淺析IEEE 1588 PTP在智能電網中的應用

呂保強+溫金寶

摘 要：IEEE 1588PTP（Precision Time Protocol，PTP）具有良好的時間同步精度，在自現代工業控制、電力系統等領域獲得了越來越多的應用。研究了IEEE 1588在智能電網中的應用，探討了PTP在智能電網中的應用方案，分別給出了基于PTP協議的主站和子站系統同步方案。

關鍵詞：IEEE 1588 PTP；電力系統；智能電網；時鐘同步

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.161

智能電網依賴于時間同步進行電網調度、故障分析以及進行新型的實時監測控制系統，比如電網的實時監測系統（OPS）、電網的分析和控制系統（WARMAP）等。目前，在電網中廣泛應用的時間同步協議主要有GPS同步脈沖對時、NTP、SNTP等協議。隨著電網的迅速發展，使得電力系統內二次硬接線逐漸被串行通信線所取代，GPS同步技術已不適用于智能化的電網系統，而NTP/SNTP協議的時間同步精度僅為ms級，不能滿足具有高精度和高穩定性要求的電力自動化設備的需求。

IEEE 1588 PTP協議于2002年被提出，它定義了一種用于分布式測量和控制系統的精密時間協議。該協議是針對工控和測量等領域的精密時鐘同步協議，能提供亞微秒級的時間同步精度，滿足電力系統自動化設備對時間精度的要求，且所占用網絡和硬件資源較少。因此，研究將PTP應用于智能電網中的方法具有十分重要的意義。

1 PTP同步時鐘

PTP系統是分布式網絡系統， PTP同步時鐘包括普通時鐘OC（Ordinary Clock）、邊界時鐘 BC（Boundary Clock）和透明時鐘 TC（Transparent Clock）。其中，普通時鐘OC可能是系統的最高級主時鐘，也可能是主從時鐘體系中的從時鐘；邊界時鐘BC被PTP設備用來網絡間彼此的通信，PTP協議運行于域的邏輯范圍內；透明時鐘TC由端到端透明時鐘（E2E TC）與對等透明時鐘（P2P TC）組成。

2 PTP時鐘同步過程

IEEE1588定義了四種同步報文Sync、Follow_up、Delay_Request、Delay_Response和一組管理報文。為了簡化問題，首先考慮主時鐘（Master）與從時鐘（Slave）間的同步過程：①Master向Slave發送Sync報文，并記錄發送時間t1，Slave記錄接收Sync的時間t2；②Master發送Sync報文之后，立即向Master發送攜帶有t1的Follow_Up報文，計算接收Sync報文的本地時間t2與Follow_Up報文中的時間t1的差異，作為主從時鐘的偏移量；③為了修正傳輸延時，Slave向主時鐘發送Delay_Req報文，并記錄發送時間t3；④Master接收到該報文后，記錄接收時間t4，并回復Slave含有t4的Delay_Resp報文。此時，Slave便擁有了t1～t4這四個時間，由此便可計算出主、從時鐘之間的傳輸延時。

3 PTP時鐘同步在智能電網中的應用方案

智能電網系統是一種典型的大型分布式應用系統，可準確監控系統的各種事件狀態，依賴于系統內的時間同步和各個電力設備之間的高精度時間同步。因此，在智能電網內部，設計了基于IEEE 1588PTP時間同步應用方案，從而提高整個系統的時間同步精度。

3.1 主站系統的PTP時鐘同步方案

主站系統是以網絡作為系統的信息交換媒介，采用PTP可以獲得高精度授時，可實現全網的時間同步。目前，電力系統通信廣域網采用SDH和ATM接入可以確保信道的帶寬，實現延遲的可預估，便于PTP時間同步系統計算出時鐘偏移（offset），從而校正時鐘。

電力廣域網構成的主站授時系統作為備用系統，可保證整個主站系統的可靠運行。設計主站的PTP時間同步系統至少配置2種不同的時鐘源。在PTP時間同步系統中，采用雙時鐘源和主、備方式運行，從而提高系統的時間同步精度，且PTP可自動校正線路的距離，極大地簡化了站點內部各個設備之間時間的分配和同步。

3.2 子站系統的PTP時鐘同步方案

子站系統具有時間同步精度高、性能可靠等特點，且可直接控制智能電網的運行。因此，在子站系統中應選擇PTP進行時間同步，可以使用多種方式為電力自動化設備提供時間同步，實現子站系統的高精度時間同步和良好的穩定性。

根據子站系統運行的特點，給出了子站系統的PTP時間同步設計方案：①最簡單的配置方案。該方案適合用于時鐘與被授時裝置距離比較近的子站系統中。其中，Master的時間信號接收器能夠根據子站的重要性進行配置，將較重要的子站配置成雙時鐘源的模式。②主從時鐘配置方案。該方案適合用于許多電力設備進行時間同步的子站系統中。其中，采用二級時鐘作為從時鐘，從而為授時裝置提供多路時間同步輸出端口。

4 結束語

IEEE 1588PTP作為一種時鐘同步精度達?s級的精密時間協議標準，在智能化電網的建設中具有重要意義。本文介紹了PTP在智能電網中的應用方案。在綜合理論研究的基礎上，分析并指出了在智能電網中采用PTP協議作為時間同步方案是可行的。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕