数字化变电站对时方案分析

李友军, 张成彬

(国电南瑞科技股份有限公司，江苏　南京　210003)



数字化变电站对时方案分析

李友军, 张成彬

(国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京210003)

详细分析了SNTP、IRIG-B、IEEE1588三种时钟同步方式的原理及特点，并总结了其优点和缺点。在研究了数字化变电站网络拓扑结构的基础上，按照站控层、间隔层和过程层分层讨论数字化变电站的时钟同步网络，结合三种时钟同步方式的特点，为新建变电站推荐时钟同步网络的建设方案，建议在站控层网络采用NTP协议，在过程层采用点对点连接方式时推荐采用IRIG-B，而组网的情况下建议采用IEEE1588，并建议过程层推广应用IEEE1588时钟同步协议。

时钟同步方式; 时钟同步网络; IEEE1588; 时钟模式选择; IRIG-B

0　引　言

在常规变电站建设中，时间系统为变电站二次系统提供时间基准，主要用于变电站信号的运行监视及保护动作事件的分析。在数字化变电站中，采样单元是分散布置的，采样数据必须同步才能保证二次系统应用的正确性。因此，时间系统除了需要给二次系统提供时间基准外，还要为电子式互感器或合并单元提供同步信号。而且变电站中不同层次上的设备对时间精度的要求是不一样的，文献[1]143介绍了站控层及间隔层设备的对时精度,并给出站控层设备对时精度应该小于50 ms，间隔层设备的对时精度应该小于1 ms。文献[2]109在论述中提到过程层设备对时精度必须小于1 μs。变电站中网络的拓扑结构千变万化，单一的对时模式很难适用不同的网络结构。文献[3]介绍了数字化变电站中过程层网络的复杂结构形式。文献[4]介绍了变电站中站控层网络的可能拓扑结构。本文在详细分析变电站常用对时方式优缺点的基础上，研究了各种对时方式在不同组网结构情形下的优缺点，并给出最优的推荐对时方案。

1　对时方法分析

随着技术的进步，数字化变电站逐步取代传统变电站，在对时方法的选用上也逐步淘汰了分脉冲、秒脉冲等对时模式，目前已经大量采用串行时间码(IRIG-B)，另外网络时间协议(NTP)及精确时钟同步协议(PTP、IEEE1588)也在推广应用中。本文主要针对目前流行的NTP、IRIG-B码、IEEE1588三种对时方法进行分析。

1.1串行时间码(IRIG-B)

IRIG(InterRange Instrumentation Group)时间标准有两大类：一类是并行时间码格式，这类码是并行格式，传输距离较近，应用不广泛；另一类是串行时间码，共有六种格式，分别为A、B、D、E、G、H。它们的主要差别是时间码的帧速率不同，IRIG-B即为其中的B型码(简称B码)。

文献[5]从受端的角度详细分析了B码的误差，文献[6]从时钟源的角度分析了B码的解码和编码规则。目前B码已经在变电站中得到广泛应用，其主要优点有：

(1) 时帧周期为1帧/s，每帧均包含丰富的信息，包括PPS、BCD编码的时间信息及控制信息；

(2) 时间精度高，误差小于1 μs；

(3) 应用场合无需组网，需要串接双绞线或者点对点光纤连接。

B码的主要缺点有：

(1) 双绞线连接，存在电磁干扰的可能，不能延伸到主控室以外；

(2) 光纤连接时，因采用点对点方式连接，对分布式就地安装的设备布局会浪费大量的光缆。

(3) 所有受时终端，均需配备专用的IRIG-B接口。

1.2网络时间协议(NTP)

网络时间协议( NTP)是用来在整个网络内发布精确时间的TCP/IP协议，其本身的传输基于UDP。其基本原理是，采用客户机/服务器模型，受时终端通过记录并计算对时报文在网络传输的延迟时间(见图1)。

图1　IRIG-B标准时间码格式

从而准确计算自身时间和时钟源之间的时间差，从而达到同步自身时间的目标。NTP是设计用来在internet上使不同设备能维持相同时间的一种通信协议，其仅能提供最高1 ms的时间精度。NTP时钟的主要优点有：

(1) 可使用已有的数据传输网络，无需单独组网；

(2) 是运行于IP及UDP协议之上的应用层协议，适用范围广；

(3) 只需软件升级即可向运行中的变电站部署，部署简单方便。

NTP时钟的主要缺点有：

(1) 对时精度不高，只能达到1 ms;

(2) 运行于UDP协议之上，不适合无协议栈支撑的场合。

1.3精确时钟同步协议(PTP、IEEE1588)

图2　IEEE1588协议时间测量原理

IEEE1588是网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准，采用精密时钟同步(PTP)协议，精度可以到达微秒级。IEEE1588的基本构思为通过硬件和软件将分布式的网络设备时钟与时钟源的时钟同步，其同步原理是Master和Slave端采用Sync、Follow_Up、Delay_Req、Delay_Resp协议报文通告精确的时间戳，通过BMC算法选出最佳时钟源，完成频率和时间的同步。其同步过程如图2所示。

IEEE1588的同步过程为：Master在t1时刻发送Sync报文，Slave在t2时刻收到该报文，并在随后收到Master发过来的带有Sync报文发送时刻t1的Follow_Up报文；然后Slave在t3时刻发送Delay_Req报文，Master在收到该报文后，将接收到该报文的时刻t4通过报文Delay_Resp报文发给Slave；时刻t1、t2、t3、t4均是通过MAC层以下的逻辑直接填充的，只有这样才能保证测量精度。同时假设从Master到Slave的链路延时和从Slave到Master的延时是一样的。假设通道延时为Delay, Slave和Master之间的时间偏差为Offset,则有：

t2-t1 = Delay - offset

(1)

t4-t3 = Delay + offset

(2)

因此可得到Master和Slave之间的时间偏移量为：

Offset=[(t4-t3)-(t2-t1)]/2

(3)

Master与Slave之间的时间延迟：

Delay=[(t2-t1)+(t4-t3)]/2

(4)

通过分析上述过程，可知影响IEEE1588对时精度的主要因素有：

(1) PTP时钟的协议栈延时抖动；

(2) 网络组件的延时抖动，主要指PTP报文经网络交换机转发时的抖动；

(3) 报文时间戳的精确度；

(4) PTP报文途径设备晶振的稳定性；

(5) 网络带宽及网络流量的拥塞程度。

上述这些影响精度的因素多数可通过特殊处理给出解决方案，也有一些还需要进一步研究。如通过研究同频算法，实现从钟和主钟同频[7]；通过研究基于温度补偿的对时守时方案，解决晶振受温度影响造成的频率不稳的问题[2]98；通过硬件时戳方法消除了PTP协议栈的抖动，并通过测试证明IEEE1588时钟同步协议能满足变电站系统对时钟同步的要求[1]126。IEEE1588应用于变电站也存在一些优点和劣势，其主要优点有：

(1) 在数字化变电站成为趋势后，变电站的数据传输包括采样都逐渐网络化，IEEE1588基于以太网设计，适用网络能力很强；

(2) IEEE1588对时精度很高，目前实践精度可达到1 μs，理论精度可达到百纳秒；

(3) 所有对时报文均通过网络发送，在组网环境下，可充分利用现有网络，无需单独组网；

(4) 时钟受时终端无需配置单独的PTP网口，可与数据传输共享网口。

IEEE1588应用于变电站时，也存在一些劣势：

(1) 要提高精度，PTP报文时戳必须由硬件填充，对变电站自动化设备提出了更高的要求；

(2) 必须采用专用的带IEEE1588功能的交换机，普通交换机不能支持PTP报文，带IEEE1588功能的交换机比普通交换机要昂贵的多；

(3) 目前多数变电站采样值仍然采用点对点方式传输，IEEE1588无法在点对点网络中部署。

2　数字化变电站网络结构

图3　数字化变电站网络分层示意图

数字化变电站是由智能化一次设备和网络化二次设备分层构建，建立在IEC61850通信规范基础上，能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站。数字化变电站网络基本结构示意图如图3所示。

图3中，站控层设备和间隔层设备通过站控层网络连接在一起,站控层设备通过该网络采集间隔层设备的状态，包括保护状态信息、测控信息、计量信息等，并通过该网络发送控制命令。站控层网络数据基于TCP/UDP协议栈传送，实时性要求不高，数据流量不大。间隔层设备和过程层设备通过过程层网络建立连接，过程层网络可分为MSV网和GOOSE网，SMV网是间隔层设备用来获得高速采样数据的网络， GOOSE网是间隔层设备获取开关状态和发送控制命令的通道。过程层网络需要传输实时采样数据及开出开入状态，实时性要求高，数据流量大。对时方式的选择需要结合变电站网络的具体结构及变电站设备安装方式具体分析，只有紧密结合变电站网络的特点选择对时方式，才能更好发挥不同对时方式的优势。以下具体分析变电站网络结构。

2.1站控层网络及连接设备

站控层网络可选择总线型、环型、星型等拓扑结构的网络。目前变电站从安全性及经济性方面综合考虑，站控层网络多数选择星型拓扑。站控层设备放置在主控室，一般不具备单独的对时端口，接收对时命令最简单的方案是通过站控层网络。间隔层设备安装方式有三种，一是集中在主控室；二是分散在各个电压等级的小室；三是就地安装。无论是哪种安装方式，这些间隔层设备均连接着站控层网络。和站控层网络连接的设备优先选择网络对时方式是最经济最方便的。

2.2过程层网络及连接设备

当下数字化变电站过程层网络结构主要有以下四种方案：

(1) MSV和GOOSE均点对点直连；

(2) MSV点对点直连和GOOSE组网；

(3) MSV和GOOSE分别单独组网；

(4) MSV和GOOSE共同组网。

早期建设的变电站以方案(1)的组网方式为主，现阶段变电站主要采用方案(2)的组网方式。随着智能设备性能的提高，方案(3)和方案(4)也在逐步探索推广中。

过程层设备以就地安装为主要方式，选择对时方式时需要考虑安装的方便性及抗复杂电磁干扰的能力。另外，过程层时间同步精度要求误差小于1 μs，必须采用高精度对时方案。

3　变电站对时方案设计

由于IEEE1588是近年才兴起的新技术，还没有得到广泛应用。目前，在数字化变电站建设中，对时方案以IRIG-B码为主，典型时钟方案设计要点为：

(1) 站控层设备主要采用SNTP或NTP的方式实现时间同步；

(2) 集中安装的间隔层设备多采用电B码的方式；

(3) 分小室安装的间隔层设备，小室内部采用电B码的方式，小室与小室之间采用光B码的方式扩展或者每个小室配一个GPS时钟源。

(4) 分布式就地安装的间隔层设备，考虑电磁干扰的影响，所有设备采用点对点光B码的方式；

(5) 过程层设备全部采用点对点光B码的方式。

由于电B码一般采用差分信号，传输距离不能超过200 m[8]。另外每条线上终端设备数目受到时钟源负载的限制，一般不能超过16台。因此存在浪费大量电缆、安装调试不方便的问题。采用光纤点对点B码对时，则每台装置将独占一个对时源的B码输出口，且点对点光纤连接也会浪费大量光纤，因此有必要优化上述对时方案。

通过以上分析，本文结合变电站的现场情况，给出了一种方便实现、节约线缆的推荐方案。方案要点如下：

(1) 站控层设备及间隔层设备均采用NTP对时方式；

(2) 按照过程层组网方案(1)和(2)方式组网的，建议采用点对点光B码时钟同步方案；对于组网方案(3)和(4)的，建议采用IEEE1588时钟同步方式。

站控层和间隔层设备均连接站控层网络，故充分利用站控层网络实现时间同步是最经济、最方便的方案。根据本文第一部分的分析，NTP网络时钟同步精度可到1 ms，满足间隔层设备时间精度1 ms的要求。采用NTP方案后，时钟网络不需要单独铺设，只需要利用现有的站控层网络，可节约大量的线缆。

如图4所示，采用NTP时钟同步方案后，只需要把时钟源接入站控层网络，不要任何其他线缆。对于间隔层设备，只需升级软件即可。如果新建变电站均采用NTP方式对时，每台间隔层设备还可节约一个IRIG-B的接口。

图4　变电站NTP时钟网络布局示意图

过程层设备时间精度要求高，NTP达不到其技术要求，故只能考虑IRIG-B和IEEE1588两种方案。目前过程层组网方式比较复杂，需要分两种情形说明。

对于点对点方式连接的过程层设备，没有现成网络可用，只能单独组建时钟同步网络。如果所有设备均单独组建IEEE1588时钟网络，需要增加很多支持IEEE1588功能的交换机，且这种交换机要比普通交换机成本高。从经济性角度分析点对点连接方式消耗的光纤成本要比组网成本低[9]。点对点连接的过程层设备只能采用点对点光B码对时连接方式。

随着技术的进步，交换机特别是带IEEE1588功能的交换机的成本会不断下降，终端设备支持IEEE1588的能力也会越来越强。故从精简过程层网络结构的角度看，过程层设备组网是今后技术发展的趋势。对于需要高精度对时的过程层设备，在组网的环境性下，最经济的时钟同步方案是IEEE1588。采用该方案无需终端设备增加端口，更不需要增加光缆，现场施工维护方便简单。但需要交换机支持IEEE1588的功能，需要终端设备支持硬件PTP报文时戳，因此本文建议在条件允许情况下，新建变电站过程层采用组网方式传输数据，对时方式采用IEEE1588高精度对时方式。

4　结束语

本文总结了变电站常用的三种对时方式的优点和缺点，结合变电站站控层网络结构和过程层组网方式，对变电站对时方式的选择给出了自己的建议。从经济性角度看，站控层设备及间隔层设备最好的对时方式是采用NTP网络时钟同步方案。过程层网络比较复杂，目前仍以点对点的方式为主，在这种方式下，采用光B码的对时方式是唯一可用的经济选择。但从发展角度看，建议过程层采用组网的方式传输数据，对时采用IEEE1588协议，是一种简单经济，扩展性强，并符合未来发展趋势的选择。

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An Analysis of the Time Hack Scheme at Digital Substations

LI You-jun, ZHANG Cheng-bin

(State Grid NARI Technology Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 210003, China)

This paper describes in detail the principles and characteristics of three types of clock synchronization schemes, namely SNTP, IRIG-B and IEEE1588, and summarizes their advantages and disadvantages. Based on a study of the network topology structure at digital substations, it discusses clock synchronization networks at digital substations for the station level, bay level and process level, and under consideration of the characteristics of these three types of clock synchronization schemes, it recommends application of the clock synchronization scheme to the construction of new substations, whereby the station level should use the NTP protocol, and the process level should use IRIG-B in the case of point-to-point connection or IEEE1588 in the case of network construction. It is further proposed that the process level should use IEEE1588 clock synchronization protocol.

clock synchronization scheme; clock synchronization network; IEEE1588; clock mode selection; IRIG-B

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.022

TM761

A

1000-3886(2016)01-0068-03

李友军(1975-)，男，江苏徐州人，硕士，高级工程师，主要研究方向：电力系统自动化智能二次设备及其支撑平台。张成彬(1986-)，男，河北衡水人，助理工程师，主要研究方向：电力系统自动化智能二次设备及其支撑平台。

定稿日期: 2015-05-30