李 輝,李振海,唐金銳,余 斌,楊經(jīng)超,陳呂泉,楊洪輝
(1.國(guó)網(wǎng)湖南電力科學(xué)研究院,湖南長(zhǎng)沙 410007;2.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,湖北武漢 430070;3.武漢凱默電氣有限公司,湖北武漢 430223)
應(yīng)用于智能變電站的時(shí)間同步技術(shù)主要有全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(Network Time Protocol,NTP)、靶場(chǎng)儀器組B 碼(Inter-Range Instrumentation Group-B,IRIG-B)時(shí)鐘同步及基于精確時(shí)鐘協(xié)議(Precise Time Protocol,PTP)的IEEE1588 時(shí)間同步系統(tǒng)[1]。我國(guó)在GNSS 授時(shí)中主要采用GPS 授時(shí)[2]和北斗授時(shí)[3]2 種方案,GNSS 的優(yōu)點(diǎn)為授時(shí)精度高、實(shí)時(shí)性好,主要適用于變電站主時(shí)鐘的授時(shí)[4]。NTP通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)終端廣播同步報(bào)文,從而將主時(shí)鐘的時(shí)間信息發(fā)送到各終端實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步[5],NTP 的優(yōu)點(diǎn)為不需要增設(shè)硬件且更經(jīng)濟(jì),但其同步精度只能達(dá)到ms 級(jí)[6],無(wú)法適用于高精度的測(cè)量、保護(hù)和控制任務(wù)。IRIG-B 的優(yōu)點(diǎn)是信息傳輸速度快且精度高,可廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)變電站中各設(shè)備之間的時(shí)鐘同步[7-8],但隨著智能變電站的發(fā)展,IRIGB 時(shí)鐘同步方式已不適用于網(wǎng)絡(luò)式站控層與過(guò)程層的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[9]。IEEE1588 時(shí)間同步系統(tǒng)的精度可達(dá)1 μs[10-11],能夠滿足變電站間隔層設(shè)備在測(cè)量、保護(hù)和控制功能方面對(duì)時(shí)間精度的要求,且IEEE1588時(shí)間同步系統(tǒng)可與智能變電站共用自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建完整的站域網(wǎng)絡(luò)式時(shí)鐘同步系統(tǒng)。
為保證智能變電站IEEE1588 時(shí)間同步系統(tǒng)的精確穩(wěn)定運(yùn)行[12-15],需對(duì)支持IEEE1588 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)透明時(shí)鐘(Point to Point,P2P)協(xié)議的交換機(jī)的駐留時(shí)間和端口路徑延時(shí)誤差進(jìn)行測(cè)試?,F(xiàn)有研究對(duì)智能變電站IEEE1588 時(shí)間同步系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)涉及的不多,文獻(xiàn)[16]利用示波器分析了不同網(wǎng)絡(luò)包長(zhǎng)度和不同傳輸數(shù)據(jù)率下的PTP 同步性能,但其時(shí)鐘同步測(cè)試系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單,不適用于現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試環(huán)境。文獻(xiàn)[17]對(duì)IEEE1588 時(shí)間同步系統(tǒng)中的P2P 透明時(shí)鐘駐留時(shí)間誤差進(jìn)行了測(cè)試,但是該測(cè)量方法沒(méi)有考慮端口路徑延時(shí)校正誤差,且無(wú)法用于有源P2P 交換機(jī)的授時(shí)精度測(cè)試。文獻(xiàn)[18]對(duì)IEEE1588 時(shí)間同步系統(tǒng)中透明時(shí)鐘的工作原理進(jìn)行了分析,并通過(guò)時(shí)鐘測(cè)試儀對(duì)P2P 和端到端(End to End,E2E)透明時(shí)鐘的性能進(jìn)行了比較。但其用于測(cè)試的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,采用測(cè)試儀直接連接主時(shí)鐘和從時(shí)鐘進(jìn)行授時(shí)精度測(cè)試的方法也難以應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中的授時(shí)精度測(cè)試。文獻(xiàn)[19]提出評(píng)估IEEE1588 時(shí)間戳不確定性的指標(biāo),可以對(duì)PTP 報(bào)文時(shí)間戳精度進(jìn)行評(píng)估,但沒(méi)有進(jìn)一步提出PTP 時(shí)鐘授時(shí)精度的測(cè)試方法。文獻(xiàn)[20]比較了IEEE1588 輸出的秒脈沖(Pulse Per Second,PPS)與標(biāo)準(zhǔn)PPS 信號(hào)的差異,然而由于交換機(jī)中本地時(shí)鐘不參與IEEE1588 同步過(guò)程,該方法無(wú)法用于交換機(jī)授時(shí)精度的測(cè)量。
針對(duì)智能變電站的交換機(jī)中本地時(shí)鐘波動(dòng)導(dǎo)致的時(shí)間同步系統(tǒng)可靠性差的問(wèn)題,本文首先分析了智能變電站中P2P 透明時(shí)鐘交換機(jī)的工作原理及其誤差的主要來(lái)源。然后提出基于PTP 同步報(bào)文的P2P 交換機(jī)有源和無(wú)源誤差測(cè)試方法,這2 種方法分別適用于交換機(jī)在有時(shí)鐘源接入和無(wú)時(shí)鐘源接入情況下的測(cè)試需要。最后使用所研發(fā)的手持式IEEE1588 交換機(jī)測(cè)試儀進(jìn)行實(shí)地測(cè)試,驗(yàn)證了所提方法的有效性。
IEEE1588 時(shí)鐘同步系統(tǒng)內(nèi)時(shí)鐘域包含普通時(shí)鐘、邊界時(shí)鐘、P2P 透明時(shí)鐘和E2E 透明時(shí)鐘[21]。其中P2P 透明時(shí)鐘能夠?qū)?bào)文在透明時(shí)鐘中的駐留時(shí)間以及2 個(gè)時(shí)鐘端口之間的路徑延時(shí)進(jìn)行校正[22],非常適合作為智能變電站IEEE1588 時(shí)鐘同步系統(tǒng)的交換機(jī)。P2P 透明時(shí)鐘駐留時(shí)間和路徑延時(shí)校正模型如圖1 所示。其中“+”為2 個(gè)時(shí)間戳相加,“-”為2 個(gè)時(shí)間戳相減。
圖1 P2P透明時(shí)鐘駐留時(shí)間和路徑延時(shí)校正模型Fig.1 P2P transparent clock resident time and path delay correction model
由圖1 可知,在P2P 透明時(shí)鐘中用報(bào)文離開(kāi)時(shí)間戳減去報(bào)文進(jìn)入時(shí)間戳得到報(bào)文在該交換機(jī)中的駐留時(shí)間,再將駐留時(shí)間加上入口的路徑延時(shí)以及報(bào)文的校正值,即可完成對(duì)駐留時(shí)間和路徑延時(shí)的校正。
P2P 透明時(shí)鐘不僅可以對(duì)報(bào)文的駐留時(shí)間進(jìn)行校正,還可以對(duì)2 個(gè)時(shí)鐘端口之間的路徑延時(shí)進(jìn)行校正,P2P 透明時(shí)鐘端口路徑延時(shí)計(jì)算原理如圖2 所示。
圖2 P2P透明時(shí)鐘端口路徑延時(shí)計(jì)算原理Fig.2 Port link delay calculation of P2P transparent clock
由圖2 可知,入口路徑延時(shí)通過(guò)在P2P 透明時(shí)鐘端口之間基于對(duì)等延時(shí)機(jī)制進(jìn)行測(cè)量得到。圖2中ΔL12和ΔL21分別代表端口1 到端口2 之間的路徑延時(shí)、端口2 到端口1 的路徑延時(shí)。端口1 和端口2 之間的平均路徑延時(shí)通過(guò)計(jì)算Pdelay_Req,Pdelay_Resp 和Pdelay_Resp_Follow_Up 報(bào)文的發(fā)送和接收時(shí)間得到。通過(guò)記錄端口1 的發(fā)送時(shí)間和接收時(shí)間,以及端口2 的接收時(shí)間和發(fā)送時(shí)間,計(jì)算得到2 個(gè)端口之間的時(shí)間偏差,從而對(duì)通過(guò)IEEE1588 交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文的傳輸路徑延時(shí)進(jìn)行校正。具體計(jì)算流程如下:
1)端口1 向端口2 發(fā)送Pdelay_Req 報(bào)文,并根據(jù)本地時(shí)鐘記錄發(fā)送時(shí)間。
2)端口2 接收Pdelay_Req 報(bào)文并根據(jù)本地時(shí)鐘記錄接收時(shí)間。
3)端口2 向端口1 發(fā)送嵌入時(shí)間戳的Pdelay_Resp 報(bào)文或Pdelay_Resp_Follow_Up 報(bào)文,并根據(jù)本地時(shí)鐘記錄其發(fā)送時(shí)間。
4)端口 1 接收 Pdelay_Resp報(bào)文或Pdelay_Resp_Follow_Up 報(bào)文,并根據(jù)本地時(shí)鐘記錄其接收時(shí)間。
假設(shè)和分別為端口1 和端口2 的本地時(shí)間,端口1 和端口2 之間本地時(shí)鐘的時(shí)間偏差設(shè)為,則路徑延時(shí)ΔL12和ΔL21分別為:
設(shè)端口1 與端口2 之間路徑延時(shí)相等,從而得到2 個(gè)端口之間平均路徑延時(shí)△L為:
P2P 透明時(shí)鐘作為交換機(jī)時(shí),本地時(shí)鐘受溫度變化和晶體老化影響會(huì)導(dǎo)致及報(bào)文在進(jìn)入時(shí)間戳和離開(kāi)時(shí)間戳?xí)r與真實(shí)值之間產(chǎn)生偏差,降低IEEE1588 交換機(jī)對(duì)路徑延時(shí)和駐留時(shí)間的校正精度,從而影響IEEE1588 時(shí)間同步系統(tǒng)的可靠性[23-24]。
IEEE1588 交換機(jī)誤差測(cè)試分為無(wú)源和有源2種情況下的誤差測(cè)試。由于交換機(jī)采用透明時(shí)鐘,本地時(shí)鐘不參與IEEE1588 的同步過(guò)程,只對(duì)PTP報(bào)文進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和校正,因此測(cè)試設(shè)備需要同時(shí)模擬PTP 主時(shí)鐘和從時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行測(cè)試。
IEEE1588 交換機(jī)無(wú)源誤差測(cè)試示意圖如圖3所示。
圖3 IEEE1588交換機(jī)無(wú)源誤差測(cè)試示意圖Fig.3 Schematic diagram of IEEE1588 switch passive error test
由圖3 可知,IEEE1588 交換機(jī)依據(jù)P2P 透明時(shí)鐘協(xié)議工作。由于沒(méi)有接入主時(shí)鐘,因此測(cè)試儀需同時(shí)模擬主時(shí)鐘和從時(shí)鐘連接被測(cè)交換機(jī)進(jìn)行PTP 報(bào)文交換過(guò)程。測(cè)試儀的主時(shí)鐘向IEEE1588 交換機(jī)1 發(fā)送同步報(bào)文,同步報(bào)文經(jīng)過(guò)n(n=1,2,…,n)個(gè)交換機(jī)之后,回到測(cè)試儀的從時(shí)鐘。
以Sync 報(bào)文為例,IEEE1588 交換機(jī)無(wú)源誤差測(cè)試原理如圖4 所示。
圖4 IEEE1588交換機(jī)無(wú)源誤差測(cè)試原理Fig.4 Passive error test principle of IEEE1588 switch
圖4 中△L1,△L2,△Ln分別為第1 個(gè)、第2 個(gè)、第n個(gè)IEEE1588 交換機(jī)的路徑延時(shí),△Ls為測(cè)試儀從時(shí)鐘的路徑延時(shí),ε1,ε2,εn分別為第1 個(gè)、第2 個(gè)、第n個(gè)IEEE1588 交換機(jī)的路徑延時(shí)誤差,△S1,△S2,△Sn分別為第1 個(gè)、第2 個(gè)、第n個(gè)IEEE1588 交換機(jī)的駐留時(shí)間延時(shí),δ1,δ2,δn分別為第1 個(gè)、第2 個(gè)、第n個(gè)IEEE1588 交換機(jī)駐留時(shí)間誤差,c1,c2,cn分別為第1 個(gè)、第2 個(gè)、第n個(gè)IEEE1588 交換機(jī)中PTP 報(bào)文Sync(t1,c1)、Sync(t1,c2)和Sync(t1,cn)的時(shí)間校正值,t1,t2分別為測(cè)試儀主時(shí)鐘發(fā)送報(bào)文的時(shí)間戳和測(cè)試儀從時(shí)鐘接收?qǐng)?bào)文的時(shí)間戳。
設(shè)U1和U2分別為主時(shí)鐘和從時(shí)鐘的本地時(shí)間,則主時(shí)鐘和從時(shí)鐘之間的時(shí)間偏差設(shè)為T(mén)o=U2-U1。由圖4 可知,測(cè)試儀模擬主時(shí)鐘端口發(fā)送Sync報(bào)文,將時(shí)間戳t1發(fā)送給IEEE1588 交換機(jī)1,該同步報(bào)文經(jīng)過(guò)n個(gè)交換機(jī)后,測(cè)試儀模擬從時(shí)鐘接收到報(bào)文并從時(shí)鐘端口記錄Sync 報(bào)文的到達(dá)時(shí)間戳t2,則上述時(shí)間戳關(guān)系為:
式中:Ty為Sync 報(bào)文從測(cè)試儀主時(shí)鐘端口發(fā)送至測(cè)試儀從時(shí)鐘端口的總傳輸延時(shí)。
由式(4)推導(dǎo)可得主從時(shí)間偏差To為:
式中:c為所有IEEE1588 交換機(jī)的總時(shí)間校正值。
由于主、從時(shí)鐘源均為測(cè)試儀參考時(shí)鐘,因此理想情況下主從時(shí)間偏差值To應(yīng)近似為0,即:
但由于交換機(jī)駐留時(shí)間誤差δ和路徑延時(shí)誤差ε的存在,真實(shí)主從時(shí)間偏差值T′o為:
由式(6)和式(7)可得,測(cè)試儀得到的主從時(shí)間偏差值T′o即為n個(gè)交換機(jī)級(jí)聯(lián)的同步誤差,被測(cè)交換機(jī)無(wú)源誤差TN為:
IEEE1588 交換機(jī)有源誤差測(cè)試示意圖如圖5所示。
圖5 IEEE1588交換機(jī)有源誤差測(cè)試示意圖Fig.5 Schematic diagram of active error test of IEEE1588 switch
由圖5 可知,對(duì)單個(gè)交換機(jī)進(jìn)行有源測(cè)試時(shí),測(cè)試儀需同時(shí)連接被測(cè)交換機(jī)及其相連的上一級(jí)交換機(jī)。圖5 中1 號(hào)和2 號(hào)測(cè)試儀分別對(duì)站控層和過(guò)程層交換機(jī)的同步誤差進(jìn)行測(cè)試。3 號(hào)測(cè)試儀的作用是同時(shí)實(shí)現(xiàn)2 個(gè)從時(shí)鐘的功能,須分別接入過(guò)程層交換機(jī)和主時(shí)鐘交換機(jī),可測(cè)試站控層和過(guò)程層交換機(jī)總的同步誤差。主時(shí)鐘為普通時(shí)鐘,只有一個(gè)PTP 時(shí)鐘端口與交換機(jī)相連,因此主時(shí)鐘交換機(jī)無(wú)法直接進(jìn)行有源測(cè)試。
IEEE1588 交換機(jī)有源誤差測(cè)試原理如圖6所示。
圖6 IEEE1588交換機(jī)有源誤差測(cè)試原理Fig.6 Active error test principle of IEEE1588 switch
圖6 中△La,△Lb分別為被測(cè)交換機(jī)和測(cè)試儀的路徑延時(shí),εa為被測(cè)交換機(jī)的路徑延時(shí)誤差,△Sa為被測(cè)交換機(jī)的駐留時(shí)間,δa為被測(cè)交換機(jī)駐留時(shí)間誤差,cm為PTP 報(bào)文Sync(t1,cm)中的時(shí)間校正值,ΔL′為測(cè)試儀從時(shí)鐘與上一級(jí)交換機(jī)之間的路徑延時(shí)。交換機(jī)有源誤差測(cè)試時(shí),測(cè)試儀作為從時(shí)鐘需同時(shí)連接被測(cè)交換機(jī)及其上一級(jí)交換機(jī)進(jìn)行同步。變電站主時(shí)鐘將時(shí)間戳t1嵌入Sync 報(bào)文,然后經(jīng)過(guò)各級(jí)交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)到從時(shí)鐘,得到時(shí)間戳t2。期間Sync 報(bào)文時(shí)間校正值cm經(jīng)各級(jí)交換機(jī)后的更新值也同時(shí)發(fā)送到從時(shí)鐘。
設(shè)Sync 報(bào)文經(jīng)過(guò)上一級(jí)交換機(jī)的時(shí)間校正值cm更新為,測(cè)試儀通過(guò)被測(cè)交換機(jī)進(jìn)行時(shí)間同步過(guò)程,可得有源誤差測(cè)試時(shí)的主從時(shí)間偏差To1為:
同理,若測(cè)試儀直接與上一級(jí)交換機(jī)進(jìn)行同步,可得有源誤差測(cè)試時(shí)的主從時(shí)間偏差值To2為:
從時(shí)鐘均為測(cè)試儀本地參考時(shí)鐘,理想情況下,主從時(shí)間偏差To1和To2應(yīng)相等。由式(9)-式(10)得到被測(cè)交換機(jī)有源誤差TH為:
基于第2.1 和2.2 節(jié)提出的IEEE1588 交換機(jī)有源和無(wú)源誤差測(cè)試原理,研發(fā)了相應(yīng)的手持式IEEE1588 交換機(jī)測(cè)試儀。實(shí)物圖如圖7 所示。
圖7 手持式IEEE1588交換機(jī)測(cè)試儀實(shí)物圖Fig.7 Handheld timing precision tester for IEEE1588 switch
由圖7(a)可知,測(cè)試儀支持對(duì)秒脈沖信號(hào)、分脈沖信號(hào)、時(shí)脈沖信號(hào)、IRIG-B 碼信號(hào)、串口報(bào)文信號(hào)、NTP 網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)信號(hào)及IEEE 1588 對(duì)時(shí)信號(hào)等多種智能變電站常用時(shí)間同步方式[25-27]進(jìn)行授時(shí)精度的測(cè)試。本文研發(fā)的測(cè)試儀主要涉及IEEE1588 對(duì)時(shí)脈沖信號(hào)授時(shí)精度測(cè)試以及時(shí)鐘模擬的功能。由圖7(b)可知,脈沖信號(hào)PPS 接口形式支持光纖接口、晶體管邏輯電路接口和標(biāo)準(zhǔn)485 接口,PTP 對(duì)時(shí)信號(hào)和時(shí)鐘模擬則主要用于對(duì)IEEE1588 交換機(jī)同步精度的測(cè)試,其接口形式為光以太網(wǎng)。
為了保證測(cè)試儀的測(cè)試精度,測(cè)試儀的本地參考時(shí)鐘通過(guò)接入GPS 的授時(shí)信號(hào)來(lái)保證本地時(shí)鐘的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度。IEEE1588 交換機(jī)誤差測(cè)試分為有源測(cè)試和無(wú)源測(cè)試2 種。進(jìn)行IEEE1588 交換機(jī)有源誤差測(cè)試時(shí),2 個(gè)光以太網(wǎng)接口分別作為從時(shí)鐘端口連接被測(cè)交換機(jī)及其上一級(jí)交換機(jī)端口進(jìn)行測(cè)試;無(wú)源誤差測(cè)試時(shí),2 個(gè)光以太網(wǎng)接口分別作為主時(shí)鐘端口和從時(shí)鐘端口連接被測(cè)交換機(jī)進(jìn)行測(cè)試。所研發(fā)測(cè)試儀PTP 測(cè)試界面及設(shè)置如圖8所示。
圖8 所研發(fā)測(cè)試儀PTP測(cè)試界面及設(shè)置Fig.8 PTP test interface and settings
由圖8 可知,測(cè)試儀可以得到設(shè)定時(shí)間段內(nèi)被測(cè)交換機(jī)時(shí)間同步誤差的即時(shí)值、最大值、最小值、平均值等參數(shù),對(duì)于IEEE1588 交換機(jī)的測(cè)試精度可以達(dá)到ns 級(jí)。
將所研發(fā)的智能變電站IEEE1588 交換機(jī)測(cè)試儀在某110 kV 智能變電站進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。某智能變電站IEEE1588 時(shí)鐘拓?fù)涫疽鈭D如圖9 所示。
圖9 某智能變電站IEEE1588時(shí)鐘拓?fù)涫疽鈭DFig.9 IEEE1588 clock topology of certain smart substation
由圖9 可知,圖中測(cè)試儀分別對(duì)交換機(jī)1 和交換機(jī)2 進(jìn)行有源誤差測(cè)試。有源測(cè)試時(shí),測(cè)試儀需連接被測(cè)交換機(jī)和時(shí)鐘源交換機(jī)。測(cè)試時(shí)借助圖8所示的PTP 測(cè)試界面功能得到主從時(shí)間偏差To1和To2,連續(xù)測(cè)試時(shí)間為1 min。交換機(jī)有源誤差測(cè)試結(jié)果如表1 所示。
表1 交換機(jī)有源誤差測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of active error of 1588 switch ns
無(wú)源測(cè)試時(shí),圖9 中的IEEE1588 時(shí)鐘源停止工作。測(cè)試儀同時(shí)作為主時(shí)鐘源與從時(shí)鐘源分別對(duì)1 臺(tái)單機(jī)交換機(jī)和2 臺(tái)級(jí)聯(lián)交換機(jī)進(jìn)行連續(xù)測(cè)試時(shí)間為3 min 的無(wú)源誤差測(cè)試。交換機(jī)無(wú)源誤差測(cè)試結(jié)果如表2 所示。
表2 交換機(jī)無(wú)源誤差測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of passive error of switch ns
本文分析了智能變電站IEEE1588 時(shí)鐘同步系統(tǒng)中P2P 透明時(shí)鐘的工作原理和特點(diǎn),提出了基于PTP 同步報(bào)文的有源和無(wú)源測(cè)試方法,研發(fā)了手持式IEEE1588 交換機(jī)測(cè)試儀。測(cè)試儀具備工作在“主時(shí)鐘—從時(shí)鐘”狀態(tài)或“從時(shí)鐘—從時(shí)鐘”狀態(tài)的能力,并可依據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中IEEE1588 主時(shí)鐘的投入與否進(jìn)行狀態(tài)切換。將測(cè)試儀連接至智能變電站IEEE1588 交換機(jī),通過(guò)解析同步報(bào)文中的時(shí)間戳得到被測(cè)交換機(jī)的時(shí)間同步誤差。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明,本文所提測(cè)試方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能變電站IEEE1588 時(shí)鐘同步系統(tǒng)中P2P 交換機(jī)授時(shí)精度的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)試。