智能变电站IEEE 1588时钟同步系统的设计方案

一、时钟同步系统的必要性

时钟同步技术可以为智能变电站及整个智能电网的所有智能电子设备(IED)提供统一的时间频率基准，在变电站的事故分析和保证其安全运行中发挥着十分重要的作用。随着智能变电站技术的发展对时钟同步系统提出了更高要求，因此，基于IEEE 1588协议和SNTP协议的网络时钟同步系统就应运而生。

二、时钟同步模型

IEC61850根据我国电力发展的实际情况，规定了IEEE1588v2和SNTP两种针对智能变电站时钟同步的技术协议模型。IEEE1588V2-PTP协议标准定义了一种用于分布式测量和控制系统的高精度时间同步协议，其网络校时精度可达纳秒级。SNTP是互联网网络对时NTP的简化标准，采用客户/服务器结构，具有精度高、同步快的优点，在局域网实际的网络结构下NTP对时精度可达微秒级，在广域网内误差为10-100ms。

NTP对时方式主要用在变电站的SCADA系统，IEC61850中的SCSM中也有所涉及。在一定条件下，NTP/SNTP对时能实现电力时钟标准的T1等级（1ms对时精度）时钟性能。虽然NTP对时技术比较成熟，但要实现微妙量级或者纳秒量级却十分困难。高精度同步协议PTP是IEEE1588协议的另外一种叫法，由于IEEE1588同步对时方式是基于交换式以太网网络的，使得IEEE1588同步对时在智能变电站中的应用成为可能。PTP协议的基本构思是通过软、硬件结合的方式将网络设备的内部时钟与主时钟实现同步。

三、NTP和IEEE1588时钟同步工作原理

3.1 NTP对时原理

SNTP对时采用的客户端/服务器模式进行时钟同步的。客户端跟随时间服务器的时钟变化，实现与时钟服务器的时间同步。客户端不定期的向服务器发送NTP对时报文请求，服务器接收到客户端发送的报文请求后向客户端发送NTP对时报文响应。请求/响应报文包含着NTP报文进出客户端与服务器的时刻值参数，客户端根据这些时刻值参数计算出客户端与服务器之间的时间偏差。

3.2 IEEE1588校时原理

IEEE1588协议将同步网络中的时钟分为主、从时钟两种。主时钟是通过BMC算法来得到的，主时钟广播、多播和组播同步信号，从时钟读取主时钟发送的时钟同步信号，将得到的时间参数记录下来，通过本地时钟同步算法计算出主、从时钟之间的误差，通过对从时钟进行误差修正来实现从时钟同步。IEEE1588协议主要是利用M－S模式进行变电站IED设备的主、从时钟同步。

3.3　时间戳的产生

时间戳的产生与识别根据NTP和IEEE1588时钟同步工作原理可以看出，时钟同步精度与时间戳的产生与识别的位置有很大的关系，影响着操作系统和通信协议栈的延时与抖动等问题。

(1)NTP对时方式时间戳的产生

NTP是一个能够兼容底层设备的协议，只需要NTP网络通信接口就可以实现，对设备硬件没有严格要求。NTP对时方式的时间戳产生与识别是在应用层中进行的，带有应用层时间戳的NTP对时报文开始传输时，通过传输层进行UDP打包封装，然后在网络层将UDP打包的数据加上IP前缀与后缀构成IP数据包，最后在数据链路层中的MAC层实现以太网帧格式封装，经由物理层端口发送到交换机以太网上进行同步传输。NTP报文的接收过程与发送过程相似。由于时间戳的产生与识别是在应用层，因此协议栈和操作系统引起的延时与抖动不能通过NTP对时方式来减小或消失，导致时钟同步精度只能维持在毫秒级。

(2)IEEE1588对时方式时间戳的产生

IEEE1588对时方式的时间戳产生与识别是在数据链路层与物理层之间的MII口。由应用层产生PTP数据，通过传输层进行UDP打包封装，然后在网络层将UDP打包的PTP数据加上IP前缀与后缀构成IP数据包，最后在数据链路层中的MAC层实现以太网帧格式封装，在MII口进行IEEE1588时间戳的加载，经由物理层发送到网线上进行传输。而从时钟经物理层接收来自网线上传输的对时帧，在MII口处进行IEEE1588时间戳的读取，在网络访问层中的MAC层解帧，在网络层中将IP数据包中的前缀与后缀去除，通过TCP/IP协议进行数据包解封，最后传入从时钟的应用层，根据本地时钟算法实现主、从时钟同步。该方式虽然能够提高变电站IED设备的时钟同步精度，但是对硬件要求非常高，单纯依靠软件是不能够实现的。

（3）变电站时钟同步网络结构又具体分为两种网络结构:

(a)过程总线分段模式

站控层网络、过程层网络、测控装置和保护装置均采用双倍冗余。站控层网络采用双星形拓扑结构，如图3所示。这种拓扑结构最大的特点就是网络延时小、造价比较低，但是变电站信息传输的可靠性比较低。过程层网络采用双环形拓扑结构，这种拓扑结构可靠性最高，是对GOOSE报文、SV报文、时间同步报文的传输的重要保障。

（b）单一总线模式

站控层网络、过程层网络、测控装置和保护装置 均采用双倍冗余。站控层网络和过程层网络都采用双星形拓扑结构。

通过对2种变电站同步网络结构的分析，可以得出2种结构的特点对比

四、智能变电站的IEEE1588时钟同步系统

针对过程层网络与站控层网络相互独立的变电站时钟同步网络结构来构建智能变电站的精密时钟同步系统。主要包括两种构建方案:方案一，为全站通过IEEE1588进行网络对时来实现精密时钟同步系统的设计;方案二，站控层网络采用SNTP来进行同步对时，对精度要求高的过程层网络采用IEEE1588来实现精密时钟同步系统的设计。

方案1 同步时钟系统对时图

方案一，通过冗余结构的根时钟GC来实现智能变电站的全站IEEE1588对时。交换机在该方案中承载着透明时钟TC的作用，PTP同步报文从GC时钟开始经过那8个透明时钟来完成与变电站其余IED设备的内部从时钟同步任务。该方案能够提供全站纳秒级的同步精度，但是每个主时钟、从时钟和透明时钟都必须具有IEEE1588时间戳的产生与识别功能，实际工程的应用成本比较高。

方案2 时钟同步系统对时图

方案二:通过双冗余的GC与SNTP时间服务器结构实现变电站的精密时钟同步系统。其中，站控层网络采用SNTP对时方式，过程层网络采用IEEE1588对时方式。该方案中使用的SNTP服务器具备两个网口，其中一个网口支持IEEE1588同步对时方式，另一个网口仅支持SNTP同步对时方式。IEEE1588网口用于实现对时时间性能要求比较高的过程层网络，而SNTP网口却承担着站控层网络的时钟服务器功能。

该方案不仅能够省去对同步精度要求不高的站控层网络设备中IEEE1588时间戳的发生与识别硬件，还能够保证系统的同步功能需求，提高了对时系统的性价比。同步对时系统相比过程层网络中看起来更加简明，但是该单一过程总线网络拓扑结构对透明时钟交换机TC的性能要求非常高，因为只有这样才能保证这个变电站关键信息的高实时性，尤其是GOOSE跳闸报文的实时性。采用优先级设置、虚拟局域网VLAN设置都可以减少网络延时对同步系统的影响，保证全站IED设备的时钟同步精度。

SNTP与IEEE1588对时结合精度测试本次实验的设备主要有SYN2401型精密主时钟一台，SYN2403型从时钟一台，两台ptp时钟设备通过交换机链接起来。SYN5104型时间参数综合测试仪测试ptp时钟同步精度，测试结果证明基于IEEE1588的同步对时方式能够实现百纳秒级的对时精度，可以满足现代智能变电站对时钟同步的要求。

五、方案应用总结

基于IEC61850标准以及时钟同步系统中的对时方式优缺点，将钟同步系统嵌入在智能变电站的过程层网络和站控层网络中。根据智能变电站自身的拓扑结构和智能变电站对时钟不同系统的要求，设计出了2种基于IEEE1588的变电站精密时钟同步系统。设计的同步系统经过同步精度测试，证明设计方案能够达到DL/T860标准对同步精度的要求。

六、方案提供商介绍

西安同步电子科技有限公司成立于2012年，企业通过9001质量体系认证，具有专业生产时钟同步系统系列产品的近10年经验，产品销售遍布全国各地，特别给我国智能电网改造提供了大量时钟同步系统设备，产品得到用户的一致肯定，在此特别感谢广大用户对我们的支持，我们一定会再接再厉，为广大新老用户提供更加优秀的时钟同步设备。