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        時(shí)間同步及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

        2014-04-16 08:06:36薛昊XUEHao蔣南JIANGNan
        價(jià)值工程 2014年13期
        關(guān)鍵詞:通訊站點(diǎn)衛(wèi)星

        薛昊XUE Hao;蔣南JIANG Nan

        (①江蘇省高新技術(shù)創(chuàng)業(yè)服務(wù)中心,南京 210008;②南京南瑞集團(tuán)公司信息通信技術(shù)分公司,南京 211100)(①Jiangsu Province High-tech Innovation Service Center,Nanjing 210008,China;②Jiangsu Nanrui Group Information Technology Branch,Nanjing 211100,China)

        時(shí)間同步及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

        薛昊①XUE Hao;蔣南②JIANG Nan

        (①江蘇省高新技術(shù)創(chuàng)業(yè)服務(wù)中心,南京 210008;②南京南瑞集團(tuán)公司信息通信技術(shù)分公司,南京 211100)
        (①Jiangsu Province High-tech Innovation Service Center,Nanjing 210008,China;②Jiangsu Nanrui Group Information Technology Branch,Nanjing 211100,China)

        針對(duì)電力系統(tǒng)中時(shí)間同步技術(shù)的重要性,本文在分析常規(guī)時(shí)間同步方案的基礎(chǔ)上,根據(jù)電力系統(tǒng)的特點(diǎn),提出了電力系統(tǒng)中站點(diǎn)間采用衛(wèi)星與SDH時(shí)間同步方式相結(jié)合,站點(diǎn)內(nèi)部采用NTP與IRIGB同步方式相結(jié)合的綜合時(shí)間同步方案,并分析了其優(yōu)點(diǎn)以及應(yīng)用前景,為電力系統(tǒng)時(shí)間同步提出了一個(gè)綜合解決方案。

        時(shí)間同步;SDH;電力系統(tǒng)

        1 時(shí)間同步的意義

        時(shí)間同步是指各分布式系統(tǒng)或終端以中心控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘作為基準(zhǔn),使各分布式系統(tǒng)或終端的時(shí)鐘與中心控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘同步,其誤差符合一定的標(biāo)準(zhǔn),從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)在時(shí)間上的統(tǒng)一或同步。

        時(shí)間同步是隨著航天、航空、衛(wèi)星通訊等遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)、控制、通訊等實(shí)際應(yīng)用需求而發(fā)展起來(lái)的一門新興技術(shù),其廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通訊、導(dǎo)航、軍事、電力、雷達(dá)等領(lǐng)域,并且隨著計(jì)算機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,時(shí)間同步已成為其實(shí)現(xiàn)主要功能的基礎(chǔ)之一。

        在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中,時(shí)間是數(shù)據(jù)交互的依據(jù)之一,不同的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)造成的時(shí)間偏差,不僅可能造成數(shù)據(jù)延時(shí),甚至可能引起數(shù)據(jù)丟失,因此時(shí)間同步是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)同步的基礎(chǔ);在電信等通訊網(wǎng)絡(luò)中,各子網(wǎng)絡(luò)承載維護(hù)、管理以及計(jì)費(fèi)等功能,同樣對(duì)時(shí)間同步具有嚴(yán)格的要求,且其各個(gè)子網(wǎng)絡(luò)之間必須要求嚴(yán)格同步;衛(wèi)星通訊等導(dǎo)航系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備之間也必須保持時(shí)間的絕對(duì)同步,以避免各個(gè)系統(tǒng)之間的誤操作;在電力系統(tǒng)等網(wǎng)絡(luò)中,對(duì)各個(gè)設(shè)備的監(jiān)控、控制以及管理,各個(gè)子系統(tǒng)對(duì)故障告警和日志信息同樣需要高精度的時(shí)間信息,以便進(jìn)行故障定位和性能分析。

        因此,時(shí)間同步技術(shù)對(duì)現(xiàn)代科技發(fā)展具有十分重要的意義,研究時(shí)間同步技術(shù)無(wú)論是在理論上還是在實(shí)際應(yīng)用中都具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。

        2 時(shí)間同步系統(tǒng)

        常規(guī)時(shí)間同步技術(shù)主要有以下5種實(shí)現(xiàn)方案:①衛(wèi)星時(shí)間同步方案,接收全球定位系統(tǒng)(GPS)[1]或北斗系統(tǒng)輸出的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間作為系統(tǒng)時(shí)間的方案;②有線傳輸時(shí)間同步方案,采用諸如時(shí)間編碼IRIGB[2]或利用串口傳輸?shù)?,在短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)時(shí)間的精確同步;③網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)或簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(SNTP)[3,4],NTP或SNTP是利用以太網(wǎng)包進(jìn)行高精度時(shí)間同步的方案;④精確時(shí)鐘對(duì)時(shí)(PTP)協(xié)議[5],是通過在網(wǎng)絡(luò)的物理層協(xié)議中添加時(shí)間信息,以提高時(shí)間傳輸精度的方案;⑤基于SDH的時(shí)間同步方案[6],以SDH作為傳輸介質(zhì),采用雙向?qū)r(shí)協(xié)議進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn),以實(shí)現(xiàn)時(shí)間的精確同步[7]。

        以上幾種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)?;贕PS的時(shí)間同步方案的優(yōu)點(diǎn)是成本較低,技術(shù)成熟,因此得到了廣泛的應(yīng)用,且其標(biāo)稱精度可以達(dá)到納秒級(jí),但其缺點(diǎn)同樣明顯,其受環(huán)境天氣的影響,在天氣情況較差的情況下,會(huì)出現(xiàn)時(shí)間失鎖的情況,造成時(shí)間在一段時(shí)間內(nèi)無(wú)法同步,因此需要在本地設(shè)計(jì)一個(gè)時(shí)間保持設(shè)備,在一段時(shí)間內(nèi)保持時(shí)間同步功能,因此這種方式很難時(shí)刻保持較高的同步精度。

        有線時(shí)間同步方案如IRIGB協(xié)議等的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間同步可靠,穩(wěn)定,時(shí)間同步精度高,且其成本較低,但其缺點(diǎn)是工作距離較短,長(zhǎng)距離傳輸會(huì)造成時(shí)間同步精度的急劇下降。IRIGB協(xié)議如圖1所示。

        NTP、SNTP以及PTP協(xié)議均是基于交換網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步方式,但是由于交換網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)不確定性,因此其同步精度不能滿足電力系統(tǒng)的應(yīng)用需求。NTP與SNTP協(xié)議在局域網(wǎng)中的時(shí)間同步精度可以達(dá)到毫秒級(jí),在廣域網(wǎng)中性能則更差,只能達(dá)到幾十毫秒的精度。PTP協(xié)議在理論上可以實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)的同步精度,但其需要系統(tǒng)硬件升級(jí)。PTP時(shí)間同步算法如圖2所示。

        基于SDH的時(shí)間同步方案。將電路域SDH網(wǎng)絡(luò)作為時(shí)間傳輸[7]媒介,利用雙向?qū)r(shí)協(xié)議進(jìn)行時(shí)間同步,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)間高精度同步?;赟DH的時(shí)間同步系統(tǒng)如圖3所示。基于SDH的時(shí)間同步方案的缺點(diǎn)是需要占用一條專用SDH鏈路[8]。

        3 時(shí)間同步在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

        3.1 電力系統(tǒng)中時(shí)間同步系統(tǒng) 時(shí)間同步是電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵,但目前電力系統(tǒng)的時(shí)間同步還僅限于各個(gè)站點(diǎn)內(nèi)部的局部時(shí)間同步,各個(gè)變電站、電廠之間的時(shí)間尚未完全同步,因此給供電安全造成了比較大的隱患[9]。

        3.1.1 站點(diǎn)間時(shí)間同步方案 目前電力系統(tǒng)中各個(gè)站點(diǎn)間尚處于“各自為政”的狀態(tài),各個(gè)系統(tǒng)均采用一套獨(dú)立的衛(wèi)星對(duì)時(shí)系統(tǒng),由于衛(wèi)星對(duì)時(shí)系統(tǒng)生產(chǎn)廠家繁多,雖然均為衛(wèi)星對(duì)時(shí)系統(tǒng),但各個(gè)對(duì)時(shí)系統(tǒng)處理方式不一致,造成接口形式不統(tǒng)一,系統(tǒng)守時(shí)精度難以保證。因此電力系統(tǒng)站點(diǎn)間并未實(shí)現(xiàn)真正的時(shí)間同步[9]。

        3.1.2 站點(diǎn)內(nèi)部時(shí)間同步方案 電力系統(tǒng)站點(diǎn)內(nèi)部之間的時(shí)間同步以衛(wèi)星同步方式為主,輔以以NTP為主的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議對(duì)時(shí)方案。站點(diǎn)內(nèi)部各個(gè)設(shè)備均采用衛(wèi)星授時(shí),設(shè)備與從設(shè)備之間則采用以NTP等網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議為主的對(duì)時(shí)方式。因此電力系統(tǒng)站點(diǎn)內(nèi)部的時(shí)間同步方案是基本可靠的。

        3.2 電力系統(tǒng)的綜合時(shí)間同步方案 針對(duì)上述分析可知,目前的電力系統(tǒng)中,雖然站點(diǎn)內(nèi)部的時(shí)間同步基本建立,但各個(gè)站點(diǎn)間的時(shí)間同步尚未完全建立,因此,建立站點(diǎn)間的時(shí)間同步是電力系統(tǒng)中時(shí)間同步的關(guān)鍵。目前的電力系統(tǒng)有兩條主要通訊網(wǎng)絡(luò):基于分組交換的以太網(wǎng)以及基于電路交換的SDH網(wǎng)絡(luò),基于兩種網(wǎng)絡(luò)又存在兩種主要時(shí)間同步協(xié)議:PTP時(shí)間同步協(xié)議以及基于SDH的時(shí)間同步協(xié)議。由于電力系統(tǒng)中任意兩個(gè)站點(diǎn)間的距離一般較遠(yuǎn),因此任意兩個(gè)站點(diǎn)經(jīng)過分組交換的以太網(wǎng)進(jìn)行通訊,必然需要經(jīng)過多級(jí)交換機(jī)或路由器,在這種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,以網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)協(xié)議NTP為代表的時(shí)間同步協(xié)議的精度只能達(dá)到毫秒級(jí),達(dá)不到電力系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步的要求;而以IEEE 1588為代表的時(shí)間同步協(xié)議雖然可以達(dá)到納秒級(jí)的時(shí)間同步精度,但其需要外部硬件的支持,更新網(wǎng)絡(luò)中的全部或部分硬件對(duì)目前電力系統(tǒng)而言,代價(jià)太大,因此基于分組交換的時(shí)間同步系統(tǒng)并不適合于電力系統(tǒng)中站點(diǎn)間的時(shí)間同步。

        而基于SDH的時(shí)間同步協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)兩端站點(diǎn)遠(yuǎn)近并無(wú)要求,且在不更換硬件的前提下,即可以實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間同步,利用電力系統(tǒng)中SDH網(wǎng)絡(luò),可在不增加額外成本的前提下,實(shí)現(xiàn)精確的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步。

        對(duì)于任何一個(gè)時(shí)間同步系統(tǒng)而言,時(shí)間同步的可靠性均依賴通訊鏈路的穩(wěn)定,而任何一條通訊鏈路均不可能完全可靠,因此,單一時(shí)間同步方式對(duì)任何一個(gè)需要高可靠性的系統(tǒng)而言,均是不夠的??紤]到成本以及目前任何一個(gè)站點(diǎn)均擁有一套衛(wèi)星時(shí)間同步系統(tǒng),因此,建立一套結(jié)合SDH與衛(wèi)星的時(shí)間同步系統(tǒng)對(duì)于電力系統(tǒng)站點(diǎn)間時(shí)間同步是一個(gè)理想的選擇。

        站點(diǎn)內(nèi)部由于距離較近,且有各種有線通訊,因此采用有線時(shí)間同步方式結(jié)合網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方式是一個(gè)理想的時(shí)間同步方案。

        因此,本文提出電力系統(tǒng)中站點(diǎn)間采用衛(wèi)星與SDH時(shí)間同步方式相結(jié)合,站點(diǎn)內(nèi)部采用NTP與IRIGB同步方式相結(jié)合的綜合時(shí)間同步方案。

        其具有如下優(yōu)點(diǎn):①成本低,利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)與硬件資源,在滿足系統(tǒng)要求的前提下,使系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案成本最低;②穩(wěn)定性高,充分利用每種時(shí)間同步方案的優(yōu)點(diǎn),結(jié)合電力系統(tǒng)的實(shí)際特點(diǎn),最大限度的提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性;③可靠性高,利用多種時(shí)間同步協(xié)議互為補(bǔ)充,互為備份,大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

        由上述分析可知,本方案在無(wú)需較大投入的情況下,即可實(shí)現(xiàn)一套既可靠又穩(wěn)定的電力系統(tǒng)時(shí)間同步方案,因此具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

        4 結(jié)論

        針對(duì)電力系統(tǒng)的組成及網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn),本文在分析目前時(shí)間同步方案優(yōu)缺點(diǎn)的前提下,提出了電力系統(tǒng)中站點(diǎn)間采用衛(wèi)星與SDH時(shí)間同步方式相結(jié)合,站點(diǎn)內(nèi)部采用NTP與IRIGB同步方式相結(jié)合的綜合時(shí)間同步方案。為電力系統(tǒng)時(shí)間同步提出了一個(gè)綜合解決方案。

        [1]劉大杰,施一民,過靜君.全定位系統(tǒng)(GPS)的原理與數(shù)據(jù)處理[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1999.

        [2]賀鵬,曾維魯.電廠數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的時(shí)間同步技術(shù)[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2000,27(3):42-45.

        [3]王燕山,李運(yùn)華,劉恩朋等.以太網(wǎng)時(shí)鐘同步技術(shù)的研究進(jìn)展及其應(yīng)用[J].測(cè)控技術(shù),2007,26(4):4-6.

        [4]黃小耘.NTP在電力自動(dòng)化設(shè)備時(shí)鐘同步中的應(yīng)用探討[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2005,29(15):93-95.

        [5]于鵬飛,喻強(qiáng),鄧輝等.IEEE1588精確時(shí)間同步協(xié)議的應(yīng)用方案[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2009,33(13):99-103.

        [6]Serizawa Y,Kitamura K,Myoujn M K.SDH-based Time Synchronous System for Power System Communications [J].IEEE Transactions on Power Delivery,1998,13(1):59-65.

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        [8]陳寧.電力系統(tǒng)中基于SDH的時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京:南京理工大學(xué),2011.

        [9]于躍海,張道農(nóng),胡永輝等.電力系統(tǒng)時(shí)間同步方案[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2008,32(7):82-86.

        Time Synchronous and Its Application in Power System

        According to the strict time requirements of power system,the paper firstly analyzes the advantages and disadvantages of synchronization schemes used in the present time,and then presents the SDH-based time synchronous combined with satellite-based time synchronous schemes between the transformer substations,and NTP-based time synchronous combined with IRIGB-based time synchronous schemes in the same transformer substations based on the characteristics of the power system.Finally the advantages of the presented schemes was analyzed.

        time synchronous;SDH;power system

        薛昊(1982-),男,江蘇泰興人,碩士,助理研究員,江蘇省高新技術(shù)創(chuàng)業(yè)服務(wù)中心,研究方向?yàn)榉纸M交換通訊、網(wǎng)絡(luò)通訊及計(jì)算機(jī)等;蔣南(1984-),女,江蘇南京人,本科,助理工程師,南京南瑞集團(tuán)公司信息通信技術(shù)分公司,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)監(jiān)測(cè)、電力系統(tǒng)時(shí)間同步等。

        TN929.1

        A

        1006-4311(2014)13-0042-02

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