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IEEE1588时钟同步技术在变智能改造中的应用

IEEE1588时钟同步技术在xx变

智能改造中的应用

(单位XXX)

摘要:针对基于IEC61850标准的智能变电站高精度时钟同步指标要求和时钟同步在电力系统中的应用意义,引入能达到亚微秒级对时精度的IEEE1588时钟同步对时技术,并介绍了IEEE1588时钟同步原理。重点讨论基于IEEE1588时钟同步技术的XXX 变智能化改造的两种网络配置方案——基于边界时钟的对时网络和基于透明时钟的对时网络,并对两种方案进行了分析,最后再介绍XXX变智能化改造后的运行情况,为IEEE1588时钟同步方式在智能化变电站的应用提供了参考。

关键词:IEEE 1588;智能化变电站;时钟同步

Application of IEEE1588 clock synchronization technology in the

transformation of 330kV Yan'an intelligent Substation

Abstract:Based on IEC61850 standard indicators of high-precision clock synchronization and clock synchronization requirements in the sense of power system applications, the technology of IEEE1588 clock synchronization has been introduced which can achieve sub-microsecond accuracy for time, and the principle of IEEE1588 clock synchronization is also included. Focusing on IEEE1588 clock synchronization based on the transformation of the two Yan'an become intelligent network configuration program – synchronization network based on the boundary clock and synchronization network based on transparent clock. And two scenarios were analyzed. Finally the operating situation after intelligence reform will be introduced, which provides an IEEE1588 application of intelligent substation as a reference.

Key words:IEEE1588;intelligent substation ;time synchronization

1 引言

2002年由IEEE发布的IEEE1588全称为网络测量与控制系统的精密时间同步标准,简称为精密时间协议PTP(Precision Time Protocol),它可以在局域网中的不同设备间实现亚微秒级的同步精度。2008年7月份,IEEE再次发布了改进版本IEEE1588 v2,该版本比2002年发布的版本有较大的改进,进一步提高了时间的表示精度,支持亚纳秒级别的同步精度。

2004年国际电工委员会IETC(International Electro Technical Commission)第57技术委员会颁步了

IEC61850变电站通信网络和系统标准,这一自动化国际通信标准,以网络通信作为平台,将电力系统从调度中心到变电站、变电站内、配电自动化进行了无缝连接。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±lμS。IETC57第10工作组WG10负责变电站监控通信协议IEC61850标准的制定和维护,其将IEEE1588引入IEC61850标准,作为智能变电站的网络时间同步协议。根据IEC61850标准,电子式电压电流互感器和智能电子设备IED(Intelligent Electronic Device)将广泛应用于变电站中,故变电站内所有信息的采集和传输必须基于统一的时序和时钟标准,才能保证数据的准确性、可靠性和有效性。因此,IEEE1588时钟同步将在智能化变电站中发挥着重要的作用。

2 时钟同步的应用意义

2.1 同步对时在电力系统中的应用

智能变电站是智能电网的重要组成部分,在电力系统中,对于电网的运行或事故系统性分析需要有描述电网暂态过程的电流、电压波形,而各种事件发生的时间序列,比如智能变电站中的断路器、保护装置动作的时序等等,以及在电网运行或故障分析过程中,时序同步将起着决定性的作用。精确的同步时间在电力系统中常见的用途主要有:

(1) 在故障分析中的应用

现代的微机型智能保护装置一般带有故障数据记录或带有时标的动作报告,利用这些数据,可以方便地进行故障分析。但是,如果没有统一的时间基准,建立在这些故障纪录上的分析将损失很大一部分作用。

(2) 在自动控制中的应用

在电力系统中有许多控制都采用定时控制策略,如自动无功/电压控制,调度根据预测的负荷曲线,制定主变分接头调整计划和电容器组投退计划,然后将这些时间表整定到实现无人值班变电所的自动装置中,由这些装置根据自身的时间来进行自动调节。在这种场合,时间同步是必须的。

(3) 在电度采集中的应用

电度数据在用于进行电网损耗分析时,统一的时间基准是非常重要的,它直接影响到分析的准确程度。因此,在目前许多调度自动化系统计费子系统中,对时功能都是一项必备的功能。

除上述用途外,在时间同步的基础上还可以建立多种应用,如构造广域保护、雷电定位系统等。另外,智能电网规模不断扩大,信息化、网络技术等在电力系统中的应用,对变电站信息交互、数据处理的精确性、实时性、有效性、安全性等提出了更高的要求,这使得统一的、高精度的信息同步基准问题显得尤为突出。

2.2 同步对时在电力系统中的意义

电网运行状态瞬息万变,时钟同步对于电力系统的故障分析、监视控制及运行管理具有重要意义。智能组件的应用和智能变电站的建设,更需要同一间隔之间,不同间隔之间、甚至是不同变电站之间采取时钟同步手段保持采样同步。在变电站中,测控装置、故障录波器、微机保护装置、电能计量系统等都需要有站内一个统一的时钟对其授时,使其保持步调一致。

当发生状态变化后特别是发生事故后,必须及时掌握实时信息,才能对其进行及时处理,将其影响控制在一定范围内,确保系统安全、稳定、经济运行,而及时掌握实时信息,也便于事后进行定位定时分析,分析各类事件特别是系统故障的发生、发展过程,为优化保护和控制、防止灾难性事故发生提供依据。而统一的时间基准是进行处理和分析的基础。

3 PTP时钟同步原理

3.1 PTP系统结构

在PTP时钟同步系统结构中,有5种PTP设备类型,分别为普通时钟(Ordinary clock),边界时钟(Boundary clock),端到端透明时钟(End-to-end transparent clock),点对点透明时钟(Peer-to-peer transparent clock)和管理节点(Management node)。其中,时钟按其角色分类可以为主时钟(Master Clock)和从时钟(Slave Clock);普通时钟只有一个PTP端口,而边界时钟包括多个PTP端口,如图1主从时钟拓扑结构图所示。PTP系统中各个时钟的状态则是由最佳主时钟(Best Master Clock,BMC)算法所确定。

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图1 主从时钟拓扑结构图

3.2 IEEE1588基本报文类型

IEEE1588标准中定义了10种类型的对时报文,其中4种为事件(event)报文,即Sync、Delay_Req、Pdelay_Req和Pdelay_Resp,用于产生和通信用于同步普通时钟和边界时钟的时间信息,其在发送(egress)和接收(ingress)时产生精确时间戳;6种为普通(general)报文,即Follow_Up,Delay_Resp,

Pdelay_Resp_Follow_Up,Announce,Management和Signaling报文。

3.3 PTP同步原理介绍

PTP 基本原理的同步过程如图2主时钟与从时钟的报文交互过程图所示:首先主时钟向所有相连的从时钟发送Sync 报文,同时产生一个基于主时钟的本地时钟的时间戳1M T ,该时间为主时钟发送Sync 报文的时间;从时钟接收到Sync 报文并产生一个基于从时钟的本地时钟的时间戳1S T ,该时间为从时钟接收Sync 报文的时间;主时钟把上一个Sync 报文的发送时间1M T 加入到Follow_Up 报文中并发送给从时钟;从时钟开始发送一个Delay_Req 报文给主时钟,同时产生一个基于从时钟的本地时钟的时间戳S2T ,该时间为从时钟发送Delay_Req 报文的时间;主时钟接收到Delay_Req 报文,产生一个基于主时钟的本地时钟的时间戳M2T ,该时间为主时钟接收到Delay_Req 报文的时间;主时钟把M2T 时间放入到Delay_Resp 报文中并发送给从时钟,完成一个完整的报文交互。

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图2 主时钟与从时钟的报文交互过程图

在四个时间报文通信以后,从时钟根据所掌握的1M T 、

1S T 、M2T 和S2T 四个时间戳来计算从时钟与主时钟的时间偏差,假设系统链路是对称均匀的,主从时钟间的偏移量

Offset T 以及传输延迟Delay T 计算公式为:

()()

2S2M21M 1S T T T T T Offset ---= (1)

()()

2S2M21M S1T T T T T Delay -+-= (2) 至此,通过Offset T 和Delay T 修正从时钟的本地时间,从而与主时钟时间实现同步。

对于网络路径的延时时间,在IEEE1588 v2版本中提出了一种新型的对时模式,这种模式可以测量时间同步系统中任意两点之间的平均链路时延,而且可以进行任意时刻的测量。该模型主要由3种报文组成:Pdelay_Req 、Pdelay_Resp 和Pdelay_Resp_Follow_Up 报文。如图3网络路径延时时间独立请求测量的报文交互图所示,首先从时钟向主时钟发送Pdelay_Req 请求报文,得到发送时间戳1S T ,主时钟在接收到Pdelay_Req 信息包时得到接收时间戳1M T ,之后主钟发送Pdelay_Resp 信息包到从时钟,得到发送时间戳M2T ,从时钟在接收到Pdelay_Resp 信息包时得到时间戳S2T ;主时钟在发送完Pdelay_Resp 信息包之后,会

将M2T 与1M T 的差值T ?以Pdelay_Resp_Follow_Up 报文的形式发送给从时钟。

M 1M 2T T -=?T (3)

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图3 网络路径延时时间独立请求测量的报文交互图

在报文交互过程中,从时钟与主时钟的延迟时间为:

S1M1___T T T slave to master Delay -= (4)

主时钟与从时钟的延迟为:

M2S2___T T T master to slave Delay -= (5)

现假设主从时钟系统链路是对称的,即

slave to master Delay master to slave Delay T T ______= (6)

则整个系统中的链路时延Delay T 为:

2

______slave

to master Delay master to slave Delay Delay T T T += (7) 将上面的公式带入可以简化为: 21S S1?T --=

T T T Delay (8) 在系统链路时延计算完成后,从时钟可以通过该时延值,结合Sync 和Follow_Up 报文,完成对本地时间的修正,使得对时系统更加精确、灵活和方便。

4 IEEE1588时钟同步技术在XXX 变智能化改造中的方案

随着变电站自动化水平的提高,电力系统对时钟统一对时的要求愈来愈迫切,有了统一精确的时间,既可实现全站各系统在统一时间基准下的运行监控和事故后的故障分析,也可以通过各开关动作调整的先后顺序及准确时间来分析事故的原因及过程。将IEEE1588时钟同步技术用于智能变电站,在进行系统结构设计时,为保证电力系统的安全运行,需充分考虑时间同步系统的可靠性、稳定性、可扩展性和易维护性,并需要考虑到备用基准时钟源及抗干扰措施。

4.1 xxx 变电站智能化改造的系统结构介绍

XXX330kV 智能变电站可分为站控层、间隔层和过程层,各层之间通过光纤网络进行数据的交互。由于各层设备实现的功能不同,所以对数据同步精度的要求也有所不同。站控层设备需要达到毫秒精度,而间隔层和过程层设备,由于主要传输采样值信息和跳闸信息,需要达到微秒级的同步精度。具体的组网方

式为:xxx智能变电站过程层按照不同的电压等级分别单独组建SV网和GOOSE网,其中330kV高压部分GOOSE、SV采用双网结构,保护设备双重化配置;110KV部分GOOSE、SV采用单网结构,同时采用了保护测控一体化装置;330kV部分采用3/2接线方式,按串配置交换机,共3串;110KV部分采用双母线接线,按间隔配置交换机;全站保护跳闸采用直采直跳方式;过程层网络采用IEEE1588精密对时协议;网络拓扑结构如图4(a)XXX330kV智能变电站系统结构图所示。

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图4(a) xxxV智能变电站系统结构图

根据IEC61850对智能变电站的要求和IEEE1588时钟同步原理,xxx变电站智能化改造的过程层采用的1588对时网络系统将有不同的可选方案,具体如下所述。

4.2 xxx变智能化改造的边界时钟网络方案一

xxx变智能化改造的边界时钟网络方案如图4(b)所示,由两套GPS和xxxx以互备的方式组成双冗余的时钟源作为站内所有设备的时间基准,当主时钟源无法正常工作时,将自动切换到备用时钟源,这样可以提高时钟系统源端的可靠性。由主时钟源作为PTP 时钟信号源,提供给IEEE1588 扩展时钟时间信号,然后由此IEEE1588 扩展时钟发送1588对时报文。1588报文首先经过交换机,此交换机需要硬件支持IEEE1588功能,交换机在此作为边界钟,当交换机接收时钟源的1588时钟报文,经过时间校验并调整之后,再转发1588时钟报文至下一级设备,直到终端设备对时完毕。

4.3xxx变智能化改造的透明时钟网络方案二

第二种解决方案如图4(c)所示,由两套GPS和xxx以互备的方式组成双冗余的时钟源作为站内所有设备的时间基准,然后输出时间信号给IEEE1588 扩展时钟,再由此IEEE1588 扩展时钟发送1588对时报文。1588报文首先经过的交换机也需要硬件支持IEEE 1588功能,但是交换机在此作为透明钟,并且为透明P2P对时模式,这对于1588时间同步系统来说是透明的直接转发,即时钟源发出的1588对时报文,经过交换机转发,但是交换机在转发1588报文时给其补偿消息包的驻留时间,再转发1588时钟报文至下一级设备,直到终端设备对时完毕。

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2网络交换机3

45网络交换机6MP MP MP

MP SP

SP SP SP MP MP

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MP

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MP MP MP

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MP

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MP MP

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图4(b)边界时钟网络方案图

2

网络交换机345网络交换机6

图4(c)透明时钟网络方案

4.4 xx 变改造方案分析

在第一种方案中,主、从时钟均通过BMC 算法配置各个设备端口的属性,建立1588时间同步系统的拓扑结构,然后进行校时。作为每一级边界钟的交换机,在对时的过程中都需要终结PTP 协议,虽然可以降低对源端CPU 资源的要求,对于链路上有较少的网络连接设备(如交换机)的情况,可以达到较好的精度,但是,如果链路上的网络连接设备(如交换机)很多,则会造成累计误差,影响1588的对时精度。

在第二种方案中,各级设备同样通过BMC 算法配置各个设备端口的属性,建立1588时间同步系统的拓扑结构,然后进行校时。但是,透传法在中间节点的传递中并不终结PTP 协议,并且PTP 透传节点还有补偿

消息包的驻留时间,因此无时间积累误差,时间传递精度高,而且可传递较大的网络范围。

在xx变中采用的硬件支持1588功能的交换机,其1588的对时精度都在100nS以内,如图4(d)1588对时精度测试图所示,虽然已经符合IEC61850的T5测量标准±lμS的要求,但是对于边界钟方案中存在的固有累计误差,对于大型网络这是不可忽略的,因此经过综合分析之后,XXX变采用第二种透明时钟网络方案来改造站内的时间同步系统。

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图4(d)1588对时精度测试图

4.5 IEEE1588时钟同步技术在XXX变智能改造中的运行状况

XXX变智能化改造成功地采用了透明时钟网络方案,作为国网智能化改造的试点,大胆地运用了IEEE1588网络对时的方式,满足了IEC61850对智能变电站的各种技术要求指标。从该站的施工到运行情况来看,IEEE1588网络对时有其对时精度高的特点,并且网络对时可以减少电缆的大量铺设,从而为变电站节约了成本。就在改造后的设备运行期间,XXX变曾经出现线路故障、但是保护动作行为均正常,由于对时稳定精确,方便了故障的定位分析与处理,从而为XXX电网的安全、稳定、可靠的运行奠定了良好的基础。

5 结束语

IEEE1588时钟同步技术能够有效地提高整个智能变电站的时间同步精度,而且IEEE1588方案在XXX 变电站的成功应用,并达到了IEC61850的T5级时间同步精度的要求,这给智能变电站时钟同步问题提供了一种实际的解决方案。随着IEC61850标准在全国电力系统的大范围推广,为保障电网稳定、可靠、安全的运行,IEEE1588时钟同步技术在XXX变的智能化改造中的应用将值得广大电力工作者的参考借鉴。

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