NTP時鐘同步服務器在廠站自動化系統中應用探討
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廠 站 自 動 化 系 統 的 正 常 運 行 離 不 開 時 間 的 準 確 計量, 而 且 需 要 高 精 度 的 時 間, 否 則 就 會 因 爲 時 間 不 確 定 性 引 發 許 多 問 題 [ 1] , 例 如 : 故 障 錄 波 信 息 失 去 一 定 精 度 的 時 間 參 照 將 降 低 其 有 效 性 [ 2] ; 分 相 測 量 裝 置因時間誤差可能引起較大誤差[ 3] 。
目 前 , 在 實 際 應 用 中 , 採 用 最 多 的 方 式 , 是 利 用 全 球 定 位 系 統 ( GPS) 提 供 精 確 時 間 , 通 過 GPS 接 收
機把該時間引入變電站, 再通過秒( 分) 脈 衝 、IRIG- B
碼 、DCF 77 碼 或 者 RS- 232 串 口 報 文 的 方 式 給 全 站 部分或全部裝置對時[ 4 -7] 。
如 果 全 站 的 設 備 和 節 點 機 都 直 接 通 過 以 上 直 接
連線方 式 對 時, 雖 然 精 確 度 有 所 提 高, 但 就 要 求 採 用 多 個 GPS 接 收 機 或 者 多 個 GPS 擴 展 箱 , 使 應 用 成 本
增高, 並且接線麻煩。
隨 着 廠 站 自 動 化 系 統 走 向 網 絡 化 , 間 隔 層 裝 置 開始 普 遍 直 接 上 網 。 利 用 無 處 不 在 的 網 絡 進 行 網 絡
對時也開始越來越引起人們的注意和探討。文獻[ 8]
討 論 了 網 絡 時 間 協 議 ( NTP) 在 電 力 自 動 化 設 備 同 步 中的應用, 筆者認爲有必要作更深一步的探討。
隨 着 IEC 61850 的 推 廣 , 相 應 於 IEC 61850 的 國 內電力 行 業 標 準 正 在 加 緊 制 定( 到 寫 稿 時 爲 止 , 部 分
已 正 式 頒 布 或 正 在 送 審 、報 批 ) 。 在 IEC 61850 站 內 時 間 同 步 模 型 中 , 除 了 少 數 幾 臺 時 間 裝 置 是 直 接 從
外 來 高 精 度 時 鍾 源 獲 取 時 間 的 , 其 他 大 量 站 內 裝 置 和站 控 層 節 點 機 則 是 通 過 網 絡 對 時 。 採 用 簡 單 網 絡
時間協議( SNTP) 的方式獲取時間。可見網絡對時是
廠 站 內 時 鍾 同 步 系 統 中 一 種 重 要 的 同 步 方 式 。 這 裏 最 重 要 的 問 題 是: 對 時 精 度 是 否 能 夠 達 到 IEC 61850
的要求或者實際裝置完成正常功能所需要的精度。
本文將結合 IEC 61850 標準、網絡時間 同 步 技 術
發 展 以 及 廠 站 自 動 化 系 統 中 目 前 的 對 時 應 用 情 況 和
實 際 需 要 , 探 討 廠 站 自 動 化 系 統 中 網 絡 時 間 同 步 技 術 的應用, 以期對實際工作能有所幫助。
1 對時間精確度的要求
廠 站 自 動 化 系 統 對 時 間 精 確 度 的 要 求 , 隨 裝 置 和 節 點 機 的 不 同 而 有 所 不 同 , 依 據 於 它 們 所 要 實 現 的功能確定。
例 如 , 在 站 控 層 的 後 臺 機 上 , 目 前 對 時 間 精 度要
求最高的是狀態變位( COS) 、事件順序記錄( SOE) 的 處 理 。 SOE 的 時 標 信 息 是 由 間 隔 層 裝 置 提 供 的 , COS 的 時 標 則 是 由 監 控 後 臺 機 提 供 的 , 這 2 個 信 號 要 互 相比對。目前, 國內所見的標準或規範對當地 監 控 後 臺 的 時 間 精 確 性 要 求 相 對 較 低 , 一 般 COS的 時 標 只 要 到 秒 就 可 以 了 , 即 在 站 控 層 , 節 點 機 上 的 時 間 目 前 只要精確到秒。但是, 根據 IEC 61850 具 體 實 現 精 度 應 該 比 功 能 要 求 精 度 高 一 個 數 量 級 的 要 求 , 站 控 層 節 點 機 的 時 間 精 度 至 少 應 在 100 ~ 500 ms。
如果後臺節點機同時充當主時鍾 / 時間服務器,
則對時間精度的要求較高。
在 間 隔 層 的 裝 置 一 級 , 則 有 更 高 的 時 間 精 度 要 求。例如, 對於同步相量測量裝置, 週期是 20 ms, 1 ms
的 誤 差 就 會 引 起 18°的 相 位 誤 差 , 要 想 相 位 誤 差 在
1°以 內 , 則 要 求 時 間 精 度 在 55 μs 以 內 。又 如 , 在 故
在 IEC 61850 中 , 雖然目前對時間同步報文沒有 直 接 的 要 求 定 義 , 但 對 時 間 同 步 報 文 所 實 現 的 時 間
精 度—時 間 性 能 類 ( time performance class) 卻 有 具 體的規定, 如表 1 和表 2 所示。
表 1 保 護 和 控 制 事 件 用 標 準 智 能 電 子 裝 置 的 同 步 性 能 Tab.1 The synchronization precisions of standard IEDs for control and protection events
時 間 性 能 類 精
時 間 戳 語 義 時 間 戳 語 義
時 間 戳 表 示 形 式
外 部 高 精 度 時 間
時 間 服 務 器 / IEC 61850 服 務 器
主 UTC 時 間
( 被 外 部 高 精 度
時 間 源 所 同 步 )
在 IEC 61850 - 7- 2 中 定 義 在 SCSM 中 定 義
t2 ±0.1
用 於 分 布 同 期 的 過 零 和 數 據 時 標 , 支 持 波 形 定 點 分 和 時 標
圖 1 IEC61850 時 間 模 型 和 時 間 同 步 ( 原 理 )
Fig.1 Time model and time synchronization( principle)
表 2 互 感 器 用 標 準 智 能 電 子 裝 置 的 同 步 性 能 Tab.2 The synchronization precisions of standard IEDs for instrument transformers
時 間 性 能 類 精 度 /μs 用 途
t3 ±25 這 3 種 時 間 性 能 類 主 要 用 於 過 程
圖 1 的 定 義 和 說 明 如 下 : 主 世 界 協 調 時 間 UTC ( Universal Time Coordinated) 從 外 部 高 精 度 時 間 源 得 到 時 間 ; 時 間 服 務 器 作 爲 站 內 時 間 同 步 的 時 間 源 採 用 時 間 同 步 協 議 與 站 內 其 他 智 能 電 子 設 備 ( IED) 進 行 時 間 同 步 , 具 體 採 用 的 時 間 同 步 協 議 依 賴 於 所
t4 ±4
t5 ±1
層 和 間 隔 層 之 間 瞬 時 數 據 交 換 及
某 些 間 隔 層 之 間 的 快 速 功 能 如 互 鎖 所 要 求 的 數 據 交 換
選 擇 的 SCSM。 對 於 網 絡 型 應 用 而 言 , SCSM 指 的 是
IEC 61850 第 8- 1 部 分 所 定 義 的 到 以 太 網 加 報 文 制
除了以上對時間性能類的要求, 並且在 IEC61850 中規定, t1 ~ t5 的時間精確度要求只是功能 上 的 要 求, 在 具 體 實 現 中 必 須 比 這 些 要 求 再 高 一 個 數 量 級 , 即 按 照 IEC 61850 規 範 , 廠 站 自 動 化 系 統 中 各 層 裝 置 的 時 間 精 確 度 最 少 在 1 ms 內 , 最 好 100 μs 內 , 依 據 裝置所實現的功能還可能有更高的要求。
2 對網絡對時的需求
網 絡 對 時 作 爲 一 種 時 間 同 步 方 法 , 比 起 目 前 在 廠 站 中 普 遍 採 用 的 裝 置 直 接 接 GPS 外 部 高 精 度 時 鍾 源 的 方 式 , 有 它 經 濟 、簡 單 、規 範 [ 8] 、高 效 的 優 勢 , 並且符合廠站自動化系統網絡化的發展趨勢。
作爲變電站內網絡和系統的國際標準 IEC61850,
對網絡對時的應用也有非常明確的要求和模型。
a. 功 能 方 面 , 在 IEC 61850 第 5 部 分 功 能 通 信 要 求 和 裝 置 模 型 的 附 件 G 中 對 IEC 61850 的 時 間 同
步任務規定: 時間 同 步 用 於 系 統 內 各 裝 置 間 的 同 步 。
具 有 精 確 外 部 時 間 源 的 邏 輯 節 點 作 爲 主 時 鍾 , 同 一 類型的另一個邏 輯 節 點 作 爲 後 備 主 時 鍾 。 通 過 主 時 鍾 對 各 分 布 節 點 設 置 絕 對 時 間 ; 各 分 布 節 點 時 鍾 連
續 同 步 。 爲 提 高 效 率 , 時 鍾 同 步 最 好 通 過 協 議 層 完
成 。 可 見 除 了 主 、備 主 時 鍾 直 接 從 外 部 高 精 度 時 間 源 獲 取 時 間 , 站 內 其 他 裝 置 還 是 要 通 過 主 時 鍾 實 現
時間同步。
b. 在模型方面, 圖 1 是 IEC 61850 第 7- 2 部分規 定的時間模型和時間同步原理圖。圖中的 IEC 61850
特定通信服務映射( SCSM) 指 的 是 IEC 61850 中 定 義
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信協議集的具體映射。
造 規 範 ( MMS) 的 協 議 棧 的 映 射 。 其 中 , 簡 單 網 絡 時 間 協議( SNTP) 被作爲網絡時間同步的應用層協議。
3 目前常見的對時系統結構
目 前 , 廠 站 自 動 化 系 統 中, 對 時 系 統 普 遍 採 用 直 接接線對時和網絡對時相結合的方式。具體表現爲: 通 過 1 個 或 多 個 GPS 接 收 機 引 入 高 精 度 時 鍾 ; 站 控 層則一般只 有 1~2 臺 服 務 器 採 用 串 口 時 間 報 文 的 方 式 從 GPS 接 收 機 獲 取 時 間 , 其 餘 站 控 層 節 點 則 採 用 網 絡 對 時 的 方 式 ; 間 隔 層 裝 置 普 遍 採 用 直 接 接 線 到
GPS 接 收 機 的 方 式 獲 取 時 間 , 一 般 採 用 分 / 秒 脈 衝 、
IRIG - B 碼、DCF 77 碼方式。
由 於 間 隔 層 裝 置 衆 多 , GPS 接 收 機 裝 置 往 往 連 有 擴 展 箱, 以 便 多 出 接 點 , 並 且 允 許 同 一 面 屏 上 若 幹
裝 置 共 用 同 1 副 接 點 , 或 者 允 許 1 副 接 點 連 接 若 幹 臺裝置。不同廠家出廠的 GPS 接收裝置, 其秒脈衝、 IRIG- B 碼 輸 出 精 度 略 有 不 同 。 圖 2 是 典 型 500 kV
變電站對時系統結構。
對 於 那 些 直 接 從 GPS 接 收 機 取 秒 脈 衝 、分 脈 衝 信號的裝置, 它還需要綜合當前時刻的分、秒值( 這 些
信 息 一 般 由 其 他 節 點 通 過 網 絡 傳 送) , 才 能 給 出 當 前 準 確 時 間 。 其 時 間 精 確 度 和 具 體 硬 、軟 件 實 現 水 平
有很大關係。
4 系統的時間保持