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电力公司变电站GPS北斗时间同步NTP网络时间服务器部署

2022-03-30 10:17:53 zhanghonglei

本文介绍了电力系统目前采用的时间同步方式技术的局限性和存在的问题。 在此基础上,提出了使用标准以太网中应用的IEEE1588精确时间协议(PTP  ),将主时钟时序传播到系统中其他节点的实现方法。


【关键词】IEEE1588; 时间同步; PTP


一、电力系统时间同步基本概况


随着IEC  61850标准研究的深入,国内外学者提出了基于IEC  61850通信标准体系建设数字化变电站的发展思路。 数字化变电站与常规变电站的明显区别是工艺层传统的电流/电压变流器、断路器被电子式电流/电压变流器、智能断路器取代。 大大提高了数字化变电站数据信息共享度和数据实时性。 IEC61850标准要求智能电子设备的时钟精度功能分为5个等级(T1-T5 ),其中用于测量的T5个等级的精度达到1us。


目前全球定位系统(全球定位系统,GPS  )在变电站自动化系统(substa-tion  automationsystem,SAS  )中应用较多,GPS同步设备[ 虽然具有成本低的特点,但由于变电站数字化的发展趋势,驻地二次硬接线已被串行通信线所取代,因此IEC61850标准中简单的网络时间协议简单网络NTP是网络时间协议(NTP  )的简化标准。 在一定的网络结构下,NTP对的精度可以达到T1等级(1ms  ),广域网内的误差范围为10~100 ms。 NTP/SNTP的网络应用已经成熟,但很难实现T3等级精度25us。


2002年发布的IEEE  1588为分布式测量和控制系统定义了精确的时间协议(precision  timeprotocol,PTP  ),其网络时间精度为)0x4e22 ) us级,是自动化、通信等工业领域的研究者国外一些公司陆续开始研发支持IEEE1588的相关硬件时间服务器,如Altera、Rockwell等,以及IEEE1588的具体工业应用研究,进一步完善的IEEE1588标准第二版于2008年发布。 鉴于IEEE1588高精度分布式网络对的特点,IEC  TC57第十工作组计划在支持IEEE1588的交换机和以太网芯片上有成熟的商业APP应用后,将IEEE1588部署到IEC  61850中。 因此,研究IEEE1588在数字化变电站的具体应用具有重要意义。二、IEEE1588介绍与实现


IEEE1588,即PTP  (精密协议),是与智能变电站的时间同步相对应的网络时间对准方案。 该标准是提出之初着力于工程控制和测量的精密时钟同步协议标准,旨在提供亚微妙同步精度的应用。 此后,该标准受到自动化领域,特别是分布式运动控制领域的关注,远程通信和电力系统等相关组织也表示关注。 目前,在数字化变电站,IEEE1588是时间同步的首选。


PTP系统采用主从分层结构同步时钟。 主要定义了4种组播的时钟报文类型。 (1)同步报文,简称同步; )2)随访(报文 ),简称Follow_Up; )3)延迟要求(报文 ),简称Delay_Req; (4)响应) 报文 )简称为Delay_Resp。 实现机制如图所示。 图: T1从主端发送同步报文的时间; T2是从终端接收同步报文的时间; T3是发送延迟请求报文的时间; T4主机收到延迟请求报文的时间。 这里,假设同步报文的接收延迟和延迟请求报文的发送延迟相同,即路径对称。


主从站之间的偏移TOffset及传输延迟TDelay


计算公式如下。


PTP系统中的时钟在结构上被划分成正常时钟(OC  )和边界时钟(boundary  clock  ) BC  ),并且在功能上被解释为主时钟和从时钟。 OC是只有一个PTP端口的配对源或终端设备,而BC是具有多个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(GC  )。


时标单元是PTP实现高精度对时的关键,在PTP事件报文的时标点通过时钟时标点时,被报文检测模块捕获,进而[ 将存储在APP应用中的时钟根据PTP纪元时间设计为32位整数s  32位分数s(ns级),并且由单个振荡器触发。 PTP系统的主传统分层结构由最佳主时钟(BMC  )算法和事件确定,每一时钟独立地执行BMC算法,而不进行时钟之间的相互协商。 根据同步报文中包含的信息和时钟中驻留的数据集信息,采用数据集比较算法判断两处信息的优劣,采用状态确定算法生成时钟端口推荐状态,并结合特定背景获得端口确定状态。 PTP的BC模型与OC模型的结构相似,所以省略说明。IEEE1588分为V1和V2两个版本,V2基于V1规范报文格式,包括端到端转换时钟和对等转换时钟


三、IEEE1588的特点和优势


IEEE1588的主从同步与其他网络配对方案相比具有以下特征


)1) Sync  报文的发送时间的准确值不包含在该)0x4e23 )中,也包含在之后的Follow_Up  报文中,因此)0x4e23 )的发送时间和时间的测量相互不影响的存储器


)2)主机通过底层时标发生器获得精确信息后,发送Follow_Up  报文,精确反映Sync  报文的发送时间。 当事人可以利用时标生成器准确地测量Sync  报文的接收时间。 这一准确时间的保证是因为时间标签信息接近物理层的“盖子”。 同样,Delay_Req  报文和Delay_Resp  报文传输输时刻也可以实现精确的时间戳。


)3)对于主从时钟偏移测量,主从通信线路的延迟测量不是周期性进行,而是以长时间间隔进行一次,可以减少网络负载和终端设备的处理任务。


通过这种软、硬耦合方案,消除了协议栈时延的不确定性,使IEEE1588协议同步能够达到亚微妙级的精度。


在与数字变电站的测量中,同步相位量的测量需要精度为1us的UTC时间源,这可以通过向各站点提供GPS接收机作为主参考时间来获得。 目前,站点中的每个设备都使用IRIG-B技术从GPS接收机获得相应的时间。


站点内设备数据的收集和传输一般通过局域网进行,但由于采用局域网的方式,为IEEE1588标准在电力系统中的应用提供了机会。 另外,由于目前市场上有边界时钟开关可以实现IEEE1588的功能,从技术和应用环境上分析,用IEEE1588技术代替现有的IRIG-B技术是现实的。 电厂内各电气设备、变压器、变流器、变流器及各种监控设备之间的距离一般在1公里至2公里的范围内,这正好是IEEE1588标准适用的局域网范围。相对于传统脉冲,IEEE  1588通过IRIG-B等硬配对方式可以自动校正线路距离。 与IRIG-B相比,这大大简化了站点中每个设备之间的时间分配和同步。 此外,通过采用IEEE  1588标准使用网络对,可以减少系统内部专用的对线,从而提高系统的稳定性,也比采用IRIG-B的方案更具成本效益。 因此,IEEE1588网络配对方案将取代传统的硬配对方案,以无与伦比的灵活性成为电力系统的最主要的通信方案


四.结束语


许多工业、测试和测量以及通信APP应用都要求高精度的时钟信号,例如同步控制信号和捕获数据。 标准以太网上使用的IEEE  1588精确时间协议(PTP  )提供了一种向系统中的多个节点传递主时钟计时的方法。


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