IEEE1588V2在電力系統(tǒng)時鐘同步方面的應(yīng)用

江蘇金智科技股份有限公司 沈 峻

一、電力系統(tǒng)時間同步基本概況

電力系統(tǒng)是時間相關(guān)系統(tǒng)，無論電壓、電流、相角、功角變化，都是基于時間軸的波形。近年來，超臨界、超超臨界機組相繼并網(wǎng)運行，大區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)，特高壓輸電技術(shù)得到發(fā)展。電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行對電力自動化設(shè)備提出了新的要求，特別是對時間同步，要求繼電保護裝置、自動化裝置、安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)(EMS)和生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)等基于統(tǒng)一的時間基準運行，以滿足事件順序記錄(SOE)、故障錄波、實時數(shù)據(jù)采集時間一致性要求，確保線路故障測距、相量和功角動態(tài)監(jiān)測、機組和電網(wǎng)參數(shù)校驗的準確性，以及電網(wǎng)事故分析和穩(wěn)定控制水平，提高運行效率及其可靠性。未來數(shù)字電力技術(shù)的推廣應(yīng)用，對時間同步的要求會更高。

電力系統(tǒng)被授時裝置對時間同步準確度的要求大致分為以下4類：

1)時間同步準確度不大于1μs：包括線路行波故障測距裝置、同步相量測量裝置、雷電定位系統(tǒng)、電子式互感器的合并單元等。

2)時間同步準確度不大于1ms：包括故障錄波器、SOE裝置、電氣測控單元/遠程終端裝置(RTU)/保護測控一體化裝置等。

3)時間同步準確度不大于10ms：包括微機保護裝置安全自動裝置、饋線終端裝置(FTU)、變壓器終端裝置(TTU)、配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)等。

4)時間同步準確度不大于1s：包括電能量采集裝置、負荷/用電監(jiān)控終端裝置、電氣設(shè)備在線狀態(tài)檢測終端裝置或自動記錄儀、控制/調(diào)度中心數(shù)字顯示時鐘、火電廠和水電廠以及變電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)、監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(SCADA)/EMS、電能量計費系統(tǒng)(PBS)、繼電保護及保障信息管理系統(tǒng)主站、電力市場技術(shù)支持系統(tǒng)等主站、負荷監(jiān)控/用電管理系統(tǒng)主站、配電網(wǎng)自動化/管理系統(tǒng)主站、調(diào)度管理信息系統(tǒng)(DMIS)、企業(yè)管理信息系統(tǒng)(MIS)等。

根據(jù)各類電力自動化設(shè)備(系統(tǒng))對時間同步精度要求的不同，確保電力自動化設(shè)備(系統(tǒng))安全穩(wěn)定可靠地對電力系統(tǒng)實施控制，保證電力系統(tǒng)運行，考慮到時鐘源的互為備用、戰(zhàn)時備用等因素，電力系統(tǒng)的同步時鐘不能只選1個或同一時鐘源，應(yīng)至少選擇2個不同的時鐘源。

時鐘源提供標準時鐘信號。其中：無線授時系統(tǒng)有歐洲伽利略(Galileo)導(dǎo)航系統(tǒng)、中國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、俄羅斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)等衛(wèi)星定位、導(dǎo)航、授時系統(tǒng)，以及長波授時系統(tǒng)(BPL)、短波授時系統(tǒng)(BPM)等，而目前廣泛應(yīng)用的時鐘源是美國的GPS。

在實際應(yīng)用中常采取串口+脈沖的對時方式，采用國際通用時間格式碼，將脈沖對時的準時沿和串口報文對時的那組時間數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，構(gòu)成一個脈沖串，來傳輸時間信息。被授時設(shè)備可以從這個脈沖串中解析出準時沿和一組時間數(shù)據(jù)。這就是目前常用的IRIG-B碼，簡稱B碼。

B碼分為調(diào)制B碼(也稱交流B碼)和非調(diào)制B碼(也稱直流B碼)。交流B碼調(diào)制在正弦波信號上，其包絡(luò)線是直流B碼。交流B碼是模擬量，由授時設(shè)備直接傳送給被授時設(shè)備。直流B碼可以直接傳送給被授時設(shè)備，電壓等級常用TTL電平(+5V)，用IRIG-B DC TTL表示。直流B碼還可以通過串行通信接口發(fā)送給被授時裝置，用IRIG-BDC 232和IRIG-B DC 422表示傳統(tǒng)的時間同步方案，如圖1所示：

圖1 傳統(tǒng)的時間同步方案

二、IEEE1588在電力系統(tǒng)同步對時方面的應(yīng)用

IEEE1588，即PTP(Precision Time Protocol)是適應(yīng)智能化變電站時間同步的網(wǎng)絡(luò)對時方式。該標準在提出之初是致力于工控和測量的精密時鐘同步協(xié)議標準，目標是提供亞微妙的同步精度應(yīng)用。后來該標準受到了自動化領(lǐng)域尤其是分布式運動控制領(lǐng)域的關(guān)注，遠程通信和電力系統(tǒng)等相關(guān)組織也對其表現(xiàn)出濃厚的興趣。目前在智能化變電站方面，IEEE1588是時間同步的第一選擇。

IEEE1588分為V1和V2兩個版本，V2在V1的基礎(chǔ)上規(guī)范了報文格式，增加了Endto-end transparent clock和Peer-to-peer transparent clock等設(shè)備類型，增加了可以減少報文數(shù)量Peer Delay的對時機制。對于電力系統(tǒng)的點對點對時要求，V1就完全可以滿足。

IEEE1588網(wǎng)絡(luò)同步對時方式如圖2所示：

圖2 IEEE1588網(wǎng)絡(luò)同步對時方式

同步相量的測量需要一個精度達到1us的UTC時間源，這可以通過為每個站點提供一個GPS接收器作為主參照時間來得到。就目前而言，站點內(nèi)各個設(shè)備采用IRIG-B技術(shù)從GPS接收器獲得相應(yīng)的時間。

站點內(nèi)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和傳送一般通過局域網(wǎng)LAN進行，而正是由于采用了局域網(wǎng)這種方式，為IEEE 1588標準在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了一種機遇，并且由于目前市場上已經(jīng)具有可以實現(xiàn)IEEE 1588功能的邊界時鐘交換機，因此從技術(shù)上和應(yīng)用環(huán)境上分析，采用IEEE 1588技術(shù)來代替現(xiàn)有的IRIG-B技術(shù)是切實可行的。而且，電廠內(nèi)部各個電器設(shè)備，包括電壓器、電流互感器、電壓互感器以及各種監(jiān)控設(shè)備之間的距離通常在一公里到兩公里的范圍之內(nèi)，這剛好是IEEE 1588標準所適用的局域網(wǎng)范圍。

相對于傳統(tǒng)的脈沖，IRIG-B等的硬對時方式，IEEE 1588可以自動校正線路的距離，這跟IRIG-B相比，極大地簡化了站點內(nèi)部各個設(shè)備之間時間的分配和同步。而且，由于采用IEEE 1588標準使用網(wǎng)絡(luò)對時，可以減少系統(tǒng)內(nèi)部專用的對時雙絞線，因此可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且費用也比采用IRIG-B的方案更加經(jīng)濟方便。所以，IEEE1588網(wǎng)絡(luò)對時方式以其無以倫比的靈活性必將取代傳統(tǒng)的硬對時方式成為電力系統(tǒng)最主要的通信方式。

三、使用DP83640實現(xiàn)IEEE1588V2同步對時方案

DP83640芯片是一款由美國國家半導(dǎo)體公司推出的集成IEEE1588精確時鐘協(xié)議硬件支持功能的以主網(wǎng)收發(fā)器。芯片內(nèi)置高精度IEEE1588時鐘，并設(shè)有由硬件執(zhí)行的時間標記功能，可為接收及發(fā)送信息包印上標記。

DP83640主要包括PHY以太網(wǎng)物理層接口、IEEE1588包檢測和處理模塊、IEEE1588控制和IEEE1588時鐘。

圖3 基于DP83640的1588實現(xiàn)

由于DP83640提供了底層時間印章的捕獲功能，1588協(xié)議實現(xiàn)的工作將主要集中在軟件上。

主時鐘節(jié)點將執(zhí)行下面過程：a.1在每個時間間隔(默認2秒)，讀取當前時間值，根據(jù)1588協(xié)議規(guī)定，構(gòu)建Sync報文；a.2發(fā)送Sync報文；a.3從83640寄存器中獲得Sync報文發(fā)送的準確時間，構(gòu)建Follow_up報文，并發(fā)送；b.在任意時刻，監(jiān)聽Delay_req消息，一旦收到，構(gòu)建Delay_resp報文，并發(fā)送。

從時鐘節(jié)點將執(zhí)行下面過程：a.1監(jiān)聽來自主時鐘節(jié)點的Sync消息；a.2監(jiān)聽來自主時鐘節(jié)點的Follow_up消息；a.3進行偏移測量計算，設(shè)置本地時鐘值；b.1根據(jù)1588標準產(chǎn)生發(fā)送Delay_req報文的時間，并在此時間構(gòu)建Delay_req報文并發(fā)送；b.2根據(jù)Delay_resp中的時間印章，計算延遲時間，修正本地時鐘值。c.多次獲取時間差值樣本后，用模式分類方式，估計本地時鐘值并對其修正。

四、結(jié)束語

許多工業(yè)、測試和測量、通信應(yīng)用都要求高精度的時鐘信號以便同步控制信號和捕捉數(shù)據(jù)等。在標準以太網(wǎng)中應(yīng)用的IEEE 1588精密時間協(xié)議(PTP)為傳播主時鐘時序給系統(tǒng)中的許多結(jié)點提供了一種方法。本文所介紹的使用DP83640實現(xiàn)IEEE1588V2的方案已經(jīng)在本公司的Mi4-3031R01實現(xiàn)6網(wǎng)口的主從時標同步。

[1]Technical Committee on Sensor Technology,IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems,24 July 2008.

[2]National Semiconductor Corporation,DP83640 Precision PHYTER-IEEE 1588 Precision Time Protocol Transceiver,January 7,2009.

[3]National Semiconductor Corporation,National Semiconductor Ethernet PHYTER Software Development Guide,October 2,2008.

[4]蘇建峰.IEEE1588在電力系統(tǒng)應(yīng)用的可行性與方案研究[J].