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IEEE1588协议在数字化变电站中的应用
浏览次数:4550发布日期:2012-03-21

  的时间同步系统在数字化变电站中占有重要的地位,根据IEC61850标准对智能电子设备(IED)的时钟精度功能要求,用于计量的T5等级精度达到±lμs。
  
  目前,有2种重要的时间同步技术:网络时间协议(NTP)和直接连接时间传输。其中,NTP的时间同步准确度一般只能达到毫秒级;而直接连接时间传输,zui有代表性的就是基于全球定位系统(GPS)接收模块,但其实现需要依靠单独的硬接线,故其在分布式网络中的应用有局限性。
  
  2002年底发布的IEEE1588是用于测量和自动化系统的高精度网络时钟同步协议(PrecisionTimeProtocol,PTP),IEEE1588采用软硬件结合的方式,能够达到亚微秒级的同步精度,协议中定义的各类同步报文均是基于用户数据报协议和网络协议(UDP/IP)多播报文发送的,因此尤其适合于在以太网上实现。
  
  2IEEE1588协议原理
  
  IEEE1588系统中的时钟在结构上分为普通时钟(OrdinaryClock,OC)、边界时钟(BoundaryClock,BC)和透明时钟(TransparentClock,TC),功能上解释为主时钟与从时钟。普通时钟为只有一个PTP端口的对时源端或终端设备,边界时钟和透明时钟为有多个PTP端口的交换机或路由器。系统中的源时钟称为根时钟(GrandmasterClock,GC)。
  
  IEEE1588采用分层的主从模式进行时钟同步,主要定义了4种多点传送的时钟报文类型:①同步报文,简称Sync,②跟随报文,简称Follow_Up,③延时请求报文,简称Delay_Req,④延时响应报文,简称Delay_Resp。
  
  采用标准定义的zui佳主时钟(BestMasterClock,BMC)算法,从网络中选择一个准确度和稳定度zui佳的时钟作为主时钟,其他时钟均为从时钟,并被主时钟同步。
  
  同步过程分两步执行,如图1所示:
  
  (1)偏移测量,即修正主时钟与从时钟之间的时间偏差。主时钟按照所设定的时间间隔周期性地发出同步报文Sync,在报文中包含了报文发出的估计时间,从时钟记录收到同步报文的时间T2,经过一定时间的延时,主时钟接着发出跟随报文Follow_up,在报文中有Sync发出的时间T1,这样,从时钟使用Follow_up报文中的Sync实际发出时间和Sync的接收时间,可以计算出从时钟与主时钟之间的偏移(Offset),根据偏移量来修正时间偏差。
  
  但是由于主时钟与从时钟之间的传输延迟(Delay)在初始化阶段是未知的,因此,此时从时钟计算出的时间偏差包含了网络的传输延迟。
  
  (2)延迟测量。从时钟发出延迟请求报文Delay_Req,并记录发送时间T3,当Delay_Req到达主时钟时,主时钟记录其到达时间T4,再用延迟响应报文Delay_resp将T4发送给从属时钟。这样,从时钟使用Delay_Req报文的实际发出时间和Delay_resp报文的实际接收时间,可计算出从时钟和主时钟之间的传输延迟并调整它的时钟漂移误差。
  
  图1时钟同步原理
  
  假设传输介质是对称均匀的,主从时钟间的偏移量TOffset以及传输延迟TDelay计算公式为:
  
  (1)
  
  (2)
  
  3IEEE1588协议在数字化变电站中的应用方案
  
  数字化变电站中的IED仅作为对时网络末节点,扮演从时钟角色。设置专用GC作为整个对时网络的时钟参考源,该GC可以有多个网口,但不是交换机或路由器。
  
  对通信网络中的交换机或路由器,由于他们自身存在缓存,当网络负载较重时,时钟同步报文在经过交换机时,由于排队等待和网络堵塞等原因,将使得传输延迟抖动较大。下面以变电站自动化系统中常见的双星型以太网为例,给出以下2种解决方案:
  
  第1种解决方案如图2(a)所示,图中交换机需要硬件支持,且与IEEE1588时间同步系统同步,把这些连接设备作为IEEE1588协议中的边界时钟来处理,让这些连接设备也与整个系统同步。主、从时钟通过BMC算法配置各个设备终端端口的属性,建立IEEE1588时间同步系统的拓扑结构,然后,主、从时钟通过本地时钟同步算法进行校时。
  
  该方案对于主、从时钟间链路上有很少的网络连接设备(如交换机)的情况,可以达到较好的精度,但是,如果主、从时钟间链路上的网络连接设备(如交换机)很多,会造成累计误差,影响IEEE1588协议的精度效果。
  
  第2种解决方案如图2(b)所示,图中交换机对于IEEE1588时间同步系统来说是透明的,即把这些连接设备作为IEEE1588协议中的透明时钟来处理,记录IEEE1588协议报文进出这些设备的时间,从时钟校准时将其剔除。该方案不改变原有自动化网络中连接设备主、从时钟间点对点的通信。同时,像第1种解决方案一样,建立IEEE1588时间同步系统的拓扑结构,然后校时。
  
  该方案可以减少网络抖动的影响,排除交换网造成的非对称延迟的影响,减少大型拓扑中的累计误差。
  
  DNPTP-8M是一款支持IEEE1588-2008,PTPV2的主时钟(GrandmasterClock),使用GPS作为时钟参考源时,DNPTP-8M跟踪UTC的精度优于20ns,可通过以太网络提供高精度的时间信号源。
  
  IEEE1588-2008精密时钟服务器DNPTP-8M采用专业的IEEE1588-2008处理芯片加上中新创科的时间调整技术和软件,DNPTP-8M可同时为多台IEEE1588-2008从时钟提供时钟基准。
  
  PTPV2精密时钟服务器DNPTP-8M内置高稳恒温晶振(OCXO),低日老化率,即使丢失了GPS卫星信号,PTPV2精密同步时钟DNPTP-8M也有的保持性能。
  
  除了使用GPS作为外部基准时钟,PTPV2精密同步时钟服务器DNPTP-8M还可以使用北斗导航卫星系统。除此之外,IEEE1588-2008精密时钟服务器DNPTP-8M还有1路1PPS输入和1路IRIG-B或1路2MHz(G.703)作为辅助参考源。
  
  通过以太网来获得纳秒级时间精度,采用PTPV2精密时钟服务器DNPTP-8M是你的。相对于独立式的时钟同步系统,IEEE1588精密时钟服务器DNPTP-8M可降低整个时间同步系统的造价,获得更高的性价比。
  
  PTPV2精密时钟服务器DNPTP-8M应用于工业自动化系统,航天航空系统,2.5G/3G/4G基站,数字化变电站,CMMB基站,数字电视数字广播,电信机房等需要精密时钟服务的场所。
  
  ●IEEE1588精密时钟服务器DNPTP-8M的特点●硬件时间戳,优于20ns的时间精度●内置50通道GPS接收装置,可使用GPS/北斗双系统●频率准确度优于1E-12,24小时保持精度优于1E-10●支持端到端(endtoend)或点对点(peertopeer)模式●支持1step或2steps●传输协议支持UDP或Ethernet协议●每秒512次延时服务能力●支持Pre-Master模式,主时钟热备份,热切换功能●10/100M以太网口●远程软件升级,SNMP,Syslog管理监控●多种接口输出
  
  详细参数
  
  支持协议
  
  PTPV2,IEEE1588-2008,NTP,SNTP,IP,TCP,UDP,ent,DHCP,Syslog
  
  精度
  
  PTP优于20ns,频率输出优于1E-12
  
  硬件时间戳
  
  1层时间源
  
  输出接口
  
  1-8路10/100MPTP网口
  
  输出接口
  
  RS232TOD输出,本地干接点告警输出
  
  输出接口
  
  选配1-4路10/100MNTP网口,选配1PPS,10M,IRIG-B
  
  辅助时间源
  
  选配1PPS,2MHz,IRIG-B
  
  产品尺寸
  
  19英寸1U,无风扇
  
  显示
  
  20X2LCD+led(电源,锁定,保持,主要告警,次要告警
  
  电源
  
  110-220VAC,-48VDC,24VDC可选,支持双电源

:彭理根

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