劉 灝, 李勁松, 劉敬誠, 畢天姝, 田建南

(1. 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學), 北京市 102206;2. 南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心, 廣東省廣州市 510663)

0 引言

時間同步是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要保障。隨著大量電力電子設備的接入及交直流電網(wǎng)高度混聯(lián),電網(wǎng)動態(tài)過程發(fā)生了深刻變化[1],電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行對繼電保護裝置、安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)(EMS)等的時間同步提出了更高要求。智能變電站網(wǎng)絡化通信的普及,使時間同步系統(tǒng)逐漸由IRIG-B碼等傳統(tǒng)同步方式向網(wǎng)絡同步方式轉(zhuǎn)變。IEEE 1588協(xié)議提出了一種應用于電力、通信、工業(yè)控制等領域的精度高于±1 μs的高精度網(wǎng)絡同步協(xié)議,在現(xiàn)有網(wǎng)絡同步方式中精度最高[2]。

目前智能變電站試點采用最多的IEEE 1588同步模式為“兩步鐘-ETH-P2P”[3],但運行中暴露了IEEE 1588協(xié)議理解不統(tǒng)一、裝置設計不合理、穩(wěn)定性差等缺陷[4]。針對這些缺陷,高性能IEEE 1588設備的研制和測試已有深入的研究?；诟咚购椭笖?shù)隨機延遲兩種模型,憑借極大似然估計法理論上可對IEEE 1588對時的偏差進行補償[5]。依托仿真技術,文獻[6]提出了可在普通背景流量作用下提升IEEE 1588對時系統(tǒng)安全性的模型。在不增加硬件開支的前提下,還可以采用鎖頻—鎖相環(huán),對IEEE 1588設備的報文延遲進行校正[7]。高性能IEEE 1588交換機已有研制,并對其在端到端(E2E)和點對點(P2P)兩種延時測量機制下的抗普通網(wǎng)絡風暴能力進行了測試,效果良好[8]。然而,這些測試未針對實際智能變電站二次系統(tǒng)的運行環(huán)境。針對IEEE 1588同步性能的評估,文獻[9]提出了一套完備的硬件測試方法,并針對采樣值(SV)報文構成的網(wǎng)絡流量下IEEE 1588的性能進行了詳盡的測試和分析。文獻[10]基于實際的變電站自動化系統(tǒng),測試得出IEEE 1588同步的精度。但這些測試未考慮智能變電站過程層網(wǎng)絡IEEE 1588網(wǎng)、面向通用對象的變電站事件(GOOSE)報文網(wǎng)和SV報文網(wǎng)“三網(wǎng)合一”的工況,因為“三網(wǎng)合一”是未來智能變電站該層網(wǎng)絡的建設方向[11]。雖然文獻[12]開展了上述“三網(wǎng)合一”下的性能測試,但未考慮實際可能出現(xiàn)的運行場景及背景流量的優(yōu)先級等方面的詳細配置。

本文選取對時間同步精度要求高于1 μs的同步相量量測,針對IEEE 1588同步對電力系統(tǒng)同步相量量測的影響進行分析。首先基于對IEEE 1588時鐘模式性能的理論分析,提出一步鐘(one-step clock)更具有優(yōu)勢;分析了過程層網(wǎng)絡報文的特性和可能出現(xiàn)的工況對IEEE 1588同步性能的影響;搭建了硬件時鐘測試平臺,詳細分析了IEEE 1588的時間同步性能;最后仿真分析了實測的同步偏差對同步相量量測誤差的影響,并提出了解決問題的對策與建議。

1 IEEE 1588時鐘模式性能分析

IEEE 1588協(xié)議是電力、通信、工業(yè)控制等多行業(yè)普適的時間同步協(xié)議,相關的同步模式如表1所示。表中UDP表示用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議。針對電力行業(yè)的應用需求,國際和國內(nèi)標準委員會分別制定了其在電力系統(tǒng)應用的導則——IEEE C37.238[13]和DL/T 1100.2[14]。

表1 適用于電力系統(tǒng)的IEEE 1588時間同步模式Table 1 Synchronization modes of IEEE 1588 for power system

導則[13]規(guī)定,變電站的IEEE 1588同步必須采用映射至IEEE 802.3二層的組播報文(ETH模式);必須采用P2P機制;建議采用一步鐘模式;交換機模式?jīng)]有明確的說明。而規(guī)范[13]除了ETH和P2P的規(guī)定以外,還明確指出交換機模式應采用透傳時鐘(transparent clock,TC),以修正事件報文在交換機內(nèi)的駐留時間;時鐘設備應至少能支持兩步鐘(two-step clock)模式。因此,本文基于IEEE 1588—2008,針對國內(nèi)外標準沒有明確規(guī)定的時鐘模式:一步鐘和兩步鐘模式的性能進行了詳細分析。

一步鐘模式定義為僅采用單一事件報文提供時戳信息的時鐘模式;兩步鐘模式則是結合事件報文及對應的后續(xù)一般報文來提供時戳信息的時鐘模式。兩者同步過程如附錄A圖A1所示,詳述見文獻[12]。經(jīng)分析,一步鐘相對兩步鐘模式的優(yōu)勢如下。

1)一步鐘模式的網(wǎng)絡流量更小。如附錄A圖A1所示,一步鐘模式少了Follow_Up和Pdelay_Resp_Follow_Up報文,可更好地適應重網(wǎng)絡負載的工況。

2)一步鐘模式時間戳更精確。一步鐘模式依托硬件輔助電路在物理層生成IEEE 1588協(xié)議所定義的最精確的時間戳。根據(jù)附錄A圖A2的時間戳生成模型,當事件報文遍歷節(jié)點的協(xié)議棧時,在物理層生成的時間戳(C點)最接近報文通過時鐘節(jié)點的時刻。因此采用硬件打時標的一步鐘模式的時間戳更精確。

3)一步鐘模式可靠性更高。以事件報文Sync為例,一步鐘模式下表示其收發(fā)時刻的時間戳由其自身攜帶;兩步鐘模式則由與之對應的Follow_Up報文攜帶,它通過字段SequenceId和SourcePortIdentity與Sync報文一一對應。若因故障或網(wǎng)絡攻擊,報文在該字段出現(xiàn)異常,或因網(wǎng)絡擁堵導致攜帶時戳的報文丟失,則兩步鐘模式的精度必然會下降,其可靠性不如一步鐘模式。

綜上所述,在智能變電站時間同步系統(tǒng)應采用“一步鐘-TC-ETH-P2P”模式。下文將針對該模式在站內(nèi)具體工程場景下的適用性進行分析與實驗測試。

2 IEEE 1588同步在智能變電站應用的場景

智能變電站二次系統(tǒng)的網(wǎng)絡采用三層結構:過程層、間隔層和站控層。過程層和間隔層之間的網(wǎng)絡為SV或GOOSE網(wǎng)(統(tǒng)稱為過程層網(wǎng)絡)。過程層網(wǎng)絡可采用IEEE 1588時間同步[2],這樣IEEE 1588對時網(wǎng)、SV網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)構成“三網(wǎng)合一”的結構[15]。過程層“三網(wǎng)合一”后的報文特點如表2所示。

表2 “三網(wǎng)合一”下過程層網(wǎng)絡報文特點Table 2 Characteristics of messages for process layer in “three-in-one” mode

1)就流量而言,IEEE 1588同步報文流量總體較小且基本穩(wěn)定;IEC 61850-9-2協(xié)議的SV報文流量大而穩(wěn)定,合并單元的流量約為每端口6～8 Mbit/s;GOOSE網(wǎng)在系統(tǒng)嚴重故障、很多信號同時產(chǎn)生時會有很大的突發(fā)流量,與SV網(wǎng)流量的比值可達1∶4[16]。

2)均采用組播傳輸,一發(fā)多收。

3)均直接映射到二層,傳輸不經(jīng)過網(wǎng)絡通信協(xié)議(TCP/IP)棧封裝,傳輸具備快速性和高效性。

應用時有必要采用適當?shù)慕M播管理方式來控制組播報文共網(wǎng)傳輸?shù)姆秶鶾17],如虛擬局域網(wǎng)(virtual local area network,VLAN)和通用組播注冊協(xié)議(GMRP)[18]。從可靠性和可控性的角度分析,現(xiàn)階段的VLAN優(yōu)于GMRP[19]。而基于端口劃分的VLAN已成為智能變電站內(nèi)報文過濾的主要手段。

VLAN的具體原理詳述于文獻[20],它只需要在交換機上配置。當VLAN正常時,不同VLAN之間的報文相互隔離、互不影響,降低了交換機的CPU負荷,因此工作于TC模式的交換機,仍可精確修正Sync同步報文的駐留時間,從而確保IEEE 1588同步的精確性。

再考慮VLAN失效對同步的影響。其失效原因主要有以下三點:①智能變電站網(wǎng)絡結構改變后,基于端口的VLAN需要人工重新配置,配置策略和實際操作都比較復雜,存在人為誤劃分的可能;②由于VLAN通過識別VLAN ID字段過濾報文,所以若該字段因網(wǎng)絡攻擊被篡改會導致VLAN失效;③在交換機上配置VLAN后會生成本地配置文件,若因網(wǎng)絡攻擊交換機將其篡改或刪除,VLAN即失效。

當VLAN失效時,流量過大會發(fā)生網(wǎng)絡擁塞,交換機的流量控制機制被觸發(fā),緩沖區(qū)上限限制了報文的轉(zhuǎn)發(fā)速率,交換機甚至會關閉一段時間以限制網(wǎng)絡訪問。因此,IEEE 1588同步報文轉(zhuǎn)發(fā)的延時將增大,超出TC對駐留時間的補償能力,甚至出現(xiàn)丟包,導致授時終端設備的同步偏差增大甚至失鎖。

3 智能變電站IEEE 1588同步性能測試

針對上述分析,本文設計了帶硬件時鐘的測試平臺,研究模式為“一步鐘-TC-ETH-P2P”的IEEE 1588時鐘,在智能變電站“三網(wǎng)合一”網(wǎng)絡風暴下的性能。

測試平臺的拓撲如圖1所示,所有網(wǎng)絡通道均為百兆通道,利用網(wǎng)絡測試儀將GOOSE和SV報文打入2臺傳輸IEEE 1588報文的交換機?；A配置如下:IEEE 1588優(yōu)先級為4;SV為恒定流量,優(yōu)先級最低,設為2;GOOSE為隨機突發(fā)型流量,優(yōu)先級最高,設為7,與SV的流量比為1∶4。測試中,主控計算機編程控制數(shù)字示波器隨機地連續(xù)記錄共計20 min的主從時鐘秒脈沖(1PPS)上升沿偏差,以此表征同步性能[21]。

3.1 VLAN正常下IEEE 1588同步性能

本測試專項配置為:同步報文劃入VLAN 1;GOOSE和SV報文則劃入VLAN 2,視作背景流量。加流量前先記錄無流量情況下同步的性能,再在百兆以太網(wǎng)端口遞減注入90%,80%,50%,30%,10%,0的流量。測試中,每檔流量下按前述方法記錄同步偏差數(shù)據(jù)不少于20 min。結果顯示,網(wǎng)絡風暴下IEEE 1588同步各項指標正常,滿足T5同步等級需求[22]。

圖1 IEEE 1588硬件時鐘測試平臺Fig.1 Hardware test platform of IEEE 1588 clocks

同步偏差的統(tǒng)計分布如圖2所示。無流量時,同步偏差分布為左側(cè)虛線,均值-14 ns,抖動(標準差)約20 ns;隨后注入90 Mbit/s背景流量,該流量占了90%的通道帶寬,此時同步偏差均值增大至280 ns,但抖動為17.71 ns,與加流量前量級相當;隨著流量的遞減,同步偏差的均值和抖動均無明顯變化。但當最后恢復至無流量的場景時,如圖中實線所示,同步偏差仍約為280 ns,無法恢復至加流量前的水平。顯然,重流量對IEEE 1588同步系統(tǒng)造成了一定的劣化。

圖2 VLAN正常時“三網(wǎng)合一”下IEEE 1588同步性能Fig.2 Synchronization performance of IEEE 1588 in “three-in-one” mode of VLAN validation

在無流量下,針對加流量前和流量停止后,測試主從時鐘直連、經(jīng)1臺TC交換機同步、經(jīng)2臺TC交換機同步這3種拓撲下的同步性能。測試結果如圖3所示。

圖3 加流量前后同步性能對比Fig.3 Comparison of synchronization performance before and after traffic increases

對于時鐘而言,網(wǎng)絡風暴使時鐘的同步誤差增大,增幅約60 ns;對于交換機而言,其同步誤差顯著增大,增幅約250 ns。因此,交換機受網(wǎng)絡風暴影響更大,這是因為,流量直接加在交換機上降低了交換機轉(zhuǎn)發(fā)報文的速度。

網(wǎng)絡風暴下按90%,80%,50%,30%,10%,0%遞減加流量時,對應的交換機CPU占有率分別為76%,72%,73%,71%,71%,70%。承受重載流量時(≥80%),二層組播報文的收發(fā)進程極大地占用了交換機的CPU,導致IEEE 1588同步報文轉(zhuǎn)發(fā)延時增大,而且流量停止后轉(zhuǎn)發(fā)進程仍未釋放。重啟交換機,該進程仍未釋放。

雖然“三網(wǎng)合一”的網(wǎng)絡風暴對IEEE 1588同步系統(tǒng)造成了一定的劣化,但是IEEE 1588同步系統(tǒng)輸出的秒脈沖仍合格,同步偏差小于350 ns,抖動約為20 ns,均滿足標準[13]和T5同步等級需求(1 μs)。

3.2 VLAN失效時IEEE 1588性能

為分析VLAN失效對IEEE 1588同步性能的影響,直接撤銷交換機VLAN,網(wǎng)絡風暴流量依次遞增注入交換機。同步偏差的統(tǒng)計分布如圖4所示,這里只分析無流量及10%,50%,60%流量的工況。

圖4 VLAN失效時“三網(wǎng)合一”下IEEE 1588同步偏差Fig.4 Timing offset of IEEE 1588 in “three-in-one” mode of VLAN invalidation

VLAN失效時50%流量下,同步偏差均值雖然只有115 ns,小于同等流量下有VLAN時的偏差均值,但抖動已高達275 ns,遠高于同等流量下有VLAN時的16 ns抖動,且波動范圍達到1.6 μs(>1 μs)。60%流量屬于標準[13]所規(guī)定的令從時鐘處于臨界同步的邊界流量,從時鐘鎖定指示燈時亮時滅,已不能穩(wěn)定同步。此時同步偏差均值雖不大,在130 ns左右,但抖動已高達400 ns,抖動范圍約2 μs。可見,沒有VLAN隔離報文,以致交換機CPU占有率近90%,緩沖區(qū)隊列擁塞嚴重,同步報文延時和延時抖動都增大。

圖5所示為60%流量下同步偏差的時序圖,其中所標注的兩個偏差的時間間隔只有1 s,屬于時間上相鄰的兩個1PPS的偏差,但其前后抖動的幅度卻增大至1.82 μs,不滿足T5同步等級需求(1 μs)。

圖5 VLAN失效時60%流量下秒脈沖偏差時序圖Fig.5 Series of timing offset under 60% traffic during VLAN invalidation

綜上所述,VLAN正常時,“三網(wǎng)合一”網(wǎng)絡風暴下IEEE 1588同步仍滿足智能變電站T5等級的需求;但當VLAN失效時,網(wǎng)絡風暴下時間同步抖動幅度可接近2 μs,必然會對同步相量量測造成影響。

4 對同步相量量測的影響分析及對策建議

VLAN正常時IEEE 1588同步仍能滿足智能變電站T5等級的應用需求,故本節(jié)只針對失效的VLAN下網(wǎng)絡風暴,仿真分析IEEE 1588同步對相量量測應用的影響。

針對圖5所示的失效VLAN下IEEE 1588同步的偏差,最大抖動1.82 μs出現(xiàn)在第400個量測點。仿真計算該偏差下同步相量的量測頻率誤差和量測頻率變化率誤差,分別如圖6和圖7所示。

圖6 同步相量量測頻率誤差Fig.6 Frequency errors by sychro-phasor measurement

圖7 同步相量量測頻率變化率誤差Fig.7 Error of change rate of frequency of synchronized phasor measurement

對于頻率誤差的限值,在靜態(tài)場景下限值為0.002 Hz,動態(tài)場景下為0.01 Hz[23]。圖6表明,有多個點超出誤差界限;同步偏差抖動越劇烈,頻率誤差越大;頻率誤差最大值0.033 Hz出現(xiàn)在最大抖動1.82 μs的瞬間。這是因為頻率是量測相角對時間的導數(shù),而相角量測偏差又正比于時間同步偏差,所以同步偏差抖動最大即偏差對時間導數(shù)最大時,頻率量測誤差也最大。同時,所監(jiān)測到的頻率信號會出現(xiàn)振蕩,主站監(jiān)控人員會誤以為系統(tǒng)頻率振蕩。

對于頻率變化率誤差的限值,靜態(tài)場景下最小限值為0.01 Hz/s,動態(tài)場景下為0.1 Hz/s。圖7表明,有多個點超出靜態(tài)的誤差限值,同步偏差抖動越劇烈,頻率變化率誤差越大;在最大抖動1.82 μs出現(xiàn)瞬間,頻率變化率誤差也達到最大值0.051 Hz/s。

針對VLAN失效時IEEE 1588同步的抖動,本文提出以下技術上的解決思路。

1)從時鐘加入判別機制。通過報文解析將時標信息保存至本地,若本次時標較上一次偏差大于1 μs則閉鎖輸出,相量測量單元(PMU)通過本地自守時運行。

2)發(fā)現(xiàn)抖動后,PMU相量報文標志位標為“同步異?！?廣域測量系統(tǒng)(WAMS)主站在應用該類數(shù)據(jù)時需謹慎,或者只取用這類報文里的幅值、有功功率等不受時間同步偏差影響的物理量。

3)在PMU算法中采用濾波處理,以消除同步抖動帶來的測量波動。同步偏差抖動引起的量測誤差與噪聲引起的測量波動行為類似,可在PMU算法中加入信號識別,對有異常波動的測量數(shù)據(jù)進行濾波處理,如通過加長計算時間窗進行平均化處理,減少其影響。

5 結語

本文提出智能變電站時間同步系統(tǒng)應采用“一步鐘-TC-ETH-P2P”的模式,該模式的適用性在本文的實驗室?guī)в布y試中得到驗證。本文所設計的測試針對智能變電站具體應用場景展開,測試表明,VLAN正常時,三網(wǎng)合一流量會增大交換機CPU占有率,導致交換機轉(zhuǎn)發(fā)延時增大,進而放大IEEE 1588同步偏差。但IEEE 1588同步偏差最大也不到350 ns,抖動約為20 ns,同步精度高而穩(wěn)定。人為誤操作或配置文件遭篡改等網(wǎng)絡攻擊導致VLAN失效時,IEEE 1588同步偏差會產(chǎn)生約2 μs的瞬時抖動,同步系統(tǒng)失鎖。

針對智能變電站同步相量量測應用,本文分析指出,VLAN失效時,同步偏差使頻率量測誤差和頻率變化率誤差越限,最大誤差出現(xiàn)在最大瞬時偏差下。實際的PMU裝置還會閉鎖。

附錄見本刊網(wǎng)絡版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

參 考 文 獻

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