标题IEEE1588协议在数字化变电站中的应用

精确的时间同步系统在数字化变电站中占有重要的地位，根据IEC61850标准对智能电子设备（IED）的时钟精度功能要求，用于计量的T5等级精度达到±lμs。
　　
　　目前，有2种重要的时间同步技术：网络时间协议（NTP）和直接连接时间传输。其中，NTP的时间同步准确度一般只能达到毫秒级；而直接连接时间传输，最有代表性的就是基于全球定位系统（GPS）接收模块，但其实现需要依靠单独的硬接线，故其在分布式网络中的应用有局限性。
　　
　　2002年底发布的IEEE1588是用于测量和自动化系统的高精度网络时钟同步协议（PrecisionTimeProtocol，PTP），IEEE1588采用软硬件结合的方式，能够达到亚微秒级的同步精度，协议中定义的各类同步报文均是基于用户数据报协议和网络协议（UDP/IP）多播报文发送的，因此尤其适合于在以太网上实现。
　　
　　2IEEE1588协议原理
　　
　　IEEE1588系统中的时钟在结构上分为普通时钟（OrdinaryClock，OC）、边界时钟（BoundaryClock，BC）和透明时钟（TransparentClock，TC），功能上解释为主时钟与从时钟。普通时钟为只有一个PTP端口的对时源端或终端设备，边界时钟和透明时钟为有多个PTP端口的交换机或路由器。系统中的源时钟称为根时钟（GrandmasterClock，GC）。
　　
　　IEEE1588采用分层的主从模式进行时钟同步，主要定义了4种多点传送的时钟报文类型：①同步报文，简称Sync，②跟随报文，简称Follow_Up，③延时请求报文，简称Delay_Req，④延时响应报文，简称Delay_Resp。
　　
　　采用标准定义的最佳主时钟（BestMasterClock，BMC）算法，从网络中选择一个准确度和稳定度最佳的时钟作为主时钟，其他时钟均为从时钟，并被主时钟同步。
　　
　　同步过程分两步执行，如图1所示：
　　
　　（1）偏移测量，即修正主时钟与从时钟之间的时间偏差。主时钟按照所设定的时间间隔周期性地发出同步报文Sync，在报文中包含了报文发出的估计时间，从时钟记录收到同步报文的时间T2，经过一定时间的延时，主时钟接着发出跟随报文Follow_up，在报文中有Sync发出的精确时间T1，这样，从时钟使用Follow_up报文中的Sync实际发出时间和Sync的接收时间，可以计算出从时钟与主时钟之间的偏移（Offset），根据偏移量来修正时间偏差。
　　
　　但是由于主时钟与从时钟之间的传输延迟（Delay）在初始化阶段是未知的，因此，此时从时钟计算出的时间偏差包含了网络的传输延迟。
　　
　　（2）延迟测量。从时钟发出延迟请求报文Delay_Req，并记录发送时间T3，当Delay_Req到达主时钟时，主时钟记录其到达时间T4，再用延迟响应报文Delay_resp将T4发送给从属时钟。这样，从时钟使用Delay_Req报文的实际发出时间和Delay_resp报文的实际接收时间，可计算出从时钟和主时钟之间的传输延迟并调整它的时钟漂移误差。
　　
　　图1时钟同步原理
　　
　　假设传输介质是对称均匀的，主从时钟间的偏移量TOffset以及传输延迟TDelay计算公式为：
　　
　　（1）
　　
　　（2）
　　
　　3IEEE1588协议在数字化变电站中的应用方案
　　
　　数字化变电站中的IED仅作为对时网络末节点，扮演从时钟角色。设置专用GC作为整个对时网络的时钟参考源，该GC可以有多个网口，但不是交换机或路由器。
　　
　　对通信网络中的交换机或路由器，由于他们自身存在缓存，当网络负载较重时，时钟同步报文在经过交换机时，由于排队等待和网络堵塞等原因，将使得传输延迟抖动较大。下面以变电站自动化系统中常见的双星型以太网为例，给出以下2种解决方案：
　　
　　第1种解决方案如图2（a）所示，图中交换机需要硬件支持，且与IEEE1588时间同步系统同步，把这些连接设备作为IEEE1588协议中的边界时钟来处理，让这些连接设备也与整个系统同步。主、从时钟通过BMC算法配置各个设备终端端口的属性，建立IEEE1588时间同步系统的拓扑结构，然后，主、从时钟通过本地时钟同步算法进行校时。
　　
　　该方案对于主、从时钟间链路上有很少的网络连接设备（如交换机）的情况，可以达到较好的精度，但是，如果主、从时钟间链路上的网络连接设备（如交换机）很多，会造成累计误差，影响IEEE1588协议的精度效果。
　　
　　第2种解决方案如图2（b）所示，图中交换机对于IEEE1588时间同步系统来说是透明的，即把这些连接设备作为IEEE1588协议中的透明时钟来处理，记录IEEE1588协议报文进出这些设备的时间，从时钟校准时将其剔除。该方案不改变原有自动化网络中连接设备主、从时钟间点对点的通信。同时，像第1种解决方案一样，建立IEEE1588时间同步系统的拓扑结构，然后校时。
　　
　　该方案可以减少网络抖动的影响，排除交换网造成的非对称延迟的影响，减少大型拓扑中的累计误差。
　　
　　DNPTP-8M是一款支持IEEE1588-2008，PTPV2的主时钟（GrandmasterClock），使用GPS作为时钟参考源时，DNPTP-8M跟踪UTC的精度优于20ns，可通过以太网络提供高精度的时间信号源。
　　
　　IEEE1588-2008精密时钟服务器DNPTP-8M采用专业的IEEE1588-2008处理芯片加上中新创科的专利时间调整技术和软件，DNPTP-8M可同时为多台IEEE1588-2008从时钟提供时钟基准。
　　
　　PTPV2精密时钟服务器DNPTP-8M内置高稳恒温晶振（OCXO），低日老化率，即使丢失了GPS卫星信号，PTPV2精密同步时钟DNPTP-8M也有优秀的保持性能。
　　
　　除了使用GPS作为外部基准时钟，PTPV2精密同步时钟服务器DNPTP-8M还可以使用北斗导航卫星系统。除此之外，IEEE1588-2008精密时钟服务器DNPTP-8M还有1路1PPS输入和1路IRIG-B或1路2MHz（G.703）作为辅助参考源。
　　
　　通过以太网来获得纳秒级时间精度，采用PTPV2精密时钟服务器DNPTP-8M是你的首选。相对于独立式的时钟同步系统，IEEE1588精密时钟服务器DNPTP-8M可降低整个时间同步系统的造价，获得更高的性价比。
　　
　　PTPV2精密时钟服务器DNPTP-8M应用于工业自动化系统，航天航空系统，2.5G/3G/4G基站，数字化变电站，CMMB基站，数字电视数字广播，电信机房等需要精密时钟服务的场所。
　　
　　●IEEE1588精密时钟服务器DNPTP-8M的特点●硬件时间戳，优于20ns的时间精度●内置50通道GPS接收装置，可使用GPS/北斗双系统●频率准确度优于1E-12,24小时保持精度优于1E-10●支持端到端（endtoend）或点对点（peertopeer）模式●支持1step或2steps●传输协议支持UDP或Ethernet协议●每秒512次延时服务能力●支持Pre-Master模式，主时钟热备份，热切换功能●10/100M以太网口●远程软件升级，SNMP,Syslog管理监控●多种接口输出
　　
　　详细参数
　　
　　支持协议
　　
　　PTPV2,IEEE1588-2008,NTP,SNTP,IP,TCP,UDP,Telent,DHCP,Syslog
　　
　　精度
　　
　　PTP优于20ns,频率输出优于1E-12
　　
　　硬件时间戳
　　
　　1层时间源
　　
　　输出接口
　　
　　1-8路10/100MPTP网口
　　
　　输出接口
　　
　　RS232TOD输出,本地干接点告警输出
　　
　　输出接口
　　
　　选配1-4路10/100MNTP网口,选配1PPS,10M,IRIG-B
　　
　　辅助时间源
　　
　　选配1PPS,2MHz,IRIG-B
　　
　　产品尺寸
　　
　　19英寸1U,无风扇
　　
　　显示
　　
　　20X2LCD+led（电源,锁定,保持,主要告警,次要告警
　　
　　电源