IEEE1588V2在电力系统时钟同步方面的应用
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【摘要】本文介绍了电力系统目前所采用的时间同步方案技术的局限性以及存在的问题。在此基础上，提出了使用National Semiconductor的DP83640在标准以太网中应用的IEEE 1588精密时间协议（PTP）为传播主时钟时序给系统中的其他结点的实现方法。
【关键词】IEEE1588 v2；DP83640；PTP
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。
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：
1）时间同步准确度不大于1μs：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）时间同步准确度不大于1ms：包括故障录波器、SOE装置、电气测控单元/远程终端装置（RTU）/保护测控一体化装置等。
3）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）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。
根据各类电力自动化设备（系统）对时间同步精度要求的不同，确保电力自动化设备（系统）安全稳定可靠地对电力系统实施控制，保证电力系统运行，考虑到时钟源的互为备用、战时备用等因素，电力系统的同步时钟不能只选1个或同一时钟源，应至少选择2个不同的时钟源。
时钟源提供标准时钟信号。其中：无线授时系统有欧洲伽利略（Galileo）导航系统、中国北斗导航系统、俄罗斯全球导航卫星系统（GLONASS）等卫星定位、导航、授时系统，以及长波授时系统（BPL）、短波授时系统（BPM）等，而目前广泛应用的时钟源是美国的GPS。
在实际应用中常采取串口+脉冲的对时方式，采用国际通用时间格式码，将脉冲对时的准时沿和串口报文对时的那组时间数据结合在一起，构成一个脉冲串，来传输时间信息。被授时设备可以从这个脉冲串中解析出准时沿和一组时间数据。这就是目前常用的IRIG-B码，简称B码。
B码分为调制B码（也称交流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表示传统的时间同步方案，如图1所示：
IEEE1588，即PTP（Precision Time Protocol）是适应智能化变电站时间同步的网络对时方式。该标准在提出之初是致力于工控和测量的精密时钟同步协议标准，目标是提供亚微妙的同步精度应用。后来该标准受到了自动化领域尤其是分布式运动控制领域的关注，远程通信和电力系统等相关组织也对其表现出浓厚的兴趣。目前在智能化变电站方面，IEEE1588是时间同步的第一选择。
IEEE1588分为V1和V2两个版本，V2在V1的基础上规范了报文格式，增加了End-to-end transparent clock和Peer-to-peer transparent clock等设备类型，增加了可以减少报文数量Peer Delay的对时机制。对于电力系统的点对点对时要求，V1就完全可以满足。
IEEE1588网络同步对时方式如图2所示：
同步相量的测量需要一个精度达到1us的UTC时间源，这可以通过为每个站点提供一个GPS接收器作为主参照时间来得到。就目前而言，站点内各个设备采用IRIG-B技术从GPS接收器获得相应的时间。
站点内设备数据的采集和传送一般通过局域网LAN进行，而正是由于采用了局域网这种方式，为IEEE 1588标准在电力系统中的应用提供了一种机遇，并且由于目前市场上已经具有可以实现IEEE 1588功能的边界时钟交换机，因此从技术上和应用环境上分析，采用IEEE 1588技术来代替现有的IRIG-B技术是切实可行的。而且，电厂内部各个电器设备，包括电压器、电流互感器、电压互感器以及各种监控设备之间的距离通常在一公里到两公里的范围之内，这刚好是IEEE 1588标准所适用的局域网范围。
相对于传统的脉冲，IRIG-B等的硬对时方式，IEEE 1588可以自动校正线路的距离，这跟IRIG-B相比，极大地简化了站点内部各个设备之间时间的分配和同步。而且，由于采用IEEE 1588标准使用网络对时，可以减少系统内部专用的对时双绞线，因此可以提高系统的稳定性，并且费用也比采用IRIG-B的方案更加经济方便。所以，IEEE1588网络对时方式以其无以伦比的灵活性必将取代传统的硬对时方式成为电力系统最主要的通信方式。
三、使用DP83640实现ieee1588v2同步对时方案
DP83640芯片是一款由美国国家半导体公司推出的集成IEEE1588精确时钟协议硬件支持功能的以主网收发器。芯片内置高精度IEEE1588时钟，并设有由硬件执行的时间标记功能，可为接收及发送信息包印上标记。
DP83640主要包括PHY以太网物理层接口、IEEE1588包检测和处理模块、IEEE1588控制和IEEE1588时钟。
由于DP83640提供了底层时间印章的捕获功能，1588协议实现的工作将主要集中在软件上。
主时钟节点将执行下面过程：a.1在每个时间间隔（默认2秒），读取当前时间值，根据1588协议规定，构建Sync报文；a.2发送Sync报文；a.3从83640寄存器中获得Sync报文发送的准确时间，构建Follow_up报文，并发送；b.在任意时刻，监听Delay_req消息，一旦收到，构建Delay_resp报文，并发送。
从时钟节点将执行下面过程：a.1监听来自主时钟节点的Sync消息；a.2监听来自主时钟节点的Follow_up消息；a.3进行偏移测量计算，设置本地时钟值；b.1根据1588标准产生发送Delay_req报文的时间，并在此时间构建Delay_req报文并发送；b.2根据Delay_resp中的时间印章，计算延迟时间，修正本地时钟值。c.多次获取时间差值样本后，用模式分类方式，估计本地时钟值并对其修正。
四、结束语
许多工业、测试和测量、通信应用都要求高精度的时钟信号以便同步控制信号和捕捉数据等。在标准以太网中应用的IEEE 1588精密时间协议（PTP）为传播主时钟时序给系统中的许多结点提供了一种方法。本文所介绍的使用DP83640实现IEEE1588V2的方案已经在本公司的Mi4-3031R01实现6网口的主从时标同步。
参考文献
[1]Technical Committee on Sensor Technology，IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems，24 July 2008.
[2]National Semiconductor Corporation，DP83640 Precision PHYTER-IEEE 1588 Precision Time Protocol Transceiver，January 7，2009.
[3]National Semiconductor Corporation，National Semiconductor Ethernet PHYTER Software Development Guide，October 2，2008.
[4]苏建峰.IEEE1588在电力系统应用的可行性与方案研究[J].
作者简介：沈峻（1972—），男，硕士，高级工程师，现供职于江苏金智科技股份有限公司。