朱炎平, 陸 俊, 徐志強, 王凱亮

(1. 華北電力大學電氣與電子工程學院, 北京市 102206; 2. 國網湖南省電力有限公司岳陽供電分公司, 湖南省岳陽市 414022; 3. 國網湖南省電力有限公司經濟技術研究院, 湖南省長沙市 410004)

0 引言

智能變電站是智能電網的支撐節(jié)點,其中時間同步系統是保證變電站智能化的關鍵[1],同步時鐘系統所提供的時間精度將決定智能變電站中一次、二次設備的控制精度和控制性能[2]。

IEC 61850標準將智能電子設備的時鐘精度功能要求劃分為5個等級(T1至T5),其中用于計量的T5等級精度達到1 μs。為此,IEC 61850引入了簡單網絡時間協議(simple network time protocol,SNTP)和IEEE 1588時間同步協議(以下簡稱IEEE 1588協議)。SNTP標準同步精度能達到毫秒級,能夠滿足數字化變電站間隔層設備的對時精度需求[3-4],但達不到IEC 61850標準中T5等級精度要求。與之相比,IEEE 1588協議的同步精度達到亞微秒級,能夠滿足智能變電站對時間精度的要求[5-6],同時IEEE 1588同步網絡具有可以與智能變電站中自動化網絡共用的特點,可在站控層網絡和過程層網絡中直接運行[7-8],因此被廣泛應用在智能變電站工程中。

目前,IEEE 1588協議同步優(yōu)化研究工作主要在時鐘路徑的非對稱和擁塞、頻偏及誤差累積方面[9-13]。文獻[9]通過分析終端隊列時延,提出不對稱通信路徑下的時鐘同步補償算法。文獻[10]通過分析時鐘偏差變化規(guī)律,實現從時鐘時間補償,減少同步周期內從時鐘偏差累積。文獻[11]通過計算時間窗內主從時鐘偏差平均值更新從時鐘以減少路徑不對稱性對時鐘精度影響。文獻[12]采用延遲分布估計實現分組濾波操作降低擁塞網絡下路徑延遲波動對IEEE 1588協議時間同步精度的影響。文獻[13]采用剔除非對稱延遲異常值閾值降低時延補償誤差實現IEEE 1588協議主從同步時鐘校正?，F有工作對同步通信網絡的路徑抖動因素尚未加以考慮。

另外，智能變電站應用場景環(huán)境復雜,通過交換機構建的時間同步網絡與自動化通信網絡共存,通常存在路徑時延抖動的情況。本文針對主從時鐘間路徑對稱情況,考慮智能變電站IEEE 1588協議時間同步網絡下的路徑時延抖動同步影響因素,提出一種基于IEEE 1588協議的時延優(yōu)化時間同步方法。在IEEE 1588協議框架下實現從時鐘的基本時鐘補償基礎上,拓展時延測量機制獲取路徑時延抖動的時鐘補償最佳估計值,實現從時鐘同步時間的二次時鐘補償以減少路徑時延抖動對同步精度的影響。

1 變電站時延抖動同步誤差分析

1.1 IEEE 1588協議同步原理

圖1所示為IEEE 1588協議同步過程[6],其主要對主從時鐘的同步消息通信實現同步控制:在同步周期Ts內,主時鐘向從時鐘發(fā)送同步消息同時從時鐘接收同步消息,以此獲取四個時間參數T1,T2,T3和T4實現時間同步。

圖1 IEEE 1588同步過程Fig.1 IEEE 1588 synchronization process

假設Cs和Cm分別表示主時鐘和從時鐘的時間,則從時鐘偏離主時鐘的時鐘偏差Td=Cs-Cm。若主時鐘到從時鐘以及從時鐘到主時鐘的端端路徑時延分別記為Tms和Tsm,則時間參數有如下關系[6]:

T2-T1=Tms+Td

(1)

T4-T3=Tsm-Td

(2)

當路徑延時對稱(Tms=Tsm)假設條件下,則從時鐘的當前第k同步周期時間補償值Toffset(k)按式(3)計算,有

(3)

設第k-1同步周期從時鐘時間標記為Cs(k-1),則當前第k同步周期從時鐘時間Cs(k)按照式(4)計算,在如圖1中時間時刻Ta進行從時鐘的時鐘補償,完成與主時鐘的同步操作。

Cs(k)=Cs(k-1)+Toffset(k)=Cs(k-1)+Td

(4)

1.2 路徑時延抖動的同步誤差分析

智能變電站時鐘同步方式包括簡單主從時鐘同步、端到端透明時鐘(end-to-end transparent clock,E2ETC)同步、點到點透明時鐘(peer-to-peer transparent clock,P2PTC)同步三種方式(詳見附錄A圖A1所示)。除P2PTC同步方式外,其余兩種時鐘同步方式的同步精度均受路徑時延抖動因素影響,本節(jié)討論簡單主從時鐘同步和E2ETC同步機制下的時延抖動的同步誤差。

智能變電站實際運行環(huán)境網絡存在時延抖動,即Tms和Tsm并不完全相等,而IEEE 1588協議同步計算是以Tms=Tsm假設前提加以計算的,因此在現有IEEE 1588協議方法同步計算中同步精度將降低,同步誤差增加,具體分析如下。

設無時延抖動理想狀態(tài)下主從時鐘間的路徑時延為Tb,主時鐘到從時鐘以及從時鐘到主時鐘的端端路徑時延抖動分別記為εms和εsm,則主時鐘的端端路徑時延Tms和Tsm可分別表示為式(5)和式(6)。

Tms=Tb+εms

(5)

Tsm=Tb+εsm

(6)

將式(5)和式(6)代入式(1)至式(3),引入當前第k同步周期時延抖動同步誤差E(k)(E(k)=(εms-εsm/2);則路徑時延抖動條件下,當前第k同步周期從時鐘時間Cs(k)表示為:

Cs(k)=Cs(k-1)+Td+E(k)

(7)

比較式(4)與式(7),可得出在時延抖動條件下,IEEE 1588協議同步操作實現了從時鐘Td項時鐘補償,但未對時延抖動項E(k)進行時鐘補償。因此，在路徑時延抖動條件下,為保證獲取穩(wěn)定且精度高的時間值,應該對時延抖動引起的同步誤差項E(k)進行進一步的優(yōu)化操作?？紤]到智能變電站同步協議多采用IEEE 1588協議,因此有必要在IEEE 1588基本同步協議方法框架下上開展延遲抖動同步優(yōu)化方法,使智能變電站的控制精度和性能得到更好地提升。

2 誤差優(yōu)化時間同步方法

2.1 方法思路

IEEE 1588協議方法只實現了對主從時鐘偏差因素采用Td項進行了時鐘補償,未對延遲抖動因素進行從時鐘補償。時鐘源在穩(wěn)定運行條件下,時延抖動εms和εsm在統計理論上服從正態(tài)分布[8],本文采用時延抖動εms和εsm服從相同的正態(tài)分布假設前提?？紤]時延抖動的隨機性,該正態(tài)分布可表示為N(0,σ),其中均值為0,偏差為σ;根據正態(tài)分布性質,則抖動同步誤差E服從均值為0,偏差為2σ的正態(tài)分布。受信息處理參數估計理論啟發(fā),本文通過在同步周期中拓展時延測量機制,進行多次測量操作,按照正態(tài)分布估計同步參數,實現對同步誤差E(k)的最佳參數估計,獲取時延抖動同步誤差E(k)的最佳估計值Eopt,實現式(7)的時延抖動項E的時鐘補償,如圖2所示。

圖2 二次時鐘補償的拓展時延測量Fig.2 Extended delay measurement mechanism for second clock synchronization compensation

定義第i次擴展測量時延抖動為Ri,則

(8)

式中:Ei為第i次測量抖動同步誤差值;Δti為第i次測量隨時間推移產生的時鐘偏差,其計算見式(9)。

(9)

由于Ei服從正態(tài)分布N(0,2σ),因此可以使用多次平均值來計算時延抖動同步誤差E(k)的最佳估計值Eopt,計算如式(10)所示。

(10)

下文采用Eopt實現對從時鐘的二次時鐘補償,減少時延抖動因素對同步影響使得從時鐘獲取更精確時間值。

2.2 誤差時間同步方法

誤差時間同步方法實現流程如附錄A圖A2所示，具體步驟如下。

步驟1:在當前第k同步周期內采集T1,T2,T3和T4,計算時間補償值Toffset(k),采用IEEE 1588協議基本同步實現從時鐘的基本時鐘補償。

步驟3:對于基本補償值Toffset(k)和后續(xù)多次時延測量的結果進行篩選過濾[6],過濾規(guī)則如式(11)所示,滿足時認為結果為有效測量結果。

(11)

式中:Toffset(k-1)為前一次第k-1同步周期時間補償值,過濾閾值為p(取值范圍通常為[0.95,1.05])。若當前第k同步周期內測量所得結果與預測結果偏差較大,則認為該結果Ri存在較大失真(如突發(fā)報文擁堵產生的瞬間延遲增大情況)為無效測量結果,計算時該結果將被舍棄。同理，當Toffset(k)使用同樣的過濾規(guī)則，當其不滿足判定規(guī)則時也為無效測量結果，此時第k同步周期內Toffset(k)將直接采用Toffset(k-1)進行代替補償;若同步周期過程中出現連續(xù)周期內無效的情況,則同步周期內Toffset(k)將順序前移選取有效的時間補償值Toffset(k-j)進行補償(假設順序前移到第k-j同步周期)。

步驟4:按照式(10)估計最佳抖動同步誤差Eopt,作為時延抖動同步誤差E的估計值,其具體過程如下

(12)

式中:n為第k同步周期內m次測量的經過濾所得的有效測量結果的次數,即在計算過程中僅計算有效測量結果;E(k-1)是前一次第k-1同步周期時延抖動同步誤差值,記錄并使用該值能極大消減拓展測量的次數,減少其對業(yè)務的影響,即對于每一次估計而言,將使用前一次測量結果作為對比參考,該值代表了之前一段時間內的抖動平均誤差,這樣極大削減了當前所需測量的次數;r為比重系數,反映了該參考值所占據的時間寬度,即前次補償值時間窗口的大小。如此每次測量都相當于一次迭代,首先還原時間窗口內的誤差總體水準,再將本次測量結果加入進行誤差估計,從而實現大樣本的同步誤差估計,得到估計值。

步驟5:使用最佳抖動同步誤差Eopt,實現當前第k同步周期內從時鐘時延抖動的二次時鐘補償操作,完成一個周期同步過程。

步驟6:根據最終同步補償結果,對從時鐘進行頻率補償,使從時鐘獲得精確的對時時間。

3 實驗仿真

3.1 仿真環(huán)境與參數設置

為驗證方法有效性,按照IEEE 1588協議采用MATLAB搭建E2ETC同步仿真模型[6]。對比方法為IEEE 1588方法[6]和文獻[10]所述算法(以下簡稱Hu方法)。實驗按照典型變電站級聯拓撲搭建端到仿真實驗網絡,主從時鐘端到端路徑包含主時鐘到交換機1、交換機1到交換機2、交換機2到從時鐘智能組件3段子路徑,如附錄A圖A3所示。

仿真時間為6 000 ms,實驗統計時間間隔為1 μs;考慮T5測量精度為1 μs,同步周期設為30 ms,每秒由時鐘頻率偏差造成的誤差為20 μs;參考同步時間實驗參數典型值,設主從時鐘間通信的基礎時延為20 μs,每段子路徑為6.67 μs;子路徑時延抖動范圍為[0,0.33]μs(最大子路徑時延抖動為基礎時延的5%)。實驗中算法參數設置如下：比重系數r為6,重復測量次數n為3,過濾閾值p為5。

3.2 同步過程實驗

連續(xù)兩個周期(第40和41同步周期)的實驗同步過程如附錄A圖A4所示,其中x軸為真實時間,y軸為時鐘時間,分別為主時鐘時間,三種同步方法的從時鐘時間。圖A4表明在大的時間尺度下(橫坐標時間軸間隔為1 ms),三種方法對應的同步曲線相差不大,說明三種方法都能夠基本有效地實現從時鐘的時間同步。為比較三種方法的時間同步效果,選擇圖A4中同步發(fā)生時間段采用小時間尺度(橫坐標時間軸間隔為0.001 ms)進行描述,如圖3和圖4所示。

圖3 同步精度細節(jié)性能對比圖Fig.3 Detail synchronization performance comparison diagram

圖4 同步累積時鐘偏差對比圖Fig.4 Synchronization accumulated time deviation comparison diagram

圖3為第40同步周期的同步精度細節(jié)性能對比圖,其中圖3(a)為IEEE 1588方法和Hu方法從時鐘的時間同步調整過程,圖3(b)為本文方法從時鐘的時間同步調整過程。 由圖3(a)可知,在同步完成時刻,IEEE 1588方法和Hu方法通常具有相同的從時鐘與主時鐘時鐘偏差值,這是由于兩種方法采用相同的同步原理。三種方法完成同步后,本文方法時鐘偏差值小于IEEE 1588方法和Hu方法,這是由于采用拓展時延測量機制減少了路徑時延抖動對同步精度影響,如圖3(b)所示。本文方法的同步發(fā)生時刻,因采用拓展時延測量機制晚于IEEE 1588方法和Hu方法,但不影響同步效果。

圖4為第41同步周期的同步累積誤差性能對比,可以發(fā)現:在三種方法同步過程中三種方法從時鐘與主時鐘逐漸產生時鐘偏差,該時鐘偏差由大到小依次為IEEE 1588方法、Hu方法和本文方法,這是由于本文方法和Hu方法均采用二次校正時間補償減少了時間偏離。

3.3 同步性能實驗分析

為比較三種方法的同步性能,對時間區(qū)間為[500,6 000]ms內連續(xù)同步周期進行從時鐘偏差統計,三種方法對應的從時鐘的時鐘偏差變化曲線實驗結果如附錄A圖A5所示。由圖可知:從時鐘偏差的波動范圍由大到小依次為IEEE 1588方法、Hu方法和本文方法。為實現同步性能的進一步量化分析,對圖A5中的時鐘偏差分別進行均值和方差的數學統計,結果如表1所示。

表1 從時鐘偏差統計數據Table 1 Slavery clock time deviation statistics data

由表1可知:三種方法時鐘偏差的平均值和方差由大到小依次為IEEE 1588方法、Hu方法和本文方法;本文方法的平均偏差僅為IEEE 1588方法的13.66%,為Hu方法的22.08%,同時方差分別為IEEE 1588方法的21.69%和Hu方法的24.17%。以上實驗結果表明針對路徑時延對稱條件的路徑延遲抖動同步影響因素,本文方法能夠減少路徑延遲抖動對同步的影響,同步性能的準確性和穩(wěn)定性優(yōu)于IEEE 1588方法和Hu方法。

3.4 突發(fā)時延情況下的同步性能分析

針對智能變電站中突發(fā)報文產生時延大幅度變化的情況進行仿真,主要分為如下兩種情況:①由于突發(fā)情況產生大量報文造成的時段內的網絡擁塞,通信時延大增;②由于突發(fā)報文沖突,導致時延抖動瞬間增大。因此在仿真時段內引入以上兩種情況,時鐘同步變化結果如附錄A圖A6所示:圖中第60輪到65輪對時同步時發(fā)生擁塞,時延抖動一段時間內變化不定,在第100輪時出現了延時抖動瞬間增大的情況。當出現以上情況時IEEE 1588方法、Hu方法都會出現較大的誤差,從而不能滿足相關業(yè)務的要求,而本文方法仍能穩(wěn)定地實現對時功能。針對兩種情況下誤差的詳細分析結果如表2所示。

表2 突發(fā)時延時從時鐘偏差統計數據Table 2 Slavery clock time deviation statistics data

由表2數據可知,相較于IEEE 1588方法、Hu方法,在面對網絡環(huán)境造成的時延異常變化時,本文方法具有更強的抵抗能力和穩(wěn)定性。本文方法在針對時延異常變化時,有相應的處理方式,能保持對時同步穩(wěn)定進行。當出現情況1時,本文方法將根據一段時間前對時結果對長時間的異常對時結果進行調整;當出現情況2時,本文方法能在后續(xù)延遲測量過程,對瞬間抖動造成異常結果進行矯正。三種方法整體的平均時延相較于不存在突發(fā)時延時分別上升了220.4,255.7,6.8 ns,以上實驗結果也證明了本文方法受突發(fā)時延影響較小。同時也說明基于頻率補償的精確時間獲取受對時補償準確性的影響較大,當對時補償值不準確時,頻率補償反而會進一步加大時鐘誤差,而本文方法通過提高對時補償值準確性,減少了此種情況的發(fā)生。

4 結語

精確的時間同步系統在保證智能變電站業(yè)務正常運行中具有重要作用。本文針對IEEE 1588協議在變電站應用部署中出現的路徑時延抖動降低同步精度的情況,提出了一種時延優(yōu)化的時間同步方法,方法能夠提高時間同步的準確性和同步穩(wěn)定性,有助于智能變電站實現穩(wěn)定的時間同步。實際上智能變電站同步中延時不對稱性源于同步通信網絡路徑的不對稱性,這會導致主時鐘至從時鐘以及從時鐘至主時鐘的延時抖動的分布也不同,兩者并不共享同一個標準差。因此，下一步計劃結合智能變電站現場同步部署網絡拓撲環(huán)境,開展路徑時延不對稱條件下,時延抖動分布不同的時延抖動同步優(yōu)化方法研究。

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

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