时钟同步系统在承德电网的构成与应用

何莹

摘 要:本文结合承德地区电网时钟同步系统的实际运行情况,分析和说明了这套基于SDH地面通信网络搭建的系统在电网运行过程中发挥的重要作用,及其未来的应用和发展前景。并对整个承德电网时钟同步系统建设过程中使用的关键技术、系统架构、子系统设计以及接口设计等方面进行了详尽的分析和介绍。

关键词:时钟同步系统IEEE-1588SDH

中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)07(c)-0045-01

1 引言

随着智能化电网发展的需要,国家对电力系统的大规模投资,电力系统对其系统内部的对时系统的可靠性和准确度都提出了更高的要求。目前,电力系统使用的对时系统大多基于GPS和北斗卫星的授时系统,在锁星正常时,各子系统均可与卫星时间保持同步,进而保证整个系统时钟的一致性;但不论是以GPS还是北斗卫星为基准的时钟,都存在一个难以克服,但又非常致命的问题——卫星信号接收可靠性的问题。

另外,由于全球GPS系统完全由美国军方运行维护,一旦美国在政治局势紧张时降低GPS精度,甚至彻底关闭GPS,都会对电力系统的正常运行造成不利影响。

基于以上的几点疑虑,最可行的办法就是建立一个稳定、可靠且具有较高精度的地面对时系统。这样的一套地面对时系统不但是对现有的对时系统的有益补充,而且对于电力系统未来发展基于全网时间同步的应用。

2 时钟同步系统的功能和原理

2.1 概述

承德电网中的时钟同步系统主要要实现两方面的功能:(1)要实现各厂站与调度中心的时间保持同步,进而实现各厂站间的时间同步;(2)要实现调度中心对各厂站内的时钟设备进行集中的监控、管理和配置。

由于在电力系统中,厂站间的设备只能通过SDH网络互连、通信,其可用的通信接口是一个2Mbit带宽的E1接口。所以如何基于这个SDH网络,定义并实现一套相应的通信协议,就成为了实现该时钟同步系统的关键。

2.2 基于SDH网络实现的厂站间的时间同步

为了实现厂站间的时间同步,在系统实现中应用了IEEE-1588 PTP精确时间同步协议。IEEE-1588协议是目前应用最为广泛的,适用于高精度的对时场合的网络协议,具有很高的精度、可靠性和良好的拓扑拓展特性。

在以太网和SDH的E1接口之间实现IEEE-1588协议报文的双向传输、转发,同时为了保证较高的站间时间同步精度,还应能精确计算出IEEE-1588数据包在以太网口和E1接口之间的传输延时。其实质就是需要实现一个基于以太网和E1接口的IEEE-1588的透明时钟(TC)设备。在实际的系统实施中,在SDH网络上,承德调度中心的主钟被配置成IEEE-1588协议中的主钟,每个厂站内的主钟被设定为IEEE-1588协议中的从钟。所有的主、从钟都通过一个专门为本项目开发的,带E1接口的透明时钟连接至SDH网络,以实现数据的交换及时间同步。

在本系统中,每个厂站的主钟上都配置了铷原子钟模块。借助现代闭环控制守时理论和卡尔曼数字滤波技术,使主钟具备了超强的守时能力,可以保证在SDH网络失效后的相当长的一段时间内,各厂站的时间仍能与调度中心的时间保持一致。

2.3 基于SDH网络实现的时钟设备的监控、管理和配置

在该系统设计和实施过程中,针对时钟设备的固有特性,定义并实现了一组时钟设备专用的通信协议,用于各时钟设备间交换其各自的状态信息,以实现时钟设备的监控、管理和配置等功能。

该协议按通信的介质和范围,大体可分为两部分:(1)是厂站内的设备信息的交换。由于厂站内的时钟设备都带以太网接口,所以这一部分的协议是定义在以太网上的,所有的数据报文都采用802.3的以太网帧的封装。时钟设备状态和配置信息的交换采用主从应答的方式,厂站内的主钟会发出数据请求包以获取各个子钟的状态,并将从站的应答数据整合、打包,以便后续与调度中心进行交互。(2)是调度中心与各厂站间信息的交换。因为厂站间的数据交换是通过SDH网络,所以这部分协议是定义在SDH网络中的E1接口上的,帧格式满足E1接口对帧格式的要求。调度中心与各厂站间的数据交换也是采用主从应答的方式,由调度中心对每个厂站发出数据请求包,然后相应厂站的设备回复应答。另外,虽然该协议与IEEE-1588协议共用一个E1通道,但他们使用不同的时隙进行报文发送,所以相互间不会有影响,有效的节约了通信资源。

3 时钟同步系统在承德电网的实施方案及应用

3.1 系统实施方案

在承德电网时钟同步系统中,各站点间采用星型网络连接,其中,位于承德调度中心的主站为承德地区网络的最高级节点,其它3个子站营子站、周营子站、东北郊站均与承德中心站通过SDH通道连接。无论主站或子站,均为典型的主备式时间同步系统组成方案,系统中配置了两台主时钟,互为冗余备用,两台主时钟各自接收无线时间基准信号,以及来自上一级时间同步系统的有线时间基准信号,时钟装置自动选取优先级最高且状态正常时间基准信号,确保时钟输出与UTC基准时间保持同步。主备式系统提高了时间同步的可靠性,主时钟A和B可以分别连接两路不同的无线时间基准信号,即GPS和北斗。

在出现GPS和北斗系统同时异常的特殊情况时,主时钟还可通过SDH网络与源自上一级时间同步系统的有线时间基准信号(IEEE-1588形式)保持同步,仍可保证时间同步精度。

3.2 系统应用现状

承德电网时钟同步系统于2011年3月投入运行后,为厂站内的各类被授时设备提供稳定、可靠的高精度时间同步信号,提高了时间同步采样的准确度,提高了故障录波器数据的可信度,保障了故障分析和事故数据反演时的准确度。降低了全系统对GPS的依赖度,提高了电网运行的安全度。减轻了监控值班人员劳动强度,完善并提高了无人值班变电站自动化水平。

4 结语

随着时钟同步系统的进一步应用,此系统的推行是有它的必然性和必要性的,要实现完善的时钟同步系统的功能,还有许多技术问题、工程问题需要解决,时钟同步系统技术的发展也是一持续、渐进、发展、完善的历程。相信从常规变电站的时钟同步系统到由主站系统实现对全网所辖变电站的时钟同步系统这一过程,将会在不远的将来日臻成熟,呈现蓬勃发展之势。

参考文献

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