IEEE1588标准在变电站智能化中的应用

摘 要：智能化的变电站自动化技术作为未来的发展趋势,其过程层、间隔层和变电站层的同步精度要求很高.IEEE1588标准作为网络化测量和控制系统的精确时钟同步协议,具有亚微秒级的高精度对时.这篇文章通过对IEEE1588标准对时原理的介绍,讨论了其在变电站智能化中的应用方案.

关 键 词：IEEE1588标准高精度对时变电站智能化IEC61850标准

随着网络通信技术和计算机技术的发展,以及一次运行设备在线状态检测、电子式互感器、智能化高压电器、变电站运行操作培训仿真等技术日趋成熟,变电站中所有信息的采集、传输和处理全数字化,智能化的变电站将成为变电站自动化技术发展的必然趋势.通过标准化的网络通信平台,并按照IEC61850标准族实现变电站的智能化,已成为变电站现代化技术发展的方向.

本文将通过对IEEE1588标准时钟同步原理和对时方法的介绍,遵循IEC61850标准分析IEEE1588标准在变电站智能化过程中的应用.

1.变电站智能化的数据同步

非智能化变电站的数据同步对时方式一般有硬对时、软对时以及两者结合的三种对时方式,由于硬对时、软对时有各自的优点和缺点,因此在非智能化变电站中,继电保护等装置通常采用综合对时的方式实现时间的精确同步.

在智能化变电站中,采样数据的同步包含两方面内容：对于同一合并单元,它应使其对应的各路A/D能够同步转换；对于不同合并单元,应使它们所发的同步信号可以同步,尤其后者对于各种差动保护十分重要.间隔层需要使用过程层提供的采样数据,对于故障记录准确识别过程层数据的采样时刻十分必要,而消除因时钟差异以及数据延时造成的影响,有效识别数据的准确采样时刻,是间隔层与过程层实现数据同步的关键.过程层与间隔层之间采用串行以太网通信是智能化变电站通信网络的发展趋势,基于IEC61850-9-1实现采样数据的点对点数字化传输是实现这种发展趋势的第一步.

鉴于IEC61850-9-1只支持时钟同步法,因此需取消传统变电站中的硬对时接线方法而借助于以太网通信网络来实现采样数据的高精度同步.2002年底颁布的IEEE1588协议——网络化测量和控制系统的精确时钟同步协议,通常称为PrecisionTimeProtocol（PTP）,在总结之前各种各样通讯模式下的同步时钟方法的同时,开创性地解决了总线网络的同步时钟问题以及跨网段的同步时钟问题,同时提出了在不同层次实施该协议可得到不同等级的同步时钟精度.鉴于IEEE1588标准高精度的分布式网络对时特点,IECTC57第10工作组将IEEE1588标准引入了IEC61850.在变电站智能化过程中,将IEEE1588标准应用于站内以太网通信网络,对实现采样数据的高精度同步有重要的意义.

2.IEEE1588时钟同步协议

2.1同步原理

IEEE1588协议使用主从结构来组织时钟同步系统.系统中的全部时钟都同步于一个主时钟,此主时钟既可以是一个绝对时间基准,也可以是一个相对时间基准,其同步原理简单来说是主从时钟之间交互同步报文并记录报文的收发时间,通过计算报文往返的时间差来计算主从时钟之间的总延时.同步原理如图1所示：

其同步过程如下[2]：

（1）主时钟向从时钟发送Sync报文,并在发送过程中记录下Sync报文的发送时间戳t1；从时钟收到该报文后,记录下接收时间戳t2；

（2）主时钟发送Sync报文之后,紧接着发送一个携带有时间戳t1的Follow_Up报文；从时钟接收Follow_Up报文,从中得到时间戳t1；

（3）从时钟采向主时钟发送Delay_Req报文,用于发起反向传输延时的计算,并记录发送时间戳t3；主时钟收到该报文后,记录接收时间戳t4；

（4）主时钟收到Delay_Req报文之后,回复一个带有Delay_Req报文接收时间戳t4的Delay_Resp报文；从时钟接收Delay_Resp报文,从中得到时间戳t4.

此时,从时钟拥有了t1－t4这四个时间戳,由此可计算主、从时钟的往返总延时.

由式（5）就可以计算主时钟与从时钟之间的单向延时,从时钟按照该偏差来调整本地时间,就可以实现其与主时钟的同步.

2.2变电站智能化中的应用方案

IEEE1588标准在变电站智能化的应用,主要是针对过程层网络和变电站层网络的高精度对时.通过对变电站进行智能化改造,使之以以太网作为通信网络,并使全站变电站层、过程层和间隔层设备的以太网芯片、计算机网卡和通信网络中的交换机和路由器支持IEEE1588标准,可实现亚微秒级的对时.

对变电站过程层网络和变电站层网络设置专门的时钟参考源作为整个对时网络的最优时钟（GrandmasterClock,GC）,即最高层次的时钟.通过对时网络中各节点间报文的相互传递,最优时钟的时间将被同步到整个网络中,作为整个网络的时钟源.

3.结语

IEEE1588标准作为一种高精度（亚微秒级）的分布式网络对时方案,对于变电站按照IEC61850标准实现智能化有着重要的意义.虽然IEEE1588标准还未在我国大规模应用,但其简单的对时原理,高精度对时的独特优点将在变电站智能化过程中有广阔的应用前景.