IEEE1588精密时钟（PTP网络时钟服务器）在数字化变电站时钟同步方面的应用

IEEE1588精密时钟（PTP网络时钟服务器）在数字化变电站时钟同步方面的应用
IEEE1588精密时钟（PTP网络时钟服务器）在数字化变电站时钟同步方面的应用
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【摘要】本文介绍了电力系统目前所采用的时间同步方案技术的局限性以及存在的问题。在此基础上，提出了使用在标准以太网中应用的IEEE1588精密时间协议（PTP）为传播主时钟时序给系统中的其他结点的实现方法。
【关键词】IEEE1588；时间同步；PTP
一、电力系统时间同步基本概况
　　随着对IEC 61850标准研究的不断深入，国内外学者提出基于IEC61850通信标准体系建设数字化变电站的发展思路。数字化变电站与常规变电站的显著区别在于过程层传统的电流/电压互感器、断路器将被电子式电流/电压互感器、智能断路器取代。在数字化变电站中数据信息的共享程度和数据的实时性将得到大幅度提高。IEC61850标准对智能电子设备的时钟精度功能要求划分为5个等级（T1-T5），其中用于计量的T5等级精度达到1us。
　　目前全球定位系统（global positioning system，GPS）在变电站自动化系统（substa-tion automationsystem，SAS）中应用很多，GPS同步设备通过硬接线利用脉冲信号进行对时，具有精度高、成本低的特点，其相关技术已很成熟。但是变电站数字化的发展趋势使得站内二次硬接线被串行通信线所取代，为此IEC61850标准引入了简单网络时间协议（simple network time protocol，SNTP）作为网络对时协议。SNTP是互联网网络时间协议（network timeprotocol，NTP）的简化标准。在一定的网络结构下，NTP对时精度可达T1等级（1ms），广域网内误差范围为10～100 ms。NTP/SNTP的网络应用较成熟，但是实现T3等级精度25us很困难。
　　2002年发布的IEEE 1588定义了一种用于分布式测量和控制系统的精密时间协议（precision timeprotocol，PTP），其网络对时精度可达亚us级，引起了自动化、通信等工业领域研究者的重视。国外一些公司（如Altera、Rockwell等）相继开始了支持IEEE1588的相关硬件产品开发和IEEE 1588具体工业应用的研究，经进一步完善的IEEE1588标准第2版已经于2008年发布。鉴于IEEE1588高精度的分布式网络对时特点，IEC TC57第10工作组准备在支持IEEE1588的交换机和以太网芯片有成熟的商业应用后，将IEEE1588引入IEC 61850。因此研究IEEE1588在数字化变电站中的具体应用具有重要意义。
二、IEEE1588的介绍和实现
　　IEEE1588即PTP（Precision Time Protocol）是适应智能化变电站时间同步的网络对时方式。该标准在提出之初是致力于工控和测量的精密时钟同步协议标准，目标是提供亚微妙的同步精度应用。后来该标准受到了自动化领域尤其是分布式运动控制领域的关注，远程通信和电力系统等相关组织也对其表现出浓厚的兴趣。目前在数字化变电站方面，IEEE1588是时间同步的第一选择。
　　PTP系统采用主从层次式结构来同步时钟，主要定义了4种多点传送的时钟报文类型：（1）同步报文，简称Sync；（2）跟随报文，简称Follow_Up；（3）延时要求报文，简称Delay_Req；（4）回应报文，简称Delay_Resp。实现机制如图所示。图中：T1为主端发送同步报文的时间；T2为从端收到同步报文的时间；T3为从端发送延迟请求报文的时间；T4为主端收到延迟请求报文的时间。这里假定同步报文的收到延迟与延迟请求报文的发送延迟相同，即路径是对称的。
　　主从时钟间的偏移量TOffset以及传输延迟TDelay
　　计算公式为：
　　PTP系统中的时钟在结构上分为普通时钟（ordinary clock，OC）与边界时钟（boundary clock，BC），功能上解释为主时钟与从时钟。OC为只有一个PTP端口的对时源端或终端设备，BC为有多个PTP端口的交换机、路由器或智能设备。系统中的源时钟称为根时钟（grandmaster clock，GC）。
　　时标单元是PTP实现高精度对时的关键，PTP事件报文的时标点经过时钟时标点时由报文检测模块捕获，进而触发时标记录，存储精确时标数据供应用程序处理。时钟按照PTP纪元时间设计成32位整数s加32位分数s（ns级），由单一振荡器触发。PTP系统的主从层次结构由最佳主时钟（best master clock，BMC）算法和事件决定，BMC算法独立运行于每个时钟，时钟之间不会进行相互协商。依据同步报文含有的信息以及驻存于时钟的数据集信息，运用数据集比较算法判断两处信息的优劣，采用状态决定算法产生时钟端口推荐状态，再结合特定背景得到端口确定状态。PTP的BC模型与OC模型结构类似，不再赘述。
　　IEEE1588分为V1和V2两个版本，V2在V1的基础上规范了报文格式，增加了End-to-end transparent clock和Peer-to-peer transparent clock等设备类型，增加了可以减少报文数量Peer Delay的对时机制。对于电力系统的点对点对时要求，V1就完全可以满足。
　　三、IEEE1588的特点及优势
　　IEEE1588实现主从同步与其他网络对时方案相比有以下特点
　　（1）Sync报文发送时刻的精确值并不包含于此报文中，而是在其之后的Follow_Up报文中，这样所带来的益处是报文传输时间和时间测量互不影响。
　　（2）主方通过位于底层的时标生成器获得精确信息后，发送Follow_Up报文，精确的反映了Sync报文的发送时刻。从方利用时标生成器，可以精确测量Sync报文的接收时刻。这种精确时刻的保证是因为时间标签信息是在接近于物理层“加盖”的。同样，Delay_Req报文和Delay_Resp报文传输时刻也能实现精确的时间标记。 　　（3）相对于主从时钟偏移量测量，主从通信路径延时测量并不是周期性的执行，而是较长时间间隔才执行一次，这样可以减少网络负载和终端设备的处理任务。
　　正是由于这种软，硬件结合的方案，消除了协议堆栈延时的不定性，使得IEEE1588协议同步可以达到亚微妙级的精度。
　　针对与数字化变电站的测量，同步相量的测量需要一个精度达到1us的UTC时间源，这可以通过为每个站点提供一个GPS接收器作为主参照时间来得到。就目前而言，站点内各个设备采用IRIG-B技术从GPS接收器获得相应的时间。
　　站点内设备数据的采集和传送一般通过局域网LAN进行，而正是由于采用了局域网这种方式，为IEEE1588标准在电力系统中的应用提供了一种机遇，并且由于目前市场上已经具有可以实现IEEE1588功能的边界时钟交换机，因此从技术上和应用环境上分析，采用IEEE 1588技术来代替现有的IRIG-B技术是切实可行的。而且，电厂内部各个电器设备，包括电压器、电流互感器、电压互感器以及各种监控设备之间的距离通常在一公里到两公里的范围之内，这刚好是IEEE1588标准所适用的局域网范围。
　　相对于传统的脉冲，IRIG-B等的硬对时方式，IEEE 1588可以自动校正线路的距离，这跟IRIG-B相比，极大地简化了站点内部各个设备之间时间的分配和同步。而且，由于采用IEEE 1588标准使用网络对时，可以减少系统内部专用的对时双绞线，因此可以提高系统的稳定性，并且费用也比采用IRIG-B的方案更加经济方便。所以，IEEE1588网络对时方式以其无以伦比的灵活性必将取代传统的硬对时方式成为电力系统最主要的通信方式
　　四、结束语
　　许多工业、测试和测量、通信应用都要求高精度的时钟信号以便同步控制信号和捕捉数据等。在标准以太网中应用的IEEE 1588精密时间协议（PTP）为传播主时钟时序给系统中的许多结点提供了一种方法。