基于IEEE 1588标准的变电站同步网络的研究

汪祺航，黄伟，吴在军，赵上林

（1.东南大学电气工程学院，江苏南京210096；2.江苏方天电力技术有限公司，江苏南京211102）

现阶段，我国的变电站正逐步向基于IEC61850标准的数字化变电站方向发展。随着基于IEC61850标准建设的数字化变电站的大范围陆续投运，电子式电压电流互感器和智能电子设备必将广泛应用于变电站中。作为全数字化的变电站，数字信号采集和传输必需基于统一的时序和时钟标准，才能保证数据的准确性、可靠性和有效性。

时钟同步技术在数字化变电站中发挥着重要作用。第一，建立在基于IEC61850的数字化变电站实现了数字通信和数据共享。大多数的二次设备都需要采集多个信号量（如IEC61850的9-1报文需要传送12个通道的信号量）。这就要求对应同一个合并单元的电子互感器采样同步，不同间隔之间的合并单元同步，甚至不同变电站间的采样都需要采用时钟同步技术保持同步[1]。特别是像母差保护和变压器纵差保护这类需要远端数据配合的保护设备，更需要精确的时钟同步，以防止误动作。第二，时钟同步技术为电力系统中事件顺序（SOE）记录、故障录波以及事后数据分析等方面提供精确的实时数据，不仅能够实现相量测量、快速确定故障地点，更能给变电站控制中心提供准确的操作判据，为电力系统安全、稳定、经济的运行提供坚实的保障[2]。

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（T1—T5），其中用于计量的T5等级精度达到±1μs。对变电站时钟同步技术提出了更高的要求[1，4，5]。

1 IEEE 1588时钟同步机理

IEEE 1588是应用于工业控制和测量领域的具有亚微秒级同步功能的精确时钟同步协议（Precise Time Protocol）。一个IEEE 1588精确时钟系统包括普通时钟（仅有一个PTP端口）、透明时钟和边界时钟（具有多个PTP端口），系统的每个节点均被认为是一个时钟，通过以太网将整个系统的时钟相连。系统中的时钟工作在主时钟、从时钟和无源时钟3种状态。具体的时钟状态则是由最优化的时钟算法所确定[5-8]。

IEEE 1588的时钟同步过程通过2个步骤实现：偏移测量和延迟测量。

首先进行偏移测量：主时钟优先发送Sync报文，它是周期性的发出（一般每2s发送一次）。这时主时钟记录下Sync报文的发出时标T1，如图1所示。从时钟接收到Sync报文时，记录下收到报文时标T2。然后主时钟发出Follow_up报文，该报文包含了Sync报文发送的精确时标T1。假定网络延时为TDelay。则可计算出偏移时差Toffset。

延迟测量：在组网结构固定，网络负载变化不大的系统中，网络延迟TDelay基本上变化不大，延迟测量不需频繁的进行，一般为随机发送。如图1所示，从时钟向主时钟发出Delay_Req报文，从时钟记录下报文的发送时标T3。主时钟在收到Delay_Req报文后，记录下接收时刻的时标T4。然后，主时钟向从时钟发送Delay_Resp报文。Delay_Resp报文包含了时标T4，则可计算出网络延迟TDelay。

图1 IEEE 1588协议对时原理

综合式（1）、式（2）可以计算出：

基于式（3）、式（4）所得到的Toffset、TDelay数据，从时钟就能够修正到与主时钟一致的时间标准。这种同步方法将时标的测量和报文的传送分离，使得报文时标的确定更加精确。在专门的硬件配合下，时标的测量能够精确到报文从PHY层芯片发出时刻，完全排除报文在芯片内部的接收、解码和传输的时延影响，从而使系统能够达到亚微秒级的精度。

2 站内IEEE 1588对时方案

IEC61850标准将变电站分为变电站层、间隔层和过程层，通过站级总线和过程总线相连。对数据同步精度的要求，间隔层设备需要达到ms精度；而过程层设备，由于传输采样值信息和跳闸信息，需要达到μs级的同步精度。根据以上要求，并考虑时间同步系统的可靠性、稳定性、可扩展性和易维护性，以及备用基准时钟源系统和抗干扰措施，可以将变电站站内同步时钟系统按如下3种方式配置。

接续邓小平所开辟的中国特色社会主义道路，以江泽民为核心的党的第三代领导集体，确立了社会主义市场经济体制，深化了对中国特色社会主义的认识，捍卫了中国特色社会主义道路。江泽民明确指出：“中国的社会主义既不是苏联模式，也不是东欧模式，而是有中国特色的社会主义。走这条道路，是中国人民经过一百多年的奋斗与探索作出的历史性抉择。”[3]P163在1997年召开的中国共产党第十五次全国代表大会上，江泽民代表党中央提出了社会主义初级阶段的基本纲领，把建设中国特色社会主义经济、政治、文化作为统一的奋斗目标。

配置方案1如图2所示。在变电站过程层智能设备加装一块支持IEEE 1588功能的硬件模块（例如美国NS公司生产的DP 83640芯片），通过该模块与过程层总线相连，选取时钟精度最高、最稳定的智能设备时钟源作为系统主时钟，通过过程总线将过程层设备统一到与主时钟同步。

图2 变电站站内配置方案1

站级总线由于要求的同步精度相对较低，可以采用仅软件支持的IEEE 1588对时，或是IEC61850推荐的SNTP对时，或是现在广泛应用的GPS对时。若采用IEEE 1588对时，可将过程层主时钟源同时作为站级主时钟，但是需要对站级总线设备增加相应的软件支持，更新软件配置；若采用SNTP和GPS对时，由于这2种方法现阶段广泛的应用和设备厂商的模块支持，只需对现有变电站做较小的改造。但后一种方案需考虑站级总线和过程总线之间的时钟偏差校正。可以将SNTP（或GPS）时钟信号源与IEEE 1588主时钟相接，使其相互校正时间和互为冗余备用。

配置方案2如图3所示。将主时钟源从智能装置中独立出来，作为一个专门的时钟源。这样做虽然增加了装置数量，增加了变电站一定的维护工作量，但是一方面能够增强系统的扩展性和兼容性；另一方面增加了系统的稳定性，使得过程层设备同步于确定的时钟源装置，更方便于变电站检修和维护以及备用设备的配置和切换。

图3 变电站站内配置方案2

配置方案3如图4所示。将过程层总线按保护区域设置为不同的段，使得过程总线段与段之间的数据交换很少，并将段与段之间通过交换机相连。这种方案降低了总线负载，增加了总线数据的传输效率和数据流量冗余，同时降低了TDelay的变化范围和频率。虽然加装了交换机，增加了段与段间数据交换的网络时延和延时的不确定性。但是IEEE 1588协议提供了边界时钟来解决时延问题：加装支持边界时钟功能的交换机，主时钟网段授时给边界时钟，从网段再通过与边界时钟对时保持与主时钟的同步。同时亦可配合VLAN技术，优化逻辑网段划分和数据交换，提高变电站过程层信息交换的安全性和可靠性。

图4 变电站站内配置方案3

3 站间IEEE 1588对时方案

站间使用IEEE 1588对时方案，其最大优势在于可以实现区域变电站之间的互联对时，其亚微秒级的精度可以保证区域网内重要节点电压向量同步测量、母差保护线路两端合并单元的采样同步，以及故障测距和事件顺序记录功能的实现。

将IEEE 1588引入站间对时，可选取控制中心或变电站（一般为枢纽变电站）作为基准主时钟站，通过支持边界时钟的路由器网络将时钟源信号发送给区域内的其他变电站，从变电站通过网络接收时钟源信号后将站内所有时钟同步到边界时钟的授时标准。但是，由于站间线路的增长、网络线路和交换机等设备的增多，在交换机延时、线路延时、队列延时等因素的相互作用下，报文的响应时间和网络时延的不确定性将大大增加。

图1所示的IEEE 1588对时过程是建立在主从时钟间的偏差Toffset在对时过程中保持不变，以及报文传输的网络时延完全对称的基础之上的。假设在时标T2和T3产生时刻从时钟与主时钟间的偏差分别为Toffset和Toffset1；报文在主时钟到从时钟和从时钟到主时钟之间的网络延时分别为为Tdelay和Tdelay1，则可令：

重新计算主从时钟的偏移量和延迟量，得

对比式（3）、式（4）和式（7）、式（8）可看出报文响应时间的增加和报文传输的不对称性将使对时精度受到很大影响，难以保证变电站间的同步精度。

现阶段国内变电站主要采用接收GPS同步信号实现对时，GPS可向各站PTP系统主时钟提供时钟源信号。由于使用了两级对时方案，站间对时精度会有一定程度的下降。但现阶段IEEE 1588精确对时应用于广域网的对时精度还有待进一步检验。考虑到目前多数变电站均安装有GPS对时装置，可以在原有GPS设备基础上对站内装置进行优化配置，实现一种比较可行和经济的站间高精度对时优化配置方案，如图5所示。

图5 变电站时钟同步系统优化配置方案

站间通过GPS信号对时，为区域内各个变电站提供精确绝对时钟。在变电站站内部，利用各层对同步精度要求的不同，采用不同的同步手段。站控层利用GPS信号同步；过程层采用IEEE 1588对时方案，用一专门对时PTP时钟装置为过程层设备提供同步信号，其精确时钟源由GPS提供。同时，PTP时钟与GPS信号进行互相校验。在GPS信号失效的情况下，PTP时钟仍可保证站内设备时钟的同步并向主控中心报警。同理，若PTP时钟失效，GPS则可通过互校验确定，并启动冗余备用PTP时钟。

4 结束语

现阶段，IEEE 1588协议在数字化变电站中的应用还处在探索阶段。作为一种能提供亚微秒级精度的对时协议，如何与变电站设备和网络配合发挥出最大的效益是现阶段亟待解决的难题。本文提出的方案为IEEE 1588协议在数字化变电站中的应用提供了参考。若能进一步解决好在广域网的应用方案和与IEC61850推荐的SNTP对时方法的兼容问题，IEEE 1588协议一定能在电力系统的发展中发挥出更大的作用。

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