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3 基于IEEE 1588 的变电站时钟同步技术研究3.1 引言本文根据前文对IEC 61850标准体系的介绍，国内外学者经过多年的研究与分析，最终提出了要构建数字化变电站的设想21-23，与常规的变电站相比，数字化变电站采取的是电子式电流/电压互感器，而没有选择传统的电流/电压互感器。数字化的变电站不仅显著地提高了数据的实时性，同时还实现了数据信息的实时共享。目前，按照功能的具体要求，在当前的IEC 61850 标准中，人们将智能电子设备的时钟精度分为了五个不同的等级，从低到高依次为T1-T5，其中，T5 等级的精度已经高达1s24。然而，在数字化的发展大趋势下，近年来，变电站的二次硬接线逐渐地被串行通信线索替代，基于此，IEC 61850 标准专门选择了最为简单的网络时间协议来作为网络的对时协议，其中，网络时间协议的英文缩写为SNTP。从本质上来说，SNTP是互联网网络时间协议的一个特殊类型，在网络结构不变的情况下， 互联网网络时间协议也即NTP 的对时精度可到达T1的等级也就是说，NTP的对时精度可达到1ms。除此之外，广域网的误差也可缩小至10100ms25-27。尽管NTP/SNTP的网络应用体系已经较为完善，然而，当前该体系要想实现T3的精度等级还不大可能。2002年，研究人员对外发布了IEEE 1588的标准，该标准中明确提出了一种新型的紧密时间协议，即PTP，该协议主要应用于分布式的测量领域，网络的对时精度可高达亚s级28，因此，该标准一经发布就受到了通信与自动化等领域的广泛关注。与此同时，国外的 Altera等公司也开始致力于对IEEE 1588标准硬件产品的开发研究，经过多年的研究与完善，目前，IEEE 1588 标准的体系已经趋向于成熟，据有关部门表现，该标准的第 2 版将于2008年正式对外公布。鉴于IEEE 1588分布式网络的对时特征， IEC TC57的第 10 工作组打算在以太网芯片发展成熟之际，将IEEE 1588引入到IEC 61850中29。由此可见，IEEE 1588 的研究在数字化变电站中具有至关重要的作用。3.2 IEEE 1588 精密时钟同步协议3.2.1 时钟同步原理事实上，美国的Agilent 实验室是最早提出IEEE 1588标准体系的，该体系的建设最初是用来测量与控制分布式系统的，凡是能够支持多播报文传输的局域网都可以应用该协议，本文就以太网展开具体的分析。PTP 系统主要通过主从层次式的结构来同步时钟，如图3-1所示，为PTP的实现机制：图 3-1 PTP原理由上图可知，T1 表示的是主端发送同步报文的时间，T2 表示的是从端接收传输来的同步报文的时间，T3表示的是从端发送延迟请求报文的时间，T4 表示的是主端接收延迟请求报文的时间。而关于主从时钟间的偏移量TOffset和传输延迟TDelay，其计算公式如下（3-1）式和（3-2）式： （3-1） （3-2）3.2.2 PTP时钟模型从时钟结构的角度来看，我们将PTP 系统的时钟分为了两类，其一为边界时钟，即BC，其二为普通时钟，即OC，从功能的角度来看，我们将PTP系统的时钟也分为了两类，其一为从时钟，其二为主时钟，其中，BC是有着若干个不同PTP 端口的智能设备，而OC是只有一个PTP 端口的终端设备，时的对时源端或终端设备。图3-2 PTP普通时钟模型由上图可知，该图中明确地给出了OC 的模型，目前，PTP的普通时钟模型主要由两部分组成，其一为硬件电路，其二为应用软件，除此之外，如图3-2所示，为PTP的普通时钟模型，该图中的MAC Core表示的是网络硬件的介质访问控制部分，MII表示的是网络硬件的介质独立接口，而PHY Core表示的是网络硬件的物理层部分。值得注意的是，本文不将硬件电路的组成列入标准讨论的范围，按照PTP纪元的时间，我们将时钟设计为32位整数s加32位分数s，该时钟是由单一的振荡器来触发的，该系统在主从层次上的结构由最佳主时钟算法来决定，最佳主时钟算法是独立运行在不同的时钟中的，时钟与时钟之间不会事先协商，由此可见，时标的单元是实现PTP系统高精度对时的关键要素，PTP事件报文的时标点首先通过时钟的时标点，然后传输到报文的检测模块，最终触发时标的记录，系统自动存储精确的时标数据，以便之后应用程序的处理。值得注意的是，我们还可通过时钟所存储的信息或报文中的信息，利用数据集的比较算法来判断不同信息的质量。3.2.3 对时误差分析从理论上来说，IEEE 1588的对时精度可达到亚s 级，然而，在实际的应用中，由于存在对时的误差，该体系的对时精度往往达不到理想的效果，因此，本文对影响IEEE 1588 对时误差的因素进行了详细的分析，并将其归为两类，其一为振荡器的频率误差，其二为网络延迟的误差，主要内容如下所示：（1）振荡器频率误差。一般而言，振荡器主要是由石英晶体组成的，而石英晶体容易受到外界温度等的影响，其中，一个未补偿的石英晶体的振荡器温度指标可达到110-6/，在同步间隔为2秒，温度变化为1摄氏度的情况下，系统会产生2微妙左右的延迟误差。作为对时的上中游环节，GC 和 BC振荡器频率的稳定度在很大程度上影响着系统的对时精度，因此，在控制振荡器的频率误差时，我们需要从同步间隔的选择、价格以及振荡器稳定度等因素之间做出一个权衡。（2）网络延迟误差。在网络的对时过程中，网络延时的误差也会极大地影响到对时的精度，为了解决这一问题，IEEE 1588选择BC作为对时的中间环节，如图 3-2所示，当BC的数量比较多时，我们可将其构成一个控制环的级联，而这样做的坏处在于增加了系统的不稳定性，基于此，我国的曾庆禹30提出了旁路时钟这一解决方案。与BC不同，旁路时钟主要是通过计算事件报文的处理时间来弥补多环级联的不稳定性。3.3 IEEE 1588 在变电站内的应用案例分析事实上，IEEE 1588要想实现高精度的时钟同步，首先得获得大量的硬件资源，因此，它在变电站中要想获得广泛的应用，首先得根据变电站的自身特点，再结合经济性的要求来实施具体的过程。在IEC 61850 的标准体系中，从功能的角度来看，我国一般将变电站分为如下3层，分别是：（1）变电站层；（2）间隔层；（3）过程层，其中，变电站层对对时精度的要求比较低，只需达到ms级即可，而其他的两层的同步精度需要达到s 级31。目前，IEEE 1588 选择的是网络对时方式，因此，不同的网络拓扑结构对标准的影响是比较大的，如图3-3所示，为过程网络与站级网络相互独立的变电站通信网络结构，图中的虚线表示的是冗余网络，而虚线框表示的是相关的设备。3.3.1 IEEE 1588 的全站应用方案(a) 分段过程总线 (b) 单一过程总线图3-3 过程网络与站级网络相互独立的变电站通信网络结构(a) 分段过程总线 (b) 单一过程总线图 3-4 采用全站单一网络的变电站通信网络结构为了实时地掌握同步的过程，本文对IEEE 1588 的站内应用进行了如下几方面的设计，分别是： 1）选择专门的GC作为网络时钟的参考源，其中，该GC具有若干个不同的网口；2）过程层、变电站层与间隔层只充当从时钟的角色；3）通信网络中的路由器作为从时钟，并且参与到对时的全过程。经过上述的设计，数字化变电站的对时网络层次就显得比较清晰，如图 3-5 所示，为独立过程网络全站 IEEE 1588 应用结构图：(a) 全 IEEE 1588 对时 (b) IEEE 1588+SNTP 对时图 3-5 独立过程网络全站 IEEE 1588 应用结构（1）如图 3-5(a)所示，本文选择了专用的GC来进行高精度的对时，并将其连接到站级网络与过程网络32，其中，对时报文通过BC与从时钟发生交互，从而顺利地完成对时。该方法在实施过程中不仅需要过程层与间隔层的以太网芯片，还需要利用到变电站层的计算机网卡，因此，与其他的项目不同，该项目的投资比较大，然而，该方法也真正地实现了全站设备高精度的对时。（2）如图 3-5(b)所示，过程网络选择的是IEEE 1588 的对时方式，而SNTP的服务器采取的是 SNTP 的方式，通过这种方式来实现变电站层设备的对时33，其中，过程网络的对时方法与上文的（1）大致相同，此处的 SNTP 服务器可以和 GC 优化成一个时钟服务器，该时钟服务器一个网口以 SNTP 对时，一个网口以 IEEE 1588对时，这样可以优化功能配置，节省投资。该方法除了对变电站层设备的同步精度要求比较低外，还很好地将功能的实现与经济性结合在一起，如3-4(a)所示，图中的switch1、switch3 和 switch5 共同组成了一个环网结构，由于过程网络采取 IEEE 1588 对时，环网中的任一交换机都必须支持 IEEE 1588对时，此时若采用 IEEE 1588+SNTP 的对时方式，将只有变电站层计算机的网卡不需要支持 IEEE 1588，经济优势不明显。由此可见，对于单一通信的变电站而言， 通过IEEE 1588的对时是最为合理的一种方式，如图3-3(b)所示，其对时的方法与上图的类似，不同之处在于过程网络中的BC数量极大地减少了，而单一过程总线对通信效率的要求是比较高的，而这种方式可以降低时延对同步间隔的干扰程度，确保设备时钟的同步。3.3.2 IEEE 1588设备在PTP网络中的配置方案IEEE1588在 PTP的整个网络中配置情况依据网络交换机的设备与性能的区别可分成中可分为两种方案，它们分别如图 3-6 所示和如图 3-7 所示。图 3-6 边界时钟网络结构图如图 3-6 所示，如果把IEEE1588 看做主时钟的设备，则网络交换机就是从时钟；但是如果IEEE1588 被当成从时钟设备，网络交换机相对就变成了主时钟。配置边界的时钟 PTP 网络结构图中，内部既有从时钟端口，也有主时钟端口，它们的端口数量很多，而PTP 的时钟仅有一个 ，不过各个端口是能够共享的。所有智能的电子设备所接的端口都在网络交换机上的主时钟端口，这时时钟被认为是从时钟，但是与安装在网络交换机 上的PTP 时钟是同步的。在这种情况下的PTP 时钟可以对时，其对时的对象是上一级位于网络交换机中的 PTP 时钟。每一级都可以实现与上一级的对时，使得位于超主时钟内部的世界标准时就会成为过程层设备里面时钟的样板，全站的时间就可以取得同步的效果。该方案在原理上清晰，在结构上也简单，组网的层次很分明，在设备的定位以及检修上是非常方便的。IEEE1588 通过其标准协议确定了两种的透明时钟，即End-to-end端至端的和Peer-to-peer点到点的两种透明时钟（transparent clock）。这两种不同结构的透明时钟示意图详见图3-7。深入分析它们的网络结构图，可以知道透明时钟和PTP 时钟的端口都被包含在网络交换机中。透明时钟被看做主设备、从设备都是错误的34，它的功能就是接收PTP 事件的详细信息后再转发出去，同时 PTP 事件的具体信息也由其提供，修正时间通过了两个阶段来实现，首先，网络交换机校正了其驻留的时间值，然后以校正值为依据，网络之中报文传输时的精确时间被第二次地修正。图 3-7 透明时钟网络结构图IEEE的PSRC（即继保委员会）曾经修订了PTP 时钟的规范，他们认为在电力行业TC透明时钟的使用效果更好。IEC 61588新的实施规范具体规定了：在变电站的组网中，透明时钟是一种非常具有优良性方案。将透明时钟与边界时钟进行对比分析，发现其拥有以下几方面的优点35：（1）偏差的累积值小。通过图 3-6 可以发现，主时钟与其相对应各设备的分层是保持同步的。一般情况下，当有大的组网而且具有很多的分层时，相对于超主时钟，最底端的设备会发生时钟偏差，该偏差值会是很大的。因此，超主时钟和各个主时钟之间就有了一个时间上的偏差，这个偏差属于累积误差，数值较大，其发生的原因是每一层的偏差通过互相的积累而形成的。所以，对时远端设备要充分保证其精度，如果不能保证那就会造成不良的后果。分析图 3-7 所有的设备，可以知道它们是与超主时钟完全地同步，在此情况下累积误差就不可能发生。（2）网络信息极少的延迟。要达到同步新时钟的源信号目的，各层次每一级的主时钟都必须校正，包括最底层的设备。如此一来，全站要做到恢复同步的时间就很长。当变电站使用了透明时钟时，所有的设备和超主时钟实现了完全性的同步，PTP 事件的详细信息由主时钟来发出，各个设备可以实现迅速的转发，同步校正也能够得以实现。所以，透明时钟利用其独特的组网方式，既可以实现所有设备的分级同步，又能够及时修正来源于GPS与超主时钟之间时钟源的偏差。（3）组网方式具有很高的安全性与可靠性。IEEE1588一般排斥出现环网的，其组网模式在理论上必须保持一种树状的结构。无源时钟中的Passive Clock 状态被设置到网络交换机在透明时钟内部中少数的端口，这种情况是被包含在内的。依据图3-7 ，把网络交换机 2 的端口与3的端口连接后，依据Passive Clock设置了端口。如果超主时钟有故障发生，备用时钟也有其同步装置可以立即被切换。全网的时钟重新配置其端口状态时，可以采用BMC最佳主时钟的算法。网络交换机 1 的端口与3的端口连接后，也按照Passive Clock来设置端口。在图3-6 的方案实施中，当备用时钟使用其同步的装置时，网络交换机 2内部从时钟中的1端口就会被改为主时钟的端口。同时，网络交换机 1内部主时钟中的3 端口也就成为了从时钟的端口。此时，极大地改变了组网的端口状态及其整个结构。如此大幅度地改变组网结构，变电站的装置维护及其网络运行也会相应有很大的变化。但是依据图 3-7所示，其组网的主要结构以及设备时钟的端口没有发生显著的改变。3.4 变电站站间IEEE 1588 应用的案例分析电力系统一部分的功能需要变电站之间的时钟要一直保持其同步性，这包括有同步全网相量、对于线路的纵差保护实施动态的监测等，从这个全网的角度来说，IEEE 1588 的应用是具有必要性的。 下图中的变电站 1-N 与图 3-5中站级系统相对应，全网时钟要实现同步，存在着两种模式36，详见图 3-8的内容。（1）在模式 1中，如图 3-8(a)所示站与站之间时钟同步可由 GPS 实现。每个变电站在输出其绝对时间时，形成了串行数据，通过秒脉冲信号接入其变电站内部的GC(在图 3-5 中，有GC2与GC1 与GC相对应 )，利用了GPS来实现所有变电站的GC之间同步其时钟的任务目标。(a)GPS 同步(b) IEEE 1588 同步图3-8 全网IEEE 1588 的应用结构（2）在模式 2中，从图 4-8(b)可以看到，IEEE 1588 能够实现同步各站之间的时钟。在变电站1-N中，主站中IEEE 1588发生的繁荣对时需要被BC所接受(此处的 BC就是图3-5中对应的GC1与GC2)。比较上面的两幅图可发现，模式2是离不开全网级的通信网络提供的支持。分析这两种模式均存在着优点和缺点：1）在模式1中，全网时钟同步是由GPS来完成，运用IEEE 1588实现站内对时，相比GPS对时来说，IEEE 1588 需要必要的硬件，这就大大增加部分的投资。同时，在IEEE 1588和GPS之间存在的对时结构是2级的，总对时的误差就远远不如使用单一式GPS对时所产生的误差。不过其对时的结构比较简洁清晰。2）在模式2中，同步全网时钟的任务是由IEEE 1588来完成，各个变电站所安装的GPS接收机被删减下来了。从全网来看，在对时主站中，GPS仅仅具有绝对的参考时间的提供性能，即使损坏了卫星的通信网络，全网依然可实现时钟的同步。但其不足之处是大大增加了IEEE 1588 的硬件，其产生了较多的设备投资，这时对时网络不仅扩大了，而且其点也变多了，所以，需要组织严格测试起对时的精确度。经过以上对比的分析，我们发现模式1具有简单易行的特点，成为了使用的首选方案，在全网级逐步其提高对时精度、 IEEE 1588不断拓展其广域的通信网络情况下，在未来模式2也会有越来越多的应用。3.5 本章小结本章通过对全站与全网的分析，详细阐释了 IEEE 1588 的效果与应用方法，以便为今后 IEEE 1588 在工程上的应用积累丰富的经验和使用参考依据。而这些主要源于分散式同步网络时钟的新方案，在此新方案中亚s 级精度的IEEE 1588 被采用，它非常有利于智能变电站实现其数字化建设，为完成 IEC 61850达到T5 级对时精度的目标奠定了很好的技术基础，同时也展示了其良好的应用前景。