數(shù)字化變電站中的對時系統(tǒng)

1、數(shù)字化變電站中的對時系統(tǒng)數(shù)字化變電站中的對時系統(tǒng) 李寶偉李寶偉2010-3-52010-3-5 一、幾個時間術語二、數(shù)字化變電站時鐘同步系統(tǒng)三、網絡對時協(xié)議世界時國際原子鐘協(xié)調世界時閏秒世界時(GMT) 以平子夜作為0時開始的格林威治（英國倫敦南郊原格林尼治天文臺的所在地，它又是世界上地理經度的起始點）平太陽時，就稱為世界時。世界時與恒星時有嚴格的轉換關系，人們是通過在世界各地利用天文望遠鏡觀測恒星后平均得到世界時的，其精度只能達到10-9。由于地極移動和地球自轉的不均勻性，最初得到的世界時，也是不均勻的，我們將其記為UT0；人們對UT0 加上極移改正，得到的結果記為UT1；再加上地球自轉速率

2、季節(jié)性變化的經驗改正就得到UT2。國際原子鐘(TAI) 原子時間計量標準在1967年正式取代了天文學的秒長的定義新秒長規(guī)定為：位于海平面上的銫Cs133原子基態(tài)的兩個超精細能級間在零磁場中躍遷振蕩9 192 631 770個周期所持續(xù)的時間為一個原子時秒，我們稱之為國際原子時（TAI），其穩(wěn)定度可以達到10-14以上。另外規(guī)定原子時起點在1958年1月1日0時（UT），即在這一瞬間，原子時和世界時重合。協(xié)調世界時(UTC) 相對于以地球自轉為基礎的世界時來說，原子時是均勻的計量系統(tǒng)，這對于測量時間間隔非常重要。但世界時時刻反映了地球在空間的位置，并對應于春夏秋冬、白天黑夜的周期，是我們熟悉且在

3、日常生活中必不可少的時間。為兼顧這兩種需要，引入了協(xié)調世界時（UTC）系統(tǒng)。UTC在本質上還是一種原子時，因為它的秒長規(guī)定要和原子時秒長相等，只是在時刻上，通過人工干預，盡量靠近世界時。閏秒 UTC在秒長上使用原子時秒，但是在時刻上，需要通過人工干預，使其盡量靠近世界時。這就需要對UTC進行“閏秒操作”，即每當UTC與世界時UT1時刻之差超過接近或超過0.9秒時，在當年的6月底或12月底的UTC時刻上增加一秒或減少一秒。 UTC=TAI+34s1、時鐘同步的意義2、時鐘同步的要求3、時鐘同步系統(tǒng)方案4、時鐘同步系統(tǒng)結構5、時鐘同步在數(shù)字化變電站中的應用1 1、通過變電站時鐘同步，可為系統(tǒng)故障分

4、析和處理提供準確的時間依據(jù)；、通過變電站時鐘同步，可為系統(tǒng)故障分析和處理提供準確的時間依據(jù)；2 2、時鐘同步是提供電網綜合自動化水平的必要技術手段；、時鐘同步是提供電網綜合自動化水平的必要技術手段；3 3、電子式互感器的應用，時鐘同步是保證同步采樣的基礎、電子式互感器的應用，時鐘同步是保證同步采樣的基礎. . 數(shù)字化變電站采用分布式采集，由合并單元輸出的數(shù)字采樣信號中必須含有時間信息。各合并單元輸出的電壓、電流信號必須嚴格同步，否則將直接影響保護動作的正確性，甚至在失去同步時要退出相應的保護。 因此，時鐘同步是全數(shù)字化保護系統(tǒng)中的關鍵環(huán)節(jié)時鐘同步是全數(shù)字化保護系統(tǒng)中的關鍵環(huán)節(jié)IEC61850中

5、雖然目前對時間同步報文沒有直接的要求，但對時間同步報文所實現(xiàn)的時間精度-時間性能類(time performance class)卻有具體的規(guī)定國網智能變電站同步對時要求國網智能變電站同步對時要求應建立統(tǒng)一的同步對時系統(tǒng)。全站應采用基于衛(wèi)星時鐘(優(yōu)先使用北斗)與地面時鐘互備方式獲取精確時間；地面時鐘系統(tǒng)應支持通信光傳輸設備提供的時鐘信號；用于數(shù)據(jù)采用的同步脈沖源應全站唯一，可采用不同接口方式將同步脈沖傳遞到相應裝置；同步脈沖源應同步與正確的精確時間秒脈沖，應不受錯誤的秒脈沖的影響；支持網絡、IRIG-B等同步對時方式；南網數(shù)字化變電站同步對時要求南網數(shù)字化變電站同步對時要求站內應設置兩套冗余主

6、時鐘，可采用GPS或北斗衛(wèi)星作為標準時鐘源，其中一臺必須為北斗衛(wèi)星時鐘系統(tǒng)，主要輸出信號（包括IRIG-B（DC）或秒脈沖）的時間準確度應優(yōu)于1s，時間保持單元的時鐘準確度應優(yōu)于710-8 （1分鐘4.2s）。站控層設備應采用SNTP對時方式，間隔層設備可采用SNTP、IRIG-B（DC）或脈沖對時。間隔層設備的對時誤差應不大于1ms。智能終端應采用IRIG-B（DC）或脈沖對時，對時誤差應不大于1ms。過程層合并單元同步精度應不低于1s?？筛鶕?jù)需要采用IEEE1588協(xié)議進行同步對時。時鐘源 + 主時鐘 + 時鐘信號傳輸通道 + 時鐘信號接口時鐘源1、衛(wèi)星時鐘GPS北斗南網要求必須有一臺為北

7、斗南網要求必須有一臺為北斗國網要求優(yōu)先采用北斗國網要求優(yōu)先采用北斗GPS衛(wèi)星授時系統(tǒng) GPS 是英文Global Positioning System的簡稱，而其中文簡稱為“球位系”。GPS是20世紀70年代由美國陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導航定位系統(tǒng) 。GPS的空間部分是由21顆工作衛(wèi)星組成,它位于距地表20 200km的上空,均勻分布在6 個軌道面上(每個軌道面4 顆) ,軌道傾角為55。此外,還有3 顆有源備份衛(wèi)星在軌運行。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衛(wèi)星。 北斗衛(wèi)星授時系統(tǒng)中國正在建設的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間段由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)

8、星組成，提供兩種服務方式，即開放服務和授權服務（屬于第二代系統(tǒng)）。開放服務是在服務區(qū)免費提供定位、測速和授時服務。授權服務是向授權用戶提供更安全的定位、測速、授時和通信服務以及系統(tǒng)完好性信息。 中國計劃2012年左右，“北斗”系統(tǒng)將覆蓋亞太地區(qū)，2020年左右覆蓋全球。 北斗衛(wèi)星授時精度為50納秒2、駐留時鐘恒溫晶振：和衛(wèi)星失去同步后，24小時精度30E-9原子鐘：在和衛(wèi)星同步后，使原子鐘的頻率強制同步于衛(wèi)星時鐘信號，和衛(wèi)星失去同步后，24小時精度1E-11目前使用的原子鐘： 氫(Hactare)、銫(Seterium)、銣(Russium)等。原子鐘的精度可以達到每100萬年才誤差1秒 20

9、01年新研制的“全光學原子鐘”精度是銫原子鐘的10萬倍主時鐘主時鐘設備從多個時鐘源通過時鐘信號切換或最佳主時鐘算法(BMC)給對時系統(tǒng)提供唯一的標準時鐘同步信號對時系統(tǒng)中時鐘源可以有很多個，但主時鐘只有一個，主時鐘是對時系統(tǒng)中唯一的基準時鐘信號，也稱標準同步鐘正常時取GPS1為主時鐘GPS1異常時去GPS2作為主時鐘兩個GPS都異常后取GPS1的駐留時鐘作為主時鐘對時方式脈沖對時(硬對時)主要有秒脈沖信號PPS(Pulse per Second)、分脈沖信號PPM(Pulse per Minute),對時脈沖式利用GPS所輸出的脈沖時間信號進行時間同步校準，獲取UTC同步時間的精度較高，對時精

10、度1us信號傳輸通道：電纜、光纖優(yōu)點：對時精度高、易于實現(xiàn)缺點：只能對時到秒注：9-2LE標準中對1PPS光信號對時信號做了明確要求對時方式串口對時(軟對時)串行同步輸出方式，是將時鐘信息以串行數(shù)據(jù)流的方式輸出。串口校時的時間報文包括年、月、日、時、分、秒信息。串口校時受串口通道傳輸距離的限制，RS-232傳輸距離30m，RS-422/485傳輸距離為150m。在常規(guī)變電站中由監(jiān)控后臺下發(fā)對時信息，串口對時精度無法保證串口對時往往和脈沖對時配合使用，彌補脈沖對時只能對時到秒的缺點對時方式復合對時(脈沖對時+串口對時)常規(guī)變電站中經典對時方案，對于單個裝置來說對時功能靠脈沖對時和串口對時共同完成

11、對時方式編碼對時將同步信號和標準時間信息編為時間序列碼輸出到統(tǒng)一的對時總線上，裝置解析出時間信息進行時間同步。目前變電站通常使用的信號載體是物理信號為RS-422/485電平的雙絞線。編碼時間信號有多種，國內變電站對時常用的為IRIG-B碼編碼對時是一種精度很高并且包含有標準時間信息的對時方法，采用編碼對時就可以取代原變電站中復合對時方法，同時也不需要時鐘設備輸出大量脈沖時鐘信號。對時方式網絡對時網絡對時系統(tǒng)是針對自動化系統(tǒng)中的計算機、控制裝置等進行校時方法，網絡對時設備它從GPS衛(wèi)星上獲取標準的時間信號，將這些信息通過各種接口類型來傳輸給自動化系統(tǒng)中需要時間信息的設備（計算機、保護裝置、故障

12、錄波器、事件順序記錄裝置、安全自動裝置、遠動RTU），從而達到整個系統(tǒng)的時間同步變電站常用的網絡對時方法：NTP/SNTP：網絡時間協(xié)議（Network Time Procotol） PTP(IEEE1588對時):精確時間同步協(xié)議（Precision Time Synchronization Protocol） 對時方式網絡對時IEC61850對網絡對時有的應用有非常明確的要求和模型功能方面：第5部分功能通信要求和裝置模型的附件G中對IEC61850的時間同步任務規(guī)定：時間同步用于系統(tǒng)內各裝置的同步。具有精確外部時間源的邏輯節(jié)點作為主時鐘，統(tǒng)一類型的另一個邏輯節(jié)點作為后備主時鐘。通過主時鐘對

13、各分部節(jié)點設置絕對時間；各分部節(jié)點時鐘連續(xù)同步。為提高效率時鐘同步通過協(xié)議層完成。IEC61850的時間模型見右圖其中SNTP被作為網絡時間同步的應用層協(xié)議常規(guī)時鐘同步系統(tǒng)結構常規(guī)時鐘同步系統(tǒng)結構IEEE1588對時系統(tǒng)結構數(shù)字化變電站采樣同步IEC61850和電子式互感器的應用，數(shù)據(jù)采用分布式采集和網絡傳輸，采用一種方法來保證采樣的一致性是非常必要的，采樣同步已經成為數(shù)字化變電站的一項關鍵技術采樣環(huán)節(jié)：硬件同步軟件同步采樣同步方式硬件同步：各采樣環(huán)節(jié)依靠統(tǒng)一的時間信號進行同步采樣采 樣 點采 樣 脈 沖硬件同步應用：1、直接對采集器進行對時2、由合并器下發(fā)同步采樣脈沖合并器采用序號同步、間隔

14、層IED采用序號同步軟件同步：使用自身時鐘根據(jù)采樣延時對多個采樣接收進行插值同步軟件同步應用：1、合并器采用插值同步2、間隔IED采用序號同步或插值同步合并器采用硬件同步的采樣流程保護收到數(shù)據(jù)理論上只存在時間上延時，不存在相位上偏移1、網絡時間同步協(xié)議簡介2、網絡對時原理3、PTP網絡結構4、PTP時間服務5、PTP傳輸延時計算6、PTP的應用網絡時間同步協(xié)議NTP, SNTP, PTP網絡時鐘同步協(xié)議Network Time Protocol (NTP) Version 3簡單網絡時鐘同步協(xié)議Simple NTP (SNTP) Version 4精確時鐘同步協(xié)議Precision Time

15、Protocol (PTP) Version 2NTP/SNTP簡介 NTP（Network Time Protocol）是由美國德拉瓦大學的David L. Mills教授于1985年提出，除了可以估算封包在網絡上的往返延遲外，還可獨立地估算計算機時鐘偏差，從而實現(xiàn)在網絡上的高精準度計算機校時，它是設計用來在Internet上使不同的機器能維持相同時間的一種通訊協(xié)定。時間服務器（time server）是利用NTP的一種服務器，通過它可以使網絡中的機器維持時間同步。在大多數(shù)的地方，NTP可以提供1-50ms的可信賴性的同步時間源和網絡工作路徑。NTP是一個跨越廣域網或局域網的復雜的同步時間協(xié)

16、議，它通?？色@得毫秒級的精度。RFC2030Mills 1996描述了SNTP（Simple Network Time Protocol），目的是為了那些不需要完整NTP實現(xiàn)復雜性的主機，它是NTP的一個子集。通常讓局域網上的若干臺主機通過因特網與其他的NTP主機同步時鐘，接著再向局域網內其他客戶端提供時間同步服務。PTP簡介：NTP的同步準確度可以達到200s，但是仍然不能滿足測量儀器和工業(yè)控制所需的準確度。為了解決測量和控制應用的分布網絡定時同步的需要，具有共同利益的信息技術、自動控制、人工智能、測試測量的工程技術人員在2000年底倡議成立網絡精密時鐘同步委員會，2001年中獲得IEEE儀

17、器和測量委員會美國標準技術研究所（NIST）的支持，該委員會起草的規(guī)范在2002年底獲得IEEE標準委員會通過作為IEEE1588標準。IEEE1588的全稱是“網絡測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標準”，IEEE1588標準的草案基礎來自惠普公司的1990至1998年的有關成果，換句語說，安捷倫科技對IEEE1588標準作出重要貢獻 PTP的基本構思是通過硬件和軟件將網絡設備（客戶機）的內時鐘與主控機的主時鐘實現(xiàn)同步，提供同步建立時間小于10s的運用，與未執(zhí)行IEEE1588協(xié)議的以太網延遲時間1,000s相比，整個網絡的定時同步指標有顯著的改善NTP/SNTP：時標名稱時標名稱標識創(chuàng)建時間

18、創(chuàng)建時間原始時標原始時標T1time request sent by client接收時標接收時標T2time request received at server發(fā)送時標發(fā)送時標T3time reply sent by server目的時標目的時標T4time reply received at clientt 為服務器和客戶端之間的時間偏差；d 為兩者之間的往返時間 T2=T1+t+d/2; T2-T1=t+d/2; T4=T3-t+d/2; T3-T4=t-d/2; d=(T4-T1)-(T3-T2); t=(T2-T1)+(T3-T4)/2兩步法PTP對時原理：主時鐘和從時鐘的時間偏差

19、主時鐘和從時鐘的傳輸延時PTP對時三個主要環(huán)節(jié)：1、最佳主時鐘算法BMC2、主從時鐘偏差計算3、主從時鐘傳輸延時計算PTP與NTP主要差別：對時原理：NTP/SNTP只使用軟件進行同步計算，而IEEE1588既使用軟件，亦同時使用硬件和軟件配合，獲得更精確的定時同步；傳輸方式：NTP使用基于第三層IP的單播、廣播和多播，PTP使用基于第二層MAC的組播；通信模型：NTP嚴格基于UDP，PTP沒有明確的要求，可以基于UDP也可直接到MAC層；PTP需要交換機的支持，目前支持PTP的交換機僅有RUGGEDCOM、MOXA和KYLANDPTP網絡結構PTP網絡節(jié)點類型： Ordinary Clock (OC) Master Clock Slave Clock Peer to Peer Transparent Clock (P2P TC) End to End Transparent Clock (E2E TC) Boundary Clock (BC)BC工作原理：BC工作原理：TC工作原理：TC工作原理邊界時鐘和透明時鐘：主要為交換機設備的功能,邊界時鐘具有時間傳遞功能，但也存在誤差的累計問題IEEE繼保委員會PSRC(Power System Relaying Committee)在新的電力行業(yè)PTP時鐘規(guī)范里建議采用TC根據(jù)時標服務不同分為一步法和兩步法兩步法