北斗授時(shí)設(shè)備,GPS衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)

北斗授時(shí)設(shè)備,GPS衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)

IEEE1588在數(shù)字化變電站時(shí)鐘同步方面的應(yīng)用

【摘要】本文介紹了電力系統(tǒng)目前所采用的時(shí)間同步方案技術(shù)的局限性以及存在的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，提出了使用在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)中應(yīng)用的IEEE1588精密時(shí)間協(xié)議（PTP）為傳播主時(shí)鐘時(shí)序給系統(tǒng)中的其他結(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)方法。

【關(guān)鍵詞】IEEE1588；時(shí)間同步；PTP

一、電力系統(tǒng)時(shí)間同步基本概況

　　隨著對(duì)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)研究的不斷深入，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出基于IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)數(shù)字化變電站的發(fā)展思路。數(shù)字化變電站與常規(guī)變電站的顯著區(qū)別在于過(guò)程層傳統(tǒng)的電流/電壓互感器、斷路器將被電子式電流/電壓互感器、智能斷路器取代。在數(shù)字化變電站中數(shù)據(jù)信息的共享程度和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性將得到大幅度提高。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對(duì)智能電子設(shè)備的時(shí)鐘精度功能要求劃分為5個(gè)等級(jí)（T1-T5），其中用于計(jì)量的T5等級(jí)精度達(dá)到1us。

　　目前定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)（substa-tion automat*tem，SAS）中應(yīng)用很多，GPS同步設(shè)備通過(guò)硬接線利用脈沖信號(hào)進(jìn)行對(duì)時(shí)，具有精度高、成本低的特點(diǎn)，其相關(guān)技術(shù)已很成熟。但是變電站數(shù)字化的發(fā)展趨勢(shì)使得站內(nèi)二次硬接線被串行通信線所取代，為此IEC61850標(biāo)準(zhǔn)引入了簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（simple network time protocol，SNTP）作為網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)協(xié)議。SNTP是互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（network timeprotocol，NTP）的簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn)。在一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，NTP對(duì)時(shí)精度可達(dá)T1等級(jí)（1ms），廣域網(wǎng)內(nèi)誤差范圍為10～100 ms。NTP/SNTP的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用較成熟，但是實(shí)現(xiàn)T3等級(jí)精度25us很困難。

　　2002年發(fā)布的IEEE 1588定義了一種用于分布式測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)間協(xié)議（precision timeprotocol，PTP），其網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)精度可達(dá)亞us級(jí)，引起了自動(dòng)化、通信等工業(yè)領(lǐng)域研究者的重視。國(guó)外一些公司（如Altera、Rockwell等）相繼開(kāi)始了支持IEEE1588的相關(guān)硬件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和IEEE 1588具體工業(yè)應(yīng)用的研究，經(jīng)進(jìn)一步完善的IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)第2版已經(jīng)于2008年發(fā)布。鑒于IEEE1588高精度的分布式網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)特點(diǎn)，IEC TC57第10工作組準(zhǔn)備在支持IEEE1588的交換機(jī)和以太網(wǎng)芯片有成熟的商業(yè)應(yīng)用后，將IEEE1588引入IEC 61850。因此研究IEEE1588在數(shù)字化變電站中的具體應(yīng)用具有重要意義。

二、IEEE1588的介紹和實(shí)現(xiàn)

　　IEEE1588即PTP（Precision Time Protocol）是適應(yīng)智能化變電站時(shí)間同步的網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)方式。該標(biāo)準(zhǔn)在提出之初是致力于工控和測(cè)量的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)是提供亞微妙的同步精度應(yīng)用。后來(lái)該標(biāo)準(zhǔn)受到了自動(dòng)化領(lǐng)域尤其是分布式運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的關(guān)注，遠(yuǎn)程通信和電力系統(tǒng)等相關(guān)組織也對(duì)其表現(xiàn)出濃厚的興趣。目前在數(shù)字化變電站方面，IEEE1588是時(shí)間同步的*選擇。

　　PTP系統(tǒng)采用主從層次式結(jié)構(gòu)來(lái)同步時(shí)鐘，主要定義了4種多點(diǎn)傳送的時(shí)鐘報(bào)文類型：（1）同步報(bào)文，簡(jiǎn)稱Sync；（2）跟隨報(bào)文，簡(jiǎn)稱Follow_Up；（3）延時(shí)要求報(bào)文，簡(jiǎn)稱Delay_Req；（4）回應(yīng)報(bào)文，簡(jiǎn)稱Delay_Resp。實(shí)現(xiàn)機(jī)制如圖所示。圖中：T1為主端發(fā)送同步報(bào)文的時(shí)間；T2為從端收到同步報(bào)文的時(shí)間；T3為從端發(fā)送延遲請(qǐng)求報(bào)文的時(shí)間；T4為主端收到延遲請(qǐng)求報(bào)文的時(shí)間。這里假定同步報(bào)文的收到延遲與延遲請(qǐng)求報(bào)文的發(fā)送延遲相同，即路徑是對(duì)稱的。

　　主從時(shí)鐘間的偏移量TOffset以及傳輸延遲TDelay

　　計(jì)算公式為：

　　PTP系統(tǒng)中的時(shí)鐘在結(jié)構(gòu)上分為普通時(shí)鐘（ordinary clock，OC）與邊界時(shí)鐘（boundary clock，BC），功能上解釋為主時(shí)鐘與從時(shí)鐘。OC為只有一個(gè)PTP端口的對(duì)時(shí)源端或終端設(shè)備，BC為有多個(gè)PTP端口的交換機(jī)、路由器或智能設(shè)備。系統(tǒng)中的源時(shí)鐘稱為根時(shí)鐘（grandmaster clock，GC）。

　　時(shí)標(biāo)單元是PTP實(shí)現(xiàn)高精度對(duì)時(shí)的關(guān)鍵，PTP事件報(bào)文的時(shí)標(biāo)點(diǎn)經(jīng)過(guò)時(shí)鐘時(shí)標(biāo)點(diǎn)時(shí)由報(bào)文檢測(cè)模塊捕獲，進(jìn)而觸發(fā)時(shí)標(biāo)記錄，存儲(chǔ)精確時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)供應(yīng)用程序處理。時(shí)鐘按照PTP時(shí)間設(shè)計(jì)成32位整數(shù)s加32位分?jǐn)?shù)s（ns級(jí)），由單一振蕩器觸發(fā)。PTP系統(tǒng)的主從層次結(jié)構(gòu)由-主時(shí)鐘（best master clock，BMC）算法和事件決定，BMC算法獨(dú)立運(yùn)行于每個(gè)時(shí)鐘，時(shí)鐘之間不會(huì)進(jìn)行相互協(xié)商。依據(jù)同步報(bào)文含有的信息以及駐存于時(shí)鐘的數(shù)據(jù)集信息，運(yùn)用數(shù)據(jù)集比較算法判斷兩處信息的優(yōu)劣，采用狀態(tài)決定算法產(chǎn)生時(shí)鐘端口*狀態(tài)，再結(jié)合特定背景得到端口確定狀態(tài)。PTP的BC模型與OC模型結(jié)構(gòu)類似，不再贅述。

　　IEEE1588分為V1和V2兩個(gè)版本，V2在V1的基礎(chǔ)上規(guī)范了報(bào)文格式，增加了End-to-end transparent clock和Peer-to-peer transparent clock等設(shè)備類型，增加了可以減少報(bào)文數(shù)量Peer Delay的對(duì)時(shí)機(jī)制。對(duì)于電力系統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)時(shí)要求，V1就*可以滿足。

　　三、IEEE1588的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

　　IEEE1588實(shí)現(xiàn)主從同步與其他網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)方案相比有以下特點(diǎn)

　?。?/span>1）Sync報(bào)文發(fā)送時(shí)刻的精確值并不包含于此報(bào)文中，而是在其之后的Follow_Up報(bào)文中，這樣所帶來(lái)的益處是報(bào)文傳輸時(shí)間和時(shí)間測(cè)量互不影響。

　?。?/span>2）主方通過(guò)位于底層的時(shí)標(biāo)獲得精確信息后，發(fā)送Follow_Up報(bào)文，精確的反映了Sync報(bào)文的發(fā)送時(shí)刻。從方利用時(shí)標(biāo)，可以精確測(cè)量Sync報(bào)文的接收時(shí)刻。這種精確時(shí)刻的保證是因?yàn)闀r(shí)間標(biāo)簽信息是在接近于物理層“加蓋”的。同樣，Delay_Req報(bào)文和Delay_Resp報(bào)文傳輸時(shí)刻也能實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間標(biāo)記。 　?。?/span>3）相對(duì)于主從時(shí)鐘偏移量測(cè)量，主從通信路徑延時(shí)測(cè)量并不是周期性的執(zhí)行，而是較長(zhǎng)時(shí)間間隔才執(zhí)行一次，這樣可以減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和終端設(shè)備的處理任務(wù)。

　　正是由于這種軟，硬件結(jié)合的方案，消除了協(xié)議堆棧延時(shí)的不定性，使得IEEE1588協(xié)議同步可以達(dá)到亞微妙級(jí)的精度。

　　針對(duì)與數(shù)字化變電站的測(cè)量，同步相量的測(cè)量需要一個(gè)精度達(dá)到1us的UTC時(shí)間源，這可以通過(guò)為每個(gè)站點(diǎn)提供一個(gè)GPS接收器作為主參照時(shí)間來(lái)得到。就目前而言，站點(diǎn)內(nèi)各個(gè)設(shè)備采用IRIG-B技術(shù)從GPS接收器獲得相應(yīng)的時(shí)間。

　　站點(diǎn)內(nèi)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和傳送一般通過(guò)局域網(wǎng)LAN進(jìn)行，而正是由于采用了局域網(wǎng)這種方式，為IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了一種機(jī)遇，并且由于目前市場(chǎng)上已經(jīng)具有可以實(shí)現(xiàn)IEEE1588功能的邊界時(shí)鐘交換機(jī)，因此從技術(shù)上和應(yīng)用環(huán)境上分析，采用IEEE 1588技術(shù)來(lái)代替現(xiàn)有的IRIG-B技術(shù)是切實(shí)可行的。而且，電廠內(nèi)部各個(gè)電器設(shè)備，包括電壓器、電流互感器、電壓互感器以及各種監(jiān)控設(shè)備之間的距離通常在一公里到兩公里的范圍之內(nèi)，這剛好是IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)所適用的局域網(wǎng)范圍。

　　相對(duì)于傳統(tǒng)的脈沖，IRIG-B等的硬對(duì)時(shí)方式，IEEE 1588可以自動(dòng)校正線路的距離，這跟IRIG-B相比，*地簡(jiǎn)化了站點(diǎn)內(nèi)部各個(gè)設(shè)備之間時(shí)間的分配和同步。而且，由于采用IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)使用網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)，可以減少系統(tǒng)內(nèi)部的對(duì)時(shí)雙絞線，因此可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且費(fèi)用也比采用IRIG-B的方案更加經(jīng)濟(jì)方便。所以，IEEE1588網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)方式以其無(wú)以倫比的靈活性必將取代傳統(tǒng)的硬對(duì)時(shí)方式成為電力系統(tǒng)主要的通信方式

　　四、結(jié)束語(yǔ)

　　許多工業(yè)、測(cè)試和測(cè)量、通信應(yīng)用都要求高精度的時(shí)鐘信號(hào)以便同步控制信號(hào)和捕捉數(shù)據(jù)等。在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)中應(yīng)用的IEEE 1588精密時(shí)間協(xié)議（PTP）為傳播主時(shí)鐘時(shí)序給系統(tǒng)中的許多結(jié)點(diǎn)提供了一種方法。