淺析IEEE 1588 PTP在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

呂保強(qiáng)+溫金寶

摘 要：IEEE 1588PTP（Precision Time Protocol，PTP）具有良好的時間同步精度，在自現(xiàn)代工業(yè)控制、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域獲得了越來越多的應(yīng)用。研究了IEEE 1588在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用，探討了PTP在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用方案，分別給出了基于PTP協(xié)議的主站和子站系統(tǒng)同步方案。

關(guān)鍵詞：IEEE 1588 PTP；電力系統(tǒng)；智能電網(wǎng)；時鐘同步

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.161

智能電網(wǎng)依賴于時間同步進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)度、故障分析以及進(jìn)行新型的實(shí)時監(jiān)測控制系統(tǒng)，比如電網(wǎng)的實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)（OPS）、電網(wǎng)的分析和控制系統(tǒng)（WARMAP）等。目前，在電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的時間同步協(xié)議主要有GPS同步脈沖對時、NTP、SNTP等協(xié)議。隨著電網(wǎng)的迅速發(fā)展，使得電力系統(tǒng)內(nèi)二次硬接線逐漸被串行通信線所取代，GPS同步技術(shù)已不適用于智能化的電網(wǎng)系統(tǒng)，而NTP/SNTP協(xié)議的時間同步精度僅為ms級，不能滿足具有高精度和高穩(wěn)定性要求的電力自動化設(shè)備的需求。

IEEE 1588 PTP協(xié)議于2002年被提出，它定義了一種用于分布式測量和控制系統(tǒng)的精密時間協(xié)議。該協(xié)議是針對工控和測量等領(lǐng)域的精密時鐘同步協(xié)議，能提供亞微秒級的時間同步精度，滿足電力系統(tǒng)自動化設(shè)備對時間精度的要求，且所占用網(wǎng)絡(luò)和硬件資源較少。因此，研究將PTP應(yīng)用于智能電網(wǎng)中的方法具有十分重要的意義。

1 PTP同步時鐘

PTP系統(tǒng)是分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)， PTP同步時鐘包括普通時鐘OC（Ordinary Clock）、邊界時鐘 BC（Boundary Clock）和透明時鐘 TC（Transparent Clock）。其中，普通時鐘OC可能是系統(tǒng)的最高級主時鐘，也可能是主從時鐘體系中的從時鐘；邊界時鐘BC被PTP設(shè)備用來網(wǎng)絡(luò)間彼此的通信，PTP協(xié)議運(yùn)行于域的邏輯范圍內(nèi)；透明時鐘TC由端到端透明時鐘（E2E TC）與對等透明時鐘（P2P TC）組成。

2 PTP時鐘同步過程

IEEE1588定義了四種同步報文Sync、Follow_up、Delay_Request、Delay_Response和一組管理報文。為了簡化問題，首先考慮主時鐘（Master）與從時鐘（Slave）間的同步過程：①M(fèi)aster向Slave發(fā)送Sync報文，并記錄發(fā)送時間t1，Slave記錄接收Sync的時間t2；②Master發(fā)送Sync報文之后，立即向Master發(fā)送攜帶有t1的Follow_Up報文，計算接收Sync報文的本地時間t2與Follow_Up報文中的時間t1的差異，作為主從時鐘的偏移量；③為了修正傳輸延時，Slave向主時鐘發(fā)送Delay_Req報文，并記錄發(fā)送時間t3；④Master接收到該報文后，記錄接收時間t4，并回復(fù)Slave含有t4的Delay_Resp報文。此時，Slave便擁有了t1～t4這四個時間，由此便可計算出主、從時鐘之間的傳輸延時。

3 PTP時鐘同步在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用方案

智能電網(wǎng)系統(tǒng)是一種典型的大型分布式應(yīng)用系統(tǒng)，可準(zhǔn)確監(jiān)控系統(tǒng)的各種事件狀態(tài)，依賴于系統(tǒng)內(nèi)的時間同步和各個電力設(shè)備之間的高精度時間同步。因此，在智能電網(wǎng)內(nèi)部，設(shè)計了基于IEEE 1588PTP時間同步應(yīng)用方案，從而提高整個系統(tǒng)的時間同步精度。

3.1 主站系統(tǒng)的PTP時鐘同步方案

主站系統(tǒng)是以網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的信息交換媒介，采用PTP可以獲得高精度授時，可實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的時間同步。目前，電力系統(tǒng)通信廣域網(wǎng)采用SDH和ATM接入可以確保信道的帶寬，實(shí)現(xiàn)延遲的可預(yù)估，便于PTP時間同步系統(tǒng)計算出時鐘偏移（offset），從而校正時鐘。

電力廣域網(wǎng)構(gòu)成的主站授時系統(tǒng)作為備用系統(tǒng)，可保證整個主站系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。設(shè)計主站的PTP時間同步系統(tǒng)至少配置2種不同的時鐘源。在PTP時間同步系統(tǒng)中，采用雙時鐘源和主、備方式運(yùn)行，從而提高系統(tǒng)的時間同步精度，且PTP可自動校正線路的距離，極大地簡化了站點(diǎn)內(nèi)部各個設(shè)備之間時間的分配和同步。

3.2 子站系統(tǒng)的PTP時鐘同步方案

子站系統(tǒng)具有時間同步精度高、性能可靠等特點(diǎn)，且可直接控制智能電網(wǎng)的運(yùn)行。因此，在子站系統(tǒng)中應(yīng)選擇PTP進(jìn)行時間同步，可以使用多種方式為電力自動化設(shè)備提供時間同步，實(shí)現(xiàn)子站系統(tǒng)的高精度時間同步和良好的穩(wěn)定性。

根據(jù)子站系統(tǒng)運(yùn)行的特點(diǎn)，給出了子站系統(tǒng)的PTP時間同步設(shè)計方案：①最簡單的配置方案。該方案適合用于時鐘與被授時裝置距離比較近的子站系統(tǒng)中。其中，Master的時間信號接收器能夠根據(jù)子站的重要性進(jìn)行配置，將較重要的子站配置成雙時鐘源的模式。②主從時鐘配置方案。該方案適合用于許多電力設(shè)備進(jìn)行時間同步的子站系統(tǒng)中。其中，采用二級時鐘作為從時鐘，從而為授時裝置提供多路時間同步輸出端口。

4 結(jié)束語

IEEE 1588PTP作為一種時鐘同步精度達(dá)?s級的精密時間協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在智能化電網(wǎng)的建設(shè)中具有重要意義。本文介紹了PTP在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用方案。在綜合理論研究的基礎(chǔ)上，分析并指出了在智能電網(wǎng)中采用PTP協(xié)議作為時間同步方案是可行的。

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〔編輯：張思楠〕