合并单元时间同步系统的现状与发展

李 超 徐启峰

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108）

合并单元接收电压/电流互感器的信号，并将采集到的信号处理后上传到间隔层。合并单元需要采集多路信号，有时需要使用多个合并单元，因此各路信号之间和各合并单元之间需要时间同步。随着变电站技术的发展，各种电力参数的传输速率越来越高，变电站二次设备的控制算法也实现了瞬时值控制，因此对各种电力参数的时间同步提出了很高的要求。

1 时间同步相关标准与要求

国外针对变电站内通信网络，颁布了IEC60044和IEC61850等标准，国内也颁布了GB/T20840、DL/T860和DL/T1101等标准。根据以上标准[1-3]，变电站内设备对同步准确度的要求如表1所示[1]。

表1 电力系统常用设备对时间同步的要求

由表 1可以看出，对某些参数的时间同步准确度要求很高，已经达到了微妙级。合并单元作为采集与传输数据的重要单元，其时间同步准确度要求最为严格。合并单元连接的各路互感器间需要进行时间同步，各合并单元间也需要同步。

2 合并单元间同步实现方式

根据同步时间信号传输协议和构架的不同，各合并单元之间的同步有3种方式：秒脉冲对时、网络时间协议和精密时间协议。

2.1 秒脉冲（1PPS）

1PPS是指主时钟发送周期为 1s的时钟信号对合并单元进行时间同步。此方式无相关传输协议，简单易行，稳定性好，但需要搭建专用时间同步线路来发送秒脉冲，因此成本略高。

1PPS有基本式、主从式和主备式[4]。具体结构如图1所示。

图1 秒脉冲时间同步基本形式

秒脉冲对时是变电站最早采用的方法，由于设计简单，可靠性高，取得了广泛应用，但对时周期过长，同步的误差较大。智能变电站已不采用此种同步方式。

2.2 网络时间协议（NTP）

NTP（Network Time Protocol）是用来使计算机时间同步的一种协议，可达到100μs以内的时间对时[5]。NTP通过以太网连接各设备，无需搭建专用线路，成本较低，容易实现。但当路由器出现报文队列拥塞时，将出现延时甚至报文丢失现象，稳定性差。

NTP典型结构如图2所示。

图2 NTP系统结构

由图2可见，NTP网络组网方式非常灵活，可一对一对时，也可一对多对时。采取分层式对时方法，最多可达到15层。层数越低，对时准确度越高，通常合并单元处于第2层。

NTP有两种工作模式适于合并单元同步：服务器/客户端模式和广播模式。在服务器/客户端模式下，采用点对点连接，客户端可被服务器同步，服务器不可能被客户端同步。广播模式下，采取一对多连接，服务器自动广播时间信息，各设备接收信息后自动调整自己的时间。

1）服务器/客户端模式

此模式工作原理如图3所示。合并单元在t1时刻发送查询时间的报文至服务器，服务器在t2时刻收到查询请求，并在t3时刻回复合并单元，回复信息包含了t2和t3的时间戳，合并单元在t4时刻接收到时间信息，得到4个点的时间戳。

图3 NTP服务器/客户端模式对时原理

设从时间服务器tm到合并单元tn之间网络传输延时为tDelay，主时钟tm与从时钟tn之间偏移量为tOffset。在不考虑传输延时的情况下有

考虑传输延时则有

最后从时钟进行时间调整得到最新时间ts=tn-tOffset，时间同步得以完成。

2）广播模式

这一模式适于多合并单元时间同步。服务器根据设定的时间间隔不间断地向合并单元发送时间信息，各合并单元接收到时间信号后，自行根据传输延时时间进行调整。这一模式忽略了传输延时，传输延时需要通过实际测量得到。

NTP的优点是方法简单、易于实现，对时间隔可调。可以实现200μs准确度，但无法满足T3以上等级的同步要求，因此应用较少。

2.3 精密时间协议（PTP）

在NTP的基础上，IEC推出了IEEE1588标准[6]，其全称为网络测量与控制系统的精密时间同步标准，简称为精密时间协议PTP（Precision Time Protocol）。在硬件辅助下，准确度可达到亚微秒量级，可满足T5等级的同步要求。PTP通过以太网进行通信，无需专用线路，成本较低，同时支持IPv4、IPv6、UDP、EtherNet、DeviceNet等多种协议，并且采用短帧传输，数据帧少，算法简单，对网络资源使用少，稳定性高。PTP模式优势明显，但由于在普通处理器中实现难度较大，尚未得到广泛应用。

PTP的工作原理如图4所示，主时钟在t1时刻发送同步报文，同时得到时间戳t1，然后将时间戳t1通过跟随报文传送到从时钟即合并单元。合并单元在t2时刻接收到同步报文，并记录时间戳t2，然后接收跟随报文得到时间戳t1。合并单元经过一定时间延时后在t3时刻向主时钟发送延迟请求报文并记录时间戳t3，主时钟接收延迟请求报文并记录时间戳t4，主时钟将t4通过延迟应答报文发送到合并单元，合并单元得到时间戳t4。此刻合并单元已经记录下t1、t2、t3、t4四个时间戳，进而计算tDelay和tOffset。

图4 PTP网络对时原理

PTP对时与NTP对时的基本原理是一致的。PTP相比NTP，其优点是是利用数据网络而无需时钟专线传输时钟同步信号，降低了组建同步系统的费用，同时采用硬件与软件结合设计对各种影响同步准确度的部分进行有效矫正，提供微秒级时间同步。

近期一些新型号的处理器芯片已经集成了IEEE1588协议，通过寄存器配置或指令调用可使用此功能，这将有助于PTP的推广应用。

在实际应用中，还要考虑路由器等交换设备的延时和滞留时间，因此需要在IEEE1588协议的基础上加以优化，这也是目前研究的一个重点。

以上三种合并单元间的同步方式，均有实际应用的范例，三种方式各自特点如表2所示。由于技术成熟、简单易行，秒脉冲时间同步方法应用最多，但 IEEE1588标准的准确度远高于其他两种方式，是未来变电站同步系统的首要选择，也是目前各厂商研究的重点。

表2 合并单元间时间同步方法的特性

3 合并单元内各信号同步实现方式

根据IEC60448-8和GB/T20840.8的规定，合并单元最多具有12路输入信号，其框架如图5所示[2,4]。

图5 合并单元通用框图

12路电压/电流互感器通过光纤/电缆接入合并单元。各路信号的传输是相互独立的，因此各路信号采集与传输存在时间不同步的问题，需要进行时间同步处理。实现各信号间时间同步的模式有两种：合并单元内部数据处理模式和向互感器发送同步信号模式。

3.1 向互感器发送同步信号模式

合并单元将得到的时间同步时钟按照周期采样点数进行分频，将分频后的同步信号接入各互感器的数据处理单元。互感器接收时间同步信号后，开始进行AD转换或数据传输[6-8]。其结构如图6所示。

图6 合并单元发送同步信号示意图

此模式适合采样频率比较低的情况，但需要在合并单元与互感器间增加一条光纤或电缆，增加了硬件成本。

3.2 内部数据处理模式

此模式中合并单元不向各路互感器发送同步信号，而是通过软件算法对各路数据进行相位补偿。通常使用线性插值算法来实现。为了减少相位补偿误差，此模式对数据采集频率要求较高。

目前，随着各种处理器工作频率的提升，数据采集器的工作频率相应提升，其同步误差越来越小。以一周期采集传输500个点为例，每采样点时间间隔为40μs，最大同步误差为两倍时间间隔，即 80μs，相位差为1.4°。再通过算法补偿后，同步准确度更高。因此随着集成芯片工作频率的提升，同步误差越来越小，只需使用软件算法进行补偿即能实现各信号间的同步。内部数据处理模式已经得到了工程应用。

4 合并单元时间同步系统相关测试

目前合并单元时间同步系统的测试还无具体的标准，通常是将合并单元单独测试，其方法有波形相位比较和同步脉冲比较两种类型。

波形相位比较是将电压/电流实际波形与检测信号通过示波器或其它装置进行对比，测量它们之间的相位差α，进而确定时间同步误差，如图7所示。

图7 合并单元输出波形相位差

同步脉冲比较是将两路时钟同步信号通过预留的干接点接入示波器或其他装置，直接观测其时间间隔，如图8所示。

图8 同步信号直接检测

5 发展趋势

随着半导体集成芯片技术的发展和通信协议的不断完善，合并单元时间同步系统的准确度会越来越高。未来合并单元时间同步系统将由更高准确度的时钟源，更快速率的光纤以太网传输、更高频率数据采集和更优的软件算法构成。这些方面将是我们研究的重点与方向。

在此，提出一种基于高速处理器和全光纤网络的合并单元设计方案，如图9所示。

图9 合并单元设计方案

此设计方案的特点如下。

1）构架简单、低成本、高稳定性。只采用一个处理器，尽量减少其他器件的数量，成本低，同时提高了系统可靠度、稳定性和无故障运行时间。目前已有处理器集成 IEEE1588和串口通信功能，如TI生产的Cortex-M3 MCU和Xilinx生产的Spartan-6 FPGA等芯片。Cortex-M3 MCU只需对寄存器进行设置即可实现，Spartan-6 FPGA是通过指令启动GPIO配置模式来实现此功能。

2）全部光隔离设计，强抗干扰能力。合并单元的输入信号、输出信号、电源等接口均使用光隔离，提高抗干扰能力。

3）通信网络集成化。光纤以太网的组网方式，同时传输数据信号、报警信号、控制信号和时间同步信号，无需单独的时间同步线路。

4）高速数据采集和处理。处理器晶振频率可到到 50～100MHz，对数据采集和处理的运算时间在几微妙内完成。

5）T5级时间同步准确度。通过处理器内部集成IEEE1588模块，实现合并单元间微妙级的对时；通过百兆级别的处理器运算，实现合并单元内各信号微妙级的采集与传输，不必向各传感器发送同步信号，只需通过线性插值软件算法对数据优化。

6 结论

本文对合并单元对时系统进行了综述，分析了时钟源、合并单元间同步、合并单元内各信号同步的原理和方法，并展望了合并单元对时系统的发展趋势，提出了一种全新的光纤以太网合并单元设计方案。

未来合并单元时间同步系统的准确度将随着半导体集成芯片技术的发展和通信协议的不断完善而提高，变电站内的网络将由高速光纤组网实现，通信网络兼具数据传输、控制、报警、时间同步等多种功能。准确度、集成度、抗干扰能力和通信速率都将大幅度提升。

[1] 中华人民共和国国家能源局.DL/T 1101-2009.电力系统的时间同步系统[S].北京：中国电力出版社，2009.

[2] International Electro-technical Commission.IEC61850.Communication Networks and Systems in Substation[S].2004.

[3] 段雄英,廖敏夫,张春鹏,黄智宇.电子式互感器合并单元同步时钟模块的设计[J].低压电器,2011(15)：23-28.

[4] International Electro-technical Commission.IEEE1588.IEEE standard for a precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems[S].2008.

[5] 朱超,黄灿,梅军,郑建勇.基于FPGA与ARM的智能合并单元设计[J].电网技术,2011,35(6)：10-14.

[6] 夏梁,梅军,郑建勇,朱超.基于 IEC61850-9-2的电子式互感器合并单元设计[J].电力自动化设备,2011,31(11)： 135-138.

[7] 高乐,周有庆,欧阳帆.与电子式互感器接口的合并单元通信模型设计[J].电力自动化设备,2008,28(3)： 111-114.

[8] 晏玲,李伟,曹津平.采用 FPGA 实现合并单元同步采样的方案[J].电力自动化设备,2010,30(10)：126-128.