基于IEEE1588的數字化變電站同步方案研究

國網保定供電公司 趙海霞 王向東 柴 青

引言

數字化變電站是指由智能化一次設備、網絡化二次設備等基于IEC 61850通信協議分層構建、能實現智能設備間信息共享和互操作的現代化變電站[1]。數字化變電站分為過程層，間隔層和變電站層，各層之間通過高速的以太網進行通信。

IEC61850針對不同應用的同步時鐘報文定義了5個等級(T1～T5)，其中用于計量的T5等級精度達到±1 μs[2]。對于SCADA應用中的同步實現，標準中明確了采用簡單網絡時間同步協議(SNTP)，但它只能實現毫秒級精度(T1)，不能滿足同步采樣的時間精度要求。2002年底發布的IEEE1588是用于測量和自動化系統中的高精度網絡時鐘同步協議，能夠達到亞微秒級的同步精度，協議中定義的各類同步報文都是基于用戶數據報協議與網絡協議(UDP/IP)多播報文發送的，適合在以太網上實現，能夠實現過程總線的高精度同步要求[3]。

1 IEEE1588同步原理

IEEE1588的基本功能是使分布式網絡內的時鐘與最精確時鐘保持同步，它定義了一種精確時間協議PTP(Precision Time Protocol)，用于對標準以太網或者其他采用多播技術的分布式總線系統終端設備中的時鐘進行亞微秒級的同步。

IEEE1588協議采用分層的主從式模式進行時鐘同步，主要定義了4種多點傳送的報文，分別為同步報文(Sync)、跟隨報文(Follow up)、延時請求報文(Delay Request)、延時響應報文(Delay Response)。同步的過程分以下兩步執行。

1.1 時鐘偏移量測量

主方(Master)周期性的發送同步報文給從方(Slave)，周期一般為2秒，此報文的信息包括報文離開主時鐘的時間估計值。主時鐘測量發送的準確時間TM1，從時鐘測量接收的準確時間TS1。之后主時鐘發出跟隨報文，此報文包含同步報文放到PTP通信路徑上的更為精確的估計值。時鐘根據同步報文和跟隨報文中的信息來計算偏移量，然后按照這個偏移量來修正從時鐘的時間，如果在傳輸路徑中沒有延遲，那么兩個時鐘就會同步，如圖1所示。

圖1 時鐘偏移量測量報文交換示意圖

計算如下：

Offset：偏移量；△t：傳輸延遲；

Offset=TS1-TM1-△t（初值為0）

調整時間：TS=TS1-Offset=TM1+△t

此時把系統時間修改為TS，與主時鐘相差傳輸延遲的時間△t。只要能準確計算△t，即可得到精確時鐘了。為此PTP協議中專門通過延時請求報文和延時響應報文來計算傳輸延遲的時間Delay。為了提高修正精度，可以把主時鐘到從時鐘的報文傳輸延遲等待時間考慮進來，即延遲測量，這是第二個階段。

1.2 延遲測量

從時鐘向主時鐘發出一個延時請求報文，在這個過程中決定該報文傳遞準確時間TS3。主時鐘對接收報文打上一個時間戳，然后在延遲響應報文中把接收時間戳TM3送回到從時鐘。根據傳遞時間戳TS3和主時鐘提供的接收時間戳TM3，從時鐘計算與主時鐘之間的延遲時間。與偏移測量不同，延遲測量是不規則進行的，其測量間隔時間（4～60秒之間的隨機值）比偏移測量間隔時間要大。這樣使得網絡尤其是設備終端的負荷不會太大，如圖2所示。

圖2 延遲測量報文交換示意圖

計算如下：

假設報文由主到從所用的時間與由從到主所用的時間相同，所以

△t=TS2-TM2+（TM3-TS3）/2

當從時鐘收到TM4同步報文時

Offset=TS4-TM4-△t

此時從時鐘更新為TS=TM4+△t，時鐘就和主時鐘一致了。

2 數字化變電站時鐘同步方案

為便于對同步過程的掌控，對IEEE 1588的站內應用做出幾點限制：1)過程層、間隔層以及變電站層設備只作為對時網絡末節點，扮演從時鐘角色；2)通信網絡中的交換機或路由器作為從時鐘參與整個對時過程；3)設置專用根時鐘(GC)作為整個對時網絡的時鐘參考源，該根時鐘可以有多個網口，但不是交換機或路由器。經過上述限制，數字化變電站對時網絡的層次變得清晰，功能明確，通用性更強[4]。

本文以過程網絡和站級網絡相互獨立為例，如圖3（圖中未畫冗余網絡），基于上述限制，站級網絡對時和過程網絡對時也將被隔開。

圖3 過程網絡與站級網絡相互獨立的變電站通信網絡結構

方案一：過程網絡和站級網絡都采用IEEE1588同步方案

如圖4(a)所示，專用GC分別連接到過程網絡與站級網絡。GC接入過程網絡與站級網絡中的交換機，對時報文在GC與從時鐘間進行交互，完成對時。此方法需要全站過程層和間隔層設備的以太網芯片、變電站層計算機的網卡以及通信網絡中的交換機或路由器都支持 IEEE1588硬件對時，投資較大，但全站設備都能實現高精度時鐘同步。

方案二：過程網絡采用IEEE1588，站級網絡采用SNTP同步方案

如圖4(b)所示，SNTP服務器通過一個支持IEEE 1588的網口與GC對時，通過另一個不需要支持IEEE 1588的網口接入站級網絡，以SNTP方式對變電站層設備對時。過程網絡的對時方法與方案一相同。此處的SNTP服務器可以和GC優化成一個時鐘服務器，該時鐘服務器一個網口以SNTP對時，一個網口以IEEE 1588對時，這樣可以優化功能配置，節省投資。此方法針對變電站層設備對時鐘同步精度要求較低的特點，省去了變電站層計算機網卡以及站級網絡中的交換機或路由器對IEEE 1588的支持，將功能實現與經濟性很好地結合在了一起。

圖4 數字化變電站對時方案

3 IEEE1588在數字化變電站應用中的相關問題

3.1 網絡傳輸的延遲

上文中分析IEEE1588的同步原理時，假設報文由主到從與由從到主所用的時間相同，實際上這個假設并不成立，網絡延時的不確定性和不對稱性對對時精度會產生影響。IEEE1588采用邊界時鐘來解決這個問題，它通過給網絡元件加一個時鐘，并與主時鐘保持同步，從而消除網絡元件延時抖動。它直接接收主時鐘報文，與主時鐘的傳輸延時不存在排隊和存儲問題，所以需要分支時使用帶邊界時鐘的網絡元件。

與普通時鐘不同，邊界時鐘有很多端口，其中一個端口做從時鐘，其它端口做主時鐘，形成時鐘的分級拓撲，邊界時鐘的同步性能不會受網絡負載影響。

3.2 時鐘的不穩定性

一般，不同網絡節點上的時鐘采用的晶振不一樣，環境等因素也會對晶振產生影響，因此每個節點上時鐘的原始運行速度相差較大。假設晶振的精度為10ppm，則兩個節點上時鐘在同步周期內（假設為2秒）產生的偏差最大可達到10×10-6×2×2=40μs。如果考慮不同節點時鐘采用不同頻率的晶振，由于定時器分頻帶來的偏差，實際的偏差可能會更大。

針對這種情況，除了選擇性能優越的晶振以外，還可采用軟件補償的方法，如時鐘速率調節算法等。

3.3 同步精度的極限條件

4 總結

數字化變電站對時鐘同步的要求很高，尤其是過程層網絡，IEEE1588能夠實現亞微秒級的對時精度，對數字化變電站的發展具有重大的意義。本文主要介紹了IEEE1588的同步原理，數字化變電站的同步方案和IEEE1588應用于數字化變電站中出現的有關問題，希望對具體的工程應用有所幫助。

[1]劉慧源,郝后堂,李延新,等.數字化變電站同步方案分析[J].電力系統自動化,2009,33(3):55-58

[2]IEC 61850-5,Communication networks and systems in substations,part 5:Communication requirements for functions and device models[S].2003.

[3]IEEE.IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S].IEEE,New York ANSI/IEEE Std,2002:1588-2002.

[4]趙上林,胡敏強,竇曉波,等.基于IEEE 1588的數字化變電站時鐘同步技術研究[J].電網技術,2008,32(21):97-102.

[5]Roland Holler,Georg gaderer,Hannes Muhr and Nikolaus Kero,Chip-Design Building Blocks for Precision Clock Synchronization,IEEE1588 Annual,2005.