IEEE 1588论文：应用IEEE1588协议的电力系统对时技术

IEEE 1588 精确时间协议在智能变电站中应用的关键技术王佳兴，朱金垦，（市电力公司,市，325000）摘要:IEEE 1588精确时间同步协议（PTP）解决了通用以太网延迟时间和同步能力差的瓶颈，在自动化、通信等工业领域具有重要意义，本文介绍了IEEE 1588标准在智能变电站建设中应用的关键技术，包括PTP时钟同步模型以及同步过程，分析了PTP网络结构中的设备类型以及主从时钟的偏移和网络延时的修正，最后分析了PTP时钟设备冗余配置的必要性，给出了时钟设备冗余配置的方法。

关键字:IEEE 1588 PTP 智能变电站时钟同步引言目前，在变电站自动化系统中广泛应用的对时方式主要有GPS同步脉冲对时，NTP （Network Time Protocol）网络时间协议，SNTP（Simple Network Time Protocol）简单网络时间协议对时等对时方式。

随着数字化变电站的发展使得站二次硬接线逐渐被串行通信线所取代，GPS对时技术已不适用于新兴的数字化智能变电站网络系统，而NTP/SNTP 时间同步协议的时间同步精度仅能到到ms级，不能满足具有高精度和稳定性要求的电力自动化设备的需求，因此最终提出了IEEE 1588标准，它定义了一种用于分布式测量和控制系统的精密时间协议（Precision Time Protocol，PTP），其网络对时精度可达亚µs级，满足电力系统自动化设备对时间精度的要求，并且所占用网络和硬件资源较少，因此IEEE 1588网络对时方式是应用于智能变电站的理想对时方式[3]。

1 PTP时钟同步模型PTP系统是分布式网络系统，由PTP设备和非PTP设备组成。

下图1-1为一个典型的PTP分布式系统。

图1-1 典型的PTP分布式系统其中，OC（Ordinary Clock）为普通时钟，普通时钟可能是一个系统的最高级主时钟（Grandmaster Clock，GC），也可能是主、从时钟体系中的从时钟（Slave）。

一种基于IEEE1588的配电网校时方法的研究研究了以IEEE1588为基础的配电网同步技术。

分析了配电网通信系统典型的拓扑结构，构建了骨干层、接入层通信模型。

重点研究了精确时间同步协议（PTP）下时钟校正的时域分割方法，对配电网络通信节点进行了合理的时钟类型设置，同时为兼顾对时可靠性提出了骨干层与接入层的校时冗余方案的设计，将实现配电网络微秒级别的时间同步精度。

标签：配电网；精确时间同步协议；时域分割方法；校时冗余引言电网时间同步系统是标准时钟源传输时标的重要系统，将通过通信网络中的每一个节点，同步它们的时间，使电网的各种功能能够在统一的时间基准上进行。

电网的各项服务功能对电网的时间同步精度有不同程度的要求，例如对电力信息采集、负荷控制和用电精确管理等功能的精度要求为1s，对测量控制系统SCADA 的精度要求为10ms，事件顺序记录SOE的精度要求为1ms，线路行波故障定位、相量测量单元PMU等的精度要求为1微秒。

目前输电网络中各节点时间同步的精度已经达到了很高的标准。

配电网广域测控技术对于配电自动化的建设是关键的技术支撑，为了实现配电自动化安全测控与分析平台建立，配电网广泛保护与事件分管功能的完善，配电网无缝自愈等功能，配电网的时间同步精度必须要达到微秒级别，但是，目前可以知道的是配电网络覆盖节点的实际的时间同步精度很低，不能满足配电自动化测控技术的要求。

因此，我们研究的构建配电网精确时间同步系统对配电自动化系统的建立具有重要意义。

IEEE1588也称为精确时间同步协议（PTP）的分布式测量与控制系统，由校正时间信息包和在底层打时间戳的方式实现微秒级的以太网网络时间同步精度。

该协议可以实现多路以太网通信网络，资源利用率低，无需铺设额外的线路，可以降低系统的建设成本。

目前，在IEEE1588的在电力系统中的应用研究主要集中在变电站自动化系统，在配电网的应用仍处于起步阶段。

对于有大量的成熟的国内和国外厂商支持的IEEE1588协议，其具有带宽大、抗干扰能力强、成本相对较低、误码率低等特点，有高传输速率和良好的安全性，成为光纤通信配送的首选网络通信系统技术。

基于 GPS 和 IEEE1588 的电力系统时钟同步网研究摘要：科学合理地搭建时钟同步网，是保障电网可靠、经济、高效运行的重要前提，是促进电力通信网高速发展的内在源动力，也是建设智能电网并真正实现电网智能化的有力保障。

本文就GPS和IEEE1588的电力系统时钟同步网进行研究。

关键词：时钟同步，GPS，IEEE15881电力系统对同步时钟精度的要求由于电力系统中存在各种各样的时钟需求设备，而这些设备由于工作原理不同，也就对同步时钟的精度要求各有不同。

结合目前应用的实际要求，本文从以下六个方面介绍不同应用情况下，在保证测量或测试合理时，对同步时钟的最低精度要求。

状态估计：电力系统状态估计是电力监控系统中能量管理系统（EMS）的核心功能之一，其功能是根据电力系统的各种量测信息，估计出电力系统当前的运行状态。

电力系统状态估计可以说是大部分在线应用的高级软件的基础，现代电网的安全经济运行依赖于能量管理系统（EMS）。

稳定监测和控制：即电力系统稳定运行时，监控系统需要监测系统的各个参数或为控制提供依据的数据，比如电力系统调峰，如果可以实时的了解到各个地区的电压变化，就可以根据这些数据推断出哪些地方需要进行调峰操作，也可以判断出哪些地区可以保持目前状态不做任何动作。

相角测量：就是针对电力系统中的电压或者电流的相位进行测量。

目前用的最多的是电压相角测量，为各种保护装置提供数据支持，例如测量到同一条线路上的不同节点出现相角不一致的状况，这样相角测量装置就会发出警报或者信号，由后续装置或者人员采取相应措施。

故障定位：就是在电力系统发生故障时，精确的定位故障出现的位置，为及时排除故障提供精准的定位支持，可以节省大量的人力和物力，也可以大幅度较少故障排除时间，尽早恢复设备运行。

自适应保护：是一种自我保护的过程，它是自我分析、自我恢复的一种故障处理方法，一般不需要人的参与，系统的自动化程度很好，它需要各种测量、保护等装置配合运转，是未来电力系统自动化的发展方向。

55科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald 工 业 技 术IEEE 1588网络测量与控制系统的精密时间同步标准技术的创新,提高了智能变电站时间上的精准度,尤其是在2008年第2版本全面发布之后,时间同步精度可达到亚微秒量级。

1 IEEE 1588网络对时技术原理及其特征IEEE 1588网络对时技术是基于美国Agilent 实验室提出,简称精密时间同步协议PTP(Precision Time Protocol),是典型的应用于智能型变电站的最佳网络对时技术。

IEEE 1588主要是通过同步报文中的相关信息,利用网络中最标准主时钟算法,选择一个稳定性好以及准确度高的主时钟作为master,其余下的时钟作为从时钟并与主时钟同步进行,也就是slave,该过程主要是通过两步来完成。

首先,完成主从时钟之间的差异纠正也就是时钟偏移量的测量。

主时钟也就是(master)一方周期性的向从时钟(slave)发送同步报文以及跟随报文,从时钟接收之后从中计算出同步报文的所含有的本地时标以及跟随报文中的差异时标,从而测量出主从时钟之间的偏移量并对本地时钟进行修正。

其次,进行准确的主从时钟的时间延迟在通信路径上的测量。

从时钟发送了延迟报文之后,主时钟进行回应报文过程,延迟报文与回应报文传输之间包含了精准的传输时刻,从时钟通过此地时间计算出传输延迟平均,从而得到主从时钟之间的精准时间差异,在这个测量过程要求发送延迟以及接收延迟的传输路径是对称相等的。

2 IEEE 1588网络对时技术在智能化变电站中的应用2.1IEEE 1588应用于智能变电站中的结构分析基于IEC 61850标准将智能变电站按其功能划分为:过程层、间隔层、变电站层三个层次,在各个层次功能设备之间均需要一个或者多个间接处理器,在这个过程中主要负责接收和发布外部资源数据以及进行控制命令。

IEEE 1588网络对时技术在智能变电站实现中只需要一个主时钟,该时钟在应用中可以主要采用两种方式来完成,首先是能够用来接收内外部时钟信息,其次是该时钟内的同步报文信息是通过边界时钟中从时钟端口进行接收。

IEEE1588 PTP对时系统原理及特点随着网络技术的快速发展，以太网的定时同步精度也在不断入提高，为了适应网络技术的变化，人们开发出了NTP网络时间协议来提高各网络设备的定时同步功能，但在一些对时间精度要求很高的行业中，NTP还是不能满足各设备之间的定时同步精度。

而IEEE 1588 PTP 对时系统，可以解决一些高精度设备所需要的时间信息，并实现时间同步。

IEEE 1588标准被称为“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”或简称为“PTP”。

IEEE 1588标准是通过一个同步信号周期性对网络中所有节点的时钟进行校正同步，并使以太网的分布式系统实现精确时间同步，IEEE 1588 PTP对时系统可以应用于任何组播网络中。

IEEE 1588将整个网络内的时钟分为两种，普通时钟和边界时钟，只有一个PTP通信端口的时钟是普通时钟，有一个以上PTP通信端口的时钟是边界时钟，每个PTP端口提供独立的PTP通信。

其中边界时钟通常用在确定性较差的网络设备，如交换机和路由器上。

从通信关系上又把时钟分为主时钟和从时钟，任何时钟都能作为主时钟和从时钟，并且保证从时钟与主时钟时间同步。

IEEE 1588 PTP对时系统可以实现主时钟和从时钟功能，在系统的同步过程中，IEEE 1588 PTP对时系统提供时间同步及时间信息，SYN2403型PTP精密从时钟接收SYN2401型PTP精密主时钟发来的时间戳信息，系统根据此信息计算出主从线路时间延迟及主从时间差，并利用该时间差调整本地时间，从而使设备时间保持与主设备时间一致的频率和相位,实现频率同步和时间同步。

PTP与其他网络同步协议如SNTP和NTP相比，主要区别PTP针对更安全和更稳定的网络环境设计，占用网络和计算机资源更少。

SYN2401型PTP精密主时钟目前的版本是IEEE1588-2008，PTP V2，主要应用于本地化、网络化的系统，内部组件相对稳定。

IEEE1588 PTP 同步时钟在电力系统应用的可IEEE1588(PTP)同步时钟在电力系统应用的可行性方案探讨摘要：本文介绍了电力系统时间同步的基本概况，对目前电力系统所采用的各种时间同步方案作了较为具体的研究，并指出目前电力系统中所采用的时间同步技术的局限性以及存在的问题。

在此基础上，以发电厂作为一个应用实例，结合IEEE1588(PTP)协议本身的特点，提出了一个基于IEEE1588(PTP)时间精确同步协议的应用方案。

在综合各种理论分析和方案对比的基础上，分析并指出在电力系统中采用IEEE1588(PTP)时间同步标准作为时间同步方案是可行也是可取的。

一、电力系统时间同步基本概况电力系统是时间相关系统，无论电压、电流、相角、功角变化，都是基于时间轴的波形。

近年来，超临界、超超临界机组相继并网运行，大区域电网互联，特高压输电技术得到发展。

电网安全稳定运行对电力自动化设备提出了新的要求，特别是对时间同步，要求继电保护装置、自动化装置、安全稳定控制系统、能量管理系统(EMS)和生产信息管理系统等基于统一的时间基准运行，以满足事件顺序记录(SOE)、故障录波、实时数据采集时间一致性要求，确保线路故障测距、相量和功角动态监测、机组和电网参数校验的准确性，以及电网事故分析和稳定控制水平，提高运行效率及其可靠性。

未来数字电力技术的推广应用，对时间同步的要求会更高。

目前，电力系统中的时间同步处于"各自为政"的状态，要求对时的每套系统都配置一套独立的时钟系统，通常选用美国的全球定位系统(GPS)接收器，结果使电力企业、电厂、变电站的楼顶天线林立。

由于处理方式、接口标准不统一，这些时间接收系统相互间不通用、无法互联，更不用说形成互为备用，而且整个系统的可靠性无法保证，过于依赖于GPS。

为了逐步实现全电网的统一时间，有必要在发电厂、变电站、控制中心、调度中心建立集中和统一的电力系统时间同步系统，而且要求该系统能基于不同的授时源建立时间同步并互为热备用。