（电工理论与新技术专业论文）数字化变电站中ieee1588对时协议的实现.pdf

声明尸明 lfllll i l ti llj i l l1 1 1 1 f i l l f l l l l f l l l l f l i i i f l y 17 9 6 6 6 6 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文数字化变电站中i e e e l 5 8 8 对时协议 的实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：至垂；查 日期： 2 0 0 弓2 口 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：至至三查 导师签名： 2 o # 北i u j 人学形! i j 学位论文 摘要 数字化变电站内的信息传送采用网络通信方式，不适合采用传统对时方法 和目前广泛采用的g p s 直接对时方法，而网络对时具有经济、简单、高效、规 范的特点，ie c 6 18 5 0 标准对于网络对时提出了明确的要求和模型。本论文研究 主要内容是按新的i e c 6 18 5 0 规约来开发一套高精度对时的智能同步系统。提出 一种采用i e e e15 8 8 即网络测控系统精确时钟同步协议结合工业以太网实现的 变电站内精确同步对时方案，按照新的规约开发完全适合新型数字化变电站所 要求的智能同步装置。同步模块采用嵌入式体系结构设计，给出了p t p 协议栈 的分析与实现，突出了硬件和软件之间功能分离的特点，有效地实现了亚微秒 级的高精度同步功能。 关键词：数字化变电站，i e c 6 1 8 5 0 ，i e e e l 5 8 8 对时协议 a b s t r a c t i n f o r m a t i o ni st r a n s m i t t e do v e rn e t w o r ki n d i g i t a l s u b s t a t i o n ，i nt h e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，t h et r a d i t i o n a lw a y so fs v n c h r o n i z a t i o na n dt h ed i r e c t l y g p st i m i n gi sn o ta p p r o p r i a t e n e t w o r kt i m i n gh a se c o n o m i c ，s i m p l e ，e f f i c i e n ta n d s t a n d a r d i z e dc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dac l e a rr e q u i r e m e n t sa n dm o d e lo fn e t w o r kt i m e s v n c h r o n i z a t i o ni ss p e c i f i e di ni e c 618 5 0 t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp r o j e c ti st o d e v e l o pas e to fh i g h p r e c i s i o ni n t e l l i g e n c es y n c h r o n i z a t i o ns y s t e ma c c o r d i n gt ot h e i e c 618 50s t a n d a r d ，a n d p r o p o s e da na c c u r a t es y n c h r o n i z a t i o np r o je c tw i t h i n s u b s t a t i o nu s e si e e e15 8 8p r o t o c o lw i t hi n d u s t r i a le t h e r n e t i nc o n f o r m i t yt ot h e n e wp r o t o c o lw ed e v e l o p e dan e wi n t e l l i g e n c es v n c h r o n i z a t i o nd e v i c ew h i c h p e r l e c t l ys u i t e d t ot h er e q u i r e m e n to fd i g i t a ls u b s t a t i o n t h es c h e m er e a l i z e s h a r d w a r e s o f t w a r ep a r t i t i o n ，w h i c hi so b s e r v a b l ye f f e c t i v et oa c h i e v es y s t e mw i d e s y n c h r o n i z a t i o na c c u r a c yi nt h es u b m i c r o s e c o n dr a n g e w a n gy u j i e ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n gt h e o r ya n dn e wt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f z o n gw e i k e yw o r d s ：d i g i t a ls u b s t a t i o n ，i e c 6 1 8 5 0 ，i e e e l 5 8 8s y n c h r o n i z a t i o n p r o t o c o l 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 课题概述1 1 2 课题研究现状2 1 3 本论文主要工作内容3 第二章相关理论分析4 2 1 数字化变电站相关理论4 2 1 1 数字化变电站的技术背景及特征。4 2 1 2 数字化变电站中的关键技术4 2 1 2 1 非常规互感器5 2 1 2 2 智能断路器5 2 1 2 3 集成型智能开关设备5 2 2i e c 6 1 8 5 0 标准概述6 2 2 1 ie c 6 18 5 0 结构体系一6 2 2 2le c 6 1 8 5 0 标准的变电站时间模型及其同步模型7 2 3 开发基于i e c 6 1 8 5 0 标准的智能同步装置的必要性8 2 3 1 系统运行对时间同步精度的要求8 2 3 2 现存对时方式的局限性9 2 3 3 数字化变电站的发展对对时精度提出要求一9 2 4i e e e1 5 8 8 的应用分析1 0 2 4 1 ie e e15 8 8 在变电站内的应用分析1 0 2 4 2i e e e1 5 8 8 在全网中的应用分析1 2 第三章现存几种对时方式及ie e e i5 8 8 理论分析与比较1 4 3 1g p s 对时方式1 4 3 1 1 串行报文对时1 5 3 1 2 串行报文与脉冲对时1 5 3 1 3irig - b 时钟码对时1 6 3 2 网络时钟同步协议对时方式1 6 3 2 1 各种网络时钟同步协议1 7 3 2 2n t p 协议简介1 7 3 2 3n t p 的工作模式。1 7 i i 华北电力大学硕士学位论文 3 2 4n t p 的工作原理1 8 3 2 4 1 网络时间服务的层状结构1 8 3 2 4 2n t p 协议的对时方法1 8 3 2 5s n t p 对时方式2 0 3 3i e e e l 5 8 8 对时方式2 0 3 3 1ie e e l5 8 8 对时协议简介2 0 3 3 2ie e e l5 8 8 的特点21 3 3 3l e e e l 5 8 8 时钟同步系统结构2 l 3 3 4 le e e l5 8 8 时钟同步方式实现2 2 3 3 4 1 偏移测量阶段2 3 3 3 4 2 延迟测量阶段2 4 3 4 本章小结2 5 第四章i e e e l 5 8 8 对时协议在智能同步装置中的实现方案2 6 4 1 智能同步装置实现方案设计2 6 4 1 1 项目研究主要内容2 6 4 1 2 智能同步装置设计方案2 6 4 1 3 同步时钟系统的基本功能和要求2 7 4 2le e e l5 8 8 协议实现方案设计2 7 4 2 1le e e l5 8 8 的实现方式2 7 4 2 2le e e l5 8 8 协议基本架构2 8 4 2 3 硬件结构描述2 9 4 2 4 方案特点3 0 4 3 软件方案设计3 1 4 3 1 时钟的状态改变机制3 1 4 3 2 最佳主时钟算法模块设计3 3 4 3 2 1 数据集比较模块一3 3 4 3 2 2 状态决断算法模块3 5 4 3 3 报文发送接收模块设计一3 6 4 3 4 时钟校准模块的设计3 7 4 4 系统优化方案3 8 4 4 1 加权最小二乘法3 8 4 4 2 补偿值的求取4 0 4 5 本章小结4 0 第五章功能验证及结论4 1 5 1 功能验证4 l 1 i i i v 4 1 4 1 4 2 4 3 4 4 4 7 4 8 ， e l u j 人f | _ ! j ! i 。f t 论爻 1 1 课题概述 第一章绪论 信息化技术的进步，光电互感器的应用，i e c 6 1 8 5 0 标准的颁布，以太网的发展 等技术突破为目前变电站综合自动化系统实现数字化提供了有力的支撑。这些技术 的应用对变电站信息交互、数据处理的精确性和有效性要求进一步提高，其中各种 数据的时间同步问题尤为重要，尤其是过程层同步的精确性对数据采样、故障记录、 自动控制等功能起着至关重要的作用。i e c 6 1 8 5 0 标准也对网络对时同步有明确的 要求和模型。实现更加精确、经济、简单、高效、规范的同步系统迫在眉睫，同时 数字化变电站采取网络对时模式也是一种必然的选择，因此研究并实现基于 i e c 6 1 8 5 0 标准的智能同步装置是有及其重要意义的n 1 。 目前常规变电站综合自动化系统的对时系统基本采用直接对时和网络对时相 结合的对时方法。变电站内各种i e d 均采用数字化处理技术，内部晶振回路在输出 信息中附以时标信息，但内部晶振回路因设备的质量、使用寿命等因素影响会产生 较大的时间偏差，在实际应用中往往会出现不同i e d 间的时间累积误差很大。传统 的对时方法有：循环式远动规约对时方法和i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 、i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 中 的对时方法。这些传统方法都是首先对主站进行对时，然后通过时间报文的形式对 子站进行对时，是建立在帧长时问己知和上下行通讯延时相等的基础上的，延时随 着网络的复杂程度而更加显著，并包含很多随机的延时因素，实际应用中时间同步 误差容易产生积累。另外，传统时间同步方法造成的通讯负担十分显著。因此，传 统时间同步方案通常只能实现站内时间同步或系统时间同步，对较高标准的时间同 步，往往束手无策1 。 随着技术的发展和开发经验、运行经验的不断积累，数字化变电站过程层采用 i e c 6 1 8 5 0 - 9 - 2 标准将成为必然。数字化系统中的合并单元除了数据抽取、数据处理、 按照p s ( 发布订阅) 模式通讯等功能外，解决数据的同步问题是合并单元的一项重 要内容口引。在数字化变电站中，同时有数个合并单元在工作，必须保证不同的合并 单元所采集到的数据是在同一时间点上采样获得的，以避免相位和幅值产生误差。 目前比较常用的同步方式是由变电站的g p s 模块或高精度时钟给每一个合并单元发 送同步的秒脉冲信号，合并单元内部在对秒脉冲分频获得自己需要的时钟信号，并 将时钟信号每秒和g p s 提供的秒脉冲同步一次，以保证彼此之间采样的同步。由于 多方面原因，采用g p s 技术后并不能保证装置之间的同步误差在1 m s 以内。 另外，基于g p s 的秒脉冲对时，除了在主控室安装g p s 接收装置外，在每个保 护小室罩都需要安装g p s 接收装置，利用发出的秒脉冲进行对时，其绝对时间要通 过网络传输的方式，送给终端装置，这种对时方式，要求g p s 接收装置的数量多， 成本高，对网络依赖性也强。对i e c 6 1 8 5 0 9 2 协议，要求g p s 秒脉冲、b 码对时要 达到误差小于1 微秒的对时精度几乎是不可能实现的。 在2 0 0 2 年出现的i e e e l 5 8 8 标准定义了一种应用于分布式测量和控制系统中的 精确时间协议p t p ( p r e c i s i o nt i m ep r o t o c 0 1 ) ( 其全称是“网络测量和控制系统的 精确定时同步协议标准 ) ，用来实现网络上的节点之间时间同步。同步系统是一 种发布者和接收者组成的系统，在系统的运行过程中，每一个网络节点和设备采用 协议中的一种时钟设备模型，其中主时钟担任着时间发布者的角色，每隔一段时间 将本地时间发布到网络上，从时钟则根据自己的域和优先级进行时间的接收。即从 状态时钟时刻保持与主状态时钟的时间同步，同时不定时地进行线路延时的计算， 以保证精确地根据网络情况进行同步。因此称之为精密时间协议( p t p 协议) n 刊。 1 2 课题研究现状 i e c 6 1 8 5 0 的颁布为变电和配电自动化产品、电网监控和保护产品等的开发指明 了方向。在i e c 6 1 8 5 0 标准的制定过程中，欧美各国的研究机构与设备厂商也联手 开展工程试验，目的在于检验与完善标准，使其能更好地与实际应用相结合。我国 在开展对标准和符合标准的产品的研究各方面起步较晚，还未取得了显著的进展。 在与数字化变电站密切相关的工业以太网通信技术和同步技术方面，欧美国家 的相关研究已走在前列。同步通信和工业自动化的发展促成了i e e e l 5 8 8 精确时钟 协议的诞生，该协议用于产品测量和控制系统、工业自动化、电力系统或远程通信 系统以及包含多个传感器、执行器、仪器仪表和控制器的分布式运动控制系统的精 确时钟同步。国外方面，许多组织都已决定将该协议用于其基于现场总线的以太网 络，而国内在实时以太网与i e e e l 5 8 8 结合应用于电力领域的相关研究工作也仅仅 处于起步阶段。 2 0 0 3 年o d v a ( 开放式网络设备供应商协会) 计划在其实时控制应用的通用工业 协议c i p ( c o m m o ni n d u s t r i a lp r o t o c 0 1 ) 中加入时间同步服务，称之为c i ps y n c ， 作为对e t h e r n e t i p c i p 的实时扩展。b e c k h o f f 和j e t t e r 的实时工业以太网解 决方案e t h e r c a t 也研究采用i e e e l 5 8 8 协议或类似的方法来保证时间同步。西门子 公司也致力于用i e e e1 5 8 8 修改其p r o f i n e tv 3 ；提出了一种特殊的等时同步数据 传输方式，抖动精度在1 微妙，并且将该技术成功应用于变电站过程总线网络通信 中7 吲。 2 1 3 本论文主要工作内容 本论文主要内容是根据目前工业以太网的应用发展现状，提出一种符合 i e c 6 1 8 5 0 标准的变电站精确时钟同步方案。另外根据i e e e l 5 8 8 协议，采用软硬件 结合的方式开发出适合新型数字化变电站过程层通信的时钟同步模块。主要内容包 括以下几个方面： ( 1 ) 基于i e c 6 1 8 5 0 标准的同步系统建模 i e c 6 1 8 5 0 标准规定，时间同步系统用于电力系统内各装置间的同步，具有精确 外部时间源的逻辑节点作为主时钟，同一类型的另一个逻辑节点作为后备主时钟， 通过主时钟对各分布节点设置绝对时间，各分布节点通过主时钟实现时钟同步，时 钟同步通过协议栈完成。本论文根据i e c 6 1 8 5 0 标准7 - 2 中对时间模型和同步原理 的要求对同步系统建模，其中国际标准时u t c 从外部高精度时问源获取，时间服务 器作为站内i e d 的时钟同步源，采取i e e e l 5 8 8 时间同步协议与站内i e d 实现时间 同步。 ( 2 ) 实现高精度时钟同步模块 p t p 体系结构是一种完全脱离操作系统的软件结构，其优点在于硬件部分与协 议的分离，以及软件部分与协议的分离，运行时对处理器的要求很低。本论文实现 的时钟同步模块，硬件单元由一个高度精确的实时时钟和一个用来产生时间戳的时 间戳单元( t s u ) 组成，软件部分通过与实时时钟和硬件时间戳单元的联系来实现时 钟同步。时间戳可以根据精度需要选择是硬件生成还是软件生成。 。 ( 3 ) 嵌入式实时操作系统的选择和应用 在时钟同步模块的开发中采用嵌入式技术，选择实时多任务操作系统开发平台 r t o s ，以保证程序执行的实时性、可靠性，减少开发时间，保障软件质量，实现合 理地调度多任务、利用系统资源。实时多任务操作系统采用v x w o r k s 6 6 ，软件的实 现采用c 语言。利用嵌入式设计技术在微控制器或微处理器和以太网控制器上实现 以太网，在物理上遵循i e e e 8 0 2 3 标准，逻辑上选用广泛使用的t c p i p 协议族。 3 二，i l i u j 人! 坝i j 学位论文 第二章相关理论分析 2 1 数字化变电站相关理论 数字化变电站是目前我国电力企业积极进行实用化研究的重点领域之一，它对 提高电网企业的经济效益和管理水平，提高电力系统的自动化水平和可靠性都有很 大的作用。随着非常规互感器、智能断路器、网络技术的发展，i e c 6 1 8 5 0 标准研究 的不断深入，数字化变电站将是变电站自动化发展的必然趋势n0 1 。 2 1 1 数字化变电站的技术背景及特征 数字化变电站的概念是随着数字式过程层设备的诞生出现的。在实现过程层数 字化、信息共享的基础上，数字化变电站强调变电站自动化整体的信息化、统一化 和站内i e d 之间、变电站与控制中心之间协同操作、集成应用的能力。目前，普遍 认为数字化变电站大致具备以下几项特征： ( 1 ) 变电站层次化。根据不同功能，变电站在逻辑结构上划分为过程层、间隔 层和变电站层，过程层实现所有与一次设备接口相关的功能，分担了常规变电站间 隔层的部分功能；间隔层的功能是利用本间隔的数据对本间隔的一次设各产生作 用；变电站层的功能是利用全站的数据对全站的一次设备进行监视和控制及与远方 控制中心进行数据交换。 ( 2 ) 一次设备智能化：用可编程控制器代替变电站二次回路中常规的继电器及 其逻辑回路，用光电数字和光纤代替常规的强电模拟信号和控制电缆。 ( 3 ) 二次设备网络化：变电站内常规的二次设备，以及正在发展中的在线状态 检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，设备之间的连接全部采 用高速的网络通信，二次设备不再出现功能装置重复的i o 现场接口，通过网络真 正实现数据共享、资源共享，常规的功能装置变成了逻辑的功能模块。 ( 4 ) 运行管理系统自动化：电力生产运行数据、状态记录统计无纸化：信息分 层、分流交换自动化；变电站运行发生故障时能即时提供故障分析报告，指出故障 原因和处理意见；系统能自动发出变电站设备检修报告，即常规的变电站设备“定 期检修 改变为“状态检修 。n j 卜1 2 1 2 1 2 数字化变电站中的关键技术 随着电网容量和电压等级以及用户对供电质量和可靠性要求的不断提高，在传 感器、电力电子、信号处理和网络通信等技术日渐成熟的基础上，一次设备自动化、 4 智能化成为发展趋势。目前，主要体现在电子式电流电压互感器( e c t e v t ) 、智能 断路器和集成型智能丌关设备的发展和应用上。 2 1 2 1 非常规互感器 光电技术和计算机技术的飞速发展，使得非常规互感器显现出富有魅力的前景 和强大的生命力，具有良好的绝缘性能、较强的抗电磁干扰能力、测量频带宽、动 态范围大，新型光电电子式互感器充分利用了电光晶体的各种优异特性和现代光 电技术的优点，引起了电力行业广泛的关注，再加上数字信号处理d s p 技术、光电 技术的催化和推动，呈现了很好发展势头。 非常规互感器可直接与数字化保护和测控设备接口，避免了中间环节。具有如 下优点： ( 1 ) 高低压完全隔离，安全性高，具有优良的绝缘性能； ( 2 ) 不含铁芯，消除了磁饱和和铁磁谐振等问题； ( 3 ) 抗电磁干扰性能好，低压侧无开路高压危险； “ ( 4 ) 动态范围大，测量精度高； ( 5 ) 频率响应范围宽； ( 6 ) 没有因充油而潜在的易燃、易爆炸等危险。 综上所述，非常规互感器以其优越的性能，适应了电力系统数字化、智能化和 网络化发展的需要，并具有明显的经济效益和社会效益，对于保证日益庞大和复杂” 的电力系统安全可靠运行，并提高其自动化程度具有深远的意义。 2 1 2 2 智能断路器 断路器的智能操作可以根据电网中所发出的不同开断信息，自动调整操动机构 和选择灭弧室的工作条件，从而改变了现有断路器的单一空载分闸特性，以自动获 得实际开断时电气和机械性能上的最佳开断效果。 i e c 6 1 8 5 0 标准体系提出了变电站分层的概念，断路器属于过程层设备，可通过 i e c 6 1 8 5 0 标准的通信报文实现断路器状态信息和控制跳合闸命令的传递。或者说智 能断路器必须具备过程层通信接口，接收和发送符合i e c 6 1 8 5 0 标准的通信报文。 2 1 2 3 集成型智能开关设备 集成型智能开关设备是未来一次电气设备的发展方向，其主要特点是接线简 化、占地面积小、安装方便、结构紧凑、自动化程度高、设备的可靠性高以及日常 维护简便。近几年，国外一些大的公司均已推出此类产品，最具代表性的是瑞士a b b 5 o # ，f l i u j 、# f i ! ；! j f i ，论殳 公司推出的接插式开关系统p a s s ，是a b b 公司在生产气体绝缘组合电器g l s 和空气 绝缘开关设备a l s 的基础上开发的一种新型成套电器设备，p a s s 继承了6 l s 的优点。 自上个世纪9 0 年代以来，已在澳大利亚、德国、瑞典和法国等变电站投入运行并 取得了良好的运行效果n 1 卜1 2 1 。 2 2i e c 6 1 8 5 0 标准概述 随着非常规互感器、智能断路器、网络技术的发展，i e c 6 1 8 5 0 标准研究的不断 深入，数字化变电站将是变电站自动化发展的必然趋势。随着变电站自动化、通信 和微电子等技术的快速发展，在变电站自动化系统领域出现了大量基于微处理器 控制器的智能电子设备，变电站自动化的水平在不断提高，系统集成成为趋势。在 这一发展过程中，互操作性差已经开始成为“瓶颈”问题，即不同厂商或同一厂商 在不同时期的智能电子设备采用的网络和通信协议可能不相同，使得智能电子设备 之间需要协议转换才能集成到一个变电站系统，从而增加了系统的成本和复杂性， 影响了系统的实时性和可靠性。为了解决这个问题并适应将来快速更新的计算机和 通信技术，国际电工委员会于2 0 0 5 年正式颁布了关于变电站自动化网络通信的国 际标准i e c 6 1 8 5 0 t 1 3 】。 2 2 1i e c 6 1 8 5 0 结构体系 i e c 6 1 8 5 0 标准是全世界唯一的变电站网络通信标准，i e c 6 1 8 5 0 的发展方向是 实现“即插即用 ，在工业控制通信上最终实现“一个世界、一种技术、一个标准 。 i e c 6 1 8 5 0 体系为电力系统自动化产品“统一标准、统一模型、互联开放 的格局奠 定了基础，使变电站信息建模标准化成为可能，信息共享具备了可实施的基础前提。 i e c 6 1 8 5 0 是一个庞大的协议体系，对s a s 做出了全面和系统的要求。从内容上 可以分为4 大部分： ( 1 ) 系统部分 主要包括i e c 6 1 8 5 0 一l 、i e c 6 1 8 5 0 2 、i e c 6 1 8 5 0 3 、i e c 6 1 8 5 0 4 和i e c 6 1 8 5 0 5 五个标准。在这几个部分中介绍了i e c 6 1 8 5 0 标准制订的出发点，其内容不光从 通信技术本身进行描述，还从系统工程管理、质量保证、系统模型等方面进行叙述， 使i e c 6 1 8 5 0 标准能够更好地应用于电力系统中。 ( 2 ) 配置部分 i e c 6 1 8 5 0 6 ，定义了变电站系统和设备配置、功能信息及相对关系的变电站 配置描述语言。 ( 3 ) 数据模型、通信服务和映射部分 作为i e c 6 1 8 5 0 最核心的技术部分，包括了i e c 6 1 8 5 0 7 系列、i e c 6 1 8 5 0 8 6 系列和i e c 6 1 8 5 0 9 系列等共7 个标准。这个部分从技术实现的角度描述了 i e c 6 1 8 5 0 的信息模型、通信服务接口模型以及信息模型与实际通信网络的映射方 法，从而实现了系统信息模型的统一、通信服务的统一和传输过程的统一。 ( 4 ) 测试部分 为验证系统和设备的互操作性，i e c 6 1 8 5 0 1 0 定义了一致性测试的方法、等级、 环境和设备要求等规定n 屯1 5 1 。 2 2 2ie c 6 18 5 0 标准的变电站时间模型及其同步模型 i e c 6 1 8 5 0 标准对于网络对时提出了明确的要求和模型。i e c 6 1 8 5 0 - 5 功能通信 要求和装置模型的附件g 中明确规定：“同步系统内各装置间的同步，具有精确时 间源的逻辑节点l n 作为主时钟，同一类型的另一个逻辑节点l n 作为后备主时钟。 时间一般由外部时钟源( 如无线电、卫星时钟) 提供。 i e c 6 1 8 5 0 标准中规定的时钟同步有两个子任务： ( 1 ) 通过主时钟或m m i ( 人机接口) 对各分布节点设置绝对时间。这个任务通过将 时间由用户层映射到应用层完成； ( 2 ) 各分布节点时钟连续同步。为提高效率，时钟同步最好通过协议层来完成 ( 应用层和链路层之间) 。 因此，这一时间同步方法应对各协议层进行标准化。 l e e 6 l8 5 8 客户i 服务嚣 教溺侈的 lu t c 时阊 r o 一 ii e c 6 1 8 5 0s c s mll 癸都躜耢魔时间 - 一_ _ _ 一 时细同步过程 时网觳语殳 时闻敬爱承形式 孵湖鼹务骚 f i 麟= 6 l 鼬o 艇势嚣 图2 1时间模型和同步原理 i e c 6 1 8 5 0 标准7 - 2 中给出了时间模型和同步原理图，如图2 - 1 。其中，国际标 准时u t c ( u n i v e r s a lt i m ec o o r d i n a t e d ) 从外部高精度时间源获取，时间服务器作 7 ，l 谮一 觳丁阏t|， 时一 产北i u ，jj 、f - f ! l j 学f t 论爻 为站内i e d 的时钟同步源，采取时问同步协议与站内i e d 实现时间同步，所采取的 时间同步协议取决于所选择的s c s m ( 特殊通信服务映射) 川。 时间同步模型由以下部分组成： ( 1 ) 由时间主站从外部时钟源获得所需的外部时间信息用以同步变电站服务器 和客户i e d ； ( 2 ) 时问服务器为变电站内部时间同步和时标提供时间源( 时间服务器和 i e c 6 1 8 5 0 客户服务器在一个物理设备内一起实现) ； ( 3 ) 时间同步协议提供和其它i e d 的时间同步，满足i e c 6 1 8 5 0 5 的要求。时间 同步在s c s m 中定义( 如i e c 6 1 8 5 0 8 1 ) ； ( 4 ) 用于a c s i 信息交换的时标语义； ( 5 ) 按所选择的s c s m 的时标的表示； ( 6 ) 需要变电站范围内时问同步的服务器和客户。 从上述i e c 6 1 8 5 0 标准对网络对时的要求和模型结构的配置来看，数字化变电 站采取网络对时模式是一种必然。数字化变电站应用技术实现时有不同的总线实现 方式。从当今眼光看变电站结构将分为三个阶段逐步改进，即点对点模式、过程总 线模式、过程总线和站总线的合并模式。 2 3 开发基于ie c 6 18 5 0 标准的智能同步装置的必要性 2 3 1 系统运行对时间同步精度的要求 理论和实践表明，电力系统运行的安全性与系统当时的运行状态有密切的关 系。因此，对于电力调度部门来说，如果能实时全面地掌握电力系统各组成部分的 运行状态，对保证系统的安全稳定、经济运行无疑具有非常重要的。然而，大型电 力系统中功角稳定性、电压稳定性、频率动态变化及其稳定性意义等各项指标都不 是孤立的问题，而是相互诱发、相互关联的，这些关联又会受到网络结构及运行状 态的影响。但是，由于电力系统地域广阔、设备众多，想获得全系统关键点及主要 设备的运行状态的同步信息，必须依赖于全系统统一的高精度时间基准。这是因为 借助于统一的时间基准，可以在系统操作发生故障，特别是短时间内连续出现事故 的情况下，系统运行人员可以极其方便地分析各装置的动作行为，事故的先后顺序、 事故的起因和事故的发展过程。 目前，虽然各种自动控制设备已经在国内的电力系统中广泛使用，然而，很多 设备、系统按各自独立的时钟工作，给整个系统的安全生产和管理带来了隐患。因 此，电力系统对建立统一时钟的需求已经越来越迫切，研究电力系统全网统一高精 度的时钟同步方法具有重要意义。 o f ，i e i u j 、。z f ff j 。f 论文 2 3 2 现存对时方式的局限性 目前各数字化变电站中，各i e d 之间的对时系统基本采用直接对时和网络对时 相结合。各种i e d 均采用数字化处理技术，内部晶振回路可以在输出信息中附以时 标信息，但由于内部晶振回路因设备的质量、使用寿命会产生较大的时间偏差，在 实际系统应用中往往出现不同i e d 的时间累积误差很大。循环式远动规约对时方法 和i e c 6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 1 、i e c 6 0 8 7 0 一5 1 0 3 中的对时方法等传统方法都是首先对主站进 行对时，然后通过时间报文的形式对子站进行对时，实际应用中时间同步误差容易 产生积累。另外，传统时间同步方法造成的通讯负担十分显著。 目前比较常用的同步方式是由变电站的g p s 模块或高精度时钟给每一个合并单 元发送同步的秒脉冲信号( 同步信号1 ) ，合并单元内部在对秒脉冲分频获得所需的 时钟信号( 同步信号2 ) ，并将时钟信号每秒和g p s 提供的秒脉冲同步一次，以保证彼 此之间采样的同步。实践证明，采用g p s 技术后并不能保证装置之间的同步误差在 l m s 以内，原因是多方面的，其中有： ( 1 ) 不同的同步方式造成的误差； ( 2 ) 接收器内置振荡器的质量； ( 3 ) 用以处理卫星数据的软件及运算法则的质量。 另外，基于g p s 的秒脉冲对时，除了在主控室安装g p s 接收装置，在每个保护小 间里也需要安装g p s 接收装置，利用发出的秒脉冲进行对时，其绝对时间要通过网 络传输的方式，送给终端装置，这种对时方式，要求每个g p s 接收装置的数量多， 成本高，对网络也依赖性强。 2 3 3 数字化变电站的发展对对时精度提出要求 数字化变电站与常规变电站的显著区别在于过程层传统的电流电压互感器、 断路器将被电子式电流电压互感器、智能断路器取代。在数字化变电站中数据信 息的共享程度和数据的实时性将得到大幅度提高。i e c6 1 8 5 0 标准对智能电子设备 的时钟精度功能要求划分为t 卜t 5 五个等级，其中用于计量的t 5 等级精度达到1 秒。 目前全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 在变电站自动化系统 ( s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，s a s ) 中应用很多，g p s 同步设备通过硬接线利 用脉冲信号进行对时，具有精度高、成本低的特点，其相关技术已很成熟。但是变 电站数字化的发展趋势使得站内二次硬接线被串行通信线所取代，为此i e c6 1 8 5 0 标准引入了简单网络时间协议( s i m p l en e t w o r kt i m ep r o t o c o l ，s n t p ) 作为网络对 时协议。s n t p 是互联网网络时间协议( n e t w o r kt i m ep r o t o c o l ，n t p ) 的简化标准。 在一定的网络结构下，n t p 对时精度可以达到t 1 等级( 1 m s ) ，广域网内误差范围为 1 0 1 0 0m s 。n t p s n t p 的网络应用较成熟，但是要实现t 3 等级精度( 2 5 s ) 非常困难。 9 1 北i u j 入学坝卜学 t 论文 i e c 6 1 8 5 0 是变电站自动化技术的发展方向，国内已有多个试点，已取得了较 好的试验效果。国内i e c 6 1 8 5 0 数字化变电站的试运行站，均采用i e c 6 1 8 5 0 9 1 标准， 个别支持i e c 6 1 8 5 0 9 - 2 标准的数字化变电站中，其结构模式仍为以间隔为对象的过 程层数据传输方式，实际效果上和i e c 6 1 8 5 0 - 9 1 标准无异。随着技术的发展和开发 经验、运行经验的不断积累，数字化变电站过程层采用i e c 6 1 8 5 0 - 9 - 2 标准将成为必 然。数字化变电站采用i e c 6 1 8 5 0 9 2 标准，各i e i ) 的时间同步就显得尤为重要n 卜2 引。 新修订的i e c 6 1 8 5 0 标准中，已将i e e e l 5 8 8 网络测量和控制系统的精密时钟 同步协议纳入其中。数字化系统中的合并单元除了数据抽取、数据处理、按照p s ( 发 布订阅) 模式通讯等功能外，解决数据的同步问题是合并单元的一项重要内容。在 数字化变电站中，同时有数个合并单元在工作，必须保证不同的合并单元所采集到 的数据是在同一时间点上采样获得的，以避免相位和幅值产生误差。 2 4 ie e e15 8 8 的应用分析 2 4 1l e e e1 5 8 8 在变电站内的应用分析 i e c6 1 8 5 0 将变电站功能从逻辑上划分为变电站层、间隔层和过程层。过程层、 间隔层设备要求时钟同步精度为微秒级，变电站层要求较低，为毫秒级。i e e e1 5 8 8 高精度时钟同步协议实现微秒级同步需要硬件资源的支持，其在变电站内的具体应 用需要针对功能特点结合经济性要求来实施。 i e e e1 5 8 8 是网络对时方式，变电站通信网络拓扑结构的不同对其应用有较大 影响。为便于对同步过程的掌控，对i e e e1 5 8 8 的站内应用做出几点限制：1 ) 过程 层、间隔层以及变电站层设备只作为对时网络末节点，扮演从时钟角色；2 ) 通信网 络中的交换机或路由器作为b c ( 边界时钟) 或从时钟参与整个对时过程；3 ) 设置专用 g c ( 原主时钟) 作为整个对时网络的时钟参考源，该g c 可以有多个网口，但不是交换 机或路由器。经过上述限制，数字化变电站对时网络的层次变得清晰，功能明确， 通用性更强。由于过程网络与站级网络相互独立，且有前面所述限制，过程网络与 站级网络的对时将被隔开，对此有以下2 种解决方法( 见图2 - 2 ) ： ( 1 ) 过程层网络与站级网络都采用i e e e l 5 8 8 协议进行高精度对时。专用g c 分别 连接到过程网络与站级网络，如图2 - 2 ( a ) 所示。g c 接入过程层网络与站级网络中的 交换机，对时报文经由这些b c 在g c 与从时钟间进行交互，完成对时。此方法需要全 站过程层和间隔层设备的以太网芯片、变电站层计算机的网卡以及通信网络中的交 换机或路由器都支持i e e e1 5 8 8 硬件对时，投资较大，但全站设备都能实现高精度 时钟同步。 1 0 ( b ) i e e e l 5 8 8 + s n t p 对时 图2 - 2 独立过程网络全站i e e e l 5 8 8 应用结构 ( 2 ) 过程层网络采用i e e e1 5 8 8 对时，站级网络采用s n t p 对时，如图2 - 2 ( b ) 所示。s n t p 服务器通过一个支持i e e e1 5 8 8 的网口作为从时钟与g c 对时，通过另 一个不需支持i e e e1 5 8 8 的网口接入站级网络，以s n t p 方式对变电站层设备对时。 过程网络的对时方法与( 1 ) 相同。此处的s n t p ) 艮务器可以和g c 优化成一个时钟服务 器，该时钟服务器一个网口以s n t p 对时，一个网口以i e e e1 5 8 8 对时，这样可以优 化功能配置，节省投资。此方法针对变电站层设备对时钟同步精度要求较低的特点， 省去了变电站层计算机网卡以及站级网络中的交换机或路由器对i e e e1 5 8 8 的支 持，将功能实现与经济性很好地结合在一起晗。 o # 北i u j 人f i ! ；! i 学f t 沦爻 2 4 2i e e e1 5 8 8 在全网中的应用分析 电力系统中有些功能应用涉及站与站之间的时钟同步，如线路纵差保护、全网 相量同步动态监测等，因此从全网角度考虑i e e e1 5 8 8 对时方法的采用是必须的。 基于变电站内i e e e1 5 8 8 对时应用模式，全网的时钟同步可由图2 - 3 所示的2 种模 式实现，图中变电站卜n 对应于图2 - 2 中的站级系统。 ( a ) g p s 同步 ( b ) i e e e l 5 8 8 同步 图2 3i e e e l 5 8 8 的全网应用结构 ( 1 ) 模式l ，站与站之间的时钟同步由g p s 实现，如图2 - 3 ( a ) 所示。每个变电站 装设g p s 接收机，其输出的绝对时间串行数据与秒脉冲信号接入变电站内的g c ( 对应 于图2 - 2 中的g c l 和g c 2 ) ，即通过g p s 保证了每个变电站g c 之间的时钟同步。 ( 2 )