peer 透明鐘，透明轉(zhuǎn)發(fā)交換機(jī)1 的IEEE 1588 對(duì)時(shí)報(bào)文，給掛在交換口上的內(nèi)橋、進(jìn)線、母線PT 智能組件等裝置對(duì)時(shí)。

3)10kV 設(shè)備區(qū)配置普通電口交換機(jī)，完成信息傳輸。由于該交換機(jī)口上掛接的10 kV TV，10 kV 出線、電容器、接地變智能組件等裝置無需傳輸同步采樣值，其同步精度僅需達(dá)到mS 級(jí)即可，通過普通交換機(jī)對(duì)時(shí)誤差在數(shù)uS 級(jí)，完全可以滿足要求。而內(nèi)橋智能組件、進(jìn)線智能組件、母線TV 智能組件等需要采樣同步的智能組件，則直接通過間隔層IEEE 1588 交換機(jī)進(jìn)行同步對(duì)時(shí)，可達(dá)到ns 級(jí)精度。

4)站控層配置帶有光口及電口的普通交換機(jī)，后臺(tái)主機(jī)、站域控制裝置、故障錄波裝置、公用測(cè)控裝置等均采用IEEE 1588 軟報(bào)文對(duì)時(shí)，對(duì)時(shí)誤差在uS 級(jí)，可以滿足mS 級(jí)對(duì)時(shí)精度要求。

5)主變保護(hù)測(cè)控裝置的過程層網(wǎng)口與10 kV進(jìn)線、主變本體智能組件等裝置通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖連接。主變保護(hù)測(cè)控裝置內(nèi)部是通過FPGA 來實(shí)現(xiàn)IEEE 1588 邊界時(shí)鐘的功能，其相對(duì)于間隔層IEEE 1588 交換機(jī)主鐘而言是從鐘，相對(duì)于智能組件而言是主鐘。間隔層裝置上電后從RTC 獲取時(shí)鐘信息作為當(dāng)前的軟時(shí)鐘，F(xiàn)PGA 完成IEEE 1588 報(bào)文交互獲得精確時(shí)間后將解出的時(shí)間信息送給CPU，CPU 將該信息轉(zhuǎn)換為UTC 時(shí)間，供系統(tǒng)打時(shí)標(biāo)用。在一定時(shí)間間隔后，CPU 用同步的時(shí)間刷新RTC。FPGA 將站控層網(wǎng)口作為從IEEE 1588 接收間隔層IEEE 1588 主鐘交換機(jī)發(fā)過來的IEEE 1588 對(duì)時(shí)報(bào)文，將過程層2 個(gè)網(wǎng)口作為主IEEE 1588，發(fā)送對(duì)時(shí)報(bào)文給智能組件。間隔層主變保護(hù)測(cè)控裝置的對(duì)時(shí)示意圖如圖2 所示。

圖2 間隔層保護(hù)測(cè)控裝置對(duì)時(shí)示意圖

采用以上配置，過程層、變電站層以及間隔層設(shè)備只作為對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的末節(jié)點(diǎn)(除主變保護(hù)測(cè)控裝置在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了BC 功能)，扮演從時(shí)鐘的角色。整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)僅用了4 臺(tái)交換機(jī)組成環(huán)網(wǎng)，即完成了站內(nèi)3 層網(wǎng)絡(luò)所有設(shè)備的互聯(lián)。網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)根據(jù)需要扮演了OC，TC 及普通交換機(jī)等不同角色，共同參與了整個(gè)對(duì)時(shí)過程，通過總線環(huán)網(wǎng)將全站智能設(shè)備統(tǒng)一到與主時(shí)鐘同步。

這樣配置簡化了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使智能變電站對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的層次清晰、功能明確。過程層網(wǎng)絡(luò)、間隔層網(wǎng)絡(luò)及站級(jí)網(wǎng)絡(luò)都采用IEEE 1588 進(jìn)行高精度對(duì)時(shí)，使全站設(shè)備都能實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間同步。

3 站內(nèi)IEEE 1588 對(duì)時(shí)性能測(cè)試

3.1 IEEE 1588 報(bào)文交互測(cè)試

主要目的是測(cè)試被測(cè)裝置進(jìn)行IEEE 1588 對(duì)時(shí)報(bào)文交互時(shí)是否符合協(xié)議規(guī)范，可采用PC 機(jī)通過抓包軟件進(jìn)行抓包測(cè)試。測(cè)試方法如圖3 所示。

圖3 IEEE 1588 報(bào)文交互測(cè)試方法

IEEE 1588 交換機(jī)與裝置之間對(duì)時(shí)同步采用的是延時(shí)請(qǐng)求－響應(yīng)機(jī)制，用到Sync，Delay_Req，Delay_Resp(Follow_Up 可選)消息。將被測(cè)裝置與交換機(jī)相連的端口進(jìn)行鏡像，PC 機(jī)通過鏡像口可以查看交換機(jī)與被測(cè)裝置之間的交互報(bào)文。

消息交換過程如下:

1)Master 發(fā)送Sync 消息，記下該消息的本地發(fā)送時(shí)間t1。

2)Slave 接收到Sync 消息，并記下其接收到該消息的本地時(shí)間t2。

3)Master 有2 種方式告訴Slave 該Sync 消息的發(fā)送時(shí)間t1。

將t1時(shí)間嵌入到Sync 消息中，這需要某種硬件處理以獲得高精度。

在后續(xù)的Follow_Up 消息中發(fā)送。

4)Slave 發(fā)送Delay_Req 消息往Master，并記下發(fā)送時(shí)間t3。

5)Master 接收到Delay_Req，并記下該消息到達(dá)時(shí)間t4。

6)Master 發(fā)送Delay_Resp 消息告知Slave t4。

利用這4 個(gè)時(shí)間可以算出Master 和Slave 之間的時(shí)鐘差值，前提是鏈路是對(duì)稱的，即發(fā)送和接收延時(shí)一樣。計(jì)算公式為:

IEEE 1588 交換機(jī)主鐘和透明鐘之間采用peer延時(shí)機(jī)制，在支持peer-to-peer 路徑更正的時(shí)鐘中測(cè)量鏈路傳輸延遲，用到Pdelay_Req，Pdelay_Resp(Pdelay_Resp_Follow_Up 可選)消息。將2個(gè)交換機(jī)之間的接口進(jìn)行鏡像，PC 機(jī)通過鏡像口可以查看主鐘和透明鐘之間的交互報(bào)文。

這里沒有主從之分，交互過程如下:

1)PORT1 發(fā)送一個(gè)Pdelay_Req 消息，并記下該時(shí)間t1。

2)PORT2 收到Pdelay_Req 消息，記下接收時(shí)間t2，然后返回一個(gè)Pdelay_Resp 消息，記下該消息的發(fā)送時(shí)間t3(收到消息到發(fā)送消息的時(shí)間間隔要盡可能的短以減小由于2 個(gè)端口之間的頻率偏移引起的誤差)

3)然后PORT2 可以:

在Pdelay_Resp 中返回t2和t3的差值。

在Pdelay_Resp_Follow_Up 消息中返回t2和t3的差值。

4)在Pdelay_Resp 和Pdelay_Resp_Follow_Up消息中分別返回t2和t3。

5)PORT1 收到Pdelay_Resp 后，記下時(shí)間t4。利用這4 個(gè)時(shí)間可以計(jì)算平均鏈路延時(shí)〔6〕。

3.2 IEEE 1588 對(duì)時(shí)精度測(cè)試

主要目的是測(cè)試系統(tǒng)中任一智能裝置經(jīng)過IEEE 1588 對(duì)時(shí)后所能達(dá)到的同步精度。測(cè)試方法如圖4 所示。

圖4 裝置對(duì)時(shí)精度測(cè)試

用雙蹤示波器同時(shí)測(cè)量GPS 對(duì)時(shí)裝置輸出的秒脈沖及被測(cè)裝置輸出的秒脈沖，將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，可以精確地測(cè)出兩者之間的誤差。實(shí)測(cè)誤差結(jié)果為190 ns。

4 結(jié)語

長沙金南110 kV 智能變電站IEEE 1588 對(duì)時(shí)方式除了對(duì)時(shí)精度在ns 級(jí)之外，最大的優(yōu)勢(shì)在于可以共享站內(nèi)的通訊網(wǎng)絡(luò)，無需組建單獨(dú)的對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，從而可以大大簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少設(shè)備資源。尤其在站與站之間需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離精確對(duì)時(shí)的時(shí)候，由于其能夠修正鏈路延時(shí)，將具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

〔1〕國家能源局． Q/GDW 383－2009 智能變電站技術(shù)導(dǎo)則〔S〕．北京:中國電力出版社，2010，9．

〔2〕趙上林，胡敏強(qiáng)，竇曉波，等． 基于IEEE 1588 的數(shù)字化變電站時(shí)鐘同步技術(shù)研究〔J〕. 電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(21):97-102.

〔3〕汪祺航，黃偉，吳在軍，等． 基于IEEE 1588 標(biāo)準(zhǔn)的變電站同步網(wǎng)絡(luò)的研究〔J〕. 江蘇電機(jī)工程，2010(01):51-54.

〔4〕魏偉，李揚(yáng)，陳芳． 電力骨干通信網(wǎng)時(shí)間同步系統(tǒng)〔J〕. 電力系統(tǒng)通信，2011，32(1):10-15.

〔5〕殷志良，劉萬順，楊奇遜，等． 基于IEEE 1588 實(shí)現(xiàn)變電站過程總線采樣值同步新技術(shù)〔J〕. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005，29(13):60-63.

〔6〕IEEE 1588． Standard for a Precision Clock Synchro-nization Protocol for Networked Measurement and Control Systems〔S〕，2008．