电力系统中稳定的时间同步系统研究
2014-04-17薛昊蒋南
薛昊+蒋南
摘要： 针对电力系统中时间同步不稳定的问题，本文在分析常规时间同步系统的基础上，根据电力系统的特点，提出一种卫星授时与SDH同步的联合时间同步系统。该系统首先根据GPS授时精确测量经过SDH网络的主从时钟的不同延时值，然后利用测量的延时值补偿SDH网络造成的时间延时，提出一种稳定的时间同步系统。
Abstract： According to the stability time synchronization of power system， the paper presents a stable time synchronous scheme of power system， based on the analysis of the current time synchronization scheme. The system uses the time of GPS to measure the different value of delay between the master clock and the slave clock， and then compensates the delay based on the measured value.
关键词： 时间同步；SDH；电力系统
Key words： time synchronous；SDH；power system
中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）10-0039-02
0 引言
电厂、变电站以及调度所是电网运行的基本元素。这些基本元素均由数量巨大的自动化设备以及电力设备组成，自动化设备在高速运行过程中，其状态千变万化，若这些设备之间是独立运行没有时间同步的话，各设备各行其是，则不能保证各个设备之间事件发生的先后关系以及重要信息的准确性。在各级调度所的内部调度中，时间精确同步对于故障分析、定位以及确定不同电力设备之间的故障顺序具有十分重要的意义[1]。
因此电网中的时间同步已成为电网可靠运行的关键。目前电网系统中的时间同步系统还处在一种初级阶段：电网各元素内部已实现局部同步，各元素之间均依靠卫星授时来实现同步，但卫星授时生产厂家众多，细小的差异，在长时间运行后，都会造成时间的巨大偏差，给电网可靠运行造成了极大的安全隐患。
随着智能化电网的发展，电网各元素内部的局部时间同步已无法满足电网运行的需求，全网时间同步已经成为电网发展的一大必然发展趋势。全网时间同步是电网可靠运行的必备条件。
1 时间同步系统
常规时间同步技术主要有以下5种实现方案：
①卫星时间同步方案，接收全球定位系统（GPS）[2]或北斗系统输出的标准时间作为系统时间的方案；基于GPS的时间同步方式的优点是成本较低，技术成熟，因此得到了广泛的应用，且其标称精度可以达到纳秒级，但其缺点同样明显，其受环境天气的影响，在天气情况较差的情况下，会出现时间失锁的情况，造成时间在一段时间内无法同步，因此需要在本地设计一个时间保持设备，在一段时间内保持时间同步功能，因此这种方式很难时刻保持较高的同步精度。
②有线时间同步方案，例如采用IRIGB格式时间码[3]或利用串口传输时间信息等；有线时间同步方案如IRIGB协议等的优点是时间同步可靠，稳定，其时间同步精度高，且其成本较低，但其缺点是工作距离较短，长距离传输会造成时间同步精度的急剧下降。
③网络时间协议（NTP）或简单网络时间协议（SNTP）[4，5]，NTP或SNTP是利用以太网包进行高精度时间同步的方案；由于NTP以及SNTP协议是基于交换网络的时间同步方案，而交换网络的延时存在相对大程度的不确定性，因此NTP以及SNTP协议的时间同步精度较差。
④精确时钟对时（PTP）协议[6]，是通过在网络的物理层协议中添加时间信息，以提高时间传输精度的方案；但PTP协议能实现高精度时间同步的前提需要系统硬件支持。
⑤基于SDH的时间同步方式[7]，以SDH作为传输介质，采用双向对时协议进行时间校准，以实现时间的同步[8]。
2 电力系统中稳定的时间同步系统
2.1 基于SDH的时间同步系统 基于SDH的时间同步系统。利用SDH网络作为时间同步系统[7]的媒介，采用双向对时算法进行时间校准，可实现系统的高精度时间同步。基于SDH的时间同步系统如图1所示。基于SDH的时间同步方式的缺点是需要占用一条SDH链路[9]。
基于SDH的时间同步系统的核心思想是利用双向对时协议通过补偿时间传输过程中的时间延时，以实现时间的精确同步。双向对时协议实现框图如图2所示。
其中T为主设备传输时间的时刻，在经过△t1时间延时后，从设备收到时间信息，同时将时间信息再回传给主设备，主设备在经过△t2延时后，收到从设备发送回来的时间信息，同时假设主从设备传输时间信息的路径完全相同，即△t1=△t2 （1）
因此，△t=△t1+△t2=2△t1 （2）
通过准确测量并补偿掉延时时间，基于SDH的时间同步系统可以准确实现时间同步。
2.2 一种稳定的时间同步系统 基于SDH的时间同步系统在主从设备双向延时是相同的情况下时，工作良好，但当设备处于一个环形网络，如图3所示。主从设备的传输路径不在一致时，将会导致△t1与△t2不相等，依据双向对时协议最终补偿后的时间与准确时间存在一个固定的时间差，造成时间同步出现错误。
如图3所示，主时钟A经过B、C向从时钟D传输时间信息，从时钟D经过E、F、G向主时钟A传输接收的时间信息，因为经过不同的路径，因此时间延时不同，造成双向对时协议补偿时间计算错误，导致基于SDH的时间同步系统工作异常。
本文根据基于SDH的时间同步系统的工作特点，提出一种卫星授时与SDH同步的联合时间同步系统，该系统首先利用GPS时间同步系统计算主从时钟传输延时，然后利用SDH网络实现时间同步，并实时检测传输延时变化。系统实现流程如下：
①同时利用GPS设备的时钟向主从时钟设备授时，主从时钟设备在接收到精确时间后，同时向对方发送时间信息；
②主从设备收到对方传输时间后，与本地时间进行比较，分别记录下来主时钟到从时钟的时间差△t1以及从时钟到主时钟的时间差△t2；
③从时钟利用从主时钟接收的时间与时间差相减后，得到精确时间；
④主从时钟设备分别利用本地高精度晶振计时，实现实时检测网络时延变化；
⑤若发现网络时延发生变化，则更新时间差△t1与△t2以实现时间的高精度同步。
该系统利用GPS的高精度首先补偿因为SDH网络不对称造成的时延不同，然后利用SDH网络的稳定性，向设备提供稳定而可靠的高精度同步时钟，在SDH网络发生切换或故障等情况下，该系统仍可可靠工作，解决了利用GPS授时的不可靠性，是一种稳定的时钟同步系统。
3 结论
针对电力系统中时间同步不稳定的问题，提出一种稳定的时间同步系统。该系统将GPS系统与SDH网络相结合，利用GPS的高精度测量SDH延时不对称的问题，利用SDH网络的稳定性，提出了一种稳定的时间同步系统。该系统将GPS的高精度与SDH的稳定性相结合，为电力系统提供了一种稳定的时间同步系统。
参考文献：
[1]于跃海，张道农，胡永辉等.电力系统时间同步方案[J].电力系统自动化，2008，32（7）：82-86.
[2]朱文治，肖晓刚.GPS卫星时钟在电网自动化系统中的应用[J].电网技术，1997，21（3）：32-33.
[3]贺鹏，曾维鲁.电厂数据采集与监控系统的时间同步技术[J].华北电力大学学报，2000，27（3）：42-45.
[4]王晓冬，阚德涛，张志武.以太网时钟同步技术[J].电子工程师，2008，34（9）：47-50.
[5]黄小耘.NTP在电力自动化设备时钟同步中的应用探讨[J].电力系统自动化，2005，29（15）：93-95.
[6]于鹏飞，喻强，邓辉等.IEEE1588精确时间同步协议的应用方案[J].电力系统自动化，2009，33（13）：99-103.
[7]Serizawa Y， Kitamura K， Myoujn M K. SDH-based Time Synchronous System for Power System Communications [J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 1998， 13（1）： 59-65.
[8]陈宁，李洪涛，俞刚等.电力系统中基于SDH的时间同步系统研究[J].科学技术与工程，2011，11（16）：3672-3678.
[9]陈宁.电力系统中基于SDH的时间同步系统设计与实现[D].南京：南京理工大学，2011.
本文根据基于SDH的时间同步系统的工作特点，提出一种卫星授时与SDH同步的联合时间同步系统，该系统首先利用GPS时间同步系统计算主从时钟传输延时，然后利用SDH网络实现时间同步，并实时检测传输延时变化。系统实现流程如下：
①同时利用GPS设备的时钟向主从时钟设备授时，主从时钟设备在接收到精确时间后，同时向对方发送时间信息；
②主从设备收到对方传输时间后，与本地时间进行比较，分别记录下来主时钟到从时钟的时间差△t1以及从时钟到主时钟的时间差△t2；
③从时钟利用从主时钟接收的时间与时间差相减后，得到精确时间；
④主从时钟设备分别利用本地高精度晶振计时，实现实时检测网络时延变化；
⑤若发现网络时延发生变化，则更新时间差△t1与△t2以实现时间的高精度同步。
该系统利用GPS的高精度首先补偿因为SDH网络不对称造成的时延不同，然后利用SDH网络的稳定性，向设备提供稳定而可靠的高精度同步时钟，在SDH网络发生切换或故障等情况下，该系统仍可可靠工作，解决了利用GPS授时的不可靠性，是一种稳定的时钟同步系统。
3 结论
针对电力系统中时间同步不稳定的问题，提出一种稳定的时间同步系统。该系统将GPS系统与SDH网络相结合，利用GPS的高精度测量SDH延时不对称的问题，利用SDH网络的稳定性，提出了一种稳定的时间同步系统。该系统将GPS的高精度与SDH的稳定性相结合，为电力系统提供了一种稳定的时间同步系统。
参考文献：
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[7]Serizawa Y， Kitamura K， Myoujn M K. SDH-based Time Synchronous System for Power System Communications [J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 1998， 13（1）： 59-65.
[8]陈宁，李洪涛，俞刚等.电力系统中基于SDH的时间同步系统研究[J].科学技术与工程，2011，11（16）：3672-3678.
[9]陈宁.电力系统中基于SDH的时间同步系统设计与实现[D].南京：南京理工大学，2011.
本文根据基于SDH的时间同步系统的工作特点，提出一种卫星授时与SDH同步的联合时间同步系统，该系统首先利用GPS时间同步系统计算主从时钟传输延时，然后利用SDH网络实现时间同步，并实时检测传输延时变化。系统实现流程如下：
①同时利用GPS设备的时钟向主从时钟设备授时，主从时钟设备在接收到精确时间后，同时向对方发送时间信息；
②主从设备收到对方传输时间后，与本地时间进行比较，分别记录下来主时钟到从时钟的时间差△t1以及从时钟到主时钟的时间差△t2；
③从时钟利用从主时钟接收的时间与时间差相减后，得到精确时间；
④主从时钟设备分别利用本地高精度晶振计时，实现实时检测网络时延变化；
⑤若发现网络时延发生变化，则更新时间差△t1与△t2以实现时间的高精度同步。
该系统利用GPS的高精度首先补偿因为SDH网络不对称造成的时延不同，然后利用SDH网络的稳定性，向设备提供稳定而可靠的高精度同步时钟，在SDH网络发生切换或故障等情况下，该系统仍可可靠工作，解决了利用GPS授时的不可靠性，是一种稳定的时钟同步系统。
3 结论
针对电力系统中时间同步不稳定的问题，提出一种稳定的时间同步系统。该系统将GPS系统与SDH网络相结合，利用GPS的高精度测量SDH延时不对称的问题，利用SDH网络的稳定性，提出了一种稳定的时间同步系统。该系统将GPS的高精度与SDH的稳定性相结合，为电力系统提供了一种稳定的时间同步系统。
参考文献：
[1]于跃海，张道农，胡永辉等.电力系统时间同步方案[J].电力系统自动化，2008，32（7）：82-86.
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[6]于鹏飞，喻强，邓辉等.IEEE1588精确时间同步协议的应用方案[J].电力系统自动化，2009，33（13）：99-103.
[7]Serizawa Y， Kitamura K， Myoujn M K. SDH-based Time Synchronous System for Power System Communications [J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 1998， 13（1）： 59-65.
[8]陈宁，李洪涛，俞刚等.电力系统中基于SDH的时间同步系统研究[J].科学技术与工程，2011，11（16）：3672-3678.
[9]陈宁.电力系统中基于SDH的时间同步系统设计与实现[D].南京：南京理工大学，2011.
