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IEEE1588時鐘同步系統-SYN2401介紹

重庆市彩票中心在那:智能變電站IEEE 1588時鐘同步系統的設計方案

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發表時間:2017-06-27 14:16作者:小馬來源:西安同步原創

三亚体育彩票中心 www.squzyp.com.cn 一、時鐘同步系統的必要性

時鐘同步技術可以為智能變電站及整個智能電網的所有智能電子設備(IED)提供統一的時間頻率基準,在變電站的事故分析和保證其安全運行中發揮著十分重要的作用。隨著智能變電站技術的發展對時鐘同步系統提出了更高要求,因此,基于IEEE 1588協議和SNTP協議的網絡時鐘同步系統就應運而生。

二、時鐘同步模型

IEC61850根據我國電力發展的實際情況,規定了IEEE1588v2和SNTP兩種針對智能變電站時鐘同步的技術協議模型。IEEE1588V2-PTP協議標準定義了一種用于分布式測量和控制系統的高精度時間同步協議,其網絡校時精度可達納秒級。SNTP是互聯網網絡對時NTP的簡化標準,采用客戶/服務器結構,具有精度高、同步快的優點,在局域網實際的網絡結構下NTP對時精度可達微秒級,在廣域網內誤差為10-100ms。

NTP對時方式主要用在變電站的SCADA系統,IEC61850中的SCSM中也有所涉及。在一定條件下,NTP/SNTP對時能實現電力時鐘標準的T1等級(1ms對時精度)時鐘性能。雖然NTP對時技術比較成熟,但要實現微妙量級或者納秒量級卻十分困難。高精度同步協議PTP是IEEE1588協議的另外一種叫法,由于IEEE1588同步對時方式是基于交換式以太網網絡的,使得IEEE1588同步對時在智能變電站中的應用成為可能。PTP協議的基本構思是通過軟、硬件結合的方式將網絡設備的內部時鐘與主時鐘實現同步。

三、NTP和IEEE1588時鐘同步工作原理

3.1 NTP對時原理

SNTP對時采用的客戶端/服務器模式進行時鐘同步的??突Ф爍媸奔浞衿韉氖敝穎浠?,實現與時鐘服務器的時間同步??突Ф瞬歡ㄆ詰南蚍衿鞣⑺蚇TP對時報文請求,服務器接收到客戶端發送的報文請求后向客戶端發送NTP對時報文響應。請求/響應報文包含著NTP報文進出客戶端與服務器的時刻值參數,客戶端根據這些時刻值參數計算出客戶端與服務器之間的時間偏差。

3.2 IEEE1588校時原理

IEEE1588協議將同步網絡中的時鐘分為主、從時鐘兩種。主時鐘是通過BMC算法來得到的,主時鐘廣播、多播和組播同步信號,從時鐘讀取主時鐘發送的時鐘同步信號,將得到的時間參數記錄下來,通過本地時鐘同步算法計算出主、從時鐘之間的誤差,通過對從時鐘進行誤差修正來實現從時鐘同步。IEEE1588協議主要是利用M-S模式進行變電站IED設備的主、從時鐘同步。

3.3 時間戳的產生

時間戳的產生與識別根據NTP和IEEE1588時鐘同步工作原理可以看出,時鐘同步精度與時間戳的產生與識別的位置有很大的關系,影響著操作系統和通信協議棧的延時與抖動等問題。

(1)NTP對時方式時間戳的產生

NTP是一個能夠兼容底層設備的協議,只需要NTP網絡通信接口就可以實現,對設備硬件沒有嚴格要求。NTP對時方式的時間戳產生與識別是在應用層中進行的,帶有應用層時間戳的NTP對時報文開始傳輸時,通過傳輸層進行UDP打包封裝,然后在網絡層將UDP打包的數據加上IP前綴與后綴構成IP數據包,最后在數據鏈路層中的MAC層實現以太網幀格式封裝,經由物理層端口發送到交換機以太網上進行同步傳輸。NTP報文的接收過程與發送過程相似。由于時間戳的產生與識別是在應用層,因此協議棧和操作系統引起的延時與抖動不能通過NTP對時方式來減小或消失,導致時鐘同步精度只能維持在毫秒級。

(2)IEEE1588對時方式時間戳的產生

IEEE1588對時方式的時間戳產生與識別是在數據鏈路層與物理層之間的MII口。由應用層產生PTP數據,通過傳輸層進行UDP打包封裝,然后在網絡層將UDP打包的PTP數據加上IP前綴與后綴構成IP數據包,最后在數據鏈路層中的MAC層實現以太網幀格式封裝,在MII口進行IEEE1588時間戳的加載,經由物理層發送到網線上進行傳輸。而從時鐘經物理層接收來自網線上傳輸的對時幀,在MII口處進行IEEE1588時間戳的讀取,在網絡訪問層中的MAC層解幀,在網絡層中將IP數據包中的前綴與后綴去除,通過TCP/IP協議進行數據包解封,最后傳入從時鐘的應用層,根據本地時鐘算法實現主、從時鐘同步。該方式雖然能夠提高變電站IED設備的時鐘同步精度,但是對硬件要求非常高,單純依靠軟件是不能夠實現的。

(3)變電站時鐘同步網絡結構又具體分為兩種網絡結構:

(a)過程總線分段模式

站控層網絡、過程層網絡、測控裝置和?;ぷ爸鎂捎盟度哂?。站控層網絡采用雙星形拓撲結構,如圖3所示。這種拓撲結構最大的特點就是網絡延時小、造價比較低,但是變電站信息傳輸的可靠性比較低。過程層網絡采用雙環形拓撲結構,這種拓撲結構可靠性最高,是對GOOSE報文、SV報文、時間同步報文的傳輸的重要保障。

(b)單一總線模式

站控層網絡、過程層網絡、測控裝置和?;ぷ爸?均采用雙倍冗余。站控層網絡和過程層網絡都采用雙星形拓撲結構。

通過對2種變電站同步網絡結構的分析,可以得出2種結構的特點對比

對時方案對比圖

四、智能變電站的IEEE1588時鐘同步系統

針對過程層網絡與站控層網絡相互獨立的變電站時鐘同步網絡結構來構建智能變電站的精密時鐘同步系統。主要包括兩種構建方案:方案一,為全站通過IEEE1588進行網絡對時來實現精密時鐘同步系統的設計;方案二,站控層網絡采用SNTP來進行同步對時,對精度要求高的過程層網絡采用IEEE1588來實現精密時鐘同步系統的設計。

同步時鐘系統圖

方案1 同步時鐘系統對時圖

方案一,通過冗余結構的根時鐘GC來實現智能變電站的全站IEEE1588對時。交換機在該方案中承載著透明時鐘TC的作用,PTP同步報文從GC時鐘開始經過那8個透明時鐘來完成與變電站其余IED設備的內部從時鐘同步任務。該方案能夠提供全站納秒級的同步精度,但是每個主時鐘、從時鐘和透明時鐘都必須具有IEEE1588時間戳的產生與識別功能,實際工程的應用成本比較高。

時鐘同步系統圖

方案2 時鐘同步系統對時圖

方案二:通過雙冗余的GC與SNTP時間服務器結構實現變電站的精密時鐘同步系統。其中,站控層網絡采用SNTP對時方式,過程層網絡采用IEEE1588對時方式。該方案中使用的SNTP服務器具備兩個網口,其中一個網口支持IEEE1588同步對時方式,另一個網口僅支持SNTP同步對時方式。IEEE1588網口用于實現對時時間性能要求比較高的過程層網絡,而SNTP網口卻承擔著站控層網絡的時鐘服務器功能。

該方案不僅能夠省去對同步精度要求不高的站控層網絡設備中IEEE1588時間戳的發生與識別硬件,還能夠保證系統的同步功能需求,提高了對時系統的性價比。同步對時系統相比過程層網絡中看起來更加簡明,但是該單一過程總線網絡拓撲結構對透明時鐘交換機TC的性能要求非常高,因為只有這樣才能保證這個變電站關鍵信息的高實時性,尤其是GOOSE跳閘報文的實時性。采用優先級設置、虛擬局域網VLAN設置都可以減少網絡延時對同步系統的影響,保證全站IED設備的時鐘同步精度。

SNTP與IEEE1588對時結合精度測試本次實驗的設備主要有SYN2401型精密主時鐘一臺,SYN2403型從時鐘一臺,兩臺ptp時鐘設備通過交換機鏈接起來。SYN5104型時間參數綜合測試儀測試ptp時鐘同步精度,測試結果證明基于IEEE1588的同步對時方式能夠實現百納秒級的對時精度,可以滿足現代智能變電站對時鐘同步的要求。

五、方案應用總結

基于IEC61850標準以及時鐘同步系統中的對時方式優缺點,將鐘同步系統嵌入在智能變電站的過程層網絡和站控層網絡中。根據智能變電站自身的拓撲結構和智能變電站對時鐘不同系統的要求,設計出了2種基于IEEE1588的變電站精密時鐘同步系統。設計的同步系統經過同步精度測試,證明設計方案能夠達到DL/T860標準對同步精度的要求。

六、方案提供商介紹

西安同步質量證書

西安同步電子科技有限公司成立于2012年,企業通過9001質量體系認證,具有專業生產時鐘同步系統系列產品的近10年經驗,產品銷售遍布全國各地,特別給我國智能電網改造提供了大量時鐘同步系統設備,產品得到用戶的一致肯定,在此特別感謝廣大用戶對我們的支持,我們一定會再接再厲,為廣大新老用戶提供更加優秀的時鐘同步設備。

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