時鐘同步系統在承德電網的構成與應用

何瑩

摘 要:本文結合承德地區電網時鐘同步系統的實際運行情況,分析和說明了這套基于SDH地面通信網絡搭建的系統在電網運行過程中發揮的重要作用,及其未來的應用和發展前景。并對整個承德電網時鐘同步系統建設過程中使用的關鍵技術、系統架構、子系統設計以及接口設計等方面進行了詳盡的分析和介紹。

關鍵詞:時鐘同步系統IEEE-1588SDH

中圖分類號:TP393 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)07(c)-0045-01

1 引言

隨著智能化電網發展的需要,國家對電力系統的大規模投資,電力系統對其系統內部的對時系統的可靠性和準確度都提出了更高的要求。目前,電力系統使用的對時系統大多基于GPS和北斗衛星的授時系統,在鎖星正常時,各子系統均可與衛星時間保持同步,進而保證整個系統時鐘的一致性;但不論是以GPS還是北斗衛星為基準的時鐘,都存在一個難以克服,但又非常致命的問題——衛星信號接收可靠性的問題。

另外,由于全球GPS系統完全由美國軍方運行維護,一旦美國在政治局勢緊張時降低GPS精度,甚至徹底關閉GPS,都會對電力系統的正常運行造成不利影響。

基于以上的幾點疑慮,最可行的辦法就是建立一個穩定、可靠且具有較高精度的地面對時系統。這樣的一套地面對時系統不但是對現有的對時系統的有益補充,而且對于電力系統未來發展基于全網時間同步的應用。

2 時鐘同步系統的功能和原理

2.1 概述

承德電網中的時鐘同步系統主要要實現兩方面的功能:(1)要實現各廠站與調度中心的時間保持同步,進而實現各廠站間的時間同步;(2)要實現調度中心對各廠站內的時鐘設備進行集中的監控、管理和配置。

由于在電力系統中,廠站間的設備只能通過SDH網絡互連、通信,其可用的通信接口是一個2Mbit帶寬的E1接口。所以如何基于這個SDH網絡,定義并實現一套相應的通信協議,就成為了實現該時鐘同步系統的關鍵。

2.2 基于SDH網絡實現的廠站間的時間同步

為了實現廠站間的時間同步,在系統實現中應用了IEEE-1588 PTP精確時間同步協議。IEEE-1588協議是目前應用最為廣泛的,適用于高精度的對時場合的網絡協議,具有很高的精度、可靠性和良好的拓撲拓展特性。

在以太網和SDH的E1接口之間實現IEEE-1588協議報文的雙向傳輸、轉發,同時為了保證較高的站間時間同步精度,還應能精確計算出IEEE-1588數據包在以太網口和E1接口之間的傳輸延時。其實質就是需要實現一個基于以太網和E1接口的IEEE-1588的透明時鐘(TC)設備。在實際的系統實施中,在SDH網絡上,承德調度中心的主鐘被配置成IEEE-1588協議中的主鐘,每個廠站內的主鐘被設定為IEEE-1588協議中的從鐘。所有的主、從鐘都通過一個專門為本項目開發的,帶E1接口的透明時鐘連接至SDH網絡,以實現數據的交換及時間同步。

在本系統中,每個廠站的主鐘上都配置了銣原子鐘模塊。借助現代閉環控制守時理論和卡爾曼數字濾波技術,使主鐘具備了超強的守時能力,可以保證在SDH網絡失效后的相當長的一段時間內,各廠站的時間仍能與調度中心的時間保持一致。

2.3 基于SDH網絡實現的時鐘設備的監控、管理和配置

在該系統設計和實施過程中,針對時鐘設備的固有特性,定義并實現了一組時鐘設備專用的通信協議,用于各時鐘設備間交換其各自的狀態信息,以實現時鐘設備的監控、管理和配置等功能。

該協議按通信的介質和范圍,大體可分為兩部分:(1)是廠站內的設備信息的交換。由于廠站內的時鐘設備都帶以太網接口,所以這一部分的協議是定義在以太網上的,所有的數據報文都采用802.3的以太網幀的封裝。時鐘設備狀態和配置信息的交換采用主從應答的方式,廠站內的主鐘會發出數據請求包以獲取各個子鐘的狀態,并將從站的應答數據整合、打包,以便后續與調度中心進行交互。(2)是調度中心與各廠站間信息的交換。因為廠站間的數據交換是通過SDH網絡,所以這部分協議是定義在SDH網絡中的E1接口上的,幀格式滿足E1接口對幀格式的要求。調度中心與各廠站間的數據交換也是采用主從應答的方式,由調度中心對每個廠站發出數據請求包,然后相應廠站的設備回復應答。另外,雖然該協議與IEEE-1588協議共用一個E1通道,但他們使用不同的時隙進行報文發送,所以相互間不會有影響,有效的節約了通信資源。

3 時鐘同步系統在承德電網的實施方案及應用

3.1 系統實施方案

在承德電網時鐘同步系統中,各站點間采用星型網絡連接,其中,位于承德調度中心的主站為承德地區網絡的最高級節點,其它3個子站營子站、周營子站、東北郊站均與承德中心站通過SDH通道連接。無論主站或子站,均為典型的主備式時間同步系統組成方案,系統中配置了兩臺主時鐘,互為冗余備用,兩臺主時鐘各自接收無線時間基準信號,以及來自上一級時間同步系統的有線時間基準信號,時鐘裝置自動選取優先級最高且狀態正常時間基準信號,確保時鐘輸出與UTC基準時間保持同步。主備式系統提高了時間同步的可靠性,主時鐘A和B可以分別連接兩路不同的無線時間基準信號,即GPS和北斗。

在出現GPS和北斗系統同時異常的特殊情況時,主時鐘還可通過SDH網絡與源自上一級時間同步系統的有線時間基準信號(IEEE-1588形式)保持同步,仍可保證時間同步精度。

3.2 系統應用現狀

承德電網時鐘同步系統于2011年3月投入運行后,為廠站內的各類被授時設備提供穩定、可靠的高精度時間同步信號,提高了時間同步采樣的準確度,提高了故障錄波器數據的可信度,保障了故障分析和事故數據反演時的準確度。降低了全系統對GPS的依賴度,提高了電網運行的安全度。減輕了監控值班人員勞動強度,完善并提高了無人值班變電站自動化水平。

4 結語

隨著時鐘同步系統的進一步應用,此系統的推行是有它的必然性和必要性的,要實現完善的時鐘同步系統的功能,還有許多技術問題、工程問題需要解決,時鐘同步系統技術的發展也是一持續、漸進、發展、完善的歷程。相信從常規變電站的時鐘同步系統到由主站系統實現對全網所轄變電站的時鐘同步系統這一過程,將會在不遠的將來日臻成熟,呈現蓬勃發展之勢。

參考文獻

[1] IEEE Std 1588-2002 [EB/OL].http//ieee1588.nist.gov,2002.

[2] IEEE Std 1588-2008 [EB/OL].http//standards.ieee.org,2008.

[3] 吳鳳修.SDH技術與設備[M].北京:人民郵電出版社,2006.

[4] 張大元,謝毅.利用光纖數字同步傳送網2.048Mbit/s支路傳送高精度標準時間信號[J].現代電信科技,2006(12):17-21.

[5] 楊洪軍.IEEE 1588協議在光通信網絡中的研究與應用[J].光通信技術,2010(9):25-28.

[6] 陳小舟.IEEE 1588在同步數字傳送網中的應用[J].重慶文理學院學報,2009,28(2):43-46.