呂保強(qiáng)+溫金寶

摘 要：IEEE 1588PTP（Precision Time Protocol，PTP）具有良好的時(shí)間同步精度，在自現(xiàn)代工業(yè)控制、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域獲得了越來(lái)越多的應(yīng)用。研究了IEEE 1588在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用，探討了PTP在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用方案，分別給出了基于PTP協(xié)議的主站和子站系統(tǒng)同步方案。

關(guān)鍵詞：IEEE 1588 PTP；電力系統(tǒng)；智能電網(wǎng)；時(shí)鐘同步

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.161

智能電網(wǎng)依賴于時(shí)間同步進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)度、故障分析以及進(jìn)行新型的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，比如電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（OPS）、電網(wǎng)的分析和控制系統(tǒng)（WARMAP）等。目前，在電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的時(shí)間同步協(xié)議主要有GPS同步脈沖對(duì)時(shí)、NTP、SNTP等協(xié)議。隨著電網(wǎng)的迅速發(fā)展，使得電力系統(tǒng)內(nèi)二次硬接線逐漸被串行通信線所取代，GPS同步技術(shù)已不適用于智能化的電網(wǎng)系統(tǒng)，而NTP/SNTP協(xié)議的時(shí)間同步精度僅為ms級(jí)，不能滿足具有高精度和高穩(wěn)定性要求的電力自動(dòng)化設(shè)備的需求。

IEEE 1588 PTP協(xié)議于2002年被提出，它定義了一種用于分布式測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)間協(xié)議。該協(xié)議是針對(duì)工控和測(cè)量等領(lǐng)域的精密時(shí)鐘同步協(xié)議，能提供亞微秒級(jí)的時(shí)間同步精度，滿足電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備對(duì)時(shí)間精度的要求，且所占用網(wǎng)絡(luò)和硬件資源較少。因此，研究將PTP應(yīng)用于智能電網(wǎng)中的方法具有十分重要的意義。

1 PTP同步時(shí)鐘

PTP系統(tǒng)是分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)， PTP同步時(shí)鐘包括普通時(shí)鐘OC（Ordinary Clock）、邊界時(shí)鐘 BC（Boundary Clock）和透明時(shí)鐘 TC（Transparent Clock）。其中，普通時(shí)鐘OC可能是系統(tǒng)的最高級(jí)主時(shí)鐘，也可能是主從時(shí)鐘體系中的從時(shí)鐘；邊界時(shí)鐘BC被PTP設(shè)備用來(lái)網(wǎng)絡(luò)間彼此的通信，PTP協(xié)議運(yùn)行于域的邏輯范圍內(nèi)；透明時(shí)鐘TC由端到端透明時(shí)鐘（E2E TC）與對(duì)等透明時(shí)鐘（P2P TC）組成。

2 PTP時(shí)鐘同步過(guò)程

IEEE1588定義了四種同步報(bào)文Sync、Follow_up、Delay_Request、Delay_Response和一組管理報(bào)文。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，首先考慮主時(shí)鐘（Master）與從時(shí)鐘（Slave）間的同步過(guò)程：①M(fèi)aster向Slave發(fā)送Sync報(bào)文，并記錄發(fā)送時(shí)間t1，Slave記錄接收Sync的時(shí)間t2；②Master發(fā)送Sync報(bào)文之后，立即向Master發(fā)送攜帶有t1的Follow_Up報(bào)文，計(jì)算接收Sync報(bào)文的本地時(shí)間t2與Follow_Up報(bào)文中的時(shí)間t1的差異，作為主從時(shí)鐘的偏移量；③為了修正傳輸延時(shí)，Slave向主時(shí)鐘發(fā)送Delay_Req報(bào)文，并記錄發(fā)送時(shí)間t3；④Master接收到該報(bào)文后，記錄接收時(shí)間t4，并回復(fù)Slave含有t4的Delay_Resp報(bào)文。此時(shí)，Slave便擁有了t1～t4這四個(gè)時(shí)間，由此便可計(jì)算出主、從時(shí)鐘之間的傳輸延時(shí)。

3 PTP時(shí)鐘同步在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用方案

智能電網(wǎng)系統(tǒng)是一種典型的大型分布式應(yīng)用系統(tǒng)，可準(zhǔn)確監(jiān)控系統(tǒng)的各種事件狀態(tài)，依賴于系統(tǒng)內(nèi)的時(shí)間同步和各個(gè)電力設(shè)備之間的高精度時(shí)間同步。因此，在智能電網(wǎng)內(nèi)部，設(shè)計(jì)了基于IEEE 1588PTP時(shí)間同步應(yīng)用方案，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間同步精度。

3.1 主站系統(tǒng)的PTP時(shí)鐘同步方案

主站系統(tǒng)是以網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的信息交換媒介，采用PTP可以獲得高精度授時(shí)，可實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的時(shí)間同步。目前，電力系統(tǒng)通信廣域網(wǎng)采用SDH和ATM接入可以確保信道的帶寬，實(shí)現(xiàn)延遲的可預(yù)估，便于PTP時(shí)間同步系統(tǒng)計(jì)算出時(shí)鐘偏移（offset），從而校正時(shí)鐘。

電力廣域網(wǎng)構(gòu)成的主站授時(shí)系統(tǒng)作為備用系統(tǒng)，可保證整個(gè)主站系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。設(shè)計(jì)主站的PTP時(shí)間同步系統(tǒng)至少配置2種不同的時(shí)鐘源。在PTP時(shí)間同步系統(tǒng)中，采用雙時(shí)鐘源和主、備方式運(yùn)行，從而提高系統(tǒng)的時(shí)間同步精度，且PTP可自動(dòng)校正線路的距離，極大地簡(jiǎn)化了站點(diǎn)內(nèi)部各個(gè)設(shè)備之間時(shí)間的分配和同步。

3.2 子站系統(tǒng)的PTP時(shí)鐘同步方案

子站系統(tǒng)具有時(shí)間同步精度高、性能可靠等特點(diǎn)，且可直接控制智能電網(wǎng)的運(yùn)行。因此，在子站系統(tǒng)中應(yīng)選擇PTP進(jìn)行時(shí)間同步，可以使用多種方式為電力自動(dòng)化設(shè)備提供時(shí)間同步，實(shí)現(xiàn)子站系統(tǒng)的高精度時(shí)間同步和良好的穩(wěn)定性。

根據(jù)子站系統(tǒng)運(yùn)行的特點(diǎn)，給出了子站系統(tǒng)的PTP時(shí)間同步設(shè)計(jì)方案：①最簡(jiǎn)單的配置方案。該方案適合用于時(shí)鐘與被授時(shí)裝置距離比較近的子站系統(tǒng)中。其中，Master的時(shí)間信號(hào)接收器能夠根據(jù)子站的重要性進(jìn)行配置，將較重要的子站配置成雙時(shí)鐘源的模式。②主從時(shí)鐘配置方案。該方案適合用于許多電力設(shè)備進(jìn)行時(shí)間同步的子站系統(tǒng)中。其中，采用二級(jí)時(shí)鐘作為從時(shí)鐘，從而為授時(shí)裝置提供多路時(shí)間同步輸出端口。

4 結(jié)束語(yǔ)

IEEE 1588PTP作為一種時(shí)鐘同步精度達(dá)?s級(jí)的精密時(shí)間協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在智能化電網(wǎng)的建設(shè)中具有重要意義。本文介紹了PTP在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用方案。在綜合理論研究的基礎(chǔ)上，分析并指出了在智能電網(wǎng)中采用PTP協(xié)議作為時(shí)間同步方案是可行的。

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〔編輯：張思楠〕