鄧大為　盧雙

摘 要：研究了以IEEE1588為基礎(chǔ)的配電網(wǎng)同步技術(shù)。分析了配電網(wǎng)通信系統(tǒng)典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)建了骨干層、接入層通信模型。重點(diǎn)研究了精確時(shí)間同步協(xié)議（PTP）下時(shí)鐘校正的時(shí)域分割方法，對配電網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了合理的時(shí)鐘類型設(shè)置，同時(shí)為兼顧對時(shí)可靠性提出了骨干層與接入層的校時(shí)冗余方案的設(shè)計(jì)，將實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)微秒級別的時(shí)間同步精度。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；精確時(shí)間同步協(xié)議；時(shí)域分割方法；校時(shí)冗余

引言

電網(wǎng)時(shí)間同步系統(tǒng)是標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源傳輸時(shí)標(biāo)的重要系統(tǒng)，將通過通信網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，同步它們的時(shí)間，使電網(wǎng)的各種功能能夠在統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)上進(jìn)行。電網(wǎng)的各項(xiàng)服務(wù)功能對電網(wǎng)的時(shí)間同步精度有不同程度的要求，例如對電力信息采集、負(fù)荷控制和用電精確管理等功能的精度要求為1s，對測量控制系統(tǒng)SCADA的精度要求為10ms，事件順序記錄SOE的精度要求為1ms，線路行波故障定位、相量測量單元PMU等的精度要求為1微秒。目前輸電網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步的精度已經(jīng)達(dá)到了很高的標(biāo)準(zhǔn)。

配電網(wǎng)廣域測控技術(shù)對于配電自動(dòng)化的建設(shè)是關(guān)鍵的技術(shù)支撐，為了實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化安全測控與分析平臺建立，配電網(wǎng)廣泛保護(hù)與事件分管功能的完善，配電網(wǎng)無縫自愈等功能，配電網(wǎng)的時(shí)間同步精度必須要達(dá)到微秒級別，但是，目前可以知道的是配電網(wǎng)絡(luò)覆蓋節(jié)點(diǎn)的實(shí)際的時(shí)間同步精度很低，不能滿足配電自動(dòng)化測控技術(shù)的要求。因此，我們研究的構(gòu)建配電網(wǎng)精確時(shí)間同步系統(tǒng)對配電自動(dòng)化系統(tǒng)的建立具有重要意義。

IEEE1588也稱為精確時(shí)間同步協(xié)議（PTP）的分布式測量與控制系統(tǒng)，由校正時(shí)間信息包和在底層打時(shí)間戳的方式實(shí)現(xiàn)微秒級的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步精度。該協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)多路以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，資源利用率低，無需鋪設(shè)額外的線路，可以降低系統(tǒng)的建設(shè)成本。目前，在IEEE1588的在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究主要集中在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，在配電網(wǎng)的應(yīng)用仍處于起步階段。對于有大量的成熟的國內(nèi)和國外廠商支持的IEEE1588協(xié)議，其具有帶寬大、抗干擾能力強(qiáng)、成本相對較低、誤碼率低等特點(diǎn)，有高傳輸速率和良好的安全性，成為光纖通信配送的首選網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)技術(shù)。以千兆工業(yè)以太網(wǎng)建設(shè)配電自動(dòng)化骨干網(wǎng)，用百兆工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)建配電網(wǎng)自動(dòng)化接入網(wǎng)的方案已成為構(gòu)建配電網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)的典型方案?；谶@一典型方案，文章將在配電網(wǎng)通信系統(tǒng)中采用IEEE1588復(fù)用光纖以太網(wǎng)的技術(shù)來研究校時(shí)系統(tǒng)。

1 基于工業(yè)以太網(wǎng)的配電網(wǎng)通信模型

工業(yè)以太網(wǎng)的通信組網(wǎng)方式具有靈活多變特點(diǎn)，可分為單、雙纖型、鏈?zhǔn)?、星式、樹型、環(huán)網(wǎng)型、多分支環(huán)式等。未來通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展變革趨勢是從線到環(huán)，再從環(huán)到網(wǎng)，而遠(yuǎn)方的站點(diǎn)需要冗余的雙鏈鏈接。根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)與主饋線相鄰，覆蓋主節(jié)點(diǎn)的原則，同時(shí)，考慮到許多因素，如節(jié)約成本，明確網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵哟谓Y(jié)構(gòu)，以及是否能滿足一定的線路冗余等。圖1是基于工業(yè)以太網(wǎng)的典型的配電網(wǎng)通信系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。配電網(wǎng)通信系統(tǒng)分為骨干層和接入層。骨干層時(shí)間戳覆蓋城市區(qū)域調(diào)度中心和每個(gè)變電站。在圖1的典型方案中，通過千兆工業(yè)以太網(wǎng)動(dòng)態(tài)路由協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)路由動(dòng)態(tài)過渡。接入層主要用于10kV配電網(wǎng)各層終端接入，覆蓋各開閉站、環(huán)網(wǎng)柜、配電站、桿頂單元等。接入層為根據(jù)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)覆蓋的通信匯聚區(qū)域范圍不同所劃定的子環(huán)。

2 時(shí)鐘校正的時(shí)域分割方法

基于工業(yè)以太網(wǎng)的配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可抽象為骨干層結(jié)構(gòu)和接入層結(jié)構(gòu)?？紤]每一個(gè)通信結(jié)構(gòu)環(huán)作為時(shí)鐘校正時(shí)間區(qū)域，并將配電主站的交換機(jī)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘類型配置為邊界時(shí)鐘（BC），而其他節(jié)點(diǎn)被設(shè)置為透明時(shí)鐘（TC）。

在接入層結(jié)構(gòu)環(huán)里，我們選擇關(guān)口交換機(jī)作為邊界時(shí)鐘，而其他交換機(jī)節(jié)點(diǎn)設(shè)置為TC。主站交換機(jī)接收高精度時(shí)鐘源消息，以糾正本地節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘時(shí)間。因?yàn)槠渌粨Q機(jī)節(jié)點(diǎn)被設(shè)置為TC，不涉及校正時(shí)間本身，在該層中，當(dāng)主時(shí)鐘端口通過TC向下一個(gè)TC或接入層的網(wǎng)關(guān)交換機(jī)發(fā)送糾錯(cuò)消息時(shí)，接入層的所有網(wǎng)關(guān)交換機(jī)都可以在糾錯(cuò)結(jié)束時(shí)完成時(shí)間同步。接入層所有網(wǎng)關(guān)交換機(jī)完成時(shí)間同步后，每一個(gè)又作為主時(shí)鐘本身，向其他連接的交換機(jī)或配電終端發(fā)送校正時(shí)間消息，校正時(shí)間消息通過TC到達(dá)下一個(gè)TC或連配電終端設(shè)備。時(shí)鐘校正時(shí)域分割與節(jié)點(diǎn)設(shè)置如圖2所示。根據(jù)分割配置模式能實(shí)現(xiàn)校正時(shí)間網(wǎng)絡(luò)在廣域的多層統(tǒng)一。

在接入層中，BC校時(shí)節(jié)點(diǎn)是對時(shí)協(xié)議工作的邊界，從而使得對時(shí)的組織嚴(yán)密，多層次，相對獨(dú)立，具有簡單的時(shí)間設(shè)定過程。關(guān)口交換機(jī)相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)關(guān)的時(shí)鐘消息源，環(huán)網(wǎng)的關(guān)口交換機(jī)，它被設(shè)置為BC，使校正時(shí)間系統(tǒng)上下層分離，形成相對獨(dú)立的對時(shí)系統(tǒng)。校正時(shí)間系統(tǒng)通過關(guān)口交換機(jī)廣播校正時(shí)間信息包，所有的校正時(shí)間消息可以發(fā)送到每一個(gè)定時(shí)節(jié)點(diǎn)。將關(guān)口交換機(jī)設(shè)置為BC還可以阻止不同層之間的校正時(shí)間信息流，減輕線路和設(shè)備的通信負(fù)荷，提高校正時(shí)間系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)該方法，對時(shí)鐘校正時(shí)間段進(jìn)行分段，得到了校正后的時(shí)間信息可以轉(zhuǎn)移到其10千伏配電網(wǎng)終端設(shè)備。這樣不僅可以將校正時(shí)間誤差控制在最小范圍，而且還形成任意外延、廣域多層統(tǒng)一的校正時(shí)間網(wǎng)絡(luò)。而且，路徑時(shí)延抖動(dòng)在對時(shí)信息通過節(jié)點(diǎn)時(shí)就被測量，當(dāng)主時(shí)鐘發(fā)送到從時(shí)鐘的時(shí)間戳消息時(shí)，所有路徑時(shí)延抖動(dòng)和關(guān)口協(xié)議棧抖動(dòng)都將加入主時(shí)鐘的信息，從時(shí)鐘只需要根據(jù)本地接收到的時(shí)間同步消息，就能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出主時(shí)鐘的時(shí)間誤差，從而調(diào)整自己時(shí)鐘信息。

3 校時(shí)網(wǎng)絡(luò)冗余的實(shí)現(xiàn)

3.1 骨干層冗余的實(shí)現(xiàn)

骨干層通信網(wǎng)絡(luò)的主站節(jié)點(diǎn)接收高精度的時(shí)鐘源信息來同步本地時(shí)鐘，通過廣播校正所有連接于BC節(jié)點(diǎn)的TC時(shí)鐘信息。時(shí)鐘源的優(yōu)先級順序：上級高精度網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘，GPS對時(shí)裝置。當(dāng)主時(shí)鐘發(fā)送時(shí)鐘信號失敗時(shí)，節(jié)點(diǎn)通過最佳時(shí)鐘（BMC）算法自動(dòng)更新切換到二級備用時(shí)鐘源，使其成為新的主時(shí)鐘，從而形成一個(gè)新校正時(shí)間樹。該方案中的校正時(shí)間網(wǎng)不需要各站配備GPS時(shí)間同步設(shè)備。只有一套GPS設(shè)備就可以在骨干層形成n-2級冗余的時(shí)鐘源，大大降低了校正時(shí)間系統(tǒng)的成本。當(dāng)通信環(huán)發(fā)生故障時(shí)，通過保護(hù)倒換機(jī)制，使新的通信線路產(chǎn)生，環(huán)形結(jié)構(gòu)使原來的傳輸方向數(shù)據(jù)反轉(zhuǎn)，在這一點(diǎn)上，因?yàn)榻粨Q機(jī)都是TC，其節(jié)點(diǎn)不參與生成新的同步樹。實(shí)現(xiàn)方案的時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)如圖3所示。

3.2 接入層冗余的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)是直連接入環(huán)，其中設(shè)置兩個(gè)關(guān)口交換機(jī)作為BC，一個(gè)關(guān)口交換機(jī)的優(yōu)先級高于另一個(gè)，這樣，時(shí)間同步樹的形成將更加方便，同時(shí)避免了校正時(shí)間的沖突。在正常狀態(tài)下，較高的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送精確的時(shí)鐘到左網(wǎng)關(guān)交換機(jī)，然后發(fā)送精確時(shí)鐘信息至所有的普通時(shí)鐘（OC）。當(dāng)有環(huán)保護(hù)行為發(fā)生時(shí)，較高的網(wǎng)絡(luò)分別向網(wǎng)關(guān)兩側(cè)發(fā)送精確的時(shí)鐘信號。當(dāng)上級通信系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間孤島，此時(shí)左網(wǎng)關(guān)將發(fā)送時(shí)鐘信號到所有OC以及將該關(guān)口交換機(jī)作為主時(shí)鐘。當(dāng)同時(shí)有時(shí)間孤島和環(huán)保護(hù)行為時(shí)，可將其看作為兩個(gè)時(shí)間孤島，在每個(gè)時(shí)間島的網(wǎng)關(guān)交換機(jī)將是校時(shí)時(shí)鐘源。此時(shí)應(yīng)盡快使關(guān)口交換機(jī)的單項(xiàng)功能恢復(fù)，時(shí)間孤島和環(huán)保護(hù)行為如圖4所示。

4 結(jié)束語

文章利用IEEE1588技術(shù)在工業(yè)以太網(wǎng)中的應(yīng)用，通過構(gòu)建配電網(wǎng)通信模型，以及合理的討論和分析選擇時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)類型，最后構(gòu)造了一個(gè)強(qiáng)大的廣域多層時(shí)間校正系統(tǒng)的配電網(wǎng)，覆蓋所有配電自動(dòng)化終端節(jié)點(diǎn)，校正時(shí)間尺度具有良好的發(fā)散性。

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