基于IEEE1588的数字化变电站同步方案研究
2015-04-14国网保定供电公司赵海霞王向东
国网保定供电公司 赵海霞 王向东 柴 青
引言
数字化变电站是指由智能化一次设备、网络化二次设备等基于IEC 61850通信协议分层构建、能实现智能设备间信息共享和互操作的现代化变电站[1]。数字化变电站分为过程层,间隔层和变电站层,各层之间通过高速的以太网进行通信。
IEC61850针对不同应用的同步时钟报文定义了5个等级(T1~T5),其中用于计量的T5等级精度达到±1 µs[2]。对于SCADA应用中的同步实现,标准中明确了采用简单网络时间同步协议(SNTP),但它只能实现毫秒级精度(T1),不能满足同步采样的时间精度要求。2002年底发布的IEEE1588是用于测量和自动化系统中的高精度网络时钟同步协议,能够达到亚微秒级的同步精度,协议中定义的各类同步报文都是基于用户数据报协议与网络协议(UDP/IP)多播报文发送的,适合在以太网上实现,能够实现过程总线的高精度同步要求[3]。
1 IEEE1588同步原理
IEEE1588的基本功能是使分布式网络内的时钟与最精确时钟保持同步,它定义了一种精确时间协议PTP(Precision Time Protocol),用于对标准以太网或者其他采用多播技术的分布式总线系统终端设备中的时钟进行亚微秒级的同步。
IEEE1588协议采用分层的主从式模式进行时钟同步,主要定义了4种多点传送的报文,分别为同步报文(Sync)、跟随报文(Follow up)、延时请求报文(Delay Request)、延时响应报文(Delay Response)。同步的过程分以下两步执行。
1.1 时钟偏移量测量
主方(Master)周期性的发送同步报文给从方(Slave),周期一般为2秒,此报文的信息包括报文离开主时钟的时间估计值。主时钟测量发送的准确时间TM1,从时钟测量接收的准确时间TS1。之后主时钟发出跟随报文,此报文包含同步报文放到PTP通信路径上的更为精确的估计值。时钟根据同步报文和跟随报文中的信息来计算偏移量,然后按照这个偏移量来修正从时钟的时间,如果在传输路径中没有延迟,那么两个时钟就会同步,如图1所示。
图1 时钟偏移量测量报文交换示意图
计算如下:
Offset:偏移量;△t:传输延迟;
Offset=TS1-TM1-△t(初值为0)
调整时间:TS=TS1-Offset=TM1+△t
此时把系统时间修改为TS,与主时钟相差传输延迟的时间△t。只要能准确计算△t,即可得到精确时钟了。为此PTP协议中专门通过延时请求报文和延时响应报文来计算传输延迟的时间Delay。为了提高修正精度,可以把主时钟到从时钟的报文传输延迟等待时间考虑进来,即延迟测量,这是第二个阶段。
1.2 延迟测量
从时钟向主时钟发出一个延时请求报文,在这个过程中决定该报文传递准确时间TS3。主时钟对接收报文打上一个时间戳,然后在延迟响应报文中把接收时间戳TM3送回到从时钟。根据传递时间戳TS3和主时钟提供的接收时间戳TM3,从时钟计算与主时钟之间的延迟时间。与偏移测量不同,延迟测量是不规则进行的,其测量间隔时间(4~60秒之间的随机值)比偏移测量间隔时间要大。这样使得网络尤其是设备终端的负荷不会太大,如图2所示。
图2 延迟测量报文交换示意图
计算如下:
假设报文由主到从所用的时间与由从到主所用的时间相同,所以
△t=TS2-TM2+(TM3-TS3)/2
当从时钟收到TM4同步报文时
Offset=TS4-TM4-△t
此时从时钟更新为TS=TM4+△t,时钟就和主时钟一致了。
2 数字化变电站时钟同步方案
为便于对同步过程的掌控,对IEEE 1588的站内应用做出几点限制:1)过程层、间隔层以及变电站层设备只作为对时网络末节点,扮演从时钟角色;2)通信网络中的交换机或路由器作为从时钟参与整个对时过程;3)设置专用根时钟(GC)作为整个对时网络的时钟参考源,该根时钟可以有多个网口,但不是交换机或路由器。经过上述限制,数字化变电站对时网络的层次变得清晰,功能明确,通用性更强[4]。
本文以过程网络和站级网络相互独立为例,如图3(图中未画冗余网络),基于上述限制,站级网络对时和过程网络对时也将被隔开。
图3 过程网络与站级网络相互独立的变电站通信网络结构
方案一:过程网络和站级网络都采用IEEE1588同步方案
如图4(a)所示,专用GC分别连接到过程网络与站级网络。GC接入过程网络与站级网络中的交换机,对时报文在GC与从时钟间进行交互,完成对时。此方法需要全站过程层和间隔层设备的以太网芯片、变电站层计算机的网卡以及通信网络中的交换机或路由器都支持 IEEE1588硬件对时,投资较大,但全站设备都能实现高精度时钟同步。
方案二:过程网络采用IEEE1588,站级网络采用SNTP同步方案
如图4(b)所示,SNTP服务器通过一个支持IEEE 1588的网口与GC对时,通过另一个不需要支持IEEE 1588的网口接入站级网络,以SNTP方式对变电站层设备对时。过程网络的对时方法与方案一相同。此处的SNTP服务器可以和GC优化成一个时钟服务器,该时钟服务器一个网口以SNTP对时,一个网口以IEEE 1588对时,这样可以优化功能配置,节省投资。此方法针对变电站层设备对时钟同步精度要求较低的特点,省去了变电站层计算机网卡以及站级网络中的交换机或路由器对IEEE 1588的支持,将功能实现与经济性很好地结合在了一起。
图4 数字化变电站对时方案
3 IEEE1588在数字化变电站应用中的相关问题
3.1 网络传输的延迟
上文中分析IEEE1588的同步原理时,假设报文由主到从与由从到主所用的时间相同,实际上这个假设并不成立,网络延时的不确定性和不对称性对对时精度会产生影响。IEEE1588采用边界时钟来解决这个问题,它通过给网络元件加一个时钟,并与主时钟保持同步,从而消除网络元件延时抖动。它直接接收主时钟报文,与主时钟的传输延时不存在排队和存储问题,所以需要分支时使用带边界时钟的网络元件。
与普通时钟不同,边界时钟有很多端口,其中一个端口做从时钟,其它端口做主时钟,形成时钟的分级拓扑,边界时钟的同步性能不会受网络负载影响。
3.2 时钟的不稳定性
一般,不同网络节点上的时钟采用的晶振不一样,环境等因素也会对晶振产生影响,因此每个节点上时钟的原始运行速度相差较大。假设晶振的精度为10ppm,则两个节点上时钟在同步周期内(假设为2秒)产生的偏差最大可达到10×10-6×2×2=40μs。如果考虑不同节点时钟采用不同频率的晶振,由于定时器分频带来的偏差,实际的偏差可能会更大。
针对这种情况,除了选择性能优越的晶振以外,还可采用软件补偿的方法,如时钟速率调节算法等。
3.3 同步精度的极限条件
4 总结
数字化变电站对时钟同步的要求很高,尤其是过程层网络,IEEE1588能够实现亚微秒级的对时精度,对数字化变电站的发展具有重大的意义。本文主要介绍了IEEE1588的同步原理,数字化变电站的同步方案和IEEE1588应用于数字化变电站中出现的有关问题,希望对具体的工程应用有所帮助。
[1]刘慧源,郝后堂,李延新,等.数字化变电站同步方案分析[J].电力系统自动化,2009,33(3):55-58
[2]IEC 61850-5,Communication networks and systems in substations,part 5:Communication requirements for functions and device models[S].2003.
[3]IEEE.IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S].IEEE,New York ANSI/IEEE Std,2002:1588-2002.
[4]赵上林,胡敏强,窦晓波,等.基于IEEE 1588的数字化变电站时钟同步技术研究[J].电网技术,2008,32(21):97-102.
[5]Roland Holler,Georg gaderer,Hannes Muhr and Nikolaus Kero,Chip-Design Building Blocks for Precision Clock Synchronization,IEEE1588 Annual,2005.