IEEE1588在智能配电终端的研究与应用

曹红亮 王小峰

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南　郑州　450002）



IEEE1588在智能配电终端的研究与应用

曹红亮 王小峰

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南郑州450002）

摘要：为了解决智能配电网中智能配电终端的时间同步技术问题，满足愈来愈高时间同步精度的要求，研究了IEEE1588协议的基本原理。根据目前配电网结构体系，设计了智能配电终端与IEEE1588相结合的组网方案。

关键词：配电网；配电终端；IEEE1588；时间同步

1　引言

智能电网是电力系统发展变革的最新动向，中低压配电网是智能电网的重要组成部分，配电网直接面向用户，是保证供电质量、提高电网运行效率的关键环节，因此配电网的智能化将成为智能电网建设的重中之重，其中智能配电终端的建设是重要的一环［1］。

国际电工委员会（IEC）制定的《IEC61850变电站通信网络和系统标准》［2］对时间同步的精度要求是±1s，一般的同步技术如GPS对时，B码对时，NTP/SNTP对时都无法满足这么高精度的要求。IEEE1588精确时间协议（preci⁃sion time protocol，PTP）［3，4］的出现，为要求越来越高的同步精度提供了有效的解决方法。

2　IEEE1588基本原理

IEEE1588标准的全称是/网络测量和控制系统的精确时钟同步协议。一个IEEE1588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，通过网络将整个系统的时钟相连，并由最佳主时钟（Best Master Clock，BMC）算法根据端口提供的信息，确定每个域内的时钟状态。IEEE1588的时钟同步过程通过两个步骤实现：偏移量测量和延迟量测量。

BMC算法作为IEEE1588v2协议的核心算法，主要根据各个PTP端口提供的外主时钟的质量信息和当前的路径情况，选择性能最优的时钟作为域内的主时钟。各个端口都执行BMC算法，根据此算法，确定状态。

3　影响同步精度的因素

如果PTP报文在应用层打上时间戳，然后发送到时钟物理层出口的时间不确定，所以协议栈处理报文的时间会影响时间戳的准确性；IEEE1588协议中计算偏差量

4　提高精度的方法

IEEE1588V2协议中引入了多种方法降低误差，例如为小系统涉及消除网络组建影响；软硬件结合打时间戳；使用边界时钟，透明时钟机一部降低非对称性影响；精简PTP报文帧头，减少网络带宽开销，相应降低可能的网络排队延时［5］。

4.1硬件打时间戳

在网络通讯过程中，要降低网络传输延迟的不确定性，需要尽可能的将时间戳获取点向协议栈的底层移动，时间戳的获取点越靠近传输介质，获取的发送和接收时间戳的精度就越高。

图1中的虚线框部分表示NTP/SNTP等以太网时钟同步协议对时钟报文进行标记的位置。由于标记进行在应用层，报文从上至下的传输过程中经过通信协议栈的多次打包封装操作，其延时抖动变的不确定［6］。图2中实线框部分表示IEEE1588同步报文在MAC层和物理层之间打时间戳，即硬件打时间戳。硬件打时间戳延时抖动一般在数个纳秒之间，在理出入借口最近的地方打时间戳大大消除了协议栈等延迟的影响。

图1　IEEE1588协议时间标记原理

图2　边界时钟网络同步关系

4.2边界时钟

如果主从时钟之间距离较长，传送报文时会受到网络波动和网络设备的影响，不可避免的会出现几到几百微妙的不确定延迟抖动。为了这个问题，IEEE1588协议提出边界时钟，边界时钟通讯实现过程如图2。

边界时钟具有多个端口，每个端口处于不同的状态，从端口收到主时钟发送的Sync报文以后，不再向下转发该同步报文，而是把自己当作从时钟，将自身本地适中的时间调整并同步到上级主时钟；与此同时该边界时钟又作为主时钟想与它连接的从时钟来发布Sync报文。边界时钟不仅能降低非对称性的影响，也能用于划分域和连接底层技术不同的域。

4.3透明时钟

在跨网段的时钟同步系统中，边界时钟采用逐级同步的方式，而边界时钟的增加会造成控制环的级联，造成系统的不稳定，各级网络元件的同步精度误差会逐渐放大［7］。因此IEEE1588协议提出两种透明时钟端到端透明时钟（E2E）和点到点透明时钟（P2P）。透明时钟与边界时钟不同的是，透明时钟不参与同步过程，没有主从状态，只负责转发PTP事件报文，并计算出该时间报文通过其滞留时间校正值，从而对该时间报文进行修正。透明时钟通讯实现过程如图3。

4.3.1端到端透明时钟（E2E）

E2E透明时钟在主从时钟之间，只是转发全部的报文；PTP的时间报文经过这些透明时钟，滞留时间区会测量PTP时间报文的滞留时间。PTP报文的传递过程和原理如图4所示：

Δt1和Δt2分别为Sync报文经过透明时钟TC的滞留时间，Δt3和Δt4分别是Delay_req报文经过TC的滞留时间。当Fllow_up报文到达从时钟节点时，报文修正区域的时间值为：

当Delay_req报文由从时钟传递到主时钟是，该报文修正区域的时间值为：

透明时钟同步过程与上文提到的主从同步过程类似，也要分为两步：1.偏移量测量2.延迟量测量。

所以，可得到偏差量Offset和延迟量Delay：

图3　透明时钟网络同步关系

图4　E2E透明时钟间的PTP报文传递

4.3.2点到点透明时钟（P2P）

E2E透明时钟只是测量PTP报文滞留的时间，而P2P不仅具有这项功能，还具备额外一个模块，这个模块是计算相近节点之间的链路延时。在P2P透明时钟使用对等延迟机制，该机制的计算基于端口与其链路对端交换Pdelay_req、Pdelay_resp和Pdelay_resp_follow_up报文。

对等延时机制如图5所示，B端口在T1时刻发送Pdelay_req报文，A端口在T2时刻收到该报文；A端口紧接着在T3时刻发送Pdelay_resp报文；紧接这A端口发送Pde⁃lay_resp_follow_up报文。假设端口A和端口B的传输时间是对称的，也就是TAB和TBA是相等的，则可计算出传输延迟Delay

Ts1为PTP事件报文在TC中的滞留时间，该时钟将Delay和ts1分别加入到跟随报文修正域中，该报文修正域值为：

在当PTP事件报文离开TC时，该时钟将加入到该报文修正域中，最终的修正域值为：

记主时钟发送Sync报文的时间为TM1，从时钟最终接收到报文的时间为TS2，主从时钟间的时钟偏差为Offset，由式9、10、11可以得出：

Offset=TS2-T_correction-TM1

5　组网方案设计

PTP时间同步技术，它凭借统一的标准，良好的时间和频率同步质量将成为时钟同步技术的主流方向［8］。IEEE1588的优点在于能够提供频率和时间同步，基于光纤环网不需重新铺设通信通道，同步精度较高。

配电网同步方案如图6所示。配电网主要由配网主站、配电终端、配网子站和通信通道等组成。配网主站主要实现配电网数据采集、监控及分析功能；配电终端是指安装于中压配电网现场的各种远方检测、控制单位的总称，主要包括FTU、TTU、DTU等。配电子战时刻配置的，一般根据实际的配网项目的需要，把某一片区的所有配电终端集中到配网子站，再由配网子站送至配网主站。通信通道一般采用手拉手式光纤环网将各个配电终端、配网子站与主站链接起来，光纤环网可根据配网实际情况组成一个或多个环网。在图6环网中，采用基于IEEE1588标准的交换机和智能配电终端，作为边界时钟、透明时钟和普通时钟。MC源时钟可通过GPS接收器获得精确时间，MC通过边界时钟和P2P透明时钟，同步相连各个智能配电终端。P2P透明时钟用来减少非对称性影响。边界时钟用来连接不同底层技术的网络，提供多个端口；图7表示的是一个光纤环网，边界时钟BC可与相近的另一个光纤环网的BC连接起来，可以起到备份的作用，当某个源时钟失效时，与之相连的边界时钟可以作为另一个边界时钟的从时钟，同步时间。

图5　P2P透明时钟间的PTP报文传递

图6　配电网同步系统设计方案

6　小结

IEEE1588协议提出的PTP技术提供BMC算法，频率同步和时间同步，从而使同步精度达到亚微秒级，适用于同步精度要求高的各个领域中。PTP技术在提高同步精度上进行了很多改进，采用硬件打时间戳，透明时钟等技术来降低延迟和误差。

PTP技术应用在智能配电终端中，使得配电网可不再依靠GPS、NTP/SNTP技术进行时间同步成为可能，为解决智能电网等时间同步精度的高要求提供了新的方案。

参考文献：

［1］李大友，金文龙，徐丙垠等.配电技术［M］.北京：中国电力出版社，2008.

［2］IEC.IEC61850 Communication networks and sys⁃tems in substations［S］.Geneva，Switzerland：IEC，2003.

［3］IEEE.Precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems［S］.IEC 61588，2004.

［4］NIST.Introduction to IEEE 1588［EB/OL］.http：// ieee1588.nist.gov/，2008.

［5］NIST.IEEE 1588-2008 is now available from the IEEE Standards Association［EB/OL］.http：//ieee1588.nist.gov/，2008.

［6］陈炯聪等.IEEE1588同步技术在电力系统中的应用［M］.北京：中国电力出版社，2012.

［7］赵上林，胡敏强，窦晓波等.基于IEEE1588的数字化变电站时钟同步技术研究［J］.电网技术.2008，32（21）：100-101.

［8］王相周，陈华婵.IEEE1588精确时间协议的研究与应用［J］.计算机工程与设计.2009，30（8）：1846-1849.

中图分类号：TM76

文献标识码：A

文章编号：1003-5168-（2016）02-0086-04

收稿日期：2016-1-10

作者简介：曹红亮（1989-），男，硕士，研究方向：电气工程；王小峰（1990-），男，研究方向：凝聚态物理。和延迟量是基于延迟对称的，但是在现实的传输过程中，由于网络抖动的等因素，延迟是很难对称的，从而这些不对称性会影响同步精度；多层次的主从时钟逐级同步也会累积误差。

Research of IEEE1588 In Smart Distribution Terminal

Cao HongliangWang Xiaofeng
（Patent Examination Cooperation Henan Center of the Patent office SIPO，Zhengzhou Henan 45000）

Abstract：To solve problems of smart distribution terminals time synchronization in the smart distribution grid，meet the requirements of increasingly high time synchronization accuracy，the basic principle of the IEEE1588 are stud⁃ied.According to the current distribution network architecture，intelligent power distribution terminal and IEEE1588 combining networking solutions was designed.

Keywords：distribution grid；distribution terminals；IEEE1588；time synchronization