数字化变电站中的对时系统.ppt

,数字化变电站中的对时系统,李宝伟2010-3-5,一、几个时间术语二、数字化变电站时钟同步系统三、网络对时协议,目录,世界时国际原子钟协调世界时闰秒,一、几个时间术语,世界时(GMT)以平子夜作为0时开始的格林威治（英国伦敦南郊原格林尼治天文台的所在地，它又是世界上地理经度的起始点）平太阳时，就称为世界时。世界时与恒星时有严格的转换关系，人们是通过在世界各地利用天文望远镜观测恒星后平均得到世界时的，其精度只能达到10-9。由于地极移动和地球自转的不均匀性，最初得到的世界时，也是不均匀的，我们将其记为UT0；人们对UT0加上极移改正，得到的结果记为UT1；再加上地球自转速率季节性变化的经验改正就得到UT2。,一、几个时间术语,国际原子钟(TAI)原子时间计量标准在1967年正式取代了天文学的秒长的定义新秒长规定为：位于海平面上的铯Cs133原子基态的两个超精细能级间在零磁场中跃迁振荡9192631770个周期所持续的时间为一个原子时秒，我们称之为国际原子时（TAI），其稳定度可以达到10-14以上。另外规定原子时起点在1958年1月1日0时（UT），即在这一瞬间，原子时和世界时重合。,一、几个时间术语,协调世界时(UTC)相对于以地球自转为基础的世界时来说，原子时是均匀的计量系统，这对于测量时间间隔非常重要。但世界时时刻反映了地球在空间的位置，并对应于春夏秋冬、白天黑夜的周期，是我们熟悉且在日常生活中必不可少的时间。为兼顾这两种需要，引入了协调世界时（UTC）系统。UTC在本质上还是一种原子时，因为它的秒长规定要和原子时秒长相等，只是在时刻上，通过人工干预，尽量靠近世界时。,一、几个时间术语,闰秒UTC在秒长上使用原子时秒，但是在时刻上，需要通过人工干预，使其尽量靠近世界时。这就需要对UTC进行“闰秒操作”，即每当UTC与世界时UT1时刻之差超过接近或超过0.9秒时，在当年的6月底或12月底的UTC时刻上增加一秒或减少一秒。UTC=TAI+34s,一、几个时间术语,1、时钟同步的意义2、时钟同步的要求3、时钟同步系统方案4、时钟同步系统结构5、时钟同步在数字化变电站中的应用,二、变电站时钟同步系统,1、通过变电站时钟同步，可为系统故障分析和处理提供准确的时间依据；2、时钟同步是提供电网综合自动化水平的必要技术手段；3、电子式互感器的应用，时钟同步是保证同步采样的基础.数字化变电站采用分布式采集，由合并单元输出的数字采样信号中必须含有时间信息。各合并单元输出的电压、电流信号必须严格同步，否则将直接影响保护动作的正确性，甚至在失去同步时要退出相应的保护。因此，时钟同步是全数字化保护系统中的关键环节,二、数字化变电站时钟同步系统,1、数字化变电站时钟同步的意义,IEC61850中虽然目前对时间同步报文没有直接的要求，但对时间同步报文所实现的时间精度-时间性能类(timeperformanceclass)却有具体的规定,二、数字化变电站时钟同步系统,2、数字化变电站对时钟同步的要求,国网智能变电站同步对时要求应建立统一的同步对时系统。全站应采用基于卫星时钟(优先使用北斗)与地面时钟互备方式获取精确时间；地面时钟系统应支持通信光传输设备提供的时钟信号；用于数据采用的同步脉冲源应全站唯一，可采用不同接口方式将同步脉冲传递到相应装置；同步脉冲源应同步与正确的精确时间秒脉冲，应不受错误的秒脉冲的影响；支持网络、IRIG-B等同步对时方式；,二、数字化变电站时钟同步系统,2、数字化变电站对时钟同步的要求,南网数字化变电站同步对时要求站内应设置两套冗余主时钟，可采用GPS或北斗卫星作为标准时钟源，其中一台必须为北斗卫星时钟系统，主要输出信号（包括IRIG-B（DC）或秒脉冲）的时间准确度应优于1s，时间保持单元的时钟准确度应优于710-8（1分钟4.2s）。站控层设备应采用SNTP对时方式，间隔层设备可采用SNTP、IRIG-B（DC）或脉冲对时。间隔层设备的对时误差应不大于1ms。智能终端应采用IRIG-B（DC）或脉冲对时，对时误差应不大于1ms。过程层合并单元同步精度应不低于1s。可根据需要采用IEEE1588协议进行同步对时。,二、数字化变电站时钟同步系统,2、数字化变电站对时钟同步的要求,时钟源+主时钟+时钟信号传输通道+时钟信号接口,二、数字化变电站时钟同步系统,3、时钟同步系统方案,时钟源1、卫星时钟GPS北斗南网要求必须有一台为北斗国网要求优先采用北斗,二、数字化变电站时钟同步系统,3、时钟同步系统方案,GPS卫星授时系统GPS是英文GlobalPositioningSystem的简称，而其中文简称为“球位系”。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。GPS的空间部分是由21颗工作卫星组成,它位于距地表20200km的上空,均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面4颗),轨道倾角为55。此外,还有3颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星。,二、数字化变电站时钟同步系统,3、时钟同步系统方案,北斗卫星授时系统中国正在建设的北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务（属于第二代系统）。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。中国计划2012年左右，“北斗”系统将覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球。北斗卫星授时精度为50纳秒,二、数字化变电站时钟同步系统,3、时钟同步系统方案,2、驻留时钟恒温晶振：和卫星失去同步后，24小时精度30E-9原子钟：在和卫星同步后，使原子钟的频率强制同步于卫星时钟信号，和卫星失去同步后，24小时精度1E-11目前使用的原子钟：氢(Hactare)、铯(Seterium)、铷(Russium)等。原子钟的精度可以达到每100万年才误差1秒2001年新研制的“全光学原子钟”精度是铯原子钟的10万倍,二、数字化变电站时钟同步系统,3、时钟同步系统方案,二、数字化变电站时钟同步系统,主时钟主时钟设备从多个时钟源通过时钟信号切换或最佳主时钟算法(BMC)给对时系统提供唯一的标准时钟同步信号对时系统中时钟源可以有很多个，但主时钟只有一个，主时钟是对时系统中唯一的基准时钟信号，也称标准同步钟,3、时钟同步系统方案,正常时取GPS1为主时钟GPS1异常时去GPS2作为主时钟两个GPS都异常后取GPS1的驻留时钟作为主时钟,对时方式脉冲对时(硬对时)主要有秒脉冲信号PPS(PulseperSecond)、分脉冲信号PPM(PulseperMinute),对时脉冲式利用GPS所输出的脉冲时间信号进行时间同步校准，获取UTC同步时间的精度较高，对时精度1us信号传输通道：电缆、光纤优点：对时精度高、易于实现缺点：只能对时到秒注：9-2LE标准中对1PPS光信号对时信号做了明确要求,二、数字化变电站时钟同步系统,3、时钟同步系统方案,对时方式串口对时(软对时)串行同步输出方式，是将时钟信息以串行数据流的方式输出。串口校时的时间报文包括年、月、日、时、分、秒信息。串口校时受串口通道传输距离的限制，RS-232传输距离30m，RS-422/485传输距离为150m。在常规变电站中由监控后台下发对时信息，串口对时精度无法保证串口对时往往和脉冲对时配合使用，弥补脉冲对时只能对时到秒的缺点,二、数字化变电站时钟同步系统,3、时钟同步系统方案,对时方式复合对时(脉冲对时+串口对时)常规变电站中经典对时方案，对于单个装置来说对时功能靠脉冲对时和串口对时共同完成,二、数字化变电站时钟同步系统,3、时钟同步系统方案,对时方式编码对时将同步信号和标准时间信息编为时间序列码输出到统一的对时总线上，装置解析出时间信息进行时间同步。目前变电站通常使用的信号载体是物理信号为RS-422/485电平的双绞线。编码时间信号有多种，国内变电站对时常用的为IRIG-B码编码对时是一种精度很高并且包含有标准时间信息的对时方法，采用编码对时就可以取代原变电站中复合对时方法，同时也不需要时钟设备输出大量脉冲时钟信号。,二、数字化变电站时钟同步系统,3、时钟同步系统方案,对时方式网络对时网络对时系统是针对自动化系统中的计算机、控制装置等进行校时方法，网络对时设备它从GPS卫星上获取标准的时间信号，将这些信息通过各种接口类型来传输给自动化系统中需要时间信息的设备（计算机、保护装置、故障录波器、事件顺序记录装置、安全自动装置、远动RTU），从而达到整个系统的时间同步变电站常用的网络对时方法：NTP/SNTP：网络时间协议（NetworkTimeProcotol）PTP(IEEE1588对时):精确时间同步协议（PrecisionTimeSynchronizationProtocol）,二、数字化变电站时钟同步系统,3、时钟同步系统方案,对时方式网络对时IEC61850对网络对时有的应用有非常明确的要求和模型功能方面：第5部分功能通信要求和装置模型的附件G中对IEC61850的时间同步任务规定：时间同步用于系统内各装置的同步。具有精确外部时间源的逻辑节点作为主时钟，统一类型的另一个逻辑节点作为后备主时钟。通过主时钟对各分部节点设置绝对时间；各分部节点时钟连续同步。为提高效率时钟同步通过协议层完成。IEC61850的时间模型见右图其中SNTP被作为网络时间同步的应用层协议,二、数字化变电站时钟同步系统,3、时钟同步系统方案,常规时钟同步系统结构,二、数字化变电站时钟同步系统,4、时钟同步系统结构,常规时钟同步系统结构,二、数字化变电站时钟同步系统,4、时钟同步系统结构,IEEE1588对时系统结构,二、数字化变电站时钟同步系统,4、时钟同步系统结构,二、数字化变电站时钟同步系统,5、时钟同步在数字化变电站中的应用,过程层采用9-1或9-2点对点，站控层使用SNTP对时，间隔层和过程层采用IRIG-B码对时,应用方案1,二、数字化变电站时钟同步系统,5、时钟同步在数字化变电站中的应用,完全过程层总线结构，站控层使用SNTP对时，间隔层和过程层采用IRIG-B码对时,应用方案2,二、数字化变电站时钟同步系统,5、时钟同步在数字化变电站中的应用,完全过程层总线结构，站控层使用SNTP对时，间隔层和过程层采用IEEE1588对时,应用方案3,二、数字化变电站时钟同步系统,数字化变电站采样同步IEC61850和电子式互感器的应用，数据采用分布式采集和网络传输，采用一种方法来保证采样的一致性是非常必要的，采样同步已经成为数字化变电站的一项关键技术采样环节：硬件同步软件同步,5、时钟同步在数字化变电站中的应用,二、数字化变电站时钟同步系统,采样同步方式硬件同步：各采样环节依靠统一的时间信号进行同步采样,5、时钟同步在数字化变电站中的应用,硬件同步应用：1、直接对采集器进行对时2、由合并器下发同步采样脉冲合并器采用序号同步、间隔层IED采用序号同步,二、数字化变电站时钟同步系统,5、时钟同步在数字化变电站中的应用,2019/12/12,34,可编辑,二、数字化变电站时钟同步系统,软件同步：使用自身时钟根据采样延时对多个采样接收进行插值同步,5、时钟同步在数字化变电站中的应用,软件同步应用：1、合并器采用插值同步2、间隔IED采用序号同步或插值同步,二、数字化变电站时钟同步系统,5、时钟同步在数字化变电站中的应用,二、数字化变电站时钟同步系统,合并器采用硬件同步的采样流程保护收到数据理论上只存在时间上延时，不存在相位上偏移,5、时钟同步在数字化变电站中的应用,1、网络时间同步协议简介2、网络对时原理3、PTP网络结构4、PTP时间服务5、PTP传输延时计算6、PTP的应用,三、网络对时协议,网络时间同步协议NTP,SNTP,PTP网络时钟同步协议NetworkTimeProtocol(NTP)Version3简单网络时钟同步协议SimpleNTP(SNTP)Version4精确时钟同步协议PrecisionTimeProtocol(PTP)Version2,三、网络对时协议,1、网络时间同步协议简介,NTP/SNTP简介NTP（NetworkTimeProtocol）是由美国德拉瓦大学的DavidL.Mills教授于1985年提出，除了可以估算封包在网络上的往返延迟外，还可独立地估算计算机时钟偏差，从而实现在网络上的高精准度计算机校时，它是设计用来在Internet上使不同的机器能维持相同时间的一种通讯协定。时间服务器（timeserver）是利用NTP的一种服务器，通过它可以使网络中的机器维持时间同步。在大多数的地方，NTP可以提供1-50ms的可信赖性的同步时间源和网络工作路径。NTP是一个跨越广域网或局域网的复杂的同步时间协议，它通常可获得毫秒级的精度。RFC2030Mills1996描述了SNTP（SimpleNetworkTimeProtocol），目的是为了那些不需要完整NTP实现复杂性的主机，它是NTP的一个子集。通常让局域网上的若干台主机通过因特网与其他的NTP主机同步时钟，接着再向局域网内其他客户端提供时间同步服务。,三、网络对时协议,1、网络时间同步协议简介,PTP简介：NTP的同步准确度可以达到200s，但是仍然不能满足测量仪器和工业控制所需的准确度。为了解决测量和控制应用的分布网络定时同步的需要，具有共同利益的信息技术、自动控制、人工智能、测试测量的工程技术人员在2000年底倡议成立网络精密时钟同步委员会，2001年中获得IEEE仪器和测量委员会美国标准技术研究所（NIST）的支持，该委员会起草的规范在2002年底获得IEEE标准委员会通过作为IEEE1588标准。IEEE1588的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”，IEEE1588标准的草案基础来自惠普公司的1990至1998年的有关成果，换句语说，安捷伦科技对IEEE1588标准作出重要贡献PTP的基本构思是通过硬件和软件将网络设备（客户机）的内时钟与主控机的主时钟实现同步，提供同步建立时间小于10s的运用，与未执行IEEE1588协议的以太网延迟时间1,000s相比，整个网络的定时同步指标有显著的改善,三、网络对时协议,1、网络时间同步协议简介,三、网络对时协议,NTP/SNTP：,t为服务器和客户端之间的时间偏差；d为两者之间的往返时间T2=T1+t+d/2;T2-T1=t+d/2;T4=T3-t+d/2;T3-T4=t-d/2;d=(T4-T1)-(T3-T2);t=(T2-T1)+(T3-T4)/2,2、网络对时原理,三、网络对时协议,两步法PTP对时原理：,主时钟和从时钟的时间偏差,主时钟和从时钟的传输延时,2、网络对时原理,三、网络对时协议,PTP对时三个主要环节：1、最佳主时钟算法BMC2、主从时钟偏差计算3、主从时钟传输延时计算,2、网络对时原理,PTP与NTP主要差别：对时原理：NTP/SNTP只使用软件进行同步计算，而IEEE1588既使用软件，亦同时使用硬件和软件配合，获得更精确的定时同步；传输方式：NTP使用基于第三层IP的单播、广播和多播，PTP使用基于第二层MAC的组播；通信模型：NTP严格基于UDP，PTP没有明确的要求，可以基于UDP也可直接到MAC层；PTP需要交换机的支持，目前支持PTP的交换机仅有RUGGEDCOM、MOXA和KYLAND,三、网络对时协议,2、网络对时原理,三、网络对时协议,PTP网络结构,3、PTP网络结构,三、网络对时协议,PTP网络节点类型：OrdinaryClock(OC)MasterClockSlaveClockPeertoPeerTransparentClock(P2PTC)EndtoEndTransparentClock(E2ETC)BoundaryClock(BC),3、PTP网络结构,三、网络对时协议,BC工作原理：,3、PTP网络结构,三、网络对时协议,BC工作原理：,3、PTP网络结构,三、网络对时协议,TC工作原理：,3、PTP网络结构,三、网络对时协议,TC工作原理,3、PTP网络结构,三、网络对时协议,边界时钟和透明时钟：主要为交换机设备的功能,边界时钟具有时间传递功能，但也存在误差的累计问题IEEE继保委员会PSRC(PowerSystemRelayingCommittee)在新的电力行业PTP时钟规范里建议采用TC,3、PTP网络结构,三、网络对时协议,根据时标服务不同分为一步法和两步法两步法：发送Sync报文本身，但并不带时标，专用以太网Phy芯片在Sync报文发送时自动记录时间紧接着发送一帧FollowUp报文，FollowUp中时标为Phy记录的Sync报文发送时刻,4、PTP时间服务,三、网络对时协议,一步法：1、Sync报文带时标，发送之前Phy芯片对报文进行修改，添加当前时间T2、PTP预测UDP/IP传输延时t，Sync报文时间为T+t一步法相对两步法对硬件Phy和网络的要求较高，目前一般采用两步法,4、P