吳春紅，韓偉，楊海晶，高利明，高輝

（1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南鄭州 450052；2.南京郵電大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京 210000）

計(jì)及鏈路傳輸時延的智能變電站精準(zhǔn)時間同步技術(shù)

吳春紅1，韓偉1，楊海晶1，高利明1，高輝2

（1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南鄭州 450052；2.南京郵電大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京 210000）

鑒于監(jiān)測電網(wǎng)穩(wěn)定和保護(hù)控制需要，精確時鐘同步在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用需求愈來愈迫切。針對智能變電站基于IEC 61588協(xié)議精確同步對時協(xié)議，介紹了對時系統(tǒng)和時鐘源冗余配置策略，詳細(xì)闡述了智能變電站精準(zhǔn)時間同步原理，并提出基于對稱鏈路與非對稱鏈路時延假設(shè)條件下時間同步計(jì)算方法。仿真結(jié)果表明，基于IEC 61588協(xié)議的智能變電站時間同步算法在對稱鏈路假設(shè)條件下有效，當(dāng)考慮非對稱鏈路時需修正原有算法才能獲得較高精度的同步效果。

精確時鐘協(xié)議；智能變電站；時鐘同步；冗余配置

隨著基于IEC61850協(xié)議的智能變電站的大規(guī)模建設(shè)與投運(yùn)，變電站內(nèi)高級測量、保護(hù)與監(jiān)控裝置需要采用通過特別設(shè)計(jì)的對時系統(tǒng)來獲取統(tǒng)一時標(biāo)，實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)時鐘源精準(zhǔn)同步，確保各類裝置工作在統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)下[1-2]。電力系統(tǒng)長期以來是定時同步應(yīng)用的重點(diǎn)對象之一[3-5]。電力系統(tǒng)的時鐘分配包括外部時鐘源和內(nèi)部時標(biāo)分配2部分。外部時鐘源主要來自北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS以及基于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)授時等。電力系統(tǒng)與外部時鐘源同步獲取精準(zhǔn)時標(biāo)后，再通過內(nèi)部時標(biāo)分配令分布廣泛的電力設(shè)備同步到統(tǒng)一的時標(biāo)上[6-10]。通常情況下，內(nèi)部對時精度要求在毫秒級，因此可以通過NTP或者SNTP協(xié)議在電力系統(tǒng)專用通信網(wǎng)絡(luò)中分配時標(biāo)。而基于差動保護(hù)監(jiān)測電流不平衡來保護(hù)電力設(shè)備需要極高精度的采樣精度，約為幾個微秒；基于NTP或SNTP的網(wǎng)絡(luò)授時精度（大約1 ms）已經(jīng)不能滿足電網(wǎng)發(fā)展的需求[11-14]。

在此背景下，一項(xiàng)專門為網(wǎng)絡(luò)化測量與控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)時鐘同步協(xié)議（precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems，PTP）誕生并被采納。該標(biāo)準(zhǔn)首先由IEEE資助并發(fā)布了IEEE 1588第一版本V1，隨后被IEC轉(zhuǎn)化為IEC61588標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)更新到第二版本V2，第三版本V3推出在即。IEEE 1588是一種適用于工業(yè)測量與自動化系統(tǒng)特別是分布式測量與控制的精密時間協(xié)議。在IEEE 1588制訂初期，設(shè)計(jì)者十分重視對系統(tǒng)資源的消耗，因此該協(xié)議只需要占用極少的帶寬資源就可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對時功能。

本文介紹了智能變電站對時系統(tǒng)和時鐘源冗余配置策略；分別詳細(xì)闡述了基于對稱鏈路與非對稱鏈路時延假設(shè)條件下時間同步計(jì)算方法；通過計(jì)算機(jī)仿真比較2種算法的性能。

1 智能變電站對時系統(tǒng)

基于IEC61850協(xié)議，智能變電站按照邏輯劃分包括了站控層、間隔層和過程層3層體系結(jié)構(gòu)[7]。各層級之間采用高速通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，1588定時網(wǎng)絡(luò)作為重要的通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)體存在于智能變電站內(nèi)部。圖1給出了一個典型的智能變電站對時系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。外部時鐘源設(shè)計(jì)分別采用了本地銣原子鐘、網(wǎng)絡(luò)授時和GPS?？紤]絕對時間與相對時間的準(zhǔn)確性，變電站主要時鐘參考源是來自于基于廣域網(wǎng)的授時，在廣域網(wǎng)另一側(cè)則存在著原子鐘保持絕對時鐘。實(shí)際上，目前國際上采用的主要時鐘源一般為原子鐘，利用的是基態(tài)超精細(xì)能級之間的躍遷，銣原子鐘由銣量子部分和壓控晶體振蕩器組成。銣原子頻標(biāo)短期穩(wěn)定度最高可達(dá)到10-12量級，準(zhǔn)確度為±5×10-11s，具有體積小、精度高的特點(diǎn)[15-17]。

圖1 典型的智能變電站對時系統(tǒng)Fig.1 The typical time synchronization system for smart grid

當(dāng)廣域網(wǎng)絡(luò)發(fā)生中斷時，本地銣原子鐘可以接管，并保持絕對時鐘直到網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)授時。而GPS授時則是為了保障授時的準(zhǔn)確性測試，同時可以完成國際時的閏秒調(diào)節(jié)功能。這種冗余配置是為了應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)攻擊、網(wǎng)絡(luò)故障而采取的保護(hù)措施，極大提高了智能變電站對時系統(tǒng)的可靠性與魯棒性。為了便于調(diào)試，GPS時鐘還會產(chǎn)生硬對時信號PPS用于檢查所有的智能電氣設(shè)備是否正確同步[16-17]。

IEEE1588精確時鐘協(xié)議（PTP）分配TAI（原子時）時標(biāo)和UTC（法定時）時標(biāo)。在2008年形成標(biāo)準(zhǔn)并于2009年被IEC采納為IEC61588標(biāo)準(zhǔn)[18-20]。IEC6 1588讓主時鐘廣播同步（Sync）報(bào)文，其攜帶著報(bào)文離開主時鐘發(fā)送端口時的確切時標(biāo)。同步報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)中傳播。每個接收到同步報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，考慮了其駐留延時和鏈路延時后，將同步報(bào)文時間加以修正，然后轉(zhuǎn)發(fā)到所有其他端口。

2.基于對稱鏈路的時間同步計(jì)算方法

2.1 PTP協(xié)議對時基本原理

PTP協(xié)議通過設(shè)定主從時鐘來實(shí)現(xiàn)同步功能，主從時鐘之間通過網(wǎng)絡(luò)互連，傳輸PTP協(xié)議報(bào)文實(shí)現(xiàn)主時鐘時間Tz和從時鐘時間Tc的對時同步。對時同步過程由時鐘偏移和延遲校正2部分組成，分別測量時間偏移量t_off和時間延遲量t_delay來校正從時鐘時間，保持與主時鐘的對時同步。PTP協(xié)議對時基本原理如圖2所示。

圖2 基于對稱鏈路假設(shè)的時間同步過程Fig.2 The time synchronization process based on symmetric link assumption

測量時鐘偏移是通過Sync和Follow_up一對報(bào)文來實(shí)現(xiàn)的。Sync攜帶了報(bào)文發(fā)送時主時鐘的時標(biāo)估計(jì)值，從時鐘接收到Sync報(bào)文后，記錄下當(dāng)時從時鐘指標(biāo)為Tc1；主時鐘在發(fā)送Sync報(bào)文后，立即繼續(xù)向從時鐘發(fā)送Follow_up報(bào)文并告知從時鐘Sync報(bào)文發(fā)送的精確時間Tz1，至此，從時鐘完成了對主時鐘發(fā)送Sync報(bào)文的精確時間，同時記錄下了接收到Sync報(bào)文時的時間。根據(jù)PTP協(xié)議，主時鐘周期性地向從時鐘發(fā)送同步報(bào)文Sync和Follow_up報(bào)文來保持定時同步的準(zhǔn)確性，周期一般為2 s。

測量傳輸延遲則是通過一對Delay_Req和Delay_Resp報(bào)文來實(shí)現(xiàn)的。從時鐘通過向主時鐘發(fā)送Delay_Req報(bào)文請求主時鐘返回Delay_Resp報(bào)文。首先，從時鐘記錄下發(fā)送Delay_Req報(bào)文時的時間為Tc2；其次，主時鐘接收到Delay_Req報(bào)文并記錄下時間為Tz2，接著主時鐘將攜帶有Tz2信息的Delay_Resp報(bào)文發(fā)送給從時鐘。至此，從時鐘就獲取到了發(fā)送Delay_Req報(bào)文和接收到來自主時鐘反饋Delay_Resp報(bào)文，測量獲得了Tc2和Tz2。測量傳輸延遲是基于報(bào)文傳輸延遲是對稱的假設(shè)，這就表示報(bào)文從主時鐘到達(dá)從時鐘的傳輸時間等于報(bào)文從從時鐘到主時鐘的傳輸時間。

由圖2可知，Sync報(bào)文到達(dá)從時鐘的時間Tc1包含了相對于主時鐘發(fā)送Sync報(bào)文的時間Tz1，以及從時鐘相對于主時鐘的時間偏移量t_off，Sync報(bào)文從主時鐘發(fā)送到從時鐘的傳輸時延t_delay，據(jù)此，有如下表達(dá)式：

觀察圖2還可以發(fā)現(xiàn)，Delay_Req報(bào)文經(jīng)過從時鐘到達(dá)主時鐘的傳輸時延t_delay應(yīng)當(dāng)疊加在從時鐘發(fā)送Delay_Req報(bào)文的時間Tc2上，如主時鐘與從時鐘之間不存在時間偏移，則Tc2=Tz2-t_delay；反之 Tc2相對于Tz2-t_delay還應(yīng)當(dāng)包含從時鐘相對于主時鐘的時間偏移量t_off，據(jù)此可以獲得另一表達(dá)式：

根據(jù)式（1）和（2）的表達(dá)式，從時鐘相對于主時鐘的時間偏移定義為t_off=Tc2-Tz2或t_off=Tc1-Tz1，也就是說時間偏移量為從時鐘時間減去主時鐘時間。一般地，可以將該表達(dá)式表示為

從而可以獲得從時鐘對時間偏移量的校正表達(dá)式為

式（4）左右2邊分別表示校正后的從時鐘時間和未校正從時鐘時間。從式（1）和（2）還可以獲得關(guān)于計(jì)算時間偏移值和時間延遲值的表達(dá)式：

根據(jù)式（5）和（6）還可以計(jì)算得出t_off和t_delay的關(guān)系表達(dá)式為

更加一般地可以將（7）式寫為

由式（5）—式（8）可知，PTP協(xié)議專門設(shè)計(jì)了針對由時鐘不同步導(dǎo)致的時間偏移以及由網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來的延遲校正方法，然而，根據(jù)PTP協(xié)議，從時鐘并不是通過獲取完整的Sync和Follow_up報(bào)文、Delay_Req和Delay_Resp報(bào)文來一并求解t_off和t_delay的。這是因?yàn)槿绻扇≈芷谛园l(fā)送Sync和Follow_up報(bào)文、Delay_Req和Delay_Resp報(bào)文會增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)和計(jì)算的開銷。PTP協(xié)議規(guī)定周期性的發(fā)送Sync和Follow_up報(bào)文完成時間偏移校正，而通過設(shè)定Delay_Req和Delay_Resp報(bào)文發(fā)送頻率是不規(guī)則的，一般為Sync和Follow_up報(bào)文周期的2～30倍，這樣整個網(wǎng)絡(luò)對時流程可以分為時間偏移和網(wǎng)絡(luò)延遲校正2步來完成。

2.2 PTP協(xié)議時間偏移校正計(jì)算方法

下面就時間偏移值和時間延遲值的計(jì)算分別展開分析。如圖3所示，在時間偏移校正中，主時鐘周期性地向從時鐘發(fā)送Sync報(bào)文和Follow_up報(bào)文，從時鐘對接收到的Sync報(bào)文和Follow_up報(bào)文解析獲取求解時間偏移量t_off必須的時間值。整個過程是在假定時間延遲為0的情況下完成的。在第①次同步過程中，從時鐘計(jì)算得到時間偏移值并更新從時鐘時間；而當(dāng)執(zhí)行到第②次同步時，從時鐘再次計(jì)算時間偏移值為0，至此，從時鐘完成了時間偏移校正。

圖3 時間偏移校正（ms）Fig.3 The adjustment of time offset（unit:ms）

如圖4所示，網(wǎng)絡(luò)延時校正不規(guī)則的發(fā)生在時間偏移校正過程中，第①步完整展示了網(wǎng)絡(luò)延時校正報(bào)文的發(fā)送、接收流程以及主時鐘和從時鐘記錄的時間，從時鐘通過發(fā)送Delay_Req報(bào)文并記錄下時間為Tc1，主時鐘在接收到Delay_Req報(bào)文后記錄下時間為Tz1，并通過向從時鐘發(fā)送Delay_Resp報(bào)文告知從時鐘Tz1，從時鐘在接收到Delay_Resp報(bào)文后解析獲得Tz1，結(jié)合主時鐘和從時鐘上一時刻時間Tz和Tc計(jì)算獲得時間延遲值t_delay。

圖4 網(wǎng)絡(luò)延時校正（ms）Fig.4 The adjustment of network-caused delay（uite:ms）

在第②步中，PTP協(xié)議又回到了時間偏移校正流程中來，與圖3不同的是，此時的網(wǎng)絡(luò)延時不再假設(shè)為0，而是根據(jù)第①步計(jì)算獲得的t_delay代入計(jì)算真實(shí)的時間偏移t_off，并根據(jù)t_off來校正從時鐘時間。第③步中，主時鐘周期性地向從時鐘再次發(fā)送Sync報(bào)文和Follow_up報(bào)文，從時鐘計(jì)算獲得此時的時間偏移t_off為0，從而達(dá)到了驗(yàn)證時鐘是否同步的目的，如圖4中第③步所示，最終從時鐘完成了與主時鐘的精確同步。

3 基于非對稱鏈路的時間同步計(jì)算方法

通常情況下，由于通信網(wǎng)絡(luò)的上下行鏈路的非對稱性較為常見，信息傳輸路徑不一定完全一致，因此主時鐘到從時鐘鏈路與從時鐘到主時鐘鏈路是非對稱的，兩者的傳輸時延很難保證精確一致見圖5。那么考慮非對稱鏈路傳輸時延的時間偏移校正表達(dá)式可以在式（1）和式（2）上稍作修改獲得：

式中：t_delay1是主時鐘到從時鐘鏈路的傳輸時延，t_delay2是從時鐘到主時鐘反向鏈路的傳輸時延。由式（9）和式（10）可得時間偏移量計(jì)算表達(dá)式為：

圖5 考慮非對稱傳輸時延的時間同步過程Fig.5 The time synchronization process based on asymmetric link assumption

觀察式（11）可知，若還按照式（5）計(jì)算時間偏移值t_off則會引入固定的誤差（t_delay2-t_delay1）/2，導(dǎo)致時間同步不準(zhǔn)確。考慮主時鐘到從時鐘鏈路與從時鐘到主時鐘鏈路帶寬分別為B1和B2，且B1：B2= R，而對時報(bào)文長度為L，那么t_delay1：t_delay2=1/R，連同式（9）和式（10）可以獲得如下表達(dá)式：

由式（12）—式（14）即可獲得精確時間偏移量以及網(wǎng)絡(luò)延時量。按照式（12）—式（14）依次改寫圖3與圖4協(xié)議過程即可獲得基于非對稱鏈路假設(shè)時間同步完整過程。

4 計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果

通過計(jì)算機(jī)仿真來驗(yàn)證第2節(jié)和第3節(jié)的分析與算法的正確性。本文采用完整的IEC 61588協(xié)議棧平臺模擬仿真基于對稱鏈路假設(shè)的時間同步計(jì)算方法性能，并比較在非對稱鏈路假設(shè)條件下，采用式（12）—式（14）計(jì)算方法的性能改進(jìn)情況。假設(shè)從時鐘相對于主時鐘時間偏移量為20 s，非對稱鏈路帶寬比例從1∶1變化至8∶1，即主時鐘到從時鐘鏈路帶寬與從時鐘到主時鐘反向鏈路帶寬比例從1∶1變化至8∶1。

為了比較在非對稱鏈路假設(shè)條件下2種計(jì)算方法的性能優(yōu)劣，計(jì)算2種算法的時間偏移量偏差值表達(dá)式為

分別考慮主時鐘到從時鐘鏈路高、中、低速報(bào)文傳輸時延典型值為1 ms，10 ms，100 ms時偏差隨非對稱鏈路帶寬比例變化曲線。

由圖6可知，當(dāng)主時鐘到從時鐘鏈路帶寬與從時鐘到主時鐘反向鏈路帶寬比例為1∶1時，即假設(shè)了對稱鏈路條件。式（5）和式（6）可以獲得較好的時間同步效果，而當(dāng)帶寬比例逐漸增加時，由式（5）和式（6）計(jì)算獲得的時間同步方法引入了不可消除的偏差，且隨著帶寬比例的增加而增加。而本文提出的基于非對稱鏈路的時間同步計(jì)算方法式（12）—式（14）仍可以獲得較好的時間同步效果且與帶寬比例無關(guān)。

圖6 偏差隨非對稱鏈路帶寬比例變化曲線Fig.6 Bias versus asymmetric link bandwidth ratio

5 結(jié)語

依據(jù)IEC/IEEE 61850-9-3和IEC62439-3，電力工業(yè)有了標(biāo)準(zhǔn)化的、高性能的和高可用性的網(wǎng)絡(luò)，可以針對有需求的應(yīng)用功能，進(jìn)行次微秒級精度時標(biāo)的分配。本文闡述了智能變電站時標(biāo)系統(tǒng)以及冗余配置方法；分別給出對稱鏈路與非對稱鏈路時延假設(shè)條件下時間同步計(jì)算方法；通過計(jì)算機(jī)仿真比較2種算法在不同帶寬比例條件下的性能曲線。采用修正后的時間同步算法可以在非對稱鏈路條件下獲得穩(wěn)定的時間同步精度。未來還可以針對延時模型引入各類網(wǎng)絡(luò)單元存儲轉(zhuǎn)發(fā)、不同流量擁塞情況等更加實(shí)際的影響因素，并針對該復(fù)雜延時模型下開展時間同步算法設(shè)計(jì)研究。

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（編輯 董小兵）

Research on Precise Time Synchronization Technology Considering Transmission Delay for Smart Substation

WU Chunhong1，HAN Wei1，YANG Haijing1，GAO Liming1，GAO Hui2
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou 450052，Henan，China；School of automation,Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210000，Jiangsu，China）

Given the demand of stability monitoring and protection&control for power grid，the requirement for precision clock synchronization application in power grid becomes more and more urgent.This paper introduces the synchronization system in smart substations as well as the redundant configuration strategy of the clock source.The paper also expounds the principles of precision clock synchronization protocol.Furthermore，we propose the synchronization algorithms based on symmetry and asymmetry transmission delay assumptions respectively.The simulation results show that the traditional synchronization algorithm based on IEC 61588 protocol should be modified when considering asymmetric transmission delay between master and slave clocks.

precise clock synchronization protocol；smart substation；clock synchronization；redundant configuration

2016-11-03。

吳春紅（1980—），女，本科，高級工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)、智能電網(wǎng)技術(shù)；

韓偉（1975—），男，本科，高級工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)、智能電網(wǎng)技術(shù)；

楊海晶（1977—），男，本科，高級工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制、新能源接入系統(tǒng)；

高利明（1979—），男，高級工程師，研究方向?yàn)殡娔苡?jì)量檢測技術(shù)。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51405244）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51405244）.

1674-3814（2017）04-0034-06

TM71

A