NTP时钟同步服务器在厂站自动化系统中应用探讨
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厂 站 自 动 化 系 统 的 正 常 运 行 离 不 开 时 间 的 准 确 计量, 而 且 需 要 高 精 度 的 时 间, 否 则 就 会 因 为 时 间 不 确 定 性 引 发 许 多 问 题 [ 1] , 例 如 : 故 障 录 波 信 息 失 去 一 定 精 度 的 时 间 参 照 将 降 低 其 有 效 性 [ 2] ; 分 相 测 量 装 置因时间误差可能引起较大误差[ 3] 。
目 前 , 在 实 际 应 用 中 , 采 用 最 多 的 方 式 , 是 利 用 全 球 定 位 系 统 ( GPS) 提 供 精 确 时 间 , 通 过 GPS 接 收
机把该时间引入变电站, 再通过秒( 分) 脉 冲 、IRIG- B
码 、DCF 77 码 或 者 RS- 232 串 口 报 文 的 方 式 给 全 站 部分或全部装置对时[ 4 -7] 。
如 果 全 站 的 设 备 和 节 点 机 都 直 接 通 过 以 上 直 接
连线方 式 对 时, 虽 然 精 确 度 有 所 提 高, 但 就 要 求 采 用 多 个 GPS 接 收 机 或 者 多 个 GPS 扩 展 箱 , 使 应 用 成 本
增高, 并且接线麻烦。
随 着 厂 站 自 动 化 系 统 走 向 网 络 化 , 间 隔 层 装 置 开始 普 遍 直 接 上 网 。 利 用 无 处 不 在 的 网 络 进 行 网 络
对时也开始越来越引起人们的注意和探讨。文献[ 8]
讨 论 了 网 络 时 间 协 议 ( NTP) 在 电 力 自 动 化 设 备 同 步 中的应用, 笔者认为有必要作更深一步的探讨。
随 着 IEC 61850 的 推 广 , 相 应 于 IEC 61850 的 国 内电力 行 业 标 准 正 在 加 紧 制 定( 到 写 稿 时 为 止 , 部 分
已 正 式 颁 布 或 正 在 送 审 、报 批 ) 。 在 IEC 61850 站 内 时 间 同 步 模 型 中 , 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 的 , 其 他 大 量 站 内 装 置 和站 控 层 节 点 机 则 是 通 过 网 络 对 时 。 采 用 简 单 网 络
时间协议( SNTP) 的方式获取时间。可见网络对时是
厂 站 内 时 钟 同 步 系 统 中 一 种 重 要 的 同 步 方 式 。 这 里 最 重 要 的 问 题 是: 对 时 精 度 是 否 能 够 达 到 IEC 61850
的要求或者实际装置完成正常功能所需要的精度。
本文将结合 IEC 61850 标准、网络时间 同 步 技 术
发 展 以 及 厂 站 自 动 化 系 统 中 目 前 的 对 时 应 用 情 况 和
实 际 需 要 , 探 讨 厂 站 自 动 化 系 统 中 网 络 时 间 同 步 技 术 的应用, 以期对实际工作能有所帮助。
1 对时间精确度的要求
厂 站 自 动 化 系 统 对 时 间 精 确 度 的 要 求 , 随 装 置 和 节 点 机 的 不 同 而 有 所 不 同 , 依 据 于 它 们 所 要 实 现 的功能确定。
例 如 , 在 站 控 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 。 SOE 的 时 标 信 息 是 由 间 隔 层 装 置 提 供 的 , COS 的 时 标 则 是 由 监 控 后 台 机 提 供 的 , 这 2 个 信 号 要 互 相比对。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 站 控 层 , 节 点 机 上 的 时 间 目 前 只要精确到秒。但是, 根据 IEC 61850 具 体 实 现 精 度 应 该 比 功 能 要 求 精 度 高 一 个 数 量 级 的 要 求 , 站 控 层 节 点 机 的 时 间 精 度 至 少 应 在 100 ~ 500 ms。
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 间 隔 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 20 ms, 1 ms
的 误 差 就 会 引 起 18°的 相 位 误 差 , 要 想 相 位 误 差 在
1°以 内 , 则 要 求 时 间 精 度 在 55 μs 以 内 。又 如 , 在 故
在 IEC 61850 中 , 虽然目前对时间同步报文没有 直 接 的 要 求 定 义 , 但 对 时 间 同 步 报 文 所 实 现 的 时 间
精 度—时 间 性 能 类 ( time performance class) 却 有 具 体的规定, 如表 1 和表 2 所示。
表 1 保 护 和 控 制 事 件 用 标 准 智 能 电 子 装 置 的 同 步 性 能 Tab.1 The synchronization precisions of standard IEDs for control and protection events
时 间 性 能 类 精
时 间 戳 语 义 时 间 戳 语 义
时 间 戳 表 示 形 式
外 部 高 精 度 时 间
时 间 服 务 器 / IEC 61850 服 务 器
主 UTC 时 间
( 被 外 部 高 精 度
时 间 源 所 同 步 )
在 IEC 61850 - 7- 2 中 定 义 在 SCSM 中 定 义
t2 ±0.1
用 于 分 布 同 期 的 过 零 和 数 据 时 标 , 支 持 波 形 定 点 分 和 时 标
图 1 IEC61850 时 间 模 型 和 时 间 同 步 ( 原 理 )
Fig.1 Time model and time synchronization( principle)
表 2 互 感 器 用 标 准 智 能 电 子 装 置 的 同 步 性 能 Tab.2 The synchronization precisions of standard IEDs for instrument transformers
时 间 性 能 类 精 度 /μs 用 途
t3 ±25 这 3 种 时 间 性 能 类 主 要 用 于 过 程
图 1 的 定 义 和 说 明 如 下 : 主 世 界 协 调 时 间 UTC ( Universal Time Coordinated) 从 外 部 高 精 度 时 间 源 得 到 时 间 ; 时 间 服 务 器 作 为 站 内 时 间 同 步 的 时 间 源 采 用 时 间 同 步 协 议 与 站 内 其 他 智 能 电 子 设 备 ( IED) 进 行 时 间 同 步 , 具 体 采 用 的 时 间 同 步 协 议 依 赖 于 所
t4 ±4
t5 ±1
层 和 间 隔 层 之 间 瞬 时 数 据 交 换 及
某 些 间 隔 层 之 间 的 快 速 功 能 如 互 锁 所 要 求 的 数 据 交 换
选 择 的 SCSM。 对 于 网 络 型 应 用 而 言 , SCSM 指 的 是
IEC 61850 第 8- 1 部 分 所 定 义 的 到 以 太 网 加 报 文 制
除了以上对时间性能类的要求, 并且在 IEC61850 中规定, t1 ~ t5 的时间精确度要求只是功能 上 的 要 求, 在 具 体 实 现 中 必 须 比 这 些 要 求 再 高 一 个 数 量 级 , 即 按 照 IEC 61850 规 范 , 厂 站 自 动 化 系 统 中 各 层 装 置 的 时 间 精 确 度 最 少 在 1 ms 内 , 最 好 100 μs 内 , 依 据 装置所实现的功能还可能有更高的要求。
2 对网络对时的需求
网 络 对 时 作 为 一 种 时 间 同 步 方 法 , 比 起 目 前 在 厂 站 中 普 遍 采 用 的 装 置 直 接 接 GPS 外 部 高 精 度 时 钟 源 的 方 式 , 有 它 经 济 、简 单 、规 范 [ 8] 、高 效 的 优 势 , 并且符合厂站自动化系统网络化的发展趋势。
作为变电站内网络和系统的国际标准 IEC61850,
对网络对时的应用也有非常明确的要求和模型。
a. 功 能 方 面 , 在 IEC 61850 第 5 部 分 功 能 通 信 要 求 和 装 置 模 型 的 附 件 G 中 对 IEC 61850 的 时 间 同
步任务规定: 时间 同 步 用 于 系 统 内 各 装 置 间 的 同 步 。
具 有 精 确 外 部 时 间 源 的 逻 辑 节 点 作 为 主 时 钟 , 同 一 类型的另一个逻 辑 节 点 作 为 后 备 主 时 钟 。 通 过 主 时 钟 对 各 分 布 节 点 设 置 绝 对 时 间 ; 各 分 布 节 点 时 钟 连
续 同 步 。 为 提 高 效 率 , 时 钟 同 步 最 好 通 过 协 议 层 完
成 。 可 见 除 了 主 、备 主 时 钟 直 接 从 外 部 高 精 度 时 间 源 获 取 时 间 , 站 内 其 他 装 置 还 是 要 通 过 主 时 钟 实 现
时间同步。
b. 在模型方面, 图 1 是 IEC 61850 第 7- 2 部分规 定的时间模型和时间同步原理图。图中的 IEC 61850
特定通信服务映射( SCSM) 指 的 是 IEC 61850 中 定 义
|
信协议集的具体映射。
造 规 范 ( MMS) 的 协 议 栈 的 映 射 。 其 中 , 简 单 网 络 时 间 协议( SNTP) 被作为网络时间同步的应用层协议。
3 目前常见的对时系统结构
目 前 , 厂 站 自 动 化 系 统 中, 对 时 系 统 普 遍 采 用 直 接接线对时和网络对时相结合的方式。具体表现为: 通 过 1 个 或 多 个 GPS 接 收 机 引 入 高 精 度 时 钟 ; 站 控 层则一般只 有 1~2 台 服 务 器 采 用 串 口 时 间 报 文 的 方 式 从 GPS 接 收 机 获 取 时 间 , 其 余 站 控 层 节 点 则 采 用 网 络 对 时 的 方 式 ; 间 隔 层 装 置 普 遍 采 用 直 接 接 线 到
GPS 接 收 机 的 方 式 获 取 时 间 , 一 般 采 用 分 / 秒 脉 冲 、
IRIG - B 码、DCF 77 码方式。
由 于 间 隔 层 装 置 众 多 , GPS 接 收 机 装 置 往 往 连 有 扩 展 箱, 以 便 多 出 接 点 , 并 且 允 许 同 一 面 屏 上 若 干
装 置 共 用 同 1 副 接 点 , 或 者 允 许 1 副 接 点 连 接 若 干 台装置。不同厂家出厂的 GPS 接收装置, 其秒脉冲、 IRIG- B 码 输 出 精 度 略 有 不 同 。 图 2 是 典 型 500 kV
变电站对时系统结构。
对 于 那 些 直 接 从 GPS 接 收 机 取 秒 脉 冲 、分 脉 冲 信号的装置, 它还需要综合当前时刻的分、秒值( 这 些
信 息 一 般 由 其 他 节 点 通 过 网 络 传 送) , 才 能 给 出 当 前 准 确 时 间 。 其 时 间 精 确 度 和 具 体 硬 、软 件 实 现 水 平
有很大关系。
4 系统的时间保持
