汪祺航，黃偉，吳在軍，趙上林

（1.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210096；2.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京211102）

現(xiàn)階段，我國的變電站正逐步向基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站方向發(fā)展。隨著基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的數(shù)字化變電站的大范圍陸續(xù)投運(yùn)，電子式電壓電流互感器和智能電子設(shè)備必將廣泛應(yīng)用于變電站中。作為全數(shù)字化的變電站，數(shù)字信號采集和傳輸必需基于統(tǒng)一的時(shí)序和時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)，才能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性和有效性。

時(shí)鐘同步技術(shù)在數(shù)字化變電站中發(fā)揮著重要作用。第一，建立在基于IEC61850的數(shù)字化變電站實(shí)現(xiàn)了數(shù)字通信和數(shù)據(jù)共享。大多數(shù)的二次設(shè)備都需要采集多個(gè)信號量（如IEC61850的9-1報(bào)文需要傳送12個(gè)通道的信號量）。這就要求對應(yīng)同一個(gè)合并單元的電子互感器采樣同步，不同間隔之間的合并單元同步，甚至不同變電站間的采樣都需要采用時(shí)鐘同步技術(shù)保持同步[1]。特別是像母差保護(hù)和變壓器縱差保護(hù)這類需要遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)配合的保護(hù)設(shè)備，更需要精確的時(shí)鐘同步，以防止誤動(dòng)作。第二，時(shí)鐘同步技術(shù)為電力系統(tǒng)中事件順序（SOE）記錄、故障錄波以及事后數(shù)據(jù)分析等方面提供精確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)相量測量、快速確定故障地點(diǎn)，更能給變電站控制中心提供準(zhǔn)確的操作判據(jù)，為電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)的保障[2]。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對智能電子設(shè)備的時(shí)鐘精度功能要求劃分為5個(gè)等級（T1—T5），其中用于計(jì)量的T5等級精度達(dá)到±1μs。對變電站時(shí)鐘同步技術(shù)提出了更高的要求[1，4，5]。

1 IEEE 1588時(shí)鐘同步機(jī)理

IEEE 1588是應(yīng)用于工業(yè)控制和測量領(lǐng)域的具有亞微秒級同步功能的精確時(shí)鐘同步協(xié)議（Precise Time Protocol）。一個(gè)IEEE 1588精確時(shí)鐘系統(tǒng)包括普通時(shí)鐘（僅有一個(gè)PTP端口）、透明時(shí)鐘和邊界時(shí)鐘（具有多個(gè)PTP端口），系統(tǒng)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)均被認(rèn)為是一個(gè)時(shí)鐘，通過以太網(wǎng)將整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘相連。系統(tǒng)中的時(shí)鐘工作在主時(shí)鐘、從時(shí)鐘和無源時(shí)鐘3種狀態(tài)。具體的時(shí)鐘狀態(tài)則是由最優(yōu)化的時(shí)鐘算法所確定[5-8]。

IEEE 1588的時(shí)鐘同步過程通過2個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：偏移測量和延遲測量。

首先進(jìn)行偏移測量：主時(shí)鐘優(yōu)先發(fā)送Sync報(bào)文，它是周期性的發(fā)出（一般每2s發(fā)送一次）。這時(shí)主時(shí)鐘記錄下Sync報(bào)文的發(fā)出時(shí)標(biāo)T1，如圖1所示。從時(shí)鐘接收到Sync報(bào)文時(shí)，記錄下收到報(bào)文時(shí)標(biāo)T2。然后主時(shí)鐘發(fā)出Follow_up報(bào)文，該報(bào)文包含了Sync報(bào)文發(fā)送的精確時(shí)標(biāo)T1。假定網(wǎng)絡(luò)延時(shí)為TDelay。則可計(jì)算出偏移時(shí)差Toffset。

延遲測量：在組網(wǎng)結(jié)構(gòu)固定，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化不大的系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)延遲TDelay基本上變化不大，延遲測量不需頻繁的進(jìn)行，一般為隨機(jī)發(fā)送。如圖1所示，從時(shí)鐘向主時(shí)鐘發(fā)出Delay_Req報(bào)文，從時(shí)鐘記錄下報(bào)文的發(fā)送時(shí)標(biāo)T3。主時(shí)鐘在收到Delay_Req報(bào)文后，記錄下接收時(shí)刻的時(shí)標(biāo)T4。然后，主時(shí)鐘向從時(shí)鐘發(fā)送Delay_Resp報(bào)文。Delay_Resp報(bào)文包含了時(shí)標(biāo)T4，則可計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)延遲TDelay。

圖1 IEEE 1588協(xié)議對時(shí)原理

綜合式（1）、式（2）可以計(jì)算出：

基于式（3）、式（4）所得到的Toffset、TDelay數(shù)據(jù)，從時(shí)鐘就能夠修正到與主時(shí)鐘一致的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。這種同步方法將時(shí)標(biāo)的測量和報(bào)文的傳送分離，使得報(bào)文時(shí)標(biāo)的確定更加精確。在專門的硬件配合下，時(shí)標(biāo)的測量能夠精確到報(bào)文從PHY層芯片發(fā)出時(shí)刻，完全排除報(bào)文在芯片內(nèi)部的接收、解碼和傳輸?shù)臅r(shí)延影響，從而使系統(tǒng)能夠達(dá)到亞微秒級的精度。

2 站內(nèi)IEEE 1588對時(shí)方案

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)將變電站分為變電站層、間隔層和過程層，通過站級總線和過程總線相連。對數(shù)據(jù)同步精度的要求，間隔層設(shè)備需要達(dá)到ms精度；而過程層設(shè)備，由于傳輸采樣值信息和跳閘信息，需要達(dá)到μs級的同步精度。根據(jù)以上要求，并考慮時(shí)間同步系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性和易維護(hù)性，以及備用基準(zhǔn)時(shí)鐘源系統(tǒng)和抗干擾措施，可以將變電站站內(nèi)同步時(shí)鐘系統(tǒng)按如下3種方式配置。

接續(xù)鄧小平所開辟的中國特色社會(huì)主義道路，以江澤民為核心的黨的第三代領(lǐng)導(dǎo)集體，確立了社會(huì)主義市場經(jīng)濟(jì)體制，深化了對中國特色社會(huì)主義的認(rèn)識，捍衛(wèi)了中國特色社會(huì)主義道路。江澤民明確指出：“中國的社會(huì)主義既不是蘇聯(lián)模式，也不是東歐模式，而是有中國特色的社會(huì)主義。走這條道路，是中國人民經(jīng)過一百多年的奮斗與探索作出的歷史性抉擇?！盵3]P163在1997年召開的中國共產(chǎn)黨第十五次全國代表大會(huì)上，江澤民代表黨中央提出了社會(huì)主義初級階段的基本綱領(lǐng)，把建設(shè)中國特色社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)、政治、文化作為統(tǒng)一的奮斗目標(biāo)。

配置方案1如圖2所示。在變電站過程層智能設(shè)備加裝一塊支持IEEE 1588功能的硬件模塊（例如美國NS公司生產(chǎn)的DP 83640芯片），通過該模塊與過程層總線相連，選取時(shí)鐘精度最高、最穩(wěn)定的智能設(shè)備時(shí)鐘源作為系統(tǒng)主時(shí)鐘，通過過程總線將過程層設(shè)備統(tǒng)一到與主時(shí)鐘同步。

圖2 變電站站內(nèi)配置方案1

站級總線由于要求的同步精度相對較低，可以采用僅軟件支持的IEEE 1588對時(shí)，或是IEC61850推薦的SNTP對時(shí)，或是現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的GPS對時(shí)。若采用IEEE 1588對時(shí)，可將過程層主時(shí)鐘源同時(shí)作為站級主時(shí)鐘，但是需要對站級總線設(shè)備增加相應(yīng)的軟件支持，更新軟件配置；若采用SNTP和GPS對時(shí)，由于這2種方法現(xiàn)階段廣泛的應(yīng)用和設(shè)備廠商的模塊支持，只需對現(xiàn)有變電站做較小的改造。但后一種方案需考慮站級總線和過程總線之間的時(shí)鐘偏差校正?？梢詫NTP（或GPS）時(shí)鐘信號源與IEEE 1588主時(shí)鐘相接，使其相互校正時(shí)間和互為冗余備用。

配置方案2如圖3所示。將主時(shí)鐘源從智能裝置中獨(dú)立出來，作為一個(gè)專門的時(shí)鐘源。這樣做雖然增加了裝置數(shù)量，增加了變電站一定的維護(hù)工作量，但是一方面能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的擴(kuò)展性和兼容性；另一方面增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使得過程層設(shè)備同步于確定的時(shí)鐘源裝置，更方便于變電站檢修和維護(hù)以及備用設(shè)備的配置和切換。

圖3 變電站站內(nèi)配置方案2

配置方案3如圖4所示。將過程層總線按保護(hù)區(qū)域設(shè)置為不同的段，使得過程總線段與段之間的數(shù)據(jù)交換很少，并將段與段之間通過交換機(jī)相連。這種方案降低了總線負(fù)載，增加了總線數(shù)據(jù)的傳輸效率和數(shù)據(jù)流量冗余，同時(shí)降低了TDelay的變化范圍和頻率。雖然加裝了交換機(jī)，增加了段與段間數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和延時(shí)的不確定性。但是IEEE 1588協(xié)議提供了邊界時(shí)鐘來解決時(shí)延問題：加裝支持邊界時(shí)鐘功能的交換機(jī)，主時(shí)鐘網(wǎng)段授時(shí)給邊界時(shí)鐘，從網(wǎng)段再通過與邊界時(shí)鐘對時(shí)保持與主時(shí)鐘的同步。同時(shí)亦可配合VLAN技術(shù)，優(yōu)化邏輯網(wǎng)段劃分和數(shù)據(jù)交換，提高變電站過程層信息交換的安全性和可靠性。

圖4 變電站站內(nèi)配置方案3

3 站間IEEE 1588對時(shí)方案

站間使用IEEE 1588對時(shí)方案，其最大優(yōu)勢在于可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域變電站之間的互聯(lián)對時(shí)，其亞微秒級的精度可以保證區(qū)域網(wǎng)內(nèi)重要節(jié)點(diǎn)電壓向量同步測量、母差保護(hù)線路兩端合并單元的采樣同步，以及故障測距和事件順序記錄功能的實(shí)現(xiàn)。

將IEEE 1588引入站間對時(shí)，可選取控制中心或變電站（一般為樞紐變電站）作為基準(zhǔn)主時(shí)鐘站，通過支持邊界時(shí)鐘的路由器網(wǎng)絡(luò)將時(shí)鐘源信號發(fā)送給區(qū)域內(nèi)的其他變電站，從變電站通過網(wǎng)絡(luò)接收時(shí)鐘源信號后將站內(nèi)所有時(shí)鐘同步到邊界時(shí)鐘的授時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。但是，由于站間線路的增長、網(wǎng)絡(luò)線路和交換機(jī)等設(shè)備的增多，在交換機(jī)延時(shí)、線路延時(shí)、隊(duì)列延時(shí)等因素的相互作用下，報(bào)文的響應(yīng)時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的不確定性將大大增加。

圖1所示的IEEE 1588對時(shí)過程是建立在主從時(shí)鐘間的偏差Toffset在對時(shí)過程中保持不變，以及報(bào)文傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)時(shí)延完全對稱的基礎(chǔ)之上的。假設(shè)在時(shí)標(biāo)T2和T3產(chǎn)生時(shí)刻從時(shí)鐘與主時(shí)鐘間的偏差分別為Toffset和Toffset1；報(bào)文在主時(shí)鐘到從時(shí)鐘和從時(shí)鐘到主時(shí)鐘之間的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)分別為為Tdelay和Tdelay1，則可令：

重新計(jì)算主從時(shí)鐘的偏移量和延遲量，得

對比式（3）、式（4）和式（7）、式（8）可看出報(bào)文響應(yīng)時(shí)間的增加和報(bào)文傳輸?shù)牟粚ΨQ性將使對時(shí)精度受到很大影響，難以保證變電站間的同步精度。

現(xiàn)階段國內(nèi)變電站主要采用接收GPS同步信號實(shí)現(xiàn)對時(shí)，GPS可向各站PTP系統(tǒng)主時(shí)鐘提供時(shí)鐘源信號。由于使用了兩級對時(shí)方案，站間對時(shí)精度會(huì)有一定程度的下降。但現(xiàn)階段IEEE 1588精確對時(shí)應(yīng)用于廣域網(wǎng)的對時(shí)精度還有待進(jìn)一步檢驗(yàn)?？紤]到目前多數(shù)變電站均安裝有GPS對時(shí)裝置，可以在原有GPS設(shè)備基礎(chǔ)上對站內(nèi)裝置進(jìn)行優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)一種比較可行和經(jīng)濟(jì)的站間高精度對時(shí)優(yōu)化配置方案，如圖5所示。

圖5 變電站時(shí)鐘同步系統(tǒng)優(yōu)化配置方案

站間通過GPS信號對時(shí)，為區(qū)域內(nèi)各個(gè)變電站提供精確絕對時(shí)鐘。在變電站站內(nèi)部，利用各層對同步精度要求的不同，采用不同的同步手段。站控層利用GPS信號同步；過程層采用IEEE 1588對時(shí)方案，用一專門對時(shí)PTP時(shí)鐘裝置為過程層設(shè)備提供同步信號，其精確時(shí)鐘源由GPS提供。同時(shí)，PTP時(shí)鐘與GPS信號進(jìn)行互相校驗(yàn)。在GPS信號失效的情況下，PTP時(shí)鐘仍可保證站內(nèi)設(shè)備時(shí)鐘的同步并向主控中心報(bào)警。同理，若PTP時(shí)鐘失效，GPS則可通過互校驗(yàn)確定，并啟動(dòng)冗余備用PTP時(shí)鐘。

4 結(jié)束語

現(xiàn)階段，IEEE 1588協(xié)議在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用還處在探索階段。作為一種能提供亞微秒級精度的對時(shí)協(xié)議，如何與變電站設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)配合發(fā)揮出最大的效益是現(xiàn)階段亟待解決的難題。本文提出的方案為IEEE 1588協(xié)議在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用提供了參考。若能進(jìn)一步解決好在廣域網(wǎng)的應(yīng)用方案和與IEC61850推薦的SNTP對時(shí)方法的兼容問題，IEEE 1588協(xié)議一定能在電力系統(tǒng)的發(fā)展中發(fā)揮出更大的作用。

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