NTP对时服务器系统在变电站应用方案

对时系统是变电站自动化系统时间同步必备的，变电站自动化系统对时间精度的要求，随装置的功能差异而有所不同。本方案主要基于ntp对时和GPS对时在变电站的应用方案，NTP对时服务器在变电站层采用NTP网络对时，即变电站层的所有管理节点机通过系统以太网与NTP对时器同步，其他层则采用gps对时方式，实现整个变电站的时间同步。

1、变电站对时精度介绍

在变电站层的后台机上，目前对时间精度要求最高的是状态变位(COS)、事件顺序记录(SOE)的处理。目前国内所见的标准或规范对当地监控后台的时间精确性要求相对较低，一般COS的时标只要到秒就可以了，即在变电站层，节点机上的时间目前只要精确到秒。因此，根据IEC61850具体实现精度应该比功能要求精度高一个数量级的要求，变电站层节点机的时间精度至少应在100~500ms。如果后台节点机同时充当主时钟/时间服务器，则对时间精度的要求较高。

在过程层的装置一级，则有更高的时间精度要求。例如，对于同步相量测量装置，周期是20ms。1ms的误差就会引起18°的相位误差，要想相位误差在1度以内，则要求时间精度在55μs以内。又如，在故障录波和信息管理系统中，时间同步精度直接关系到录波数据和故障信息的有用程度。因此，间隔层、过程层装置的时间精度要求小于1ms，最好在100μs内，依据装置所实现的功能可能还有更高的要求。

2、NTP对时服务器系统方案

单一使用GPS对时可以达到很高的精度，但几乎所有的设备和管理节点机上都需要安装GPS接收机或者GPS扩展箱，使应用成本增高，并且接线复杂。单一使用NTP对时可以直接利用现有的以太网络通信，不需要额外的电缆，但由于实现精度的限制，目前不可能在全站范围内普遍采用网络对时。根据变电站自动化系统对时间同步的实际需求，综合考虑几方面的因素，我们认为站内时间同步应既能提供较高的同步精度，又不应该过于复杂。按照IEC61850的时间同步模型，除了少数几台时间装置是直接从外来高精度时钟源获取时间，其他大量站内装置和变电站层节点机则是通过网络对时的方式获取时间，如采用NTP。

遵循IEC61850的分层原则，将GPS技术与NTP网络时间协议结合起来，针对不同层的精度要求分别采用不同的对时方式。采用西安同步电子科技有限公司生产的SYN4505A型时钟同步系统作为变电站时钟系统，该系统输出NTP网络授时接口和IRIG-B码等信号。

变电站ntp对时服务器系统图

系统按照IEC61850从逻辑上将变电站自动化系统分为3层，本方案在变电站层采用网络时间同步，即变电站层的所有管理节点机通过系统以太网与NTP服务器同步；在间隔层和过程层采用GPS技术同步，即该二层的所有设备通过专用线缆与GPS接收机的秒脉冲接口相连接，设备比较密集的地方采用GPS扩展箱。

为保持变电站自动化系统内不同层间时间的统一，本方案采用在局域网内架设变电站自动化系统的专用NTP对时服务器，通过该服务器的计算机串口与同步系统中的GPS接收机串口（RS232）相连，利用服务器上的GPS数据处理软件获取GPS接收机输出数据，对其进行解码，提取出其中的时间信息，设置为该专用NTP对时服务器时间。间隔层和过程层的设备直接接收GPS接收机输出的1PPS脉冲信号。

在地球上任意地点，只要具备相同的GPS接收机，都能得到同样精度的信号。由于本系统内NTP对时服务器由GPS授时系统采用直接时间传递方式进行授时，尽管该时间与实际的UTC有一定的误差，但只要当GPS接收机以不低于一秒的频率输出该时间，授时服务器的系统时间误差将会非常小。因此基本上可以认为站内专用NTP对时服务器与间隔层和过程层各设备采集到的时间一致。

变电站自动化系统是电网的重要组成部分，需要实现各子系统的联动性，统一全线的时间是非常重要。在这样一个复杂的综合监控系统中，传统的单一使用GPS对时的方式已不能满足变电站自动化系统发展的需要，以更经济有效的方式实现时间同步成为普遍关注的课题。随着变电站自动化系统走向网络化，系统各装置开始普遍直接上网，其分层分布式的网络结构非常适合采用网络对时方式。

网络时间协议NTP主要应用于大型的复杂的分布式网络，同时也是Internet中时间同步的标准协议之一，采用NTP对时方式实现系统内的时间同步符合变电站自动化系统的发展趋势。但鉴于目前NTP的实现精度，很难在全站范围内统一推广。依据IEC61850的通信模型分层实现系统时间同步，解决了目前网络对时方式不能满足部分设备时间精度的问题，使变电站自动化系统采用网络对时方式成为可能。本论文基于IEC61850通信模型，提出了GPS与NTP相结合的分层时间同步方案，为变电站自动化系统提供了一个高性能的时间同步方案，符合系统结构精简、低成本、高稳定性的要求。

3、NTP对时服务器系统方案特点

相对于传统的变电站自动化系统时间同步方法，本方案有以下几个方面的特点:

1）基于IEC61850协议这样一个国际化的变电站自动化系统规范展开设计，具有更好的前瞻性和通用性。并能有效解决当前行业内对时方案混乱的现状。

2）依据IEC61850通信模型，分层实现系统时间同步。使网络化对时在目前难以满足全站所有设备时间精度要求的情况下得以应用，符合变电站自动化系统网络化发展的趋势，在很大程度上精简了系统结构。

3）在满足变电站层时间同步精度要求，可以有效减少对时间服务器的访问频率。

4）保证了本地时钟的单调增长，调整过程中不会造成较大的抖动，这些都使得变电站自动化系统中以时间为基础的应用更加稳定。

4、对时系统展望

对于变电站间隔层、过程层的装置，限于精度要求，目前对时系统采用IRIG-B码直接接线和NTP网络对时相结合的方式较为合理。后续的工作是结合IEEE1588时间同步技术进一步改善时间精确度，实现间隔层、过程层部分或全部网络化对时。