河北南网IEEE1588同步时钟系统建设应用探讨

【摘 要】本文分析了目前变电站四类主要时钟对时方式，并比较了四类时钟对时方式的优缺点。重点介绍分析了目前河北南部500kV电网对时方式和所存在的问题，论述了IEEE1588时钟同步技术的优越性，提出在河北南网对时系统中采用IEEE1588时钟同步技术的改造建设方案。

【关键词】IEEE1588；数字化变电站；时钟同步；以太网

0 引言

目前，河北南网故障录波器、故障测距装置均已实现组网功能，可以做到全网故障信息协同处理，特别对复杂故障数据的对比分析，线路故障后的精确故障定位，均需要两端故障信息时标的高度同步。现行的各变电站对时系统均独立布置，分别接收GPS对时信号并向二次设备授时。考虑各变电站分布于不同地区，对时信号的接收、传输时延不同，造成实际运行中各变电站的二次设备时间并不完全同步。

IEEE1588的基本构思是通过硬件和软件相结合的方式实现设备间的同步，而NTP、SNTP仅采用在应用层软件打时间戳的方式[1-2]。

IEEE1588的主要优点有：采用硬件FPGA打时间戳，时钟同步精准而且特别适合于以太网传输；与目前变电站时钟同步方式IRIG-B、PPS需要单独布线相比，其不需要单独的时钟网络硬接线[1-6]，降低了成本；同时故障容错能力较强；对GPS的依赖性降低。通过建设河北南网IEEE1588同步时钟系统，考虑极端情况下时钟服务器下发错误对时信息，仍能保证全网设备时钟同步。

1 变电站主要对时方式及精度要求

1.1 变电站主要对时方式

目前，各变电站继电保护、故障录波器及安自装置等二次设备采用的对时方式主要有四种：

1.1.1 脉冲对时方式

也称硬对时，由GPS时钟同步系统每隔一定时间间隔输出一个精确的同步脉冲。脉冲对时方式多采用空接点接入方式，可分为秒脉冲（PPS），整秒时输出空接点将二次装置的毫秒清零；分脉冲（PPM），整分时输出空接点将二次装置的秒清零。

脉冲对时的优点是授时精度高、使用被动接点时，适应性强；缺点是无法直接提供时间信息，只能校准到秒（用1PPS），若二次设备日期、小时走错，不能自动实现同步。

1.1.2 软报文对时

也称串口报文对时，由监控系统总控或远动装置与GPS时钟同步系统通讯以获得GPS时间，然后以固定时间间隔通过广播形式向二次装置发送对时报文实现。软报文对时是包括年、月、日、时、分、秒在内的完整时间。常用的串行通信接口为RS-232和RS-422/RS-485。

软报文对时的优点是数据全面、可实现日期同步；缺点是授时精度低，特别是多小室模式或监控系统中有多个管理机、多个子系统时对时精度受串行口通信时延比较突出，报文的格式需要授时和被授时装置双方约定。

1.1.3 IRIG-B对时

即通常所说的B码对时。B码对时是一种综合对时方案，其报文中包含秒、分、小时、日期等时间信息，同时每一帧报文的第一个跳变对应于整秒，可以实现对二次装置的即时时间校对。B码分为调制B码（也成交流B码）和非调制B码（也称直流B码）。交流B码调制在正弦波信号上，其包络线是直流B码。交流B码是模拟量，由授时设备直接传送给被授时设备。直流B码可以直接传送给被授时设备，电压等级常用TTL电平（+5V），用IRIG-B DC TTL表示。直流B码还可以通过串行通信接口发送给被授时装置，用IRIG-BDC 232和IRIG-B DC 422表示。

IRIG-B码对时的优点是兼顾了脉冲对时和软报文对时的优点、数据全面、对时精度高、不需要人工预置；缺点是编码相对复杂。近几年获得了广泛应用。但对于2009年前投运的大部分保护装置，由于其不具备B码对时接受功能，无法应用该对时方式。

1.1.4 网络方式对时

网络方式对时基于网络时间协议（NTP）、精确时间协议（PTP）。目前，简单网络时间协议（SNTP）应用较多。网络时钟传输的是以1900年1月1日0时0分0秒算起时间戳的用户数据协议（UDP）报文，用64位表示，前32位为秒，后32位位秒等分数。网络中授时报文往返时间是可以估算的，因而采用补偿算法可以达到精确对时的目的。网络授时方式可以为接入网络的任何系统提供对时，其中NTP授时精度可达到100ms，PTP授时精度可达到30ns，SNTP授时精度可达到500ms。

网络方式对时的优点是基于现有网络架构、通过物理层实现；缺点是高精度补偿算法非常复杂。

以上4种授时方式各有优点。实际应用中，在满足同步精度要求的前提下，考虑到经济性，采用组合方式授时，即在一套运行时钟管理系统中并存多种方式，可以充分应用授时时钟能够提供的信息[7]。

1.2 电力设备对时间精度的要求

电力自动化设备（系统）对时间同步精度有不同的等级要求，而不是通常所理解的精度越高越好，对时精度的提高需要付出相应的成本，因此，没有必要盲目追求高精度，原则是满足授时设备本身的时钟最小分辨率即可。一般而言，将电力系统被授时装置对时间同步准确度的要求大致分为以下4类[8]：

（1）采样时间同步准确度不大于1us：包括线路行波故障测距装置、同步相量测量装置、雷电定位系统、电子式互感器的合并单元等。

（2）高压电网时间同步准确度不大于1ms：包括故障录波器时间精度、SOE分辨率、电器测控单元/远程终端装置（RTU）/保护测控一体化装置的时钟精度等。

（3）配网时间同步准确度不大于10ms：包括微机保护装置安全自动装置、馈线终端装置（FTU）、变压器终端装置（TTU）、配电网自动化系统等。

（4）监控时间同步准确度不大于1s：包括电能量采集装置、负荷/用电监控终端装置、电气设备在线状态检测终端装置或自动记录仪、控制/调度中心数字显示时钟、火电厂和水电厂以及变电站计算机监控系统、监控与数据采集（SCADA）/EMS、电能量计费系统（PBS）、继电保护及保障信息管理系统主站、电力市场技术支持系统等主站、负荷监控/用电管理系统主站、配电网自动化/管理系统主站、调度管理信息系统（DMIS）、企业管理信息系统（MIS）等。

2 河北南网现行对时方案分析

2.1 河北南网现行对时方案

为提高站内二次设备对时精度，目前采用软报文对时、脉冲对时组合或软报文对时、B码对时组合，其结构图如图1所示。

2.2 河北南部500Kv电网二次设备时钟实际运行情况分析

脉冲、软报文对时组合或B码、软报文对时组合从理论上可以保证变电站二次设备时钟准确，但实际运行经验表明仍有设备存在时钟错误缺陷，其中，2010年时钟错误缺陷共有34次，随着廉州站老旧LFP、CSL系列保护全部更换完毕，2011年时钟错误缺陷有所减少，但仍达到23次，原因分类统计如下：

1）保护装置对时控制字设置不当造成。目前大量应用的南瑞保护装置需根据接入的脉冲对时类型选择适当的控制字。实际消缺中发现部分保护时钟错误为控制字选择不匹配造成。

2）脉冲对时光耦损坏。作为易损件，对时光耦随着运行年限增长，老化或损坏概率增大，导致二次设备时钟超差或无法接收对时脉冲。

3）时钟源装置如GPS时钟接收装置及时钟扩展箱、监控系统总控或远动机损坏，造成对时信息无法正确下发到授时装置。

从两种对时系统结构图可知，上述被授时装置自身原因或时钟源损坏造成的时钟错误问题，通过建设河北南网IEEE1588同步时钟系统可以避免。

3 IEEE1588标准

IEEE1588是应用于工业控制和测量领域的精确时钟同步协议（Precise Time Protocol，PTP），具有亚微妙级的同步精度。一个IEEE1588精确时钟系统包括普通时钟、边界时钟和透明时钟，整个系统依靠以太网将时钟相连。系统中的时钟工作在主时钟（Master Clock）、从时钟（Slave Clock）和无源时钟（Passive Clock）三种状态。

IEEE1588的时钟同步过程由三个步骤组成：

1）确定网络中的主时钟：系统中具体的时钟状态是由最佳主时钟算法所确定[9-10]，最佳主时钟算法BMC算法（Best Master Clock Algorithm）依据各个PTP端口提供的质量信息，通过比较确定哪一个时钟成为主时钟。

基于计算出的Toffset和TDelay，从时钟就能够修正到与主时钟一致的时间标准。实际上报文有主到从所用的时间与由从到主所用的时间是不可能完全相同的，所以对时过程需要多次校准，就能得到一个比较精确的时钟。采用这样的同步方式过程，可以消减PTP协议栈中的时间波动和主从时钟间的等待时间。

4 河北南部500kV电网IEEE1588同步时钟系统建设

河北南网全网时间同步系统采用逐级汇接的三级网络拓扑结构，由一级时间同步系统（设在省级调度中心和超高压调度中心）、二级时间同步系统（设在500kV变电站）和三级时间同步系统（设在变电站小室内）组成，利用电力SDH网络的E1业务通道传递地面时间基准，实现全网的时间同步。

（1）省级调度中心一级时间同步系统主时钟接收北斗、GPS卫星系统的时间基准，获取高精度UTC时间信息，接收来自的上级时间基准信号，卫星时间基准和来自网调的地面时间基准有效融合，以地面时间基准为主、卫星时间基准为辅，地面和卫星时间基准互为备用，驯服高稳时钟， 提供时间同步所需的各类授时信号。

（2）超高压调度中心接收北斗、GPS卫星系统的时间基准，获取高精度UTC时间信息，接收来自省级调度中心一级时间同步系统通过SDH网络E1传输时间基准信号，卫星时间基准和来自省级调度中心的地面时间基准有效融合，以地面时间基准为主、卫星时间基准为辅，地面和卫星时间基准互为备用，驯服高稳时钟，提供时间同步所需的各类授时信号。

（3）500kV变电站二级时间同步系统时钟接收北斗、GPS卫星系统的时间基准，获取UTC时间信息；接收超高压调度中心时间同步系统通过SDH传输的地面时间基准信号，卫星时间基准和来自地调的地面时间基准有效融合，以地面时间基准为主、卫星时间基准为辅，地面和卫星时间基准互为备用，驯服高稳时钟， 提供时间同步所需的授时信号。如图3。

5 IEEE1588同步时钟系统特点

（1）采用冗余设计。超高压调度中心放置两台IEEE1588时间服务器，两台时间服务器互为主备，同时利用内置的GPS模块＼北斗模块＼GPS、北斗二合一模块来获取绝对时间。主备时间服务器基于独立MAC的以太网心跳监视通道，两台时间服务器通过心跳报文监视对方的运行状态并在对方出现故障时自动切换为主时间服务器。各站端同时接受超调时间服务器下发的地面时间基准，并接收GPS对时信号，在SDH通信网络中断等情况下，仍可依靠GPS实现站内设备的时钟同步。

（2）IEEE1588同步时钟系统通过SDH通信网络下发对时信息，由于各变电站分布于不同地区，为消除对时信息传输时延造成的各站不完全同步现象，IEEE1588时钟系统通过测算各站传输时延对时间进行补偿。

（3）由于全网使用唯一的对时源，考虑极端情况下时钟服务器下发错误对时信息，仍能保证全网设备时钟同步。

（4）由于站端以超高压调度时钟服务器下发的地面时间基准为主，可有效避免恶劣天气下GPS对时信号不好造成的站内设备失步问题。

6 总结

本文分析了变电站主要对时的4种方式的优缺点，详细介绍了IEEE1588通信方式原理和特点。详细介绍了河北南部500kV电网所采用的对时方式，并分析了现有对时方式存在的问题。提出采用IEEE1588协议对时方案解决现有时钟缺陷问题。此时钟方案如在河北南部500kV电网得到广泛的应用，能为保障电网稳定、可靠、安全运行发挥出更大的作用。

【参考文献】

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[4]刘慧源，郝后堂，李延新，等.数字化变电站同步方案分析[J].电力系统自动化，2009，33（3）：55-58.

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[8]陈永标.IEEE1588时间精确同步协议（PTP）在电力系统应用的可行性研究[D].上海交通大学2009.

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