1、数字化变电站中通信设备时钟同步技术的研究.DOC

数字化变电站中通信设备时钟同步技术的研究 卜宪德，何迎利，李守用 （国网电力科学研究院，江苏省南京市，210003） 摘要：介绍了数字化变电站通信设备采用的三种时钟同步技术，分析了优缺点。重点研究了数字化变电站时钟同步技术国际标准IEEE1588 PTP精密时钟同步协议，分析了工作模式，结合实际情况，给出了数字化变电站通信设备时钟同步的解决方案，最后给出了对时钟同步系统的冗余考虑。 0 引言 时钟同步系统是数字化变电站建设中的重要一环，无论是数字化变电站中间隔层的保护装置、测控装置，还是过程层的光电互感器、合并器都离不开同步信息，如何实现数字化变电站过程层、间隔层和站控层各设备的精确同步是必不可少的。 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。IEC 61850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(Tl~T5)，其中用于计量的T5等级精度达到±lμs。 1 与时钟同步相关的技术 目前数字化变电站内的时钟同步技术主要有GPS同步、SNTP简单网络时间协议同步以及IEEE1588 PTP网络精确时间同步协议。下面就三种同步方式各自特点给以说明。 目前全球定位系统(Global Positioning System，GPS)在变电站自动化系统(Substation Automation System，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，具有精度高、成本低的特点，其相关技术已很成熟。但对于站内其它设备和系统的对时，在通信协议和对时接口的兼容性上存在不足。 随着变电站的数字化发展，站内二次硬接线被串行通信线所取代，为此IEC 61850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 Time Protocol，NTP)的简化标准，在一定的网络结构下，NTP对时精度可达Tl等级(1ms)，广域网内误差范围为10~100ms。NTP/SNTP的网络应用虽然较成熟且方便，但是实现T3等级精度很困难。 2002年IEC TC57第10工作组引入了IEEE 1588标准用于数字化变电站内通信设备的时钟同步。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 Time Protocol, PTP)，其网络对时精度可达μs级，它具有高精度的分布式网络对时特点，其精度能够达到数字化变电站通信业务对时钟同步的要求。因此研究IEEE 1588在数字化变电站中的具体应用具有重要意义。 2 IEEE1588 PTP精密时钟同步协议[1] 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)。 IEEE1588有三种工作模式：BC（Boundary Clock边界时钟模式）、TC E2E（End to End Transparent Clock）和TC P2P（Peer to Peer Transparent Clock）。 BC（边界时钟）模式 BC模式采用主从层次式结构来同步时钟，实现机制如下图所示。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。这里假设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。 图1 BC模式的主从层次式结构 主从时钟间的偏移量Offset和传输延迟Delay的计算公式为： Delay＝((T2－T1)＋(T4－T3))/2 Offset ＝((T2－T1)－(T4－T3))/2 BC模式的工作特点： 必须内置高精度可调时钟源，以确保网络交换机PTP时钟的精确度。 网络交换机分别作为主、从设备收发各种IEEE1588帧，其必须完全支持IEEE1588协议（包括管理报文等）。 BC网络交换机时钟传递的方式是逐级传递，会产生时间误差积累。 TC E2E模式 E2E模式中网络交换机并不传递时钟，它只是简单记录同步报文及延迟请求报文在交换机中的驻留时间，并且在后续报文的时间戳标记中把这部分时间扣除，其实现机制如下图所示。图中：ΔS是SYNC报文在交换机中的驻留时间，ΔR是Delay_Req报文在交换机中的驻留时间。 主从时钟间的偏移量Offset和传输延迟Delay的计算公式为： Offset ＝ ((T2－T1)－(T4－T3)－(ΔS－ΔR))/2 Delay ＝