一起智能變電站時間同步裝置故障引起的網絡故障分析

【摘要】：在智能變電站中，時間同步系統為全站智能設備提供一個準確、安全、可靠的時鐘源。為了滿足在智能變電站數字采樣模式對時間同步系統提出的精度要求，在實際應用中，采用了IEEE1588的方式進行對時，IEEE1588對時可采用點對點及交換機方式。本文以一次時間同步裝置故障導致的過程層網絡中斷故障為例，分析了采用IEEE1588交換機對時方式的時間同步裝置在時間同步裝置發生故障，會對過程層交換機造成影響，進而造成網絡的癱瘓。

【關鍵詞】：智能變電站；時間同步；過程層；網絡；

【引言】：

智能變電站高度依賴網絡通信，雖然為了可靠性，重要保護都采用直采直跳的方式，但依然有很多功能的實現十分依賴過程層網絡。

比較重要的功能有：保護間220kV線路間隔起母差失靈信號、母差起線路間隔遠跳信號、主變解母線復壓閉鎖信號，失靈聯調主變三側信號等；采用網絡跳閘的保護，保護跳閘信號；綜合自動化系統的遙控、遙調命令執行、遙測、遙信數據的采集。

智能變電站的時鐘同步裝置，除了具有常規變電站時間同步裝置所具有的為故障錄波分析、SOE報文、測控數據提供穩定時鐘源的作用外，還具有為合并單元提供采樣時間的作用，直接影響到了保護采樣的同步性，具有更重要的地位。

本文以一起時間同步裝置故障引起的網絡故障分析，分析時間同步裝置在極端情況下是如何影響網絡穩定性的，希望能進一步引起對時鐘同步裝置的關注。

1、原理分析

1.1 IEEE1588對時方式

智能變電站過程層設備一般采用IEEE1588對時方式

IEEE1588對時方式采用的是主從模式（Master-Slave），主要依靠同步報文進行時鐘同步。

主要有以下四種報文類型。

（1）同步報文；

（2）跟隨報文；

（3）延時測量報文；

（4）延時回應報文。

IEEE 1588對時過程間圖1所示，包含時刻偏移值計算以及傳輸延時值計算方法。偏移計算是指計算時鐘裝置、對時設備之間的時間偏差值，從而在從時鐘上補償這些偏差；傳輸延時計算是指確定時鐘裝置、對時設備間數據報文傳輸的網絡延時。

時鐘裝置發送同步報文采用多播方式，以固定周期（常用設置是2s）向網絡上的對時裝置發送同步報文。同步報文發送出時鐘裝置端口時，增加了報文的發送時間t1信息，從時鐘端口收到同步報文時，添加了報文的接收時間t2。時鐘裝置在網絡上廣播跟隨報文，添加了同步報文的發送時間，從時鐘在接收到的跟隨報文中獲取這個t1值。最后，從時鐘還會向時鐘裝置發送延時回應報文，添加了報文的發送時間t3信息；時鐘裝置接收到延時回應報文后記錄下收到報文的時間t4，再次向從時鐘回復一個延時測量報文，并且在延時處理報文中包添加收到延時回應報文的時間t4。

計算出時鐘裝置、對時設備之間的偏差值，就可以通過調節從時鐘的算法來調節從時鐘。另外，為了避免時鐘裝置、對時設備內部網絡協議棧處理延遲不確定性的影響，IEEE 1588采用硬件獲取時標的方法，在接近物理層的位置獲取時間標簽，這種方法也是IEEE 1588具有很高對時精度的原因之一。這種方法具有兩種模式：點對點模式和經交換機的網絡模式。

點對點模式就是用光纖對時鐘裝置、對時設備進行連接，由于在光纖上報文的傳播時間T1是相等的，這種模式具有很高的時鐘同步精度，同步原理如圖2所示。

經交換機的模式是將時鐘裝置、對時設備接入過程層網絡，依靠交換機交換報文。由于交換機流量和內部排隊機制的影響，網絡傳輸延遲的不確定程度增大了，因此為了彌補這種不確定性，就要對傳輸路徑進行分段測量和修正。同時，為了獲得高精度的時鐘同步，對于接入時鐘裝置、對時設備之間的交換機也提出了更高的要求。不僅要在每個端口設置獨立的硬件來獲取同步報文進入和離開交換機的時標，還要具備高精度的內部時鐘來測量同步報文在交換機內的駐留時間，這在一般普通的交換機上是無法實現的，因此，為了達到高精度的時鐘同步目的，就要采用符合IEEE 1588的新型交換機。這樣就可以將整個傳輸路徑分為三段，即時鐘裝置到交換機的時間T1、交換機內部的時間T2和交換機到從時鐘的時間T3。其中，T1和T3可以由時鐘裝置、對時設備和交換機之間的報文得到；T2是指同步報文在交換機內部的駐留時間，這個時間也可以通過IEEE 1588交換機內部的時鐘精確得到。這樣，從時鐘就可以從交換機計算出的T1、T2和交換機自身的駐留時間得到整個時鐘裝置、對時設備之間的傳輸延遲，并且對得到的時鐘延遲進行補償和修正。

1.2 中心交換機流量分析

在智能變電站中，過程層網絡一般采用雙網配置。在500kV系統中，一般采用SV、goose網絡分開的方式，有效地降低了交換機工作負荷。但在220kV部分，則采用SV、GOOSE合并組網的方式，過程層交換機數據量較大，尤其是220kV中心交換機。該網絡中心交換機的業務量在數據類型上，兼具了SV采樣、GOOSE開關量、等多種信號傳輸；在傳輸設備類型包括了保護裝置、數字化計量表計、智能終端、合并單元以及自動化設備（如故障錄波、繼電保護及故障信息子站、向量測量裝置等）；在涉及間隔上，又包含了母線、線路、主變、母聯（分段）等，是智能變電站流量壓力最大的交換機類型。

根據相關文獻顯示，220kV系統過程層網絡中心交換機的業務量一般能達到35%。

而根據運行經驗，當交換機業務量達到交換機數據吞吐能力的40%，可能造成交換機的數據擁堵。

2、故障實例

2.1故障發生及處理過程：

某變電站，某日出現過220kV程層設備大量出現通信中斷問題，并在10分鐘左右后自動復歸。檢查后，沒有發現無異常。一天后該變電站，再次出現過220kV過程層設備大量出現通信中斷問題，在10分鐘左右后復歸。專業人員再次檢查，仍未無異常。如此反復前后出現3次后，該問題被列入嚴重缺陷。經組織保護專業人員、系統集成廠家技術人員人員到現場檢查，調取歷史信息，裝置報文、分析問題，考慮到這些設備全部都經過220kV B網中心交換機，懷疑是該交換機故障，決定更換備用交換機機并重新配置。但在3天后再次出現過220kV程層設備大量出現通信中斷問題，還是在10分鐘左右后復歸。專業人員再次檢查，仍未無異常。

至此，基本可以排除排除交換機問題。

經技術人員討論決定對報文進行實時監控。在一星期的監控過程中，出現通信中斷問題3次，查看報文后，發現每次引起網絡堵塞的大量報文主要是對時系統發出的對時報文。經過對時間同步裝置進行檢查，發現裝置電源不穩定，存在不定時重新啟動的現象，當兩次重新啟動時間間隔小于1分鐘時，網絡就會出現大量設備通信中斷現象。

2.2故障產生過程分析

從IEEE1588對時原理可以看出，在時間同步裝置運行期間，與對時裝置（合并單元、智能終端）存在數據交換。

由于，在調試及設備投產驗收階段，時間同步裝置一直處于運行狀態，而對時裝置則是逐漸投入運行，在上文“原理分析”部分描述的對時報文互相發送過程不存在同時進行的問題。

但在時間同步裝置發生故障后，需要對時的設備一直處于自守時狀態，一直在等待時間同步裝置的同步報文。當時間同步裝置恢復正常后，這些對時設備會同時回應，并繼續對時過程。這時，對時報文產生的大量報文就會導致過程層交換機的流量增加。

而通過對220kV系統過程層網絡中心交換機的流量分析可知，該中心交換機的流量本來就極大，在短時間內對時報文的大量增加又進一步加重了交換機的負擔，網絡極易發生擁堵。。

在時間同步裝置反復故障的情況下，這一過程的累積，就造成了過程層交換機的癱瘓，進而連接在這一交換機上的裝置大面積出現“通信斷鏈”故障。

在時間同步裝置恢復正常一段時間后，隨著所有裝置的對時過程結束，對時報文數量逐漸減少，交換機慢慢就會恢復正常，斷鏈也會逐漸恢復。

3、建議解決方法

通過以上分析可得知， 在智能變電站如果采用IEEE1588經交換機的模式進行對時的話，可能出現由于對時系統故障導致過程層網絡中斷問題。

3.1建議解決方案

為解決這一隱患，我們可以從以下三個方面考慮：

3.1.1采用點對點模式對時，不要接入過程層網絡，從源頭上避免對時系統和過程層網絡的相互影響。

3.1.2 升級時間同步裝置，在程序中增加同時回應對時設備的數目上限，在同時收到對時設備數目超過上限時，延時對超過部分對時設備的報文進行回復。

3.1.3 在前期建設階段，對流量壓力較大的過程層中心交換機，選用采用性能較好的設備，在關鍵參數上預留更多的裕度。

3.2 方案比較

方案1的從源頭上避免了時間同步數據與過程層網絡的相互影響，但需要使用單獨的光纖通道，施工難度大，且被對時設備都需要有單獨的對時接口。另外，采用本方案后，系統的擴展也會受制于時間同步裝置自身對時接口的數量，成為以后間隔的擴展的制約因素。方案2不改變現有對時方式，但需要開發人員的配合，實施難度較大。所以，建議采用方案3，通過提高中心交換機的性能來解決這一問題。

結論

在網絡環境對時間同步系統正常工作有直接的影響外，時間同步裝置運行情況也會對網絡產生很大的影響，甚至造成過程層網絡的癱瘓，直接導致保護裝置閉鎖等嚴重故障，所以應提高對時間同步裝置的重視程度，這里提高裝置的性能，為智能變電站的進一步發展奠定基礎。

【參考文獻】：

[1] 張洪源，王倩.基于IEEE1588的數字化變電站時鐘同步技術的應用研究[C]. 西南交通大學，2010.

[2] 崔全勝，魏勇，何永吉，等..PTP1588協議的分析，電力系統保護與控制[J]. 2011，39（10）：148-154.

作者簡介：

王海龍，男，高級工程師，大學本科，主要從事電力系統繼電保護工作。