對智能變電站中精密時鐘同步系統(tǒng)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(jù)同步報文時間戳的產(chǎn)生與識別以及變電站的過程層與站控層網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，將精密時間同步系統(tǒng)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(guān)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(xiàn)

1.1"NTP"和"IEEE1588"時鐘同步工作原理

NTP"對時采用的客戶端/服務(wù)器（C/S）模式進行時鐘同步的?？蛻舳烁S服務(wù)器的時鐘變化，實現(xiàn)與服務(wù)器的時鐘同步?？蛻舳瞬欢ㄆ诘南蚍?wù)器發(fā)送"NTP"對時報文請求，服務(wù)器接收到客戶端發(fā)送的報文請求后向客戶端發(fā)送"NTP"對時報文響應(yīng)。

IEEE1588"協(xié)議將同步網(wǎng)絡(luò)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(fā)送的時鐘同步信號，將得到的時間參數(shù)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(xiàn)從時鐘同步。IEEE1588"協(xié)議主要是利用M-S模式進行變電站"IED"設(shè)備的主、從時鐘同步。

1.2時間戳的產(chǎn)生與識別

（1）NTP"對時方式時間戳的產(chǎn)生

NTP"是一個能夠兼容底層設(shè)備的協(xié)議，只需要"NTP"網(wǎng)絡(luò)通信接口就可以實現(xiàn)，對設(shè)備硬件沒有嚴"格要求。NTP"對時方式的時間戳產(chǎn)生與識別是在應(yīng)用層中進行的，帶有應(yīng)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(wǎng)絡(luò)層將"UDP"打包的數(shù)據(jù)加上"IP"前綴與后綴構(gòu)成"IP"數(shù)據(jù)包，最后在數(shù)據(jù)鏈路層中的MAC層實現(xiàn)以太網(wǎng)幀格式封裝，經(jīng)由物理層端口發(fā)送到交換機以太網(wǎng)上進行同步傳輸。

（2）IEEE1588"對時方式時間戳的產(chǎn)生

IEEE1588"對時方式的時間戳產(chǎn)生與識別是在數(shù)據(jù)鏈路層與物理層之間的MII口。由應(yīng)用層產(chǎn)生"PTP"數(shù)據(jù)，通過傳輸層進行"UDP"打包封裝，然后在網(wǎng)絡(luò)層將"UDP"打包的"PTP"數(shù)據(jù)加上"IP"前綴與后綴構(gòu)成"IP"數(shù)據(jù)包，最后在數(shù)據(jù)鏈路層中的"MAC"層實現(xiàn)以太網(wǎng)幀格式封裝，在"MII"口進行"IEEE1588"時間戳的加載，經(jīng)由物理層發(fā)送到網(wǎng)線上進行傳輸。而從時鐘經(jīng)物理層接收來自網(wǎng)線上傳輸?shù)膶r幀，在"MII"口處進行"IEEE1588"時間戳的讀取，在網(wǎng)絡(luò)訪問層中的"MAC"層解幀，在網(wǎng)絡(luò)層中將"IP"數(shù)據(jù)包中的前綴與后綴去除，通過"TCP/IP"協(xié)議進行數(shù)據(jù)包解封，最后傳入從時鐘的應(yīng)用層，根據(jù)本地時鐘算法實現(xiàn)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(jié)束后，將報文的數(shù)據(jù)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(shù)進行比對，當參數(shù)匹配時才能確定為時鐘同步報文。為了簡化報文檢測的設(shè)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(fā)出，從時鐘端接收）：

（1）Sync"報文的"MAC"目的地址是：6"個字節(jié)"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(fā)出）：

（1）Delay_Req"報文的"MAC"目的地址是：主節(jié)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(shù)據(jù)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(yīng)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(xiàn)主、從時鐘同步。

2"變電站同步網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

過程層網(wǎng)絡(luò)與站控層網(wǎng)絡(luò)相互獨立的變電站時鐘同步網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是當今智能變電站的常用時鐘同步網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)又具體分為兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：

（1）過程總線分段模式

站控層網(wǎng)絡(luò)、過程層網(wǎng)絡(luò)、測控裝置和保護裝置均采用雙倍冗余，站控層網(wǎng)絡(luò)采用雙星形拓撲結(jié)構(gòu)。這種拓撲結(jié)構(gòu)最大的特點就是網(wǎng)絡(luò)"延時小、造價比較低，但是變電站信息傳輸?shù)目煽啃员容^低。過程層網(wǎng)絡(luò)采用雙環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)，這種拓撲結(jié)構(gòu)可靠性最高，是對GOOSE"報文、SV"報文、時間同步報文的傳輸?shù)闹匾Ｕ稀?/p>

（2）單一總線模式

站控層網(wǎng)絡(luò)、過程層網(wǎng)絡(luò)、測控裝置和保護裝置均采用雙倍冗余。站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)都采用雙星形拓撲結(jié)構(gòu)。

3"智能變電站的精密時鐘同步系統(tǒng)

針對過程層網(wǎng)絡(luò)與站控層網(wǎng)絡(luò)相互獨立的變電站時鐘同步網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來構(gòu)建智能變電站的精密時鐘同步系統(tǒng)。主要包括兩種構(gòu)建方案：

方案一，通過冗余結(jié)構(gòu)的根時鐘GC來實現(xiàn)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(jīng)過那8個透明時鐘來完成與變電站其余IED設(shè)備的內(nèi)部從時鐘同步任務(wù)。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(chǎn)生與識別功能，實際工程的應(yīng)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(wù)器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)變電站的精密時鐘同步系統(tǒng)。其中，站控層網(wǎng)絡(luò)采用"SNTP"對時方式，過程層網(wǎng)絡(luò)采用"IEEE1588"對時方式。該方案中使用的"SNTP"服務(wù)器具備兩個網(wǎng)口，其中一個網(wǎng)口支持"IEEE1588"同步對時方式，另一個網(wǎng)口僅支持"SNTP"同步對時方式。IEEE1588"網(wǎng)口用于實現(xiàn)對時時間性"能要求比較高的過程層網(wǎng)絡(luò)，而"SNTP"網(wǎng)口卻承擔著站控層網(wǎng)絡(luò)的時鐘服務(wù)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(wǎng)絡(luò)設(shè)備中"IEEE1588"時間戳的發(fā)生與識別硬件，還能夠保證系統(tǒng)的同步功能需求，提高了對時系統(tǒng)的性價比。圖1與圖2的同步對時系統(tǒng)相比過程層網(wǎng)絡(luò)中看起來更加簡明，但是該單一過程總線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)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(guān)鍵信息的高實時性，尤其是"GOOSE"跳閘報文的實時性。采用優(yōu)先級設(shè)置、虛擬局域網(wǎng)"VLAN"設(shè)置都可以減少網(wǎng)絡(luò)延時對同步系統(tǒng)的影響，保證全站"IED"設(shè)備的時鐘同步精度。

圖"2"SNTP"與"IEEE1588"對時結(jié)合

4"精度測試

本次實驗的設(shè)備主要有兩個羅杰康生產(chǎn)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(shè)置為主時鐘，另外一個設(shè)置為從時鐘，兩個交換機通過網(wǎng)線鏈接起來。

根據(jù)交換機中的背景流量的百分比來設(shè)置試驗場景。場景一：網(wǎng)絡(luò)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(jié)果，如表1。

圖"3正常流量測試結(jié)果""""""""圖"4疊加"30%背景流量測試結(jié)果

表"1"測試結(jié)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?qū)崿F(xiàn)百納秒級的對時精度，可以滿足現(xiàn)代智能變電站對時鐘同步的要求。

參考文獻：

[1]胡學浩."智能電網(wǎng)—未來電網(wǎng)的發(fā)展態(tài)勢[J]"."電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（14）：1"-5.

[2]溫東旭，馬國強，王俊峰."SNTP"協(xié)議的分析[J]"."繼電器，2008，36（11）：19"-21.

[3]黃小耘."NTP"在電力自動化設(shè)備時鐘同步中的應(yīng)用探討[J]"."電"力系統(tǒng)自動化，2005，29（15）：93"-95.

[4]趙上林，胡敏強，竇曉波，等."基于"IEEE1588"的數(shù)字化變電站時"鐘同步技術(shù)研究["J]"."電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（21）：97"-101.