牵引变电所多时钟源对时策略研究

范三龙，李永征



牵引变电所多时钟源对时策略研究

范三龙，李永征

为了构建可靠的牵引变电所时钟同步系统，在分析牵引变电所典型时钟同步网络构成的基础上，介绍了牵引变电所的主要时钟源属性，提出了通信管理机和保护测控装置各自基于优先级的对时策略，利用误差传递公式计算了各级时钟失效后的守时时间，为牵引变电所二次设备时钟系统设计提供参考。

变电所自动化系统；时钟同步；误差传递公式

0 引言

时钟同步对于电力系统的故障分析、监视控制及运行管理具有重要意义，统一的时间基准是进行分析、故障处理和运行管理的基础[1]。我国高速铁路牵引网采用全并联AT供电方式，其分段保护和故障测距需同步采集牵引网沿线的信息，因此整条供电臂的时钟需要保持一定的同步精度[2]，牵引变电所的时钟同步尤显重要。

牵引变电所自动化系统有多个时钟源（单一时钟源无法构建可靠的时钟同步系统），时钟源的运行又存在不确定性。对时方案需根据不同时钟源的运行情况进行选择，同时还应具有足够的灵活性，以便在某些时钟源失效后，对时系统仍然可以可靠运行。只有不同时钟源对时方式互相协调，才能构建精确、可靠的时钟同步系统，本文将对牵引变电所多时钟源的对时策略进行研究。

1 牵引变电所时钟同步网络

牵引变电所时钟同步网络主要由调度中心、卫星时钟装置（模块）、远动服务器（通信管理机）、保护测控装置、所内监控计算机（当地监控系统）等构成。为保持全线变电所时钟的统一，通常采用通信报文对时与脉冲校正、IRIG-B码（简称B码）专网授时、SNTP、IEC61588等时钟同步协议[3]。图1和图2所示为2种典型变电所自动化系统的时钟网络结构，图中标出了授时信号至变电所二次设备的连接方式。

图1 通信报文配合脉冲对时网络结构

图2 独立卫星时钟装置对时网络结构

图1中，变电所自动化系统采用秒脉冲配合通信报文对时方式。通信管理机是系统的时钟中心，其内置卫星时钟模块，在卫星时钟工作正常时，从卫星时钟模块获得精确时钟，同时获取秒脉冲；当卫星时钟失效时，从调度中心获得时钟，并自行产生秒脉冲。通信管理机通过秒脉冲和网络通信报文为保护、测控装置对时，通过网络通信报文为所内监控计算机对时。早期常规变电所一般采用该对时方案。

图2中，变电所自动化系统采用独立卫星时钟装置对时。独立卫星时钟装置是系统的时钟中心，其作为所内主时钟，利用IRIG-B码485差分信号为保护、测控装置对时，配置SNTP接口为所内监控计算机对时。如果卫星时钟装置故障，则由通信管理机接受调度中心对时，并作为主时钟为站内设备对时。数字化变电所一般采用该对时方案。

2 变电所的时钟源分析

2.1 调度主站对时

铁路牵引供电远动系统主要由调度中心及变电所、分区所、开闭所等调度站构成，电力调度中心通过专用的电力远动通道对变电所、分区所等实施监控。变电所通常均接入各级调度系统，调度中心主站和变电所通信管理机之间通过通信报文对时，然后由管理机为所内设备对时。调度主站通常情况下均配置卫星时钟，具有很高的时钟精度。但铁路电力远动的通道有多种类型[4]，通过通信报文对时，由于通信延时不太确定，对通信和报文处理延时的修正不尽完美，导致调度对时的误差一般为几十毫秒甚至上百毫秒。

对于支持SNTP协议的通信管理机，也可以使用SNTP对时。由于SNTP对网络延时做了较好的修正，在广域的调度通信网内对时精度可达50 ms以内，高于通信报文对时精度。

调度主站可能不止一个，不同主站和管理机之间有如下3种对时方式：

（1）系统时钟：即该主站的对时改写系统时钟，同时影响整个变电所的时钟基准。

（2）独立时钟：当收到调度主站的通信对时报文后，不改写管理机的内部时钟，而是记录该主站时钟与通信管理机时钟的差。将事件信息发送给该主站时，需要使用该时钟差修正报文中的时标，以保持与该主站的时钟一致。目前已很少采用该对时方式。

（3）不对时：即忽略该主站的通信对时功能。

对于铁路变电所，铁路电力调度为主调度，地方电力公司调度中心通常只进行信号监视，并不操作。在对时的配置上，需配置铁路电调对时系统，其他调度主站不对时。

2.2 卫星时钟对时

卫星全球定位系统是一种以人造地球卫星为载体的全球覆盖、全天候工作的无线电导航定位系统，可以实现精确导航、定位及授时。目前世界上主要有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲空间局的伽利略计划、中国的北斗导航卫星系统。美国的GPS在系统可靠性、用户设备产业化等方面具有一定优势，中国的北斗则在迅速崛起。北斗导航定位系统可以全天候对我国领土、领海及周边地区进行定位及授时[5]，在国内电力系统中得到广泛应用。

卫星时钟由内置于通信管理机中的接收模块或独立的卫星时钟装置，以及外置接收天线组成，通常配置GPS接收模块和北斗接收模块组成冗余系统，接收多颗卫星的信号获取时钟，精度可以达到优于500 ns的级别，若采用更高级别的模块，精度还可以大幅提高。

卫星时钟信号受天线的状态及天气影响严重。天线一般安装于室外，且在其上方不能有遮挡，常年的室外风吹雨淋，容易出现故障导致跟踪不到卫星。当跟踪到的卫星数量较少或完全跟踪不到卫星时，卫星时钟模块的时钟精度就会降低，甚至只能依靠内部的实时时钟芯片提供时间。

纳秒级高精度的卫星时钟只存在于模块内部，还需要通过对时网络给保护测控装置对时。卫星时钟的常见输出信号有脉冲信号、串行口时间报文、IRIG-B码、网络时间报文（NTP/SNTP）等。脉冲信号和B码属于硬对时（需专用对时网）。脉冲信号只能将各个装置时钟的毫秒值对齐，时分秒等必须通过软件方式由卫星时钟（或管理机）发送给各个装置。3种常用的时间协议如图3所示。

卫星时钟的脉冲信号在到达装置的回路过程中会经过光电转换、媒介、器件延时等，装置在接收到对时脉冲后，还需经过CPU中断的响应时间（一般在微秒级），装置最终可获得的时钟精度约为50ms。所以，通常无需采用更高精度等级的卫星时钟接收模块。

卫星时钟的运行信息可以通过监视卫星时钟对应的串口报文或通过硬结点开入信息获得。卫星时钟模块定期输出天线、卫星状态等信息，可据此判断卫星时钟时间的有效性。

图3 3种时间协议示意图

卫星时钟可以作为精密时间协议（Precision Time Protocol，PTP）的主时钟。精密时间协议是IEC61588定义的高精度网络时钟同步协议，其目的是为了实现网络分布式测量和控制系统各组成部分之间的高精度同步，其精度可达亚微秒级[3]。由于IEC61588需要卫星时钟、交换机、装置以太网端口的支持，目前成本较高，且稳定性存在问题，尚未普及。

2.3 当地监控计算机对时

当地监控计算机的时间来源于SNTP时间服务器或管理机通信对时，也可以手动校准计算机的时间。变电所内通常没有Internet连接，不能从网络上获得时间。

当地监控计算机不主动为装置对时，其对时功能可作为所内时钟失效时的临时对时方案，或作为一种时钟的调试手段。在调度对时、卫星时钟对时均不可用时，可采用当地监控计算机对时。通过保护综合管理的对时功能给通信管理机、保护测控装置等手动对时，或通过站内通信规约报文对时。当计算机的时间由人工设定时，精度只能在秒级。

3 通信管理机基于优先级的对时策略

通信管理机是常规变电所的对时中心，在调度对时和卫星时钟对时方式下，时钟首先由通信管理机接收，然后再转发给所内设备。在长期运行中，卫星时钟会因为天线或模块原因出现故障，调度的通信也会因为各种原因中断，此时时钟源会发生变化，管理机必须具有足够的灵活性应对不同的运行模式。管理机对不同的时钟源采取了优先级策略，以协调各时钟源的对时功能。各时钟源优先级如表1所示。

通信管理机的初始优先级是0，即未对时，当接收到后台计算机的对时后，优先级变为3，当接收到更高级别的时钟源（卫星时钟、调度主站等）对时后，将优先级设为该更高级别时钟源的优先级。只有当对时的时钟源优先级大于或等于通信管理机当前的时钟优先级时，通信管理机才会接受该次对时，避免低精度时钟源的对时降低通信管理机时钟精度。当通信管理机的时钟有效后，才向外发送对时，避免在本身时钟无效情况下为装置对时。

表1 通信管理机的时钟源优先级

通信管理机接受某个高优先级时钟源的对时后，将当前优先级设为该时钟源的优先级。当高优先级时钟源失效后（长期收不到有效的对时，或者卫星断线等），通信管理机依靠自身的时钟守时。经过一定的守时时间，当误差积累达到低一级时钟源的误差后，自动降低优先级到下一个精度级别。

守时时间精度主要由装置采用的时钟晶振精度决定。普通晶振精度为5×10-6（5ppm）ms，对应每天误差432 ms。守时时间根据守时误差在不同优先级间的误差传递公式计算。

设=(1,2, ...,x)，则绝对误差传递公式为

D= (ə/ ə1)D1+ (ə/ ə2)D2+ ... + (ə/ əx)Dx（1）

如果高优先级时钟失效时的时刻为1，其误差为D1；守时的单位时间误差为D2= 5×10-6；经过时间后，守时后的时刻=1+，则

D= (ə/ ə1)D1+ (ə/ ə2)D2= 1×D1+D2（2）

据此可计算出表1中的守时时间。

4 保护测控装置基于优先级的对时策略

变电所内一般会同时存在多个时钟源，需要采取措施解决多个时钟源为所内设备（保护测控装置）对时，或者设备之间交叉对时的情况。在保护测控装置中采用多时钟源优先级策略，同样是解决上述问题的有效方法。

变电所内具备对时功能的设备包括：主/备通信管理机、通信服务器、所内监控计算机等，且通信管理机、通信服务器存在多台配置的情况，同一主站还存在UDP、TCP等不同的通信对时方式。典型时钟优先级及各级守时时间如表2所示。

表2 保护测控装置的时钟源优先级

5 应用效果

多时钟源优先级对时策略已应用于国电南自的NDT650/660牵引变电所综合自动化系统，不同时期的工程分别采用了图1和图2所示的对时方案。优先级策略内置于通信管理机和保护测控装置中，同时，通过修改通信管理机和规约配置，或监控计算机的配置文件，可以改变时钟源的优先级，或其他对时行为。优先级对时策略对多个时钟源的对时行为实现了有效协调，保证所内设备获得正确的时钟，并避免了不同设备间交叉对时的情况，从而在整个供电臂获得一致的时钟。

6 结语

调度中心或卫星时钟为通信管理机对时，卫星时钟或通信管理机再为所内的其他设备对时，是当前牵引变电所综合自动化系统的典型对时模式。通信报文对时与脉冲校正、IRIG-B码专网授时是目前的主要时钟同步手段。通过通信管理机和保护测控装置中的时钟源优先级策略，可以协调牵引变电所多个时钟源的对时行为，构建更可靠的时钟同步系统。

[1] 张信权，梁德胜，赵希才. 时钟同步技术及其在变电所中的应用[J]. 继电器，2008，36（9）：69-72.

[2] 董雪源，高仕斌. 精密时间协议实现牵引网故障测距时钟同步[J]. 电气化铁道，2006（5）：13-16.

[3] 陈宏，喻子易. 变电所GPS授时方式与二次设备时间同步[J]. 湖北电力，2009，33（1）：21-23.

[4] 范三龙，张林. 铁路牵引供电E1环形远动通道[J]. 电力自动化设备，2012，32（4）：142-144.

[5] 陈孟元，陈跃东. 基于高精度晶振同步北斗1pps的同步相量测量装置时钟源[J]. 电力自动化设备，2011，31（9）：111-114.

In order to establish reliable clock synchronization system for traction substation, and on the basis of analyzing the composition of typical clock synchronization network for traction substation, the paper introduces the property of master clock source of traction substation, puts forward the self-priority based time synchronization strategy for communication management unit and protection and monitoring device, and the calculation of punctual time by error propagation formula after failures of clocks of various levels, these will provide references for design of clock systems for secondary equipment in traction substation.

Automation system of substation; clock synchronization; error propagation formula

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.020

U224.9

B

1007-936X(2018)05-0077-04

2018-03-16

范三龙，李永征.国电南京自动化股份有限公司，高级工程师。