IEEE1588在智能配電終端的研究與應(yīng)用

曹紅亮 王小峰

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)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(yīng)用

曹紅亮 王小峰

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南鄭州450002）

摘要：為了解決智能配電網(wǎng)中智能配電終端的時(shí)間同步技術(shù)問(wèn)題，滿足愈來(lái)愈高時(shí)間同步精度的要求，研究了IEEE1588協(xié)議的基本原理。根據(jù)目前配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計(jì)了智能配電終端與IEEE1588相結(jié)合的組網(wǎng)方案。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；配電終端；IEEE1588；時(shí)間同步

1　引言

智能電網(wǎng)是電力系統(tǒng)發(fā)展變革的最新動(dòng)向，中低壓配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，配電網(wǎng)直接面向用戶，是保證供電質(zhì)量、提高電網(wǎng)運(yùn)行效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此配電網(wǎng)的智能化將成為智能電網(wǎng)建設(shè)的重中之重，其中智能配電終端的建設(shè)是重要的一環(huán)［1］。

國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）制定的《IEC61850變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》［2］對(duì)時(shí)間同步的精度要求是±1s，一般的同步技術(shù)如GPS對(duì)時(shí)，B碼對(duì)時(shí)，NTP/SNTP對(duì)時(shí)都無(wú)法滿足這么高精度的要求。IEEE1588精確時(shí)間協(xié)議（preci?sion time protocol，PTP）［3，4］的出現(xiàn)，為要求越來(lái)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(biāo)準(zhǔn)的全稱是/網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精確時(shí)鐘同步協(xié)議。一個(gè)IEEE1588精確時(shí)鐘系統(tǒng)包括普通時(shí)鐘（僅有一個(gè)PTP端口）、透明時(shí)鐘和邊界時(shí)鐘（具有多個(gè)PTP端口），系統(tǒng)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)均被認(rèn)為是一個(gè)時(shí)鐘，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘相連，并由最佳主時(shí)鐘（Best Master Clock，BMC）算法根據(jù)端口提供的信息，確定每個(gè)域內(nèi)的時(shí)鐘狀態(tài)。IEEE1588的時(shí)鐘同步過(guò)程通過(guò)兩個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：偏移量測(cè)量和延遲量測(cè)量。

BMC算法作為IEEE1588v2協(xié)議的核心算法，主要根據(jù)各個(gè)PTP端口提供的外主時(shí)鐘的質(zhì)量信息和當(dāng)前的路徑情況，選擇性能最優(yōu)的時(shí)鐘作為域內(nèi)的主時(shí)鐘。各個(gè)端口都執(zhí)行BMC算法，根據(jù)此算法，確定狀態(tài)。

3　影響同步精度的因素

如果PTP報(bào)文在應(yīng)用層打上時(shí)間戳，然后發(fā)送到時(shí)鐘物理層出口的時(shí)間不確定，所以協(xié)議棧處理報(bào)文的時(shí)間會(huì)影響時(shí)間戳的準(zhǔn)確性；IEEE1588協(xié)議中計(jì)算偏差量

4　提高精度的方法

IEEE1588V2協(xié)議中引入了多種方法降低誤差，例如為小系統(tǒng)涉及消除網(wǎng)絡(luò)組建影響；軟硬件結(jié)合打時(shí)間戳；使用邊界時(shí)鐘，透明時(shí)鐘機(jī)一部降低非對(duì)稱性影響；精簡(jiǎn)PTP報(bào)文幀頭，減少網(wǎng)絡(luò)帶寬開銷，相應(yīng)降低可能的網(wǎng)絡(luò)排隊(duì)延時(shí)［5］。

4.1硬件打時(shí)間戳

在網(wǎng)絡(luò)通訊過(guò)程中，要降低網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲的不確定性，需要盡可能的將時(shí)間戳獲取點(diǎn)向協(xié)議棧的底層移動(dòng)，時(shí)間戳的獲取點(diǎn)越靠近傳輸介質(zhì)，獲取的發(fā)送和接收時(shí)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(wǎng)時(shí)鐘同步協(xié)議對(duì)時(shí)鐘報(bào)文進(jìn)行標(biāo)記的位置。由于標(biāo)記進(jìn)行在應(yīng)用層，報(bào)文從上至下的傳輸過(guò)程中經(jīng)過(guò)通信協(xié)議棧的多次打包封裝操作，其延時(shí)抖動(dòng)變的不確定［6］。圖2中實(shí)線框部分表示IEEE1588同步報(bào)文在MAC層和物理層之間打時(shí)間戳，即硬件打時(shí)間戳。硬件打時(shí)間戳延時(shí)抖動(dòng)一般在數(shù)個(gè)納秒之間，在理出入借口最近的地方打時(shí)間戳大大消除了協(xié)議棧等延遲的影響。

圖1　IEEE1588協(xié)議時(shí)間標(biāo)記原理

圖2　邊界時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)同步關(guān)系

4.2邊界時(shí)鐘

如果主從時(shí)鐘之間距離較長(zhǎng)，傳送報(bào)文時(shí)會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的影響，不可避免的會(huì)出現(xiàn)幾到幾百微妙的不確定延遲抖動(dòng)。為了這個(gè)問(wèn)題，IEEE1588協(xié)議提出邊界時(shí)鐘，邊界時(shí)鐘通訊實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2。

邊界時(shí)鐘具有多個(gè)端口，每個(gè)端口處于不同的狀態(tài)，從端口收到主時(shí)鐘發(fā)送的Sync報(bào)文以后，不再向下轉(zhuǎn)發(fā)該同步報(bào)文，而是把自己當(dāng)作從時(shí)鐘，將自身本地適中的時(shí)間調(diào)整并同步到上級(jí)主時(shí)鐘；與此同時(shí)該邊界時(shí)鐘又作為主時(shí)鐘想與它連接的從時(shí)鐘來(lái)發(fā)布Sync報(bào)文。邊界時(shí)鐘不僅能降低非對(duì)稱性的影響，也能用于劃分域和連接底層技術(shù)不同的域。

4.3透明時(shí)鐘

在跨網(wǎng)段的時(shí)鐘同步系統(tǒng)中，邊界時(shí)鐘采用逐級(jí)同步的方式，而邊界時(shí)鐘的增加會(huì)造成控制環(huán)的級(jí)聯(lián)，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，各級(jí)網(wǎng)絡(luò)元件的同步精度誤差會(huì)逐漸放大［7］。因此IEEE1588協(xié)議提出兩種透明時(shí)鐘端到端透明時(shí)鐘（E2E）和點(diǎn)到點(diǎn)透明時(shí)鐘（P2P）。透明時(shí)鐘與邊界時(shí)鐘不同的是，透明時(shí)鐘不參與同步過(guò)程，沒(méi)有主從狀態(tài)，只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)PTP事件報(bào)文，并計(jì)算出該時(shí)間報(bào)文通過(guò)其滯留時(shí)間校正值，從而對(duì)該時(shí)間報(bào)文進(jìn)行修正。透明時(shí)鐘通訊實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3。

4.3.1端到端透明時(shí)鐘（E2E）

E2E透明時(shí)鐘在主從時(shí)鐘之間，只是轉(zhuǎn)發(fā)全部的報(bào)文；PTP的時(shí)間報(bào)文經(jīng)過(guò)這些透明時(shí)鐘，滯留時(shí)間區(qū)會(huì)測(cè)量PTP時(shí)間報(bào)文的滯留時(shí)間。PTP報(bào)文的傳遞過(guò)程和原理如圖4所示：

Δt1和Δt2分別為Sync報(bào)文經(jīng)過(guò)透明時(shí)鐘TC的滯留時(shí)間，Δt3和Δt4分別是Delay_req報(bào)文經(jīng)過(guò)TC的滯留時(shí)間。當(dāng)Fllow_up報(bào)文到達(dá)從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)時(shí)，報(bào)文修正區(qū)域的時(shí)間值為：

當(dāng)Delay_req報(bào)文由從時(shí)鐘傳遞到主時(shí)鐘是，該報(bào)文修正區(qū)域的時(shí)間值為：

透明時(shí)鐘同步過(guò)程與上文提到的主從同步過(guò)程類似，也要分為兩步：1.偏移量測(cè)量2.延遲量測(cè)量。

所以，可得到偏差量Offset和延遲量Delay：

圖3　透明時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)同步關(guān)系

圖4　E2E透明時(shí)鐘間的PTP報(bào)文傳遞

4.3.2點(diǎn)到點(diǎn)透明時(shí)鐘（P2P）

E2E透明時(shí)鐘只是測(cè)量PTP報(bào)文滯留的時(shí)間，而P2P不僅具有這項(xiàng)功能，還具備額外一個(gè)模塊，這個(gè)模塊是計(jì)算相近節(jié)點(diǎn)之間的鏈路延時(shí)。在P2P透明時(shí)鐘使用對(duì)等延遲機(jī)制，該機(jī)制的計(jì)算基于端口與其鏈路對(duì)端交換Pdelay_req、Pdelay_resp和Pdelay_resp_follow_up報(bào)文。

對(duì)等延時(shí)機(jī)制如圖5所示，B端口在T1時(shí)刻發(fā)送Pdelay_req報(bào)文，A端口在T2時(shí)刻收到該報(bào)文；A端口緊接著在T3時(shí)刻發(fā)送Pdelay_resp報(bào)文；緊接這A端口發(fā)送Pde?lay_resp_follow_up報(bào)文。假設(shè)端口A和端口B的傳輸時(shí)間是對(duì)稱的，也就是TAB和TBA是相等的，則可計(jì)算出傳輸延遲Delay

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

在當(dāng)PTP事件報(bào)文離開TC時(shí)，該時(shí)鐘將加入到該報(bào)文修正域中，最終的修正域值為：

記主時(shí)鐘發(fā)送Sync報(bào)文的時(shí)間為TM1，從時(shí)鐘最終接收到報(bào)文的時(shí)間為TS2，主從時(shí)鐘間的時(shí)鐘偏差為Offset，由式9、10、11可以得出：

Offset=TS2-T_correction-TM1

5　組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

PTP時(shí)間同步技術(shù)，它憑借統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，良好的時(shí)間和頻率同步質(zhì)量將成為時(shí)鐘同步技術(shù)的主流方向［8］。IEEE1588的優(yōu)點(diǎn)在于能夠提供頻率和時(shí)間同步，基于光纖環(huán)網(wǎng)不需重新鋪設(shè)通信通道，同步精度較高。

配電網(wǎng)同步方案如圖6所示。配電網(wǎng)主要由配網(wǎng)主站、配電終端、配網(wǎng)子站和通信通道等組成。配網(wǎng)主站主要實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控及分析功能；配電終端是指安裝于中壓配電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)的各種遠(yuǎn)方檢測(cè)、控制單位的總稱，主要包括FTU、TTU、DTU等。配電子戰(zhàn)時(shí)刻配置的，一般根據(jù)實(shí)際的配網(wǎng)項(xiàng)目的需要，把某一片區(qū)的所有配電終端集中到配網(wǎng)子站，再由配網(wǎng)子站送至配網(wǎng)主站。通信通道一般采用手拉手式光纖環(huán)網(wǎng)將各個(gè)配電終端、配網(wǎng)子站與主站鏈接起來(lái)，光纖環(huán)網(wǎng)可根據(jù)配網(wǎng)實(shí)際情況組成一個(gè)或多個(gè)環(huán)網(wǎng)。在圖6環(huán)網(wǎng)中，采用基于IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的交換機(jī)和智能配電終端，作為邊界時(shí)鐘、透明時(shí)鐘和普通時(shí)鐘。MC源時(shí)鐘可通過(guò)GPS接收器獲得精確時(shí)間，MC通過(guò)邊界時(shí)鐘和P2P透明時(shí)鐘，同步相連各個(gè)智能配電終端。P2P透明時(shí)鐘用來(lái)減少非對(duì)稱性影響。邊界時(shí)鐘用來(lái)連接不同底層技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)，提供多個(gè)端口；圖7表示的是一個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)，邊界時(shí)鐘BC可與相近的另一個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)的BC連接起來(lái)，可以起到備份的作用，當(dāng)某個(gè)源時(shí)鐘失效時(shí)，與之相連的邊界時(shí)鐘可以作為另一個(gè)邊界時(shí)鐘的從時(shí)鐘，同步時(shí)間。

圖5　P2P透明時(shí)鐘間的PTP報(bào)文傳遞

圖6　配電網(wǎng)同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

6　小結(jié)

IEEE1588協(xié)議提出的PTP技術(shù)提供BMC算法，頻率同步和時(shí)間同步，從而使同步精度達(dá)到亞微秒級(jí)，適用于同步精度要求高的各個(gè)領(lǐng)域中。PTP技術(shù)在提高同步精度上進(jìn)行了很多改進(jìn)，采用硬件打時(shí)間戳，透明時(shí)鐘等技術(shù)來(lái)降低延遲和誤差。

PTP技術(shù)應(yīng)用在智能配電終端中，使得配電網(wǎng)可不再依靠GPS、NTP/SNTP技術(shù)進(jìn)行時(shí)間同步成為可能，為解決智能電網(wǎng)等時(shí)間同步精度的高要求提供了新的方案。

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中圖分類號(hào)：TM76

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-5168-（2016）02-0086-04

收稿日期：2016-1-10

作者簡(jiǎn)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(tài)物理。和延遲量是基于延遲對(duì)稱的，但是在現(xiàn)實(shí)的傳輸過(guò)程中，由于網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)的等因素，延遲是很難對(duì)稱的，從而這些不對(duì)稱性會(huì)影響同步精度；多層次的主從時(shí)鐘逐級(jí)同步也會(huì)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