数字化变电站中通信设备时钟同步技术的研究

-.数字化变电站中通信设备时钟同步技术的研究卜宪德，何迎利，李守用（国网电力科学研究院，江苏省南京市，210003）摘要：介绍了数字化变电站通信设备采用的三种时钟同步技术，分析了优缺点。重点研究了数字化变电站时钟同步技术国际标准IEEE1588PTP精密时钟同步协议，分析了工作模式，结合实际情况，给出了数字化变电站通信设备时钟同步的解决方案，最后给出了对时钟同步系统的冗余考虑。0引言时钟同步系统是数字化变电站建设中的重要一环，无论是数字化变电站中间隔层的保护装置、测控装置，还是过程层的光电互感器、合并器都离不开同步信息，如何实现数字化变电站过程层、间隔层和站控层各设备的精确同步是必不可少的。在数字化变电站中数据信息的共享程度和数据的实时性将得到大幅度提高。IEC61850标准对智能电子设备的时钟精度功能要求划分为5个等级(Tl~T5)，其中用于计量的T5等级精度达到±lµs。1与时钟同步相关的技术目前数字化变电站内的时钟同步技术主要有GPS同步、SNTP简单网络时间协议同步以及IEEE1588PTP网络精确时间同步协议。下面就三种同步方式各自特点给以说明。目前全球定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS)在变电站自动化系统(SubstationAutomationSystem，SAS)中应用很多，GPS同步设备通过硬接线利用脉冲信号进行对，具有精度高、成本低的特点，其相关技术已很成熟。但对于站内其它设备和系统的对时，在通信协议和对时接口的兼容性上存在不足。随着变电站的数字化发展，站内二次硬接线被串行通信线所取代，为此IEC61850标准引入了简单网络时间协议(SimpleNetworkTimeProtocol，SNTP)作为网络对时协议。SNTP是互联网网络时间协议(NetworkTimeProtocol，NTP)的简化标准，在一定的网络结构下，NTP对时精度可达Tl等级(1ms)，广域网内误差范围为10~100ms。NTP/SNTP的网络应用虽然较成熟且方便，但是实现T3等级精度很困难。2002年IECTC57第10工作组引入了IEEE1588标准用于数字化变电站内通信设备的时钟同步。IEEE1588定义了一种用于分布式测量和控制系统的精密时间协议(PrecisionTimeProtocol,PTP)，其网络对时精度可达µs级，它具有高精度的分布式网络对时特点，其精度能够达到数字化变电站通信业务对时钟同步的要求。因此研究IEEE1588在数字化变电站中的具体应用具有重要意义。2IEEE1588PTP精密时钟同步协议[1]PTP系统中的时钟在结构上分为普通时钟(OrdinaryClock，OC)与边界时钟(BoundaryClock，BC)，功能上解释为主时钟与从时钟。OC为只有一个PTP端口的对时源端或终端设备，BC为有多个PTP端口的交换机、路由器或智能设备。系统中的源时钟称为根时钟(grandmasterclock，GC)。IEEE1588有三种工作模式：BC（BoundaryClock边界时钟模式）、TCE2E（EndtoEndTransparentClock）和TCP2P（PeertoPeerTransparentClock）。-.（1）BC（边界时钟）模式BC模式采用主从层次式结构来同步时钟，实现机制如下图所示。图中：T1为主端发送同步报文的时间；T2为从端收到同步报文的时间；T3为从端发送延迟请求报文的时间；T4为主端收到延迟请求报文的时间。这里假设同步报文的收到延迟与延迟请求报文的发送延迟相同，即路径是对称的。图1BC模式的主从层次式结构主从时钟间的偏移量Offset和传输延迟Delay的计算公式为：Delay＝((T2－T1)＋(T4－T3))/2Offset＝((T2－T1)－(T4－T3))/2BC模式的工作特点：a)必须内置高精度可调时钟源，以确保网络交换机PTP时钟的精确度。b)网络交换机分别作为主、从设备收发各种IEEE1588帧，其必须完全支持IEEE1588协议（包括管理报文等）。c)BC网络交换机时钟传递的方式是逐级传递，会产生时间误差积累。（2）TCE2E模式E2E模式中网络交换机并不传递时钟，它只是简单记录同步报文及延迟请求报文在交换机中的驻留时间，并且在后续报文的时间戳标记中把这部分时间扣除，其实现机制如下图所示。图中：ΔS是SYNC报文在交换机中的驻留时间，ΔR是Delay_Req报文在交换机中的驻留时间。主从时钟间的偏移量Offset和传输延迟Delay的计算公式为：Offset＝((T2－T1)－(T4－T3)－(ΔS－ΔR))/2Delay＝((T2－T1)＋(T4－T3)－(ΔS＋ΔR))/2E2E模式的工作特点：a)网络交换机并不传递时钟，它只是简单记录同步报文及延迟请求报文进出网络交换机的时间；b)E2E模式下的计算量要小于P2P模式，精度却要高于P2P模式；c)E2E模式下在局域网内有很多终端设备时，所有的延时请求报文都会汇聚给根时钟，对其造成较大响应负担，导致来不及响应，影响终端设备时钟同步精度。-.E2E交换机SYNCSYNCFollow_upFollow_upDelay_ReqDelay_ReqDelay_RespDelay_RespT1T2T1T1+ΔST3T4T4T4－ΔRΔSΔR主设备从设备图2E2E模式实现机制（3）TCP2P模式P2P模式对同步报文和跟随报文的处理方式与E2E模式大致相同，区别在于P2P网络交换机还需要事先测出主设备到交换机的线路时延，并将它加到Follow_up包的时间中。P2P网络交换机将延时请求和响应报文当作普通报文处理。其实现机制图3所示。图3中：主设备到网络交换机之间的线路延时定义为Delay_1，网络交换机到从设备之间的线路延时定义为Delay_2，从设备和网络交换机的时间差定义为Offset_2，ΔS为SYNC报文在网络交换机内的驻留时间，TS1、TS2分别是延时请求报文的时间接收时间和延时响应报文的实际发送时间。主从时钟间的偏移量Offset和传输延迟Delay的计算公式为：Delay＝((T4-T3)-(TS2-TS1))/2Offset＝(T2－T1)-ΔS-Delay_1-((T4-T3)-(TS2-TS1))/2E2E交换机SYNCSYNCFollow_upFollow_upPDelay_ReqT1T2T1T1+ΔS+Delay_1T3ΔS主设备从设备T4PDelay_RespTS1TS2TS1PDelay_Follow_upTS2PDelay_ReqPDelay_RespPDelay_Follow_up交换机通过请求报文等可测出到主设备的线路延时，该步骤可在接收到SYNC报文之前进行图3P2P模式实现机制P2P模式的工作特点：a)P2P模式要求网络交换机测量主设备到它的线路延时，并将延时值和SYNC包驻留时间一起加到Follow_up包中；b)P2P模式需计算和测量的时间量远多于E2E模式，因此其测量精度不如E2E；c)P2P模式下网络交换机将过滤所有的延时请求和响应报文，根时钟只需处理和其直接相连的网络交换机发出的延时请求报文。3IEEE1588PTP的在变电站内的应用分析由以上分析可以看出，用于数字化变电站内设备的时钟同步的手段有多种多样，只有研究和分析数字化变电站各层设备对时钟同步精度的要求，比较各种时钟同步技术的优缺点，-.才提出适合于数字化变电站内设备间时钟同步的完整解决方案。数字化变电站系统分为过程层、间隔层和站控层三层网络[2]，不同网络之间需要统一的全站统一同步时钟源作为授时和同步的基准。过程层对同步精度要求：过程层对同步精度要求最高，为us级。过程层要求信号具有实时性和一致性，而保证采集数据的实时性和一致性的基础和关键就是高精度的同步信号。间隔层对同步精度要求为ms级；站控层对同步精度要求为ms级。IEEE1588是网络对时方式，变电站通信网络拓扑的不同对其应用有较大影响。基于IEC61850的数字化变电站典型的网络结构如图4所示[3]，图中虚线及虚线框分别为冗余网络和设备，router为路由器，switch为交换机。图4数字化变电站典型的通信网络结构4IEEE1588在数字化变电站的应用解决方案[4]为便于对同步过程的掌控，对IEEE1588的站内应用做出几点限制：1)过程层、间隔层以及变电站层设备只作为对时网络末节点，扮演从时钟角色；2)通信网络中的交换机或路由器作为BC或从时钟参与整个对时过程；3)设置专用GC作为整个对时网络的时钟参考源，该GC可以有多个网口，但不是交换机或路由器。经过上述限制，数字化变电站对时网络的层次变得清晰，功能明确，通用性更强。对于图4所示的网络结构，由于过程网络与站级网络相互独立，且有前面所述限制，过程网络与站级网络的对时将被隔开，对此有以下2种解决方法[5](见图5、图6)：图5全站设备时钟同步解决方案1-.图6全站设备时钟同步解决方案2方案一：过程网络与站级网络都采用IEEE1588进行高精度对时。专用GC分别连接到过程网络与站级网络，如图5所示。GC接入过程网络与站级网络中的交换机，如图4中的switch5和switch7，对时报文经由这些BC在GC与从时钟间进行交互，完成对时。此方法需要全站过程层和间隔层设备的以太网芯片、变电站层计算机的网卡以及通信网络中的交换机或路由器都支持IEEE1588硬件对时，投资较大，但全站设备都能实现高精度时钟同步。方案二：过程网络采用IEEE1588对时，站级网络采用SNTP对时，如图6所示。SNTP服务器通过一个支持IEEE1588的网口作为从时钟与GC对时，通过另一不需支持IEEE1588的网口接入站级网络，以SNTP方式对变电站层设备对时。过程网络的对时方法与方案一相同。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IEEE1588对时，这样可以优化功能配置，节省投资。此方法针对变电站层设备对时钟同步精度要求较低的特点，省去了变电站层计算机网卡以及站级网络中的交换机或路由器对IEEE1588的支持，将功能实现与经济性很好地结合在一起。5时钟同步系统冗余的实现鉴于数字化变电站在电网中的重要地位，在组建站内通信网络和配置对时设备时，冗余措施必不可少，如图4中虚线所示。以图5过程网络对时为例，IEEE1588对时的冗余备用可按下述方式配置：站内装设2套GC(命名为：GCl与GC2)，GC上可以有多个支持IEEE1588的网口。GCl与GC2各有一个网口接至图4中的switch7，另一个网口接至switch8。GCl作为主GC在主过程网络与冗余过程网络上发送对时报文，GC2作为备用。当GCl正常工作时，GC2能接收到GCl发送的正确报文；当GCI工作不正常时，GC2可能收不到GCl发送的对时报文或者收到错误的报文，据此可以判断GCI出现故障并接替GCl进行对时服务。对于过程层与间隔层设备，主网口与冗余网口都会收到对时报文。如果主网口正常工作时冗余网口不工作，冗余网口MAC层收到的报文直接被后续报文覆盖，当主网口故障时，设备CPU判断后切换到冗余网口；如果主网口与冗余网口相互独立工作，则由设备CPU进行判别后对报文做出取舍。6结束语本文仅对比较简单的数字化变电站通信网络进行了分析，在实际应用中，通信网络是比较复杂的，而解决方案都是类似的。参考文献[1]IEC61588,precisionclocksynchronizationprotocolfornetworkedmeasurementand-.controlsystems[S].2004.[2]TC57-WG57,IEC61850-5,CommunicationRequirementsforFunctionsandDeviceModels[S].[3]TC57-WG57,IEC61850-7,Communicationnetworksandsystemsinsubstations[S