曹紅亮 王小峰

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南　鄭州　450002）

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IEEE1588在智能配電終端的研究與應(yīng)用

曹紅亮 王小峰

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南鄭州450002）

摘要：為了解決智能配電網(wǎng)中智能配電終端的時間同步技術(shù)問題，滿足愈來愈高時間同步精度的要求，研究了IEEE1588協(xié)議的基本原理。根據(jù)目前配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計了智能配電終端與IEEE1588相結(jié)合的組網(wǎng)方案。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；配電終端；IEEE1588；時間同步

1　引言

智能電網(wǎng)是電力系統(tǒng)發(fā)展變革的最新動向，中低壓配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，配電網(wǎng)直接面向用戶，是保證供電質(zhì)量、提高電網(wǎng)運行效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此配電網(wǎng)的智能化將成為智能電網(wǎng)建設(shè)的重中之重，其中智能配電終端的建設(shè)是重要的一環(huán)［1］。

國際電工委員會（IEC）制定的《IEC61850變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》［2］對時間同步的精度要求是±1s，一般的同步技術(shù)如GPS對時，B碼對時，NTP/SNTP對時都無法滿足這么高精度的要求。IEEE1588精確時間協(xié)議（preci?sion time protocol，PTP）［3，4］的出現(xiàn)，為要求越來越高的同步精度提供了有效的解決方法。

2　IEEE1588基本原理

IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的全稱是/網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精確時鐘同步協(xié)議。一個IEEE1588精確時鐘系統(tǒng)包括普通時鐘（僅有一個PTP端口）、透明時鐘和邊界時鐘（具有多個PTP端口），系統(tǒng)的每個節(jié)點均被認(rèn)為是一個時鐘，通過網(wǎng)絡(luò)將整個系統(tǒng)的時鐘相連，并由最佳主時鐘（Best Master Clock，BMC）算法根據(jù)端口提供的信息，確定每個域內(nèi)的時鐘狀態(tài)。IEEE1588的時鐘同步過程通過兩個步驟實現(xiàn)：偏移量測量和延遲量測量。

BMC算法作為IEEE1588v2協(xié)議的核心算法，主要根據(jù)各個PTP端口提供的外主時鐘的質(zhì)量信息和當(dāng)前的路徑情況，選擇性能最優(yōu)的時鐘作為域內(nèi)的主時鐘。各個端口都執(zhí)行BMC算法，根據(jù)此算法，確定狀態(tài)。

3　影響同步精度的因素

如果PTP報文在應(yīng)用層打上時間戳，然后發(fā)送到時鐘物理層出口的時間不確定，所以協(xié)議棧處理報文的時間會影響時間戳的準(zhǔn)確性；IEEE1588協(xié)議中計算偏差量

4　提高精度的方法

IEEE1588V2協(xié)議中引入了多種方法降低誤差，例如為小系統(tǒng)涉及消除網(wǎng)絡(luò)組建影響；軟硬件結(jié)合打時間戳；使用邊界時鐘，透明時鐘機一部降低非對稱性影響；精簡PTP報文幀頭，減少網(wǎng)絡(luò)帶寬開銷，相應(yīng)降低可能的網(wǎng)絡(luò)排隊延時［5］。

4.1硬件打時間戳

在網(wǎng)絡(luò)通訊過程中，要降低網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲的不確定性，需要盡可能的將時間戳獲取點向協(xié)議棧的底層移動，時間戳的獲取點越靠近傳輸介質(zhì)，獲取的發(fā)送和接收時間戳的精度就越高。

圖1中的虛線框部分表示NTP/SNTP等以太網(wǎng)時鐘同步協(xié)議對時鐘報文進(jìn)行標(biāo)記的位置。由于標(biāo)記進(jìn)行在應(yīng)用層，報文從上至下的傳輸過程中經(jīng)過通信協(xié)議棧的多次打包封裝操作，其延時抖動變的不確定［6］。圖2中實線框部分表示IEEE1588同步報文在MAC層和物理層之間打時間戳，即硬件打時間戳。硬件打時間戳延時抖動一般在數(shù)個納秒之間，在理出入借口最近的地方打時間戳大大消除了協(xié)議棧等延遲的影響。

圖1　IEEE1588協(xié)議時間標(biāo)記原理

圖2　邊界時鐘網(wǎng)絡(luò)同步關(guān)系

4.2邊界時鐘

如果主從時鐘之間距離較長，傳送報文時會受到網(wǎng)絡(luò)波動和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的影響，不可避免的會出現(xiàn)幾到幾百微妙的不確定延遲抖動。為了這個問題，IEEE1588協(xié)議提出邊界時鐘，邊界時鐘通訊實現(xiàn)過程如圖2。

邊界時鐘具有多個端口，每個端口處于不同的狀態(tài)，從端口收到主時鐘發(fā)送的Sync報文以后，不再向下轉(zhuǎn)發(fā)該同步報文，而是把自己當(dāng)作從時鐘，將自身本地適中的時間調(diào)整并同步到上級主時鐘；與此同時該邊界時鐘又作為主時鐘想與它連接的從時鐘來發(fā)布Sync報文。邊界時鐘不僅能降低非對稱性的影響，也能用于劃分域和連接底層技術(shù)不同的域。

4.3透明時鐘

在跨網(wǎng)段的時鐘同步系統(tǒng)中，邊界時鐘采用逐級同步的方式，而邊界時鐘的增加會造成控制環(huán)的級聯(lián)，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，各級網(wǎng)絡(luò)元件的同步精度誤差會逐漸放大［7］。因此IEEE1588協(xié)議提出兩種透明時鐘端到端透明時鐘（E2E）和點到點透明時鐘（P2P）。透明時鐘與邊界時鐘不同的是，透明時鐘不參與同步過程，沒有主從狀態(tài)，只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)PTP事件報文，并計算出該時間報文通過其滯留時間校正值，從而對該時間報文進(jìn)行修正。透明時鐘通訊實現(xiàn)過程如圖3。

4.3.1端到端透明時鐘（E2E）

E2E透明時鐘在主從時鐘之間，只是轉(zhuǎn)發(fā)全部的報文；PTP的時間報文經(jīng)過這些透明時鐘，滯留時間區(qū)會測量PTP時間報文的滯留時間。PTP報文的傳遞過程和原理如圖4所示：

Δt1和Δt2分別為Sync報文經(jīng)過透明時鐘TC的滯留時間，Δt3和Δt4分別是Delay_req報文經(jīng)過TC的滯留時間。當(dāng)Fllow_up報文到達(dá)從時鐘節(jié)點時，報文修正區(qū)域的時間值為：

當(dāng)Delay_req報文由從時鐘傳遞到主時鐘是，該報文修正區(qū)域的時間值為：

透明時鐘同步過程與上文提到的主從同步過程類似，也要分為兩步：1.偏移量測量2.延遲量測量。

所以，可得到偏差量Offset和延遲量Delay：

圖3　透明時鐘網(wǎng)絡(luò)同步關(guān)系

圖4　E2E透明時鐘間的PTP報文傳遞

4.3.2點到點透明時鐘（P2P）

E2E透明時鐘只是測量PTP報文滯留的時間，而P2P不僅具有這項功能，還具備額外一個模塊，這個模塊是計算相近節(jié)點之間的鏈路延時。在P2P透明時鐘使用對等延遲機制，該機制的計算基于端口與其鏈路對端交換Pdelay_req、Pdelay_resp和Pdelay_resp_follow_up報文。

對等延時機制如圖5所示，B端口在T1時刻發(fā)送Pdelay_req報文，A端口在T2時刻收到該報文；A端口緊接著在T3時刻發(fā)送Pdelay_resp報文；緊接這A端口發(fā)送Pde?lay_resp_follow_up報文。假設(shè)端口A和端口B的傳輸時間是對稱的，也就是TAB和TBA是相等的，則可計算出傳輸延遲Delay

Ts1為PTP事件報文在TC中的滯留時間，該時鐘將Delay和ts1分別加入到跟隨報文修正域中，該報文修正域值為：

在當(dāng)PTP事件報文離開TC時，該時鐘將加入到該報文修正域中，最終的修正域值為：

記主時鐘發(fā)送Sync報文的時間為TM1，從時鐘最終接收到報文的時間為TS2，主從時鐘間的時鐘偏差為Offset，由式9、10、11可以得出：

Offset=TS2-T_correction-TM1

5　組網(wǎng)方案設(shè)計

PTP時間同步技術(shù)，它憑借統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，良好的時間和頻率同步質(zhì)量將成為時鐘同步技術(shù)的主流方向［8］。IEEE1588的優(yōu)點在于能夠提供頻率和時間同步，基于光纖環(huán)網(wǎng)不需重新鋪設(shè)通信通道，同步精度較高。

配電網(wǎng)同步方案如圖6所示。配電網(wǎng)主要由配網(wǎng)主站、配電終端、配網(wǎng)子站和通信通道等組成。配網(wǎng)主站主要實現(xiàn)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控及分析功能；配電終端是指安裝于中壓配電網(wǎng)現(xiàn)場的各種遠(yuǎn)方檢測、控制單位的總稱，主要包括FTU、TTU、DTU等。配電子戰(zhàn)時刻配置的，一般根據(jù)實際的配網(wǎng)項目的需要，把某一片區(qū)的所有配電終端集中到配網(wǎng)子站，再由配網(wǎng)子站送至配網(wǎng)主站。通信通道一般采用手拉手式光纖環(huán)網(wǎng)將各個配電終端、配網(wǎng)子站與主站鏈接起來，光纖環(huán)網(wǎng)可根據(jù)配網(wǎng)實際情況組成一個或多個環(huán)網(wǎng)。在圖6環(huán)網(wǎng)中，采用基于IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的交換機和智能配電終端，作為邊界時鐘、透明時鐘和普通時鐘。MC源時鐘可通過GPS接收器獲得精確時間，MC通過邊界時鐘和P2P透明時鐘，同步相連各個智能配電終端。P2P透明時鐘用來減少非對稱性影響。邊界時鐘用來連接不同底層技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)，提供多個端口；圖7表示的是一個光纖環(huán)網(wǎng)，邊界時鐘BC可與相近的另一個光纖環(huán)網(wǎng)的BC連接起來，可以起到備份的作用，當(dāng)某個源時鐘失效時，與之相連的邊界時鐘可以作為另一個邊界時鐘的從時鐘，同步時間。

圖5　P2P透明時鐘間的PTP報文傳遞

圖6　配電網(wǎng)同步系統(tǒng)設(shè)計方案

6　小結(jié)

IEEE1588協(xié)議提出的PTP技術(shù)提供BMC算法，頻率同步和時間同步，從而使同步精度達(dá)到亞微秒級，適用于同步精度要求高的各個領(lǐng)域中。PTP技術(shù)在提高同步精度上進(jìn)行了很多改進(jìn)，采用硬件打時間戳，透明時鐘等技術(shù)來降低延遲和誤差。

PTP技術(shù)應(yīng)用在智能配電終端中，使得配電網(wǎng)可不再依靠GPS、NTP/SNTP技術(shù)進(jìn)行時間同步成為可能，為解決智能電網(wǎng)等時間同步精度的高要求提供了新的方案。

參考文獻(xiàn)：

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［5］NIST.IEEE 1588-2008 is now available from the IEEE Standards Association［EB/OL］.http：//ieee1588.nist.gov/，2008.

［6］陳炯聰?shù)?IEEE1588同步技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用［M］.北京：中國電力出版社，2012.

［7］趙上林，胡敏強，竇曉波等.基于IEEE1588的數(shù)字化變電站時鐘同步技術(shù)研究［J］.電網(wǎng)技術(shù).2008，32（21）：100-101.

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中圖分類號：TM76

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-5168-（2016）02-0086-04

收稿日期：2016-1-10

作者簡介：曹紅亮（1989-），男，碩士，研究方向：電氣工程；王小峰（1990-），男，研究方向：凝聚態(tài)物理。和延遲量是基于延遲對稱的，但是在現(xiàn)實的傳輸過程中，由于網(wǎng)絡(luò)抖動的等因素，延遲是很難對稱的，從而這些不對稱性會影響同步精度；多層次的主從時鐘逐級同步也會累積誤差。

Research of IEEE1588 In Smart Distribution Terminal

Cao HongliangWang Xiaofeng
（Patent Examination Cooperation Henan Center of the Patent office SIPO，Zhengzhou Henan 45000）

Abstract：To solve problems of smart distribution terminals time synchronization in the smart distribution grid，meet the requirements of increasingly high time synchronization accuracy，the basic principle of the IEEE1588 are stud?ied.According to the current distribution network architecture，intelligent power distribution terminal and IEEE1588 combining networking solutions was designed.

Keywords：distribution grid；distribution terminals；IEEE1588；time synchronization