计及链路传输时延的智能变电站精准时间同步技术

吴春红，韩伟，杨海晶，高利明，高辉

（1.国网河南省电力公司电力科学研究院，河南郑州 450052；2.南京邮电大学自动化学院，江苏南京 210000）

计及链路传输时延的智能变电站精准时间同步技术

吴春红1，韩伟1，杨海晶1，高利明1，高辉2

（1.国网河南省电力公司电力科学研究院，河南郑州 450052；2.南京邮电大学自动化学院，江苏南京 210000）

鉴于监测电网稳定和保护控制需要，精确时钟同步在电力系统中的应用需求愈来愈迫切。针对智能变电站基于IEC 61588协议精确同步对时协议，介绍了对时系统和时钟源冗余配置策略，详细阐述了智能变电站精准时间同步原理，并提出基于对称链路与非对称链路时延假设条件下时间同步计算方法。仿真结果表明，基于IEC 61588协议的智能变电站时间同步算法在对称链路假设条件下有效，当考虑非对称链路时需修正原有算法才能获得较高精度的同步效果。

精确时钟协议；智能变电站；时钟同步；冗余配置

随着基于IEC61850协议的智能变电站的大规模建设与投运，变电站内高级测量、保护与监控装置需要采用通过特别设计的对时系统来获取统一时标，实现与标准时钟源精准同步，确保各类装置工作在统一的时间基准下[1-2]。电力系统长期以来是定时同步应用的重点对象之一[3-5]。电力系统的时钟分配包括外部时钟源和内部时标分配2部分。外部时钟源主要来自北斗卫星导航系统、GPS以及基于互联网的网络授时等。电力系统与外部时钟源同步获取精准时标后，再通过内部时标分配令分布广泛的电力设备同步到统一的时标上[6-10]。通常情况下，内部对时精度要求在毫秒级，因此可以通过NTP或者SNTP协议在电力系统专用通信网络中分配时标。而基于差动保护监测电流不平衡来保护电力设备需要极高精度的采样精度，约为几个微秒；基于NTP或SNTP的网络授时精度（大约1 ms）已经不能满足电网发展的需求[11-14]。

在此背景下，一项专门为网络化测量与控制系统的精准时钟同步协议（precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems，PTP）诞生并被采纳。该标准首先由IEEE资助并发布了IEEE 1588第一版本V1，随后被IEC转化为IEC61588标准，已经更新到第二版本V2，第三版本V3推出在即。IEEE 1588是一种适用于工业测量与自动化系统特别是分布式测量与控制的精密时间协议。在IEEE 1588制订初期，设计者十分重视对系统资源的消耗，因此该协议只需要占用极少的带宽资源就可以实现精准对时功能。

本文介绍了智能变电站对时系统和时钟源冗余配置策略；分别详细阐述了基于对称链路与非对称链路时延假设条件下时间同步计算方法；通过计算机仿真比较2种算法的性能。

1 智能变电站对时系统

基于IEC61850协议，智能变电站按照逻辑划分包括了站控层、间隔层和过程层3层体系结构[7]。各层级之间采用高速通信网实现互联互通，1588定时网络作为重要的通信网络实体存在于智能变电站内部。图1给出了一个典型的智能变电站对时系统设计框图。外部时钟源设计分别采用了本地铷原子钟、网络授时和GPS。考虑绝对时间与相对时间的准确性，变电站主要时钟参考源是来自于基于广域网的授时，在广域网另一侧则存在着原子钟保持绝对时钟。实际上，目前国际上采用的主要时钟源一般为原子钟，利用的是基态超精细能级之间的跃迁，铷原子钟由铷量子部分和压控晶体振荡器组成。铷原子频标短期稳定度最高可达到10-12量级，准确度为±5×10-11s，具有体积小、精度高的特点[15-17]。

图1 典型的智能变电站对时系统Fig.1 The typical time synchronization system for smart grid

当广域网络发生中断时，本地铷原子钟可以接管，并保持绝对时钟直到网络恢复授时。而GPS授时则是为了保障授时的准确性测试，同时可以完成国际时的闰秒调节功能。这种冗余配置是为了应对网络攻击、网络故障而采取的保护措施，极大提高了智能变电站对时系统的可靠性与鲁棒性。为了便于调试，GPS时钟还会产生硬对时信号PPS用于检查所有的智能电气设备是否正确同步[16-17]。

IEEE1588精确时钟协议（PTP）分配TAI（原子时）时标和UTC（法定时）时标。在2008年形成标准并于2009年被IEC采纳为IEC61588标准[18-20]。IEC6 1588让主时钟广播同步（Sync）报文，其携带着报文离开主时钟发送端口时的确切时标。同步报文在网络中传播。每个接收到同步报文的网络节点，考虑了其驻留延时和链路延时后，将同步报文时间加以修正，然后转发到所有其他端口。

2.基于对称链路的时间同步计算方法

2.1 PTP协议对时基本原理

PTP协议通过设定主从时钟来实现同步功能，主从时钟之间通过网络互连，传输PTP协议报文实现主时钟时间Tz和从时钟时间Tc的对时同步。对时同步过程由时钟偏移和延迟校正2部分组成，分别测量时间偏移量t_off和时间延迟量t_delay来校正从时钟时间，保持与主时钟的对时同步。PTP协议对时基本原理如图2所示。

图2 基于对称链路假设的时间同步过程Fig.2 The time synchronization process based on symmetric link assumption

测量时钟偏移是通过Sync和Follow_up一对报文来实现的。Sync携带了报文发送时主时钟的时标估计值，从时钟接收到Sync报文后，记录下当时从时钟指标为Tc1；主时钟在发送Sync报文后，立即继续向从时钟发送Follow_up报文并告知从时钟Sync报文发送的精确时间Tz1，至此，从时钟完成了对主时钟发送Sync报文的精确时间，同时记录下了接收到Sync报文时的时间。根据PTP协议，主时钟周期性地向从时钟发送同步报文Sync和Follow_up报文来保持定时同步的准确性，周期一般为2 s。

测量传输延迟则是通过一对Delay_Req和Delay_Resp报文来实现的。从时钟通过向主时钟发送Delay_Req报文请求主时钟返回Delay_Resp报文。首先，从时钟记录下发送Delay_Req报文时的时间为Tc2；其次，主时钟接收到Delay_Req报文并记录下时间为Tz2，接着主时钟将携带有Tz2信息的Delay_Resp报文发送给从时钟。至此，从时钟就获取到了发送Delay_Req报文和接收到来自主时钟反馈Delay_Resp报文，测量获得了Tc2和Tz2。测量传输延迟是基于报文传输延迟是对称的假设，这就表示报文从主时钟到达从时钟的传输时间等于报文从从时钟到主时钟的传输时间。

由图2可知，Sync报文到达从时钟的时间Tc1包含了相对于主时钟发送Sync报文的时间Tz1，以及从时钟相对于主时钟的时间偏移量t_off，Sync报文从主时钟发送到从时钟的传输时延t_delay，据此，有如下表达式：

观察图2还可以发现，Delay_Req报文经过从时钟到达主时钟的传输时延t_delay应当叠加在从时钟发送Delay_Req报文的时间Tc2上，如主时钟与从时钟之间不存在时间偏移，则Tc2=Tz2-t_delay；反之 Tc2相对于Tz2-t_delay还应当包含从时钟相对于主时钟的时间偏移量t_off，据此可以获得另一表达式：

根据式（1）和（2）的表达式，从时钟相对于主时钟的时间偏移定义为t_off=Tc2-Tz2或t_off=Tc1-Tz1，也就是说时间偏移量为从时钟时间减去主时钟时间。一般地，可以将该表达式表示为

从而可以获得从时钟对时间偏移量的校正表达式为

式（4）左右2边分别表示校正后的从时钟时间和未校正从时钟时间。从式（1）和（2）还可以获得关于计算时间偏移值和时间延迟值的表达式：

根据式（5）和（6）还可以计算得出t_off和t_delay的关系表达式为

更加一般地可以将（7）式写为

由式（5）—式（8）可知，PTP协议专门设计了针对由时钟不同步导致的时间偏移以及由网络传输带来的延迟校正方法，然而，根据PTP协议，从时钟并不是通过获取完整的Sync和Follow_up报文、Delay_Req和Delay_Resp报文来一并求解t_off和t_delay的。这是因为如果采取周期性发送Sync和Follow_up报文、Delay_Req和Delay_Resp报文会增加网络负担和计算的开销。PTP协议规定周期性的发送Sync和Follow_up报文完成时间偏移校正，而通过设定Delay_Req和Delay_Resp报文发送频率是不规则的，一般为Sync和Follow_up报文周期的2～30倍，这样整个网络对时流程可以分为时间偏移和网络延迟校正2步来完成。

2.2 PTP协议时间偏移校正计算方法

下面就时间偏移值和时间延迟值的计算分别展开分析。如图3所示，在时间偏移校正中，主时钟周期性地向从时钟发送Sync报文和Follow_up报文，从时钟对接收到的Sync报文和Follow_up报文解析获取求解时间偏移量t_off必须的时间值。整个过程是在假定时间延迟为0的情况下完成的。在第①次同步过程中，从时钟计算得到时间偏移值并更新从时钟时间；而当执行到第②次同步时，从时钟再次计算时间偏移值为0，至此，从时钟完成了时间偏移校正。

图3 时间偏移校正（ms）Fig.3 The adjustment of time offset（unit:ms）

如图4所示，网络延时校正不规则的发生在时间偏移校正过程中，第①步完整展示了网络延时校正报文的发送、接收流程以及主时钟和从时钟记录的时间，从时钟通过发送Delay_Req报文并记录下时间为Tc1，主时钟在接收到Delay_Req报文后记录下时间为Tz1，并通过向从时钟发送Delay_Resp报文告知从时钟Tz1，从时钟在接收到Delay_Resp报文后解析获得Tz1，结合主时钟和从时钟上一时刻时间Tz和Tc计算获得时间延迟值t_delay。

图4 网络延时校正（ms）Fig.4 The adjustment of network-caused delay（uite:ms）

在第②步中，PTP协议又回到了时间偏移校正流程中来，与图3不同的是，此时的网络延时不再假设为0，而是根据第①步计算获得的t_delay代入计算真实的时间偏移t_off，并根据t_off来校正从时钟时间。第③步中，主时钟周期性地向从时钟再次发送Sync报文和Follow_up报文，从时钟计算获得此时的时间偏移t_off为0，从而达到了验证时钟是否同步的目的，如图4中第③步所示，最终从时钟完成了与主时钟的精确同步。

3 基于非对称链路的时间同步计算方法

通常情况下，由于通信网络的上下行链路的非对称性较为常见，信息传输路径不一定完全一致，因此主时钟到从时钟链路与从时钟到主时钟链路是非对称的，两者的传输时延很难保证精确一致见图5。那么考虑非对称链路传输时延的时间偏移校正表达式可以在式（1）和式（2）上稍作修改获得：

式中：t_delay1是主时钟到从时钟链路的传输时延，t_delay2是从时钟到主时钟反向链路的传输时延。由式（9）和式（10）可得时间偏移量计算表达式为：

图5 考虑非对称传输时延的时间同步过程Fig.5 The time synchronization process based on asymmetric link assumption

观察式（11）可知，若还按照式（5）计算时间偏移值t_off则会引入固定的误差（t_delay2-t_delay1）/2，导致时间同步不准确。考虑主时钟到从时钟链路与从时钟到主时钟链路带宽分别为B1和B2，且B1：B2= R，而对时报文长度为L，那么t_delay1：t_delay2=1/R，连同式（9）和式（10）可以获得如下表达式：

由式（12）—式（14）即可获得精确时间偏移量以及网络延时量。按照式（12）—式（14）依次改写图3与图4协议过程即可获得基于非对称链路假设时间同步完整过程。

4 计算机仿真结果

通过计算机仿真来验证第2节和第3节的分析与算法的正确性。本文采用完整的IEC 61588协议栈平台模拟仿真基于对称链路假设的时间同步计算方法性能，并比较在非对称链路假设条件下，采用式（12）—式（14）计算方法的性能改进情况。假设从时钟相对于主时钟时间偏移量为20 s，非对称链路带宽比例从1∶1变化至8∶1，即主时钟到从时钟链路带宽与从时钟到主时钟反向链路带宽比例从1∶1变化至8∶1。

为了比较在非对称链路假设条件下2种计算方法的性能优劣，计算2种算法的时间偏移量偏差值表达式为

分别考虑主时钟到从时钟链路高、中、低速报文传输时延典型值为1 ms，10 ms，100 ms时偏差随非对称链路带宽比例变化曲线。

由图6可知，当主时钟到从时钟链路带宽与从时钟到主时钟反向链路带宽比例为1∶1时，即假设了对称链路条件。式（5）和式（6）可以获得较好的时间同步效果，而当带宽比例逐渐增加时，由式（5）和式（6）计算获得的时间同步方法引入了不可消除的偏差，且随着带宽比例的增加而增加。而本文提出的基于非对称链路的时间同步计算方法式（12）—式（14）仍可以获得较好的时间同步效果且与带宽比例无关。

图6 偏差随非对称链路带宽比例变化曲线Fig.6 Bias versus asymmetric link bandwidth ratio

5 结语

依据IEC/IEEE 61850-9-3和IEC62439-3，电力工业有了标准化的、高性能的和高可用性的网络，可以针对有需求的应用功能，进行次微秒级精度时标的分配。本文阐述了智能变电站时标系统以及冗余配置方法；分别给出对称链路与非对称链路时延假设条件下时间同步计算方法；通过计算机仿真比较2种算法在不同带宽比例条件下的性能曲线。采用修正后的时间同步算法可以在非对称链路条件下获得稳定的时间同步精度。未来还可以针对延时模型引入各类网络单元存储转发、不同流量拥塞情况等更加实际的影响因素，并针对该复杂延时模型下开展时间同步算法设计研究。

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（编辑 董小兵）

Research on Precise Time Synchronization Technology Considering Transmission Delay for Smart Substation

WU Chunhong1，HAN Wei1，YANG Haijing1，GAO Liming1，GAO Hui2
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou 450052，Henan，China；School of automation,Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210000，Jiangsu，China）

Given the demand of stability monitoring and protection&control for power grid，the requirement for precision clock synchronization application in power grid becomes more and more urgent.This paper introduces the synchronization system in smart substations as well as the redundant configuration strategy of the clock source.The paper also expounds the principles of precision clock synchronization protocol.Furthermore，we propose the synchronization algorithms based on symmetry and asymmetry transmission delay assumptions respectively.The simulation results show that the traditional synchronization algorithm based on IEC 61588 protocol should be modified when considering asymmetric transmission delay between master and slave clocks.

precise clock synchronization protocol；smart substation；clock synchronization；redundant configuration

2016-11-03。

吴春红（1980—），女，本科，高级工程师，研究方向为电力系统继电保护技术、智能电网技术；

韩伟（1975—），男，本科，高级工程师，研究方向为电力系统继电保护技术、智能电网技术；

杨海晶（1977—），男，本科，高级工程师，研究方向为电力系统保护与控制、新能源接入系统；

高利明（1979—），男，高级工程师，研究方向为电能计量检测技术。

国家自然科学基金项目（51405244）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51405244）.

1674-3814（2017）04-0034-06

TM71

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