摘要：本文根据广域设备保护系统的状况，分析GPS在广域设备保护系统时钟同步中的缺点，提出了IEEE 1588在广域设备保护系统中应用研究，依据广域设备保护系统采用的SDH光纤自愈环网，根据其特性，分析IEEE1588实现原理，提出两种不同的IEEE1588实现方式，并根据广域设备保护系统的特点分析可行性，同时分析广域设备保护系统中延时测量机制，选择P2P延时测量机制。为IEEE1588在广域设备保护系统中的应用做了可行性研究。
关键词：广域设备保护 IEEE1588 SDH 测量机制
中图分类号：TM734 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）01-0046-03
1 引言
广域保护的概念是由国际大电网会议提出和定义的，它指依赖电力系统多点信息，对故障进行快速、可靠、精确的切除，同时分析故障切除对系统安全稳定运行的影响，并采取相应的控制措施，提高输电线可用容量或系统可靠性。同时实现自动控制功能的系统，成为广域保护系统[1]。
而随着计算机技术和网络通信技术的高速发展，以及数字化、智能化变电站的推出，为广域继电保护的实现提供有利的技术条件与支持[2]。其能在传统广域保护系统的基础上，实现快速的设备继电保护，加快系统的反应速度，有利于故障的定位与处理，因此，广域设备保护系统有更大的应用空间和前景。
电网广域信息是广域设备保护系统保护策略制定的依据，实时、快速的收集并处理整个电网的同步信息是实现广域设备保护的基础。对于目前广域设备保护系统来说，时间同步主要由GPS对时装置组成，采用分立结构。对需要时间同步的系统、装置，设置GPS对时装置。由于GPS对时装置是离散的，因此对时装置只受GPS控制，它们之间是相互独立的。目前电网中采用的时间同步方式就是离散型组网方式。实践证明，由于各调度中心、厂站二次系统采用的对时方式有问题、采用的GPS装置差异很大，也没有有效的手段来对系统、装置的时间进行统一维护、监控，该方式完全不适用于电网，且目前的时间同步情况已经给电网故障分析带来了一定的困难。并且由于GPS由美国军方掌控，其可用性在战争、制裁等特殊时期可能会受到影响，存在一定使用风险。
本文针对目前广域保护系统分布式GPS 装置差异，造成的时钟同步的问题，提出基于SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字体系光纤自愈环网）采用IEEE1588实现原理，通过两种不同的IEEE1588实现方式研究，在广域设备保护系统时钟同步做出可行性研究，为广域系统提供较好的时钟同步方案。
2 广域设备保护网络
由于广域设备保护网络数据通信在变电站系统内的重要性，实时、可靠的数据通信成为系统的技术核心。广域设备保护系统的连续性、瞬时性和同时性决定了通信网络必须具有如下基本功能和特点：
实时性：变电站系统的数据网络要及时地传输现场的实时运行信息和继电保护、稳定控制信息，因此网络必须很好地保证数据通信的实时性。
可靠性：变电站内通信环境恶劣、干扰严重，而电力系统通信对整个变电站自动化系统的正常运行起着重要作用，因此通信系统必须保证高可靠性。
因此，基于以上两点要求，同时考虑到电力通信系统的现状[3]，特提出了在国家电力数据网的基础上，以SDH光纤自愈环网为载体的通信系统。通信系统如图1所示，各个变电站内信息，根据系统业务需求进行上送，广域设备保护IED（智能电子设备）再通过SDH设备上送至SDH网络，各个广域设备保护IED都可以从网络上获取自己需要的信息，同时依据获得的广域信息，做出相应的保护和控制决策。
3 广域设备保护系统时钟同步需求分析
电力系统对时间同步精度有不同的等级要求，对时精度需要原则是满足被授时设备本身的最小分辨率即可。目前我国将电力系统被授时装置对时间同步准确度的要求大致分为以下4类[4]：
（1）时间同步准确度不大于1μs：包括线路行波故障测距装置、同步相量测量装置、雷电定位系统、电子式互感器的合并单元等。
（2）时间同步准确度不大于1ms：包括故障录波域时钟同步器、SOE装置、电气测控单元/远程终端装置（RTU）/保护测控一体化装置等。
（3）时间同步准确度不大于10ms：包括微机保护装置安全自动装置、馈线终端装置（FTU）、变压器终端装置（TTU）、配电网自动化系统等。
（4）时间同步准确度不大于1s：包括电能量采集装置、负荷/用电监控终端装置、电气设备在线状态检测终端装置或自动记录仪、调度管理信息系统（DMIS）、企业管理信息系统（MIS）等。
综合上述分析，广域设备保护系统所要求的时钟同步，根据保护业务不同，对时钟同步也有着不同的要求，比如同步相量测量装置PMU要求精确度达到1us，而基于广域的失灵保护与防过负荷连锁跳闸对时钟同步要求仅仅1ms。
4 IEEE1588协议
IEEE 1588V2是一种精确时间同步协议，简称PTP（Precision Time Protocol，精确时钟协议），其基本思想是通过设备软硬件配合，利用网络的对称性和延时测量技术，记录同步时钟信息的发出时间和接收时间，并且给每一条信息加上时间标签。有了时间记录，接收方就可以计算出自己在网络中的时间误差和延时，从而实现网络上从设备的内时钟和主控机的主时钟同步[5]。
IEEE 1588V2可以同时实现频率同步和时间同步；同步精度高，可达亚微秒级；网络的拥塞、丢包和时延可以通过点到点的方式解决，业界标准统一。缺点是不支持非对称网络，需要硬件支持，而且时间传递的精度保证主要依赖于两个条件：计数器频率准确和链路的对称性。同时，使用IEEE 1588V2进行频率同步时虽然可以独立于同步以太网实现频率同步，但相对于同步以太网，IEEE有较长的收敛时间，频率精确度依赖于时戳的颗粒度。（见图2）
从时钟相对于主时钟的偏差（offset）和传输延时（delay）计算公式为：
IEEE系统采用主从层次式结构来同步时钟，实现机制如图1所示。图中：T1为主端发送同步报文的时间，T2为从端收到同步报文的时间；T3为从端发送延时请求报文的时间，T4为主端收到延时请求报文的时间。这里假定同步报文的收到延时与延时请求报文的发送延时相通，即路径是对称的。
5 IEEE1588在SDH网络上的实现
IEEE 1588的高精度时间同步的原理。协议适用于以太网环境下，使用报文的形式进行协议传输。由于在SDH网络中，网元不能直接对完整报文进行直接传输，所以在实现IEEE1588时采用分配固定带宽的方式实现协议[6]。
方式一：
SDH信号使用STM-N信号帧结构进行数据传输.ITU-T规定了STM-N的帧是以字节（8bit）为单位的矩形块状帧结构，其中RSOH和MSOH为STM-N信号开销，开销的功能是完成对SDH信号提供层层细化的监控管理功能。STM-N帧的开销组成可参考文献。在IEEE 1588的SDH实现中，创新地使用FPGA在STM-N信号的开销中下插IEEE 1588报文信息，实现IEEE 1588协议。对于STM-1信号，开销包括位于帧中的（1-3）行×（1-9）列的RSOH和位于（5-9）行×（1-9）列的MSOH。其中所有未标记字节都未使用。在IEEE 1588的SDH实现过程中，将利用S1字节后面的两位作为IEEE 1588协议传输字节，命名为S2和S3，位于开销第9行的第2、3列。
即使用开销字节S1后面的两个字节作为IEEE 1588协议传输字节。在SDH传送IEEE 1588报文时，首先在S2字节注明报文类型，再将报文切片放入每一个STM-N的S3字节中。
方式二：
在SDH网络中，单独划分出2M带宽的传输通道[8]，IEEE1588的同步报文、跟随报文、延时报文均在传输通道上传送，以一个SDH设备为主时钟，相应的SDH设备为边界时钟，每个边界时钟都有一个slave状态端口，通过这个slave端口与主时钟（或上一级边界时钟的master端口）进行同步。边界时钟除一个端口是slave状态外，其他端口均为master状态，master端口与从时钟（或下一级边界时钟的slave端口）又组成了一个master-slave对，来调整从时钟（或下一级边界时钟）。即通过边界时钟进行时钟同步的网络使用逐级同步的方法避免了网络交换设备延时及延时抖动对从钟偏差计算的影响。（见图3）
根据SDH双纤无缝环网的特性，可以看出，在普通配置时，同步报文的收到延时与延时请求报文的发送延时不相同，即路径是不对称。工作时，若SDH1为主时钟，SDH2为边界时钟，那么主时钟发送同步报文的路径为SDH1-SDH2。当时从时钟发送的延时请求报文路径为SDH2-SDH3-SDH4-SDH1。应此在引用IEEE1588时，实现机制将会遇到困难。这时必须将IEEE1588报文通道配置为直接往返模式，而其他业务报文则配置为顺时针传送，因此能很好的解决通道不对称问题，所以在基于SDH自愈环网的广域设备保护系统，方式二是一种可行的方案，能在自愈环网中实现IEEE1588的时钟同步功能，满足广域网络时钟同步的需求。
6 广域设备保护系统延时测量机制
广域设备保护系统与局域网络相比有其自身的特点：（1）通信距离长，广域网络可能达到数千公路；（2）通信节点多，每一个接入点都需要SDH设备进行转接[7]。因此在广域网络中的时钟同步应该考虑延时测量机制的差异。报文通过网络交换设备是有延时的，并且随网络流量和报文长度不同，通过网络交换设备的延时时间是不固定的，即存在延时抖动现象。从时钟必须知道报文通过网络交换设备的延时，否则就会有较大的同步误差。
在IEEE1588第二版协议中，提供了2种延时测量机制：delay request-respond机制和peer delay机制。delay request-respond机制常常用于包含E2E TC的网络，因此通常称为E2E（end to end，端到端）延时测量机制；peer delay机制用于包含P2P（peer to peer，点到点）的网络，因此通常称为P2P延时测量机制。这两种延时测量机制有着不同的延时测量方法，因此也有不同的特点，分别适合于不同的应用场合。在电力行业IEEE1588应用规范C37.238中，推荐采用P2P机制。其机制如图4所示，每一个带箭头曲线均表示一个完整的链路延时测量过程，箭头所指方向的链路延时由箭头所指端口进行计算。在图中的同步网络中，通信链路的两个端口是对等的，都要计算本链路延时。延时报文交互是在链路的2个端口间进行的。
从图4可以看出，在P2P延时测量机制中，主钟只与直接相连的网络交换设备有延时报文交互，因此在P2P TC的延时测量机制中，没有对从钟数量的限制。同时，由于故障或网络拓扑变化，时钟同步也不会产生跳变。而E2E延时测量机制，延时报文交互是在主钟和每一个从钟之间进行的，但主钟因为硬件资源所限，每秒能处理的延时请求报文有一个上限，因此在E2E延时测量机制中，网络中从钟数量是有上限的。广域设备保护由于其地域跨度较大，节点较多。因此对于其来说，比较二者，P2P延时测量机制能比较好的满足时钟同步的要求。
基于IEEE1588原理实现的广域时钟同步，在理论上能很好的完成对时功能，为避免在工程实践中出现的异常情况，在某些重要地点，可以引入原子钟或者GPS。这样，可以实现网络时钟的冗余，既可以通过比较系统时钟和独立时钟识别系统的同步程度，又可以作为后备时钟，在系统失步时保证时钟的可靠性和稳定性。在最大程度上因失步造成的保护误动或其它故障。
7 结语
通过上述分析，可知IEEE1588在广域设备保护系统中存在着极大的应用空间，它能在精度、稳定性、可靠性、成本等方面满足电力系统广域时间同步更进一步发展的要求的，因此应该采用IEEE1588时钟同步在广域设备保护系统中进行尝试，这样能为广域电网带来极大地革新，并解决目前由于分布GPS时钟同步带来的问题。因此本文能为实现广域设备保护系统的精确时钟同步起到启发性的作用。
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