基于IEEE 1588標準的變電站同步網絡的研究

汪祺航，黃偉，吳在軍，趙上林

（1.東南大學電氣工程學院，江蘇南京210096；2.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京211102）

現階段，我國的變電站正逐步向基于IEC61850標準的數字化變電站方向發展。隨著基于IEC61850標準建設的數字化變電站的大范圍陸續投運，電子式電壓電流互感器和智能電子設備必將廣泛應用于變電站中。作為全數字化的變電站，數字信號采集和傳輸必需基于統一的時序和時鐘標準，才能保證數據的準確性、可靠性和有效性。

時鐘同步技術在數字化變電站中發揮著重要作用。第一，建立在基于IEC61850的數字化變電站實現了數字通信和數據共享。大多數的二次設備都需要采集多個信號量（如IEC61850的9-1報文需要傳送12個通道的信號量）。這就要求對應同一個合并單元的電子互感器采樣同步，不同間隔之間的合并單元同步，甚至不同變電站間的采樣都需要采用時鐘同步技術保持同步[1]。特別是像母差保護和變壓器縱差保護這類需要遠端數據配合的保護設備，更需要精確的時鐘同步，以防止誤動作。第二，時鐘同步技術為電力系統中事件順序（SOE）記錄、故障錄波以及事后數據分析等方面提供精確的實時數據，不僅能夠實現相量測量、快速確定故障地點，更能給變電站控制中心提供準確的操作判據，為電力系統安全、穩定、經濟的運行提供堅實的保障[2]。

IEC61850標準對智能電子設備的時鐘精度功能要求劃分為5個等級（T1—T5），其中用于計量的T5等級精度達到±1μs。對變電站時鐘同步技術提出了更高的要求[1，4，5]。

1 IEEE 1588時鐘同步機理

IEEE 1588是應用于工業控制和測量領域的具有亞微秒級同步功能的精確時鐘同步協議（Precise Time Protocol）。一個IEEE 1588精確時鐘系統包括普通時鐘（僅有一個PTP端口）、透明時鐘和邊界時鐘（具有多個PTP端口），系統的每個節點均被認為是一個時鐘，通過以太網將整個系統的時鐘相連。系統中的時鐘工作在主時鐘、從時鐘和無源時鐘3種狀態。具體的時鐘狀態則是由最優化的時鐘算法所確定[5-8]。

IEEE 1588的時鐘同步過程通過2個步驟實現：偏移測量和延遲測量。

首先進行偏移測量：主時鐘優先發送Sync報文，它是周期性的發出（一般每2s發送一次）。這時主時鐘記錄下Sync報文的發出時標T1，如圖1所示。從時鐘接收到Sync報文時，記錄下收到報文時標T2。然后主時鐘發出Follow_up報文，該報文包含了Sync報文發送的精確時標T1。假定網絡延時為TDelay。則可計算出偏移時差Toffset。

延遲測量：在組網結構固定，網絡負載變化不大的系統中，網絡延遲TDelay基本上變化不大，延遲測量不需頻繁的進行，一般為隨機發送。如圖1所示，從時鐘向主時鐘發出Delay_Req報文，從時鐘記錄下報文的發送時標T3。主時鐘在收到Delay_Req報文后，記錄下接收時刻的時標T4。然后，主時鐘向從時鐘發送Delay_Resp報文。Delay_Resp報文包含了時標T4，則可計算出網絡延遲TDelay。

圖1 IEEE 1588協議對時原理

綜合式（1）、式（2）可以計算出：

基于式（3）、式（4）所得到的Toffset、TDelay數據，從時鐘就能夠修正到與主時鐘一致的時間標準。這種同步方法將時標的測量和報文的傳送分離，使得報文時標的確定更加精確。在專門的硬件配合下，時標的測量能夠精確到報文從PHY層芯片發出時刻，完全排除報文在芯片內部的接收、解碼和傳輸的時延影響，從而使系統能夠達到亞微秒級的精度。

2 站內IEEE 1588對時方案

IEC61850標準將變電站分為變電站層、間隔層和過程層，通過站級總線和過程總線相連。對數據同步精度的要求，間隔層設備需要達到ms精度；而過程層設備，由于傳輸采樣值信息和跳閘信息，需要達到μs級的同步精度。根據以上要求，并考慮時間同步系統的可靠性、穩定性、可擴展性和易維護性，以及備用基準時鐘源系統和抗干擾措施，可以將變電站站內同步時鐘系統按如下3種方式配置。

接續鄧小平所開辟的中國特色社會主義道路，以江澤民為核心的黨的第三代領導集體，確立了社會主義市場經濟體制，深化了對中國特色社會主義的認識，捍衛了中國特色社會主義道路。江澤民明確指出：“中國的社會主義既不是蘇聯模式，也不是東歐模式，而是有中國特色的社會主義。走這條道路，是中國人民經過一百多年的奮斗與探索作出的歷史性抉擇。”[3]P163在1997年召開的中國共產黨第十五次全國代表大會上，江澤民代表黨中央提出了社會主義初級階段的基本綱領，把建設中國特色社會主義經濟、政治、文化作為統一的奮斗目標。

配置方案1如圖2所示。在變電站過程層智能設備加裝一塊支持IEEE 1588功能的硬件模塊（例如美國NS公司生產的DP 83640芯片），通過該模塊與過程層總線相連，選取時鐘精度最高、最穩定的智能設備時鐘源作為系統主時鐘，通過過程總線將過程層設備統一到與主時鐘同步。

圖2 變電站站內配置方案1

站級總線由于要求的同步精度相對較低，可以采用僅軟件支持的IEEE 1588對時，或是IEC61850推薦的SNTP對時，或是現在廣泛應用的GPS對時。若采用IEEE 1588對時，可將過程層主時鐘源同時作為站級主時鐘，但是需要對站級總線設備增加相應的軟件支持，更新軟件配置；若采用SNTP和GPS對時，由于這2種方法現階段廣泛的應用和設備廠商的模塊支持，只需對現有變電站做較小的改造。但后一種方案需考慮站級總線和過程總線之間的時鐘偏差校正。可以將SNTP（或GPS）時鐘信號源與IEEE 1588主時鐘相接，使其相互校正時間和互為冗余備用。

配置方案2如圖3所示。將主時鐘源從智能裝置中獨立出來，作為一個專門的時鐘源。這樣做雖然增加了裝置數量，增加了變電站一定的維護工作量，但是一方面能夠增強系統的擴展性和兼容性；另一方面增加了系統的穩定性，使得過程層設備同步于確定的時鐘源裝置，更方便于變電站檢修和維護以及備用設備的配置和切換。

圖3 變電站站內配置方案2

配置方案3如圖4所示。將過程層總線按保護區域設置為不同的段，使得過程總線段與段之間的數據交換很少，并將段與段之間通過交換機相連。這種方案降低了總線負載，增加了總線數據的傳輸效率和數據流量冗余，同時降低了TDelay的變化范圍和頻率。雖然加裝了交換機，增加了段與段間數據交換的網絡時延和延時的不確定性。但是IEEE 1588協議提供了邊界時鐘來解決時延問題：加裝支持邊界時鐘功能的交換機，主時鐘網段授時給邊界時鐘，從網段再通過與邊界時鐘對時保持與主時鐘的同步。同時亦可配合VLAN技術，優化邏輯網段劃分和數據交換，提高變電站過程層信息交換的安全性和可靠性。

圖4 變電站站內配置方案3

3 站間IEEE 1588對時方案

站間使用IEEE 1588對時方案，其最大優勢在于可以實現區域變電站之間的互聯對時，其亞微秒級的精度可以保證區域網內重要節點電壓向量同步測量、母差保護線路兩端合并單元的采樣同步，以及故障測距和事件順序記錄功能的實現。

將IEEE 1588引入站間對時，可選取控制中心或變電站（一般為樞紐變電站）作為基準主時鐘站，通過支持邊界時鐘的路由器網絡將時鐘源信號發送給區域內的其他變電站，從變電站通過網絡接收時鐘源信號后將站內所有時鐘同步到邊界時鐘的授時標準。但是，由于站間線路的增長、網絡線路和交換機等設備的增多，在交換機延時、線路延時、隊列延時等因素的相互作用下，報文的響應時間和網絡時延的不確定性將大大增加。

圖1所示的IEEE 1588對時過程是建立在主從時鐘間的偏差Toffset在對時過程中保持不變，以及報文傳輸的網絡時延完全對稱的基礎之上的。假設在時標T2和T3產生時刻從時鐘與主時鐘間的偏差分別為Toffset和Toffset1；報文在主時鐘到從時鐘和從時鐘到主時鐘之間的網絡延時分別為為Tdelay和Tdelay1，則可令：

重新計算主從時鐘的偏移量和延遲量，得

對比式（3）、式（4）和式（7）、式（8）可看出報文響應時間的增加和報文傳輸的不對稱性將使對時精度受到很大影響，難以保證變電站間的同步精度。

現階段國內變電站主要采用接收GPS同步信號實現對時，GPS可向各站PTP系統主時鐘提供時鐘源信號。由于使用了兩級對時方案，站間對時精度會有一定程度的下降。但現階段IEEE 1588精確對時應用于廣域網的對時精度還有待進一步檢驗。考慮到目前多數變電站均安裝有GPS對時裝置，可以在原有GPS設備基礎上對站內裝置進行優化配置，實現一種比較可行和經濟的站間高精度對時優化配置方案，如圖5所示。

圖5 變電站時鐘同步系統優化配置方案

站間通過GPS信號對時，為區域內各個變電站提供精確絕對時鐘。在變電站站內部，利用各層對同步精度要求的不同，采用不同的同步手段。站控層利用GPS信號同步；過程層采用IEEE 1588對時方案，用一專門對時PTP時鐘裝置為過程層設備提供同步信號，其精確時鐘源由GPS提供。同時，PTP時鐘與GPS信號進行互相校驗。在GPS信號失效的情況下，PTP時鐘仍可保證站內設備時鐘的同步并向主控中心報警。同理，若PTP時鐘失效，GPS則可通過互校驗確定，并啟動冗余備用PTP時鐘。

4 結束語

現階段，IEEE 1588協議在數字化變電站中的應用還處在探索階段。作為一種能提供亞微秒級精度的對時協議，如何與變電站設備和網絡配合發揮出最大的效益是現階段亟待解決的難題。本文提出的方案為IEEE 1588協議在數字化變電站中的應用提供了參考。若能進一步解決好在廣域網的應用方案和與IEC61850推薦的SNTP對時方法的兼容問題，IEEE 1588協議一定能在電力系統的發展中發揮出更大的作用。

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