1、.3 基于IEEE 1588 的變電站時鐘同步技術研究3.1 引言本文根據前文對IEC 61850標準體系的介紹，國內外學者經過多年的研究與分析，最終提出了要構建數字化變電站的設想21-23，與常規的變電站相比，數字化變電站采取的是電子式電流/電壓互感器，而沒有選擇傳統的電流/電壓互感器。數字化的變電站不僅顯著地提高了數據的實時性，同時還實現了數據信息的實時共享。目前，按照功能的具體要求，在當前的IEC 61850 標準中，人們將智能電子設備的時鐘精度分為了五個不同的等級，從低到高依次為T1-T5，其中，T5 等級的精度已經高達1s24。然而，在數字化的發展大趨勢下，近年來，變電站的二次硬接線

2、逐漸地被串行通信線索替代，基于此，IEC 61850 標準專門選擇了最為簡單的網絡時間協議來作為網絡的對時協議，其中，網絡時間協議的英文縮寫為SNTP。從本質上來說，SNTP是互聯網網絡時間協議的一個特殊類型，在網絡結構不變的情況下， 互聯網網絡時間協議也即NTP 的對時精度可到達T1的等級也就是說，NTP的對時精度可達到1ms。除此之外，廣域網的誤差也可縮小至10100ms25-27。盡管NTP/SNTP的網絡應用體系已經較為完善，然而，當前該體系要想實現T3的精度等級還不大可能。2002年，研究人員對外發布了IEEE 1588的標準，該標準中明確提出了一種新型的緊密時間協議，即PTP，該協

3、議主要應用于分布式的測量領域，網絡的對時精度可高達亞s級28，因此，該標準一經發布就受到了通信與自動化等領域的廣泛關注。與此同時，國外的 Altera等公司也開始致力于對IEEE 1588標準硬件產品的開發研究，經過多年的研究與完善，目前，IEEE 1588 標準的體系已經趨向于成熟，據有關部門表現，該標準的第 2 版將于2008年正式對外公布。鑒于IEEE 1588分布式網絡的對時特征， IEC TC57的第 10 工作組打算在以太網芯片發展成熟之際，將IEEE 1588引入到IEC 61850中29。由此可見，IEEE 1588 的研究在數字化變電站中具有至關重要的作用。3.2 IEEE

4、1588 精密時鐘同步協議3.2.1 時鐘同步原理事實上，美國的Agilent 實驗室是最早提出IEEE 1588標準體系的，該體系的建設最初是用來測量與控制分布式系統的，凡是能夠支持多播報文傳輸的局域網都可以應用該協議，本文就以太網展開具體的分析。PTP 系統主要通過主從層次式的結構來同步時鐘，如圖3-1所示，為PTP的實現機制：圖 3-1 PTP原理由上圖可知，T1 表示的是主端發送同步報文的時間，T2 表示的是從端接收傳輸來的同步報文的時間，T3表示的是從端發送延遲請求報文的時間，T4 表示的是主端接收延遲請求報文的時間。而關于主從時鐘間的偏移量TOffset和傳輸延遲TDelay，其計

5、算公式如下（3-1）式和（3-2）式： （3-1） （3-2）3.2.2 PTP時鐘模型從時鐘結構的角度來看，我們將PTP 系統的時鐘分為了兩類，其一為邊界時鐘，即BC，其二為普通時鐘，即OC，從功能的角度來看，我們將PTP系統的時鐘也分為了兩類，其一為從時鐘，其二為主時鐘，其中，BC是有著若干個不同PTP 端口的智能設備，而OC是只有一個PTP 端口的終端設備，時的對時源端或終端設備。圖3-2 PTP普通時鐘模型由上圖可知，該圖中明確地給出了OC 的模型，目前，PTP的普通時鐘模型主要由兩部分組成，其一為硬件電路，其二為應用軟件，除此之外，如圖3-2所示，為PTP的普通時鐘模型，該圖中的MA

6、C Core表示的是網絡硬件的介質訪問控制部分，MII表示的是網絡硬件的介質獨立接口，而PHY Core表示的是網絡硬件的物理層部分。值得注意的是，本文不將硬件電路的組成列入標準討論的范圍，按照PTP紀元的時間，我們將時鐘設計為32位整數s加32位分數s，該時鐘是由單一的振蕩器來觸發的，該系統在主從層次上的結構由最佳主時鐘算法來決定，最佳主時鐘算法是獨立運行在不同的時鐘中的，時鐘與時鐘之間不會事先協商，由此可見，時標的單元是實現PTP系統高精度對時的關鍵要素，PTP事件報文的時標點首先通過時鐘的時標點，然后傳輸到報文的檢測模塊，最終觸發時標的記錄，系統自動存儲精確的時標數據，以便之后應用程序的

7、處理。值得注意的是，我們還可通過時鐘所存儲的信息或報文中的信息，利用數據集的比較算法來判斷不同信息的質量。3.2.3 對時誤差分析從理論上來說，IEEE 1588的對時精度可達到亞s 級，然而，在實際的應用中，由于存在對時的誤差，該體系的對時精度往往達不到理想的效果，因此，本文對影響IEEE 1588 對時誤差的因素進行了詳細的分析，并將其歸為兩類，其一為振蕩器的頻率誤差，其二為網絡延遲的誤差，主要內容如下所示：（1）振蕩器頻率誤差。一般而言，振蕩器主要是由石英晶體組成的，而石英晶體容易受到外界溫度等的影響，其中，一個未補償的石英晶體的振蕩器溫度指標可達到1×10-6/，在同步間隔為

8、2秒，溫度變化為1攝氏度的情況下，系統會產生2微妙左右的延遲誤差。作為對時的上中游環節，GC 和 BC振蕩器頻率的穩定度在很大程度上影響著系統的對時精度，因此，在控制振蕩器的頻率誤差時，我們需要從同步間隔的選擇、價格以及振蕩器穩定度等因素之間做出一個權衡。（2）網絡延遲誤差。在網絡的對時過程中，網絡延時的誤差也會極大地影響到對時的精度，為了解決這一問題，IEEE 1588選擇BC作為對時的中間環節，如圖 3-2所示，當BC的數量比較多時，我們可將其構成一個控制環的級聯，而這樣做的壞處在于增加了系統的不穩定性，基于此，我國的曾慶禹30提出了旁路時鐘這一解決方案。與BC不同，旁路時鐘主要是通過計算

9、事件報文的處理時間來彌補多環級聯的不穩定性。3.3 IEEE 1588 在變電站內的應用案例分析事實上，IEEE 1588要想實現高精度的時鐘同步，首先得獲得大量的硬件資源，因此，它在變電站中要想獲得廣泛的應用，首先得根據變電站的自身特點，再結合經濟性的要求來實施具體的過程。在IEC 61850 的標準體系中，從功能的角度來看，我國一般將變電站分為如下3層，分別是：（1）變電站層；（2）間隔層；（3）過程層，其中，變電站層對對時精度的要求比較低，只需達到ms級即可，而其他的兩層的同步精度需要達到s 級31。目前，IEEE 1588 選擇的是網絡對時方式，因此，不同的網絡拓撲結構對標準的影響是比

10、較大的，如圖3-3所示，為過程網絡與站級網絡相互獨立的變電站通信網絡結構，圖中的虛線表示的是冗余網絡，而虛線框表示的是相關的設備。3.3.1 IEEE 1588 的全站應用方案(a) 分段過程總線 (b) 單一過程總線圖3-3 過程網絡與站級網絡相互獨立的變電站通信網絡結構(a) 分段過程總線 (b) 單一過程總線圖 3-4 采用全站單一網絡的變電站通信網絡結構為了實時地掌握同步的過程，本文對IEEE 1588 的站內應用進行了如下幾方面的設計，分別是： 1）選擇專門的GC作為網絡時鐘的參考源，其中，該GC具有若干個不同的網口；2）過程層、變電站層與間隔層只充當從時鐘的角色；3）通信網絡中的路

11、由器作為從時鐘，并且參與到對時的全過程。經過上述的設計，數字化變電站的對時網絡層次就顯得比較清晰，如圖 3-5 所示，為獨立過程網絡全站 IEEE 1588 應用結構圖：(a) 全 IEEE 1588 對時 (b) IEEE 1588+SNTP 對時圖 3-5 獨立過程網絡全站 IEEE 1588 應用結構（1）如圖 3-5(a)所示，本文選擇了專用的GC來進行高精度的對時，并將其連接到站級網絡與過程網絡32，其中，對時報文通過BC與從時鐘發生交互，從而順利地完成對時。該方法在實施過程中不僅需要過程層與間隔層的以太網芯片，還需要利用到變電站層的計算機網卡，因此，與其他的項目不同，該項目的投資比

12、較大，然而，該方法也真正地實現了全站設備高精度的對時。（2）如圖 3-5(b)所示，過程網絡選擇的是IEEE 1588 的對時方式，而SNTP的服務器采取的是 SNTP 的方式，通過這種方式來實現變電站層設備的對時33，其中，過程網絡的對時方法與上文的（1）大致相同，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。該方法除了對變電站層設備的同步精度要求比較低外，還很好地將功能的實現與經濟性結合在一起，如3-4(a)所示，圖中的switch1、switch3 和 switch5

13、 共同組成了一個環網結構，由于過程網絡采取 IEEE 1588 對時，環網中的任一交換機都必須支持 IEEE 1588對時，此時若采用 IEEE 1588+SNTP 的對時方式，將只有變電站層計算機的網卡不需要支持 IEEE 1588，經濟優勢不明顯。由此可見，對于單一通信的變電站而言， 通過IEEE 1588的對時是最為合理的一種方式，如圖3-3(b)所示，其對時的方法與上圖的類似，不同之處在于過程網絡中的BC數量極大地減少了，而單一過程總線對通信效率的要求是比較高的，而這種方式可以降低時延對同步間隔的干擾程度，確保設備時鐘的同步。3.3.2 IEEE 1588設備在PTP網絡中的配置方案I

14、EEE1588在 PTP的整個網絡中配置情況依據網絡交換機的設備與性能的區別可分成中可分為兩種方案，它們分別如圖 3-6 所示和如圖 3-7 所示。圖 3-6 邊界時鐘網絡結構圖如圖 3-6 所示，如果把IEEE1588 看做主時鐘的設備，則網絡交換機就是從時鐘；但是如果IEEE1588 被當成從時鐘設備，網絡交換機相對就變成了主時鐘。配置邊界的時鐘 PTP 網絡結構圖中，內部既有從時鐘端口，也有主時鐘端口，它們的端口數量很多，而PTP 的時鐘僅有一個 ，不過各個端口是能夠共享的。所有智能的電子設備所接的端口都在網絡交換機上的主時鐘端口，這時時鐘被認為是從時鐘，但是與安裝在網絡交換機 上的PT

15、P 時鐘是同步的。在這種情況下的PTP 時鐘可以對時，其對時的對象是上一級位于網絡交換機中的 PTP 時鐘。每一級都可以實現與上一級的對時，使得位于超主時鐘內部的世界標準時就會成為過程層設備里面時鐘的樣板，全站的時間就可以取得同步的效果。該方案在原理上清晰，在結構上也簡單，組網的層次很分明，在設備的定位以及檢修上是非常方便的。IEEE1588 通過其標準協議確定了兩種的透明時鐘，即End-to-end端至端的和Peer-to-peer點到點的兩種透明時鐘（transparent clock）。這兩種不同結構的透明時鐘示意圖詳見圖3-7。深入分析它們的網絡結構圖，可以知道透明時鐘和PTP 時鐘的

16、端口都被包含在網絡交換機中。透明時鐘被看做主設備、從設備都是錯誤的34，它的功能就是接收PTP 事件的詳細信息后再轉發出去，同時 PTP 事件的具體信息也由其提供，修正時間通過了兩個階段來實現，首先，網絡交換機校正了其駐留的時間值，然后以校正值為依據，網絡之中報文傳輸時的精確時間被第二次地修正。圖 3-7 透明時鐘網絡結構圖IEEE的PSRC（即繼保委員會）曾經修訂了PTP 時鐘的規范，他們認為在電力行業TC透明時鐘的使用效果更好。IEC 61588新的實施規范具體規定了：在變電站的組網中，透明時鐘是一種非常具有優良性方案。將透明時鐘與邊界時鐘進行對比分析，發現其擁有以下幾方面的優點35：（1

17、）偏差的累積值小。通過圖 3-6 可以發現，主時鐘與其相對應各設備的分層是保持同步的。一般情況下，當有大的組網而且具有很多的分層時，相對于超主時鐘，最底端的設備會發生時鐘偏差，該偏差值會是很大的。因此，超主時鐘和各個主時鐘之間就有了一個時間上的偏差，這個偏差屬于累積誤差，數值較大，其發生的原因是每一層的偏差通過互相的積累而形成的。所以，對時遠端設備要充分保證其精度，如果不能保證那就會造成不良的后果。分析圖 3-7 所有的設備，可以知道它們是與超主時鐘完全地同步，在此情況下累積誤差就不可能發生。（2）網絡信息極少的延遲。要達到同步新時鐘的源信號目的，各層次每一級的主時鐘都必須校正，包括最底層的設

18、備。如此一來，全站要做到恢復同步的時間就很長。當變電站使用了透明時鐘時，所有的設備和超主時鐘實現了完全性的同步，PTP 事件的詳細信息由主時鐘來發出，各個設備可以實現迅速的轉發，同步校正也能夠得以實現。所以，透明時鐘利用其獨特的組網方式，既可以實現所有設備的分級同步，又能夠及時修正來源于GPS與超主時鐘之間時鐘源的偏差。（3）組網方式具有很高的安全性與可靠性。IEEE1588一般排斥出現環網的，其組網模式在理論上必須保持一種樹狀的結構。無源時鐘中的Passive Clock 狀態被設置到網絡交換機在透明時鐘內部中少數的端口，這種情況是被包含在內的。依據圖3-7 ，把網絡交換機 2 的端口與3的

19、端口連接后，依據Passive Clock設置了端口。如果超主時鐘有故障發生，備用時鐘也有其同步裝置可以立即被切換。全網的時鐘重新配置其端口狀態時，可以采用BMC最佳主時鐘的算法。網絡交換機 1 的端口與3的端口連接后，也按照Passive Clock來設置端口。在圖3-6 的方案實施中，當備用時鐘使用其同步的裝置時，網絡交換機 2內部從時鐘中的1端口就會被改為主時鐘的端口。同時，網絡交換機 1內部主時鐘中的3 端口也就成為了從時鐘的端口。此時，極大地改變了組網的端口狀態及其整個結構。如此大幅度地改變組網結構，變電站的裝置維護及其網絡運行也會相應有很大的變化。但是依據圖 3-7所示，其組網的主

20、要結構以及設備時鐘的端口沒有發生顯著的改變。3.4 變電站站間IEEE 1588 應用的案例分析電力系統一部分的功能需要變電站之間的時鐘要一直保持其同步性，這包括有同步全網相量、對于線路的縱差保護實施動態的監測等，從這個全網的角度來說，IEEE 1588 的應用是具有必要性的。 下圖中的變電站 1-N 與圖 3-5中站級系統相對應，全網時鐘要實現同步，存在著兩種模式36，詳見圖 3-8的內容。（1）在模式 1中，如圖 3-8(a)所示站與站之間時鐘同步可由 GPS 實現。每個變電站在輸出其絕對時間時，形成了串行數據，通過秒脈沖信號接入其變電站內部的GC(在圖 3-5 中，有GC2與GC1 與GC相對應 )，利用了GPS來實現所有變電站的GC之間同步其時鐘的任務目標。(a)GPS 同步(b) IEEE 1588 同步圖3-8 全網IEEE 1588 的應用結構（2）在模式 2中，從圖 4-8(b)可以看到，IEEE 1588 能夠實現同步各站之間的時鐘。在變電站1-N中，主站中IEEE 1588發生的繁榮對時需要被BC所接受(此處的 BC就是圖3-5中對應的GC1與GC2)。比較上面的兩幅圖