智能变电站IEEE 1588同步偏差对同步相量量测的影响

刘 灏, 李劲松, 刘敬诚, 毕天姝, 田建南

(1. 新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学), 北京市 102206;2. 南方电网电力调度控制中心, 广东省广州市 510663)

0 引言

时间同步是电力系统安全稳定运行的重要保障。随着大量电力电子设备的接入及交直流电网高度混联,电网动态过程发生了深刻变化[1],电网安全稳定运行对继电保护装置、安全稳定控制系统和能量管理系统(EMS)等的时间同步提出了更高要求。智能变电站网络化通信的普及,使时间同步系统逐渐由IRIG-B码等传统同步方式向网络同步方式转变。IEEE 1588协议提出了一种应用于电力、通信、工业控制等领域的精度高于±1 μs的高精度网络同步协议,在现有网络同步方式中精度最高[2]。

目前智能变电站试点采用最多的IEEE 1588同步模式为“两步钟-ETH-P2P”[3],但运行中暴露了IEEE 1588协议理解不统一、装置设计不合理、稳定性差等缺陷[4]。针对这些缺陷,高性能IEEE 1588设备的研制和测试已有深入的研究。基于高斯和指数随机延迟两种模型,凭借极大似然估计法理论上可对IEEE 1588对时的偏差进行补偿[5]。依托仿真技术,文献[6]提出了可在普通背景流量作用下提升IEEE 1588对时系统安全性的模型。在不增加硬件开支的前提下,还可以采用锁频—锁相环,对IEEE 1588设备的报文延迟进行校正[7]。高性能IEEE 1588交换机已有研制,并对其在端到端(E2E)和点对点(P2P)两种延时测量机制下的抗普通网络风暴能力进行了测试,效果良好[8]。然而,这些测试未针对实际智能变电站二次系统的运行环境。针对IEEE 1588同步性能的评估,文献[9]提出了一套完备的硬件测试方法,并针对采样值(SV)报文构成的网络流量下IEEE 1588的性能进行了详尽的测试和分析。文献[10]基于实际的变电站自动化系统,测试得出IEEE 1588同步的精度。但这些测试未考虑智能变电站过程层网络IEEE 1588网、面向通用对象的变电站事件(GOOSE)报文网和SV报文网“三网合一”的工况,因为“三网合一”是未来智能变电站该层网络的建设方向[11]。虽然文献[12]开展了上述“三网合一”下的性能测试,但未考虑实际可能出现的运行场景及背景流量的优先级等方面的详细配置。

本文选取对时间同步精度要求高于1 μs的同步相量量测,针对IEEE 1588同步对电力系统同步相量量测的影响进行分析。首先基于对IEEE 1588时钟模式性能的理论分析,提出一步钟(one-step clock)更具有优势;分析了过程层网络报文的特性和可能出现的工况对IEEE 1588同步性能的影响;搭建了硬件时钟测试平台,详细分析了IEEE 1588的时间同步性能;最后仿真分析了实测的同步偏差对同步相量量测误差的影响,并提出了解决问题的对策与建议。

1 IEEE 1588时钟模式性能分析

IEEE 1588协议是电力、通信、工业控制等多行业普适的时间同步协议,相关的同步模式如表1所示。表中UDP表示用户数据报协议。针对电力行业的应用需求,国际和国内标准委员会分别制定了其在电力系统应用的导则——IEEE C37.238[13]和DL/T 1100.2[14]。

表1 适用于电力系统的IEEE 1588时间同步模式Table 1 Synchronization modes of IEEE 1588 for power system

导则[13]规定,变电站的IEEE 1588同步必须采用映射至IEEE 802.3二层的组播报文(ETH模式);必须采用P2P机制;建议采用一步钟模式;交换机模式没有明确的说明。而规范[13]除了ETH和P2P的规定以外,还明确指出交换机模式应采用透传时钟(transparent clock,TC),以修正事件报文在交换机内的驻留时间;时钟设备应至少能支持两步钟(two-step clock)模式。因此,本文基于IEEE 1588—2008,针对国内外标准没有明确规定的时钟模式:一步钟和两步钟模式的性能进行了详细分析。

一步钟模式定义为仅采用单一事件报文提供时戳信息的时钟模式;两步钟模式则是结合事件报文及对应的后续一般报文来提供时戳信息的时钟模式。两者同步过程如附录A图A1所示,详述见文献[12]。经分析,一步钟相对两步钟模式的优势如下。

1)一步钟模式的网络流量更小。如附录A图A1所示,一步钟模式少了Follow_Up和Pdelay_Resp_Follow_Up报文,可更好地适应重网络负载的工况。

2)一步钟模式时间戳更精确。一步钟模式依托硬件辅助电路在物理层生成IEEE 1588协议所定义的最精确的时间戳。根据附录A图A2的时间戳生成模型,当事件报文遍历节点的协议栈时,在物理层生成的时间戳(C点)最接近报文通过时钟节点的时刻。因此采用硬件打时标的一步钟模式的时间戳更精确。

3)一步钟模式可靠性更高。以事件报文Sync为例,一步钟模式下表示其收发时刻的时间戳由其自身携带;两步钟模式则由与之对应的Follow_Up报文携带,它通过字段SequenceId和SourcePortIdentity与Sync报文一一对应。若因故障或网络攻击,报文在该字段出现异常,或因网络拥堵导致携带时戳的报文丢失,则两步钟模式的精度必然会下降,其可靠性不如一步钟模式。

综上所述,在智能变电站时间同步系统应采用“一步钟-TC-ETH-P2P”模式。下文将针对该模式在站内具体工程场景下的适用性进行分析与实验测试。

2 IEEE 1588同步在智能变电站应用的场景

智能变电站二次系统的网络采用三层结构:过程层、间隔层和站控层。过程层和间隔层之间的网络为SV或GOOSE网(统称为过程层网络)。过程层网络可采用IEEE 1588时间同步[2],这样IEEE 1588对时网、SV网和GOOSE网构成“三网合一”的结构[15]。过程层“三网合一”后的报文特点如表2所示。

表2 “三网合一”下过程层网络报文特点Table 2 Characteristics of messages for process layer in “three-in-one” mode

1)就流量而言,IEEE 1588同步报文流量总体较小且基本稳定;IEC 61850-9-2协议的SV报文流量大而稳定,合并单元的流量约为每端口6～8 Mbit/s;GOOSE网在系统严重故障、很多信号同时产生时会有很大的突发流量,与SV网流量的比值可达1∶4[16]。

2)均采用组播传输,一发多收。

3)均直接映射到二层,传输不经过网络通信协议(TCP/IP)栈封装,传输具备快速性和高效性。

应用时有必要采用适当的组播管理方式来控制组播报文共网传输的范围[17],如虚拟局域网(virtual local area network,VLAN)和通用组播注册协议(GMRP)[18]。从可靠性和可控性的角度分析,现阶段的VLAN优于GMRP[19]。而基于端口划分的VLAN已成为智能变电站内报文过滤的主要手段。

VLAN的具体原理详述于文献[20],它只需要在交换机上配置。当VLAN正常时,不同VLAN之间的报文相互隔离、互不影响,降低了交换机的CPU负荷,因此工作于TC模式的交换机,仍可精确修正Sync同步报文的驻留时间,从而确保IEEE 1588同步的精确性。

再考虑VLAN失效对同步的影响。其失效原因主要有以下三点:①智能变电站网络结构改变后,基于端口的VLAN需要人工重新配置,配置策略和实际操作都比较复杂,存在人为误划分的可能;②由于VLAN通过识别VLAN ID字段过滤报文,所以若该字段因网络攻击被篡改会导致VLAN失效;③在交换机上配置VLAN后会生成本地配置文件,若因网络攻击交换机将其篡改或删除,VLAN即失效。

当VLAN失效时,流量过大会发生网络拥塞,交换机的流量控制机制被触发,缓冲区上限限制了报文的转发速率,交换机甚至会关闭一段时间以限制网络访问。因此,IEEE 1588同步报文转发的延时将增大,超出TC对驻留时间的补偿能力,甚至出现丢包,导致授时终端设备的同步偏差增大甚至失锁。

3 智能变电站IEEE 1588同步性能测试

针对上述分析,本文设计了带硬件时钟的测试平台,研究模式为“一步钟-TC-ETH-P2P”的IEEE 1588时钟,在智能变电站“三网合一”网络风暴下的性能。

测试平台的拓扑如图1所示,所有网络通道均为百兆通道,利用网络测试仪将GOOSE和SV报文打入2台传输IEEE 1588报文的交换机。基础配置如下:IEEE 1588优先级为4;SV为恒定流量,优先级最低,设为2;GOOSE为随机突发型流量,优先级最高,设为7,与SV的流量比为1∶4。测试中,主控计算机编程控制数字示波器随机地连续记录共计20 min的主从时钟秒脉冲(1PPS)上升沿偏差,以此表征同步性能[21]。

3.1 VLAN正常下IEEE 1588同步性能

本测试专项配置为:同步报文划入VLAN 1;GOOSE和SV报文则划入VLAN 2,视作背景流量。加流量前先记录无流量情况下同步的性能,再在百兆以太网端口递减注入90%,80%,50%,30%,10%,0的流量。测试中,每档流量下按前述方法记录同步偏差数据不少于20 min。结果显示,网络风暴下IEEE 1588同步各项指标正常,满足T5同步等级需求[22]。

图1 IEEE 1588硬件时钟测试平台Fig.1 Hardware test platform of IEEE 1588 clocks

同步偏差的统计分布如图2所示。无流量时,同步偏差分布为左侧虚线,均值-14 ns,抖动(标准差)约20 ns;随后注入90 Mbit/s背景流量,该流量占了90%的通道带宽,此时同步偏差均值增大至280 ns,但抖动为17.71 ns,与加流量前量级相当;随着流量的递减,同步偏差的均值和抖动均无明显变化。但当最后恢复至无流量的场景时,如图中实线所示,同步偏差仍约为280 ns,无法恢复至加流量前的水平。显然,重流量对IEEE 1588同步系统造成了一定的劣化。

图2 VLAN正常时“三网合一”下IEEE 1588同步性能Fig.2 Synchronization performance of IEEE 1588 in “three-in-one” mode of VLAN validation

在无流量下,针对加流量前和流量停止后,测试主从时钟直连、经1台TC交换机同步、经2台TC交换机同步这3种拓扑下的同步性能。测试结果如图3所示。

图3 加流量前后同步性能对比Fig.3 Comparison of synchronization performance before and after traffic increases

对于时钟而言,网络风暴使时钟的同步误差增大,增幅约60 ns;对于交换机而言,其同步误差显著增大,增幅约250 ns。因此,交换机受网络风暴影响更大,这是因为,流量直接加在交换机上降低了交换机转发报文的速度。

网络风暴下按90%,80%,50%,30%,10%,0%递减加流量时,对应的交换机CPU占有率分别为76%,72%,73%,71%,71%,70%。承受重载流量时(≥80%),二层组播报文的收发进程极大地占用了交换机的CPU,导致IEEE 1588同步报文转发延时增大,而且流量停止后转发进程仍未释放。重启交换机,该进程仍未释放。

虽然“三网合一”的网络风暴对IEEE 1588同步系统造成了一定的劣化,但是IEEE 1588同步系统输出的秒脉冲仍合格,同步偏差小于350 ns,抖动约为20 ns,均满足标准[13]和T5同步等级需求(1 μs)。

3.2 VLAN失效时IEEE 1588性能

为分析VLAN失效对IEEE 1588同步性能的影响,直接撤销交换机VLAN,网络风暴流量依次递增注入交换机。同步偏差的统计分布如图4所示,这里只分析无流量及10%,50%,60%流量的工况。

图4 VLAN失效时“三网合一”下IEEE 1588同步偏差Fig.4 Timing offset of IEEE 1588 in “three-in-one” mode of VLAN invalidation

VLAN失效时50%流量下,同步偏差均值虽然只有115 ns,小于同等流量下有VLAN时的偏差均值,但抖动已高达275 ns,远高于同等流量下有VLAN时的16 ns抖动,且波动范围达到1.6 μs(>1 μs)。60%流量属于标准[13]所规定的令从时钟处于临界同步的边界流量,从时钟锁定指示灯时亮时灭,已不能稳定同步。此时同步偏差均值虽不大,在130 ns左右,但抖动已高达400 ns,抖动范围约2 μs。可见,没有VLAN隔离报文,以致交换机CPU占有率近90%,缓冲区队列拥塞严重,同步报文延时和延时抖动都增大。

图5所示为60%流量下同步偏差的时序图,其中所标注的两个偏差的时间间隔只有1 s,属于时间上相邻的两个1PPS的偏差,但其前后抖动的幅度却增大至1.82 μs,不满足T5同步等级需求(1 μs)。

图5 VLAN失效时60%流量下秒脉冲偏差时序图Fig.5 Series of timing offset under 60% traffic during VLAN invalidation

综上所述,VLAN正常时,“三网合一”网络风暴下IEEE 1588同步仍满足智能变电站T5等级的需求;但当VLAN失效时,网络风暴下时间同步抖动幅度可接近2 μs,必然会对同步相量量测造成影响。

4 对同步相量量测的影响分析及对策建议

VLAN正常时IEEE 1588同步仍能满足智能变电站T5等级的应用需求,故本节只针对失效的VLAN下网络风暴,仿真分析IEEE 1588同步对相量量测应用的影响。

针对图5所示的失效VLAN下IEEE 1588同步的偏差,最大抖动1.82 μs出现在第400个量测点。仿真计算该偏差下同步相量的量测频率误差和量测频率变化率误差,分别如图6和图7所示。

图6 同步相量量测频率误差Fig.6 Frequency errors by sychro-phasor measurement

图7 同步相量量测频率变化率误差Fig.7 Error of change rate of frequency of synchronized phasor measurement

对于频率误差的限值,在静态场景下限值为0.002 Hz,动态场景下为0.01 Hz[23]。图6表明,有多个点超出误差界限;同步偏差抖动越剧烈,频率误差越大;频率误差最大值0.033 Hz出现在最大抖动1.82 μs的瞬间。这是因为频率是量测相角对时间的导数,而相角量测偏差又正比于时间同步偏差,所以同步偏差抖动最大即偏差对时间导数最大时,频率量测误差也最大。同时,所监测到的频率信号会出现振荡,主站监控人员会误以为系统频率振荡。

对于频率变化率误差的限值,静态场景下最小限值为0.01 Hz/s,动态场景下为0.1 Hz/s。图7表明,有多个点超出静态的误差限值,同步偏差抖动越剧烈,频率变化率误差越大;在最大抖动1.82 μs出现瞬间,频率变化率误差也达到最大值0.051 Hz/s。

针对VLAN失效时IEEE 1588同步的抖动,本文提出以下技术上的解决思路。

1)从时钟加入判别机制。通过报文解析将时标信息保存至本地,若本次时标较上一次偏差大于1 μs则闭锁输出,相量测量单元(PMU)通过本地自守时运行。

2)发现抖动后,PMU相量报文标志位标为“同步异常”,广域测量系统(WAMS)主站在应用该类数据时需谨慎,或者只取用这类报文里的幅值、有功功率等不受时间同步偏差影响的物理量。

3)在PMU算法中采用滤波处理,以消除同步抖动带来的测量波动。同步偏差抖动引起的量测误差与噪声引起的测量波动行为类似,可在PMU算法中加入信号识别,对有异常波动的测量数据进行滤波处理,如通过加长计算时间窗进行平均化处理,减少其影响。

5 结语

本文提出智能变电站时间同步系统应采用“一步钟-TC-ETH-P2P”的模式,该模式的适用性在本文的实验室带硬件测试中得到验证。本文所设计的测试针对智能变电站具体应用场景展开,测试表明,VLAN正常时,三网合一流量会增大交换机CPU占有率,导致交换机转发延时增大,进而放大IEEE 1588同步偏差。但IEEE 1588同步偏差最大也不到350 ns,抖动约为20 ns,同步精度高而稳定。人为误操作或配置文件遭篡改等网络攻击导致VLAN失效时,IEEE 1588同步偏差会产生约2 μs的瞬时抖动,同步系统失锁。

针对智能变电站同步相量量测应用,本文分析指出,VLAN失效时,同步偏差使频率量测误差和频率变化率误差越限,最大误差出现在最大瞬时偏差下。实际的PMU装置还会闭锁。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

参 考 文 献

[1] 中国产业研究报告网.2015—2020年中国智能变电站行业分析与发展机遇预测报告[EB/OL].[2015-11-11].http://www.chinairr.org/report/R05/R0503/201503/09-177250.html.

[2] 110(66) kV～220 kV智能变电站设计规范:Q/GDW 393—2009[S].北京:国家电网公司,2010.

[3] 黄鑫,王永福,张道农,等.智能变电站IEC 61588时间同步系统与安全评估[J].电力系统自动化,2012,36(13):76-80.

HUANG Xin, WANG Yongfu, ZHANG Daonong, et al. IEC 61588 time synchronization system and security evaluation for smart substations[J]. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(13): 76-80.

[4] 贺春,陈光华,张道农.IEEE Std 1588—2008精确时间同步协议行业规范在电力系统的应用研究[J].电力系统保护与控制,2015,43(17):133-138.

HE Chun, CHEN Guanghua, ZHANG Daonong. Research on standard profile for use of IEEE Std 1588—2008 precision time protocol in power system applications[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(17): 133-138.

[5] PENG J, ZHANG L, DES M. On the clock offset estimation in an improved IEEE 1588 synchronization scheme[C]// Proceedings of 19th European Wireless Conference, April 16-18, 2013, Guildford, UK: 6p.

[6] HUANG X, LI W, YANG S, et al. Smart substation IEC 61588 time synchronization system and security evaluation[C]// Proceedings of 2014 IEEE International Symposium on Precision Clock Synchronization for Measurement, Control, and Communication (ISPCS), September 22-26, 2014, Austin, TX, USA: 5p.

[7] ZHU W. IEEE 1588 implementation with FLL vs PLL[C]// Proceedings of 2013 IEEE International Symposium on Precision Clock Synchronization for Measurement, Control and Communication (ISPCS), October 24, 2013, Lemgo, Germany: 6p.

[8] 周力,赵银凤.智能变电站时钟同步系统中的透明时钟原理分析与实验[J].电力系统自动化,2012,36(6):106-111.

ZHOU Li, ZHAO Yinfeng. Analysis and experiment of transparent clock in time synchronization system of smart substation[J]. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(6): 106-111.

[9] INGRAM D M E, SCHAUB P, CAMPBELL D A. Use of precision time protocol to synchronize sampled-value process buses[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2012, 61(5): 1173-1180.

[10] DOMINICIS C M D, FERRARI P, FLAMMINI A, et al. On the use of IEEE 1588 in existing IEC 61850-based SASs: current behavior and future challenges[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2011, 60(9): 3070-3081.

[11] BIAN B, TANG X, HUANG X. Risk analysis and research based on IEEE 1588 in smart high voltage substation[C]// Innovative Smart Grid Technologies-Asia (ISGT Asia), May 21-24, 2012, Tianjin, China: 7p.

[12] 徐凯.时间同步方式及同步偏差对同步相量量测的影响研究[D].北京:华北电力大学,2015.

[13] The Institute of Electrical and Electronics Engineers. IEEE standard profile for use of IEEE 1588 precision time protocol in power system applications: IEEE Std C37.238—2011[S]. 2011.

[14] 中华人民共和国国家能源局.电力系统的时间同步系统(第2部分:基于局域网的精确时间同步):DL/T 1100.2—2013[S].2013.

[15] 周旭峰,杨贵,袁志彬,等.交换机流量限制技术及其在智能变电站的应用[J].电力系统自动化,2014,38(18):114-119.DOI:10.7500/AEPS20130903005.

ZHOU Xufeng, YANG Gui, YUAN Zhibin, et al. Rate limiting technology of switch and its application in smart substation[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(18): 114-119. DOI: 10.7500/AEPS20130903005.

[16] 刘玮,王海柱,张延旭.智能变电站过程层网络报文特性分析与通信配置研究[J].电力系统保护与控制,2014,42(6):110-115.

LIU Wei, WANG Haizhu, ZHANG Yanxu. Study on message characteristics and communication configuration of process layer network of intelligent substation[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(6): 110-115.

[17] 樊陈,倪益民,窦仁辉,等.智能变电站过程层组网方案分析 [J].电力系统自动化,2011,35(18):67-71.

FAN Chen, NI Yimin, DOU Renhui, et al. Analysis of network scheme for process layer in smart substation[J]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(18): 67-71.

[18] KOHLER T, DÜRR F, ROTHERMEL K. Consistent network management for software-defined networking based multicast[J]. IEEE Transactions on Network and Service Management, 2016, 13(3): 447-461.

[19] 刘明慧,赵晓东,司梦,等.智能变电站过程层网络流量管理方式研究与应用[J].电力系统保护与控制,2012,40(23):87-92.

LIU Minghui, ZHAO Xiaodong, SI Meng, et al. Research and application of process level network flow management in smart substation[J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(23): 87-92.

[20] The Institute of Electrical and Electronics Engineers. IEEE standard for local and metropolitan area networks—bridges and bridged networks: IEEE Std 802.1Q—2014[S]. 2014.

[21] INGRAM D, SCHAUB P, CAMPBELL D. Use of precision time protocol to synchronize sampled value process buses[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2012, 61(5): 1173-1180.

[22] 中华人民共和国国家能源局.电力系统的时间同步系统(第1部分:技术规范):DLT 1100.1—2009[S].2009.

[23] 国家电网公司.智能变电站自动化设备检测规范(第6部分:同步相量测量装置):Q/GDW 11202.6—2014[S].2015.