論文IEEE 1588 精確時(shí)間協(xié)議在智能變電站中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

1、IEEE 1588 精確時(shí)間協(xié)議在智能變電站中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)王佳興，朱金墾，鄭楊（溫州市電力公司,溫州市，325000）摘要:IEEE 1588精確時(shí)間同步協(xié)議（PTP）解決了通用以太網(wǎng)延遲時(shí)間和同步能力差的瓶頸，在自動(dòng)化、通信等工業(yè)領(lǐng)域具有重要意義，本文介紹了IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)在智能變電站建設(shè)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，包括PTP時(shí)鐘同步模型以及同步過程，分析了PTP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的設(shè)備類型以及主從時(shí)鐘的偏移和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的修正，最后分析了PTP時(shí)鐘設(shè)備冗余配置的必要性，給出了時(shí)鐘設(shè)備冗余配置的方法。關(guān)鍵字:IEEE 1588 PTP 智能變電站 時(shí)鐘同步引言 目前，在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的對(duì)時(shí)方式

2、主要有GPS同步脈沖對(duì)時(shí)，NTP（Network Time Protocol）網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議，SNTP（Simple Network Time Protocol）簡單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議對(duì)時(shí)等對(duì)時(shí)方式。隨著數(shù)字化變電站的發(fā)展使得站內(nèi)二次硬接線逐漸被串行通信線所取代，GPS對(duì)時(shí)技術(shù)已不適用于新興的數(shù)字化智能變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而NTP/SNTP時(shí)間同步協(xié)議的時(shí)間同步精度僅能到到ms級(jí)，不能滿足具有高精度和穩(wěn)定性要求的電力自動(dòng)化設(shè)備的需求，因此最終提出了IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)，它定義了一種用于分布式測量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)間協(xié)議（Precision Time Protocol，PTP），其網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)精度可達(dá)亞

3、81;s級(jí)，滿足電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備對(duì)時(shí)間精度的要求，并且所占用網(wǎng)絡(luò)和硬件資源較少，因此IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)方式是應(yīng)用于智能變電站的理想對(duì)時(shí)方式3。1 PTP時(shí)鐘同步模型 PTP系統(tǒng)是分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由PTP設(shè)備和非PTP設(shè)備組成。下圖1-1為一個(gè)典型的PTP分布式系統(tǒng)。圖1-1 典型的PTP分布式系統(tǒng) 其中，OC（Ordinary Clock）為普通時(shí)鐘，普通時(shí)鐘可能是一個(gè)系統(tǒng)的最高級(jí)主時(shí)鐘（Grandmaster Clock，GC），也可能是主、從時(shí)鐘體系中的從時(shí)鐘（Slave）。 BC（Boundary Clock）為邊界時(shí)鐘，PTP設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)彼此通信，PTP協(xié)議在一個(gè)叫做域的邏輯

4、范圍內(nèi)運(yùn)行。實(shí)際中的物理網(wǎng)絡(luò)和連接到網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)PTP設(shè)備與多個(gè)域相連。邊界時(shí)鐘將PTP的域劃分為不同的網(wǎng)段，這些網(wǎng)段被稱為通訊路徑，每條通訊路徑中的PTP設(shè)備之間可以進(jìn)行直接通信，不同路徑之間的PTP設(shè)備可以通過邊界時(shí)鐘（或透明時(shí)鐘）橋接。如圖1-1中所示，路徑A中的四個(gè)PTP設(shè)備可以直接互相通訊，但路徑A與路徑B中的PTP設(shè)備如需通訊則需要經(jīng)過邊界時(shí)鐘（或透明時(shí)鐘）的連接1。 邊界時(shí)鐘可以用于解決跨網(wǎng)段的全系統(tǒng)時(shí)鐘同步問題，是因?yàn)樗膹臅r(shí)鐘端口與上一級(jí)主時(shí)鐘同步，同時(shí)它的主時(shí)鐘端口又使下一級(jí)從時(shí)鐘與該邊界時(shí)鐘同步，這樣將可以消除由于以太網(wǎng)交換機(jī)和路由器存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制產(chǎn)生的以太網(wǎng)信息幀的傳輸延

5、時(shí)，提高同步時(shí)鐘精度，其典型應(yīng)用如圖1-2所示圖1-2 邊界時(shí)鐘的典型應(yīng)用 TC（Transparent Clock）為透明時(shí)鐘，包括端到端透明時(shí)鐘（E2E TC，End-to-End Transparent Clock）和對(duì)等透明時(shí)鐘（P2P TC，Peer-to-Peer Transparent Clock）。由于在跨網(wǎng)段的全系統(tǒng)中，邊界時(shí)鐘采取的是逐級(jí)同步的方式，因此各級(jí)網(wǎng)元的同步精度誤差會(huì)逐級(jí)累加，為了減少這一誤差，引入透明時(shí)鐘。透明時(shí)鐘可對(duì)主、從時(shí)鐘之間的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)進(jìn)行精確測量與修正，能有效的克服邊界時(shí)鐘的缺點(diǎn)1。普通時(shí)鐘、邊界時(shí)鐘、透明時(shí)鐘為PTP設(shè)備，而非PTP設(shè)備包括網(wǎng)橋、路由器

6、和其他基礎(chǔ)設(shè)備，例如計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等其他應(yīng)用設(shè)備。2 PTP時(shí)鐘同步過程 通常情況下PTP時(shí)鐘同步分為兩個(gè)階段:建立主從體系結(jié)構(gòu)、同步化時(shí)鐘。同步化時(shí)鐘又包含時(shí)鐘頻率調(diào)整和相位調(diào)整兩部分，相位調(diào)整主要是計(jì)算時(shí)間偏移和路徑延時(shí)。2.1建立主從體系機(jī)構(gòu) IEEE 1588主要是利用網(wǎng)絡(luò)中最優(yōu)時(shí)鐘算法，通過對(duì)比同步報(bào)文中的時(shí)鐘優(yōu)先級(jí)、時(shí)間等級(jí)、時(shí)間精度等信息，分析報(bào)文中的內(nèi)容和自身的時(shí)鐘數(shù)據(jù)，決定時(shí)鐘的狀態(tài)2。時(shí)鐘的狀態(tài)有三個(gè): Master：此時(shí)鐘是它所處路徑上的時(shí)鐘源，即主時(shí)鐘。一般設(shè)置專用的GPS時(shí)鐘作為整個(gè)對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的主時(shí)鐘源。 Slave：該時(shí)鐘同步于它所處路徑上的Master時(shí)鐘，即從時(shí)鐘

7、。一般將過程層、間隔層及變電站層設(shè)備只作為對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)末節(jié)點(diǎn)，扮演從時(shí)鐘角色。 Passive：該時(shí)鐘既不是路徑上的主時(shí)鐘，也不必與主時(shí)鐘同步，例如當(dāng)一條路徑中網(wǎng)絡(luò)中最優(yōu)時(shí)鐘算法出現(xiàn)兩個(gè)可作為Master的時(shí)鐘時(shí)，其中一個(gè)作為Master，另一個(gè)作為Passive。2.2 主從時(shí)鐘頻率調(diào)整 主時(shí)鐘向子網(wǎng)內(nèi)的所有從時(shí)鐘周期性的廣播Sync（同步）報(bào)文，在Sync報(bào)文之后發(fā)送Follow_Up報(bào)文。其第n個(gè)Sync報(bào)文準(zhǔn)確發(fā)送時(shí)間記做tsn，子網(wǎng)內(nèi)所有從時(shí)鐘在收到第n個(gè)Sync報(bào)文后幾下接收時(shí)間tcn，其發(fā)送的準(zhǔn)確時(shí)間tsn包含在隨后的Follow_Up報(bào)文中。這樣從時(shí)鐘中包含了所有的tsn和tcn，

8、即可計(jì)算出本地時(shí)鐘與住時(shí)鐘之間的頻率偏差,并根據(jù)計(jì)算出的對(duì)本地時(shí)鐘的頻率做出相應(yīng)調(diào)整。其頻率調(diào)整過程示意圖如圖2-1所示圖2-1 主從時(shí)鐘頻率調(diào)整示意圖計(jì)算公式： (2-1)2.3主從時(shí)鐘偏移量和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)修正 為了實(shí)現(xiàn)主從時(shí)鐘偏移量和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)修正可以采用延時(shí)請(qǐng)求響應(yīng)機(jī)制。其實(shí)現(xiàn)過程如圖2-2所示。圖2-2 延時(shí)請(qǐng)求響應(yīng)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)過程 主時(shí)鐘向從時(shí)鐘發(fā)送Sync報(bào)文，并記錄發(fā)送時(shí)間t1，從時(shí)鐘收到該報(bào)文后，記錄接收時(shí)間t2；主時(shí)鐘發(fā)送Sync報(bào)文之后，緊接著發(fā)送一個(gè)攜帶有t1的Follow_Up報(bào)文，從時(shí)鐘接收后，計(jì)算接收向Sync報(bào)文的本地時(shí)標(biāo)t2和Follow_Up報(bào)文中的時(shí)標(biāo)t1的差異，作

9、為主從時(shí)鐘的偏移量。為了修正傳輸延時(shí)，從時(shí)鐘向主時(shí)鐘發(fā)送Delay_Req報(bào)文，并記錄發(fā)送時(shí)間t3；主時(shí)鐘接收到該報(bào)文后，記錄接收時(shí)間t4，并回復(fù)從時(shí)鐘一個(gè)攜帶有t4的Delay_Resp報(bào)文1。此時(shí)從時(shí)鐘便擁有了t1t4這四個(gè)時(shí)間，由此便可計(jì)算出主、從時(shí)鐘之間的傳輸延時(shí)為t。計(jì)算公式： (2-2)3 PTP時(shí)鐘設(shè)備的冗余配置 在采用PTP協(xié)議對(duì)時(shí)時(shí)，時(shí)鐘同步的可靠性和時(shí)間同步的精度，受時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)和路由器等非PTP設(shè)備影響較大。由于時(shí)鐘同步系統(tǒng)給站內(nèi)所有設(shè)備提供同步信號(hào)，一旦發(fā)生故障，會(huì)造成站內(nèi)設(shè)備失去同步而無法正常工作，對(duì)變電站的安全性、可靠性形成巨大威脅。因此在組建站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)

10、和配置對(duì)時(shí)設(shè)備時(shí)，冗余措施必不可少。現(xiàn)以一單一過程總線智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為例，演示智能變內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)和對(duì)時(shí)設(shè)備配置2。如圖3-1所示。假設(shè)該站內(nèi)過程層網(wǎng)絡(luò)和站控層網(wǎng)絡(luò)均采用PTP進(jìn)行高精度對(duì)時(shí)，且過程層和間隔層設(shè)備的以太網(wǎng)芯片、變電站層計(jì)算機(jī)的網(wǎng)卡以及通信網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)或路由器均支持IEEE 1588硬件對(duì)時(shí)。圖3-1 單一過程總線網(wǎng)絡(luò)4結(jié)語 IEEE 1588作為一種時(shí)鐘同步精度達(dá)µs級(jí)的精密時(shí)間協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在智能化變電站的建設(shè)中有重要意義。如果能更近一步降低其對(duì)設(shè)備硬件支持的需求，解決與其它對(duì)時(shí)方式的兼容性問題，其在整個(gè)自動(dòng)化、通信等工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的發(fā)展前景。本文介紹了IEEE 1588精確時(shí)間同步協(xié)議的關(guān)鍵技術(shù)，為此協(xié)