数字化变电站中通信设备时钟同步技术的研究

1与时钟同步相关的技术

目前，数字化变电站内的时钟同步技术主要

TimeProtocol）作为网络对时协议。SNTP是互联网网络时间协议（NTP，NetworkTimeProtocol）的简化标准，在一定的网络结构下，NTP对时精度可达Tl等级（1ms），广域网内误差范围为10~100ms。NTP/SNTP的网络应用虽然较成熟且方便，但是，实现T3等级精度很困难。2002年IECTC57第10工作组引入了IEEE1588标准用于数字化变电站内通信设备的时钟同步。IEEE1588定义了一种用于分布式测量和控制系统的精密时间协议（PTP，PrecisionTimeProtocol），其网络对时精度可达μs级，它具有高

精度的分布式网络对时特点，其精度能够达到数字化变电站通信业务对时钟同步的要求。因此，研究IEEE1588在数字化变电站中的具体应用具有重要意义。

有GPS（GlobalPositionSystem，全球定位系统）同步、SNTP（SimpleNetowrkTimeProtocol，简单网络时间协议）同步以及IEEE1588PTP（Point-To-

Point，点对点）网络精确时间同步协议。下面就三

种同步方式各自特点给以说明。

2IEEE1588PTP精密时钟同步协议

GPS在变电站自动化系统（SAS，SubstationAutomationSystem）中应用很多，GPS同步设备通

过硬接线利用脉冲信号进行同步对时，具有精度高、成本低的特点，其相关技术已很成熟。但对于站内其他设备和系统的对时，在通信协议和对时接口的兼容性上存在不足。

PTP系统中的时钟在结构上分为普通时钟（OC，OrdinaryClock）与边界时钟（BC，BoundaryClock），功能上解释为主时钟与从时钟。OC为只有一个PTP端口的对时源端或终端设备，BC为有多个PTP端口的交换机、路由器或智能设备。系统中的源时钟称为根时钟（GC，grandmasterclock）[1]。

IEEE1588有三种工作模式：BC，TCE2E

·6·

电力系统通信2010，31（213）

（EndtoEndTransparentClock）和TCP2P（Peer

toPeerTransparentClock）。

2.1BC模式

BC模式采用主从层次式结构来同步时钟，实

现机制如图1所示。

图2E2E模式实现机制

Fig.2RealizationmechanismofE2Emodel

图1BC模式的主从层次式结构

Fig.1Master-slavestructureofBCmodel

ΔS是SYNC报文在交换机中的驻留时间，ΔR是Delay_Req报文在交换机中的驻留时间。

主从时钟间的偏移量Offset和传输延迟

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为从端发送延迟请求报文的时间；T4为主端收到延迟请求报文的时间。这

里假设同步报文的收到延迟与延迟请求报文的发送延迟相同，即路径是对称的。

主从时钟间的偏移量Offset和传输延迟

Delay的计算公式为：

Offset＝[（T2－T1）－（T4－T3）－（ΔS－ΔR）]/2Delay＝[（T2－T1）＋（T4－T3）－（ΔS＋ΔR）]/2E2E模式的工作特点：

1）网络交换机并不传递时钟，它只是简单记

录同步报文及延迟请求报文进出网络交换机的时间；

Delay的计算公式为

Delay＝[（T2－T1）＋（T4－T3）]/2Offset＝[（T2－T1）－（T4－T3）]/2BC模式的工作特点：

1）必须内置高精度可调时钟源，以确保网络交换机PTP时钟的精确度；

2）网络交换机分别作为主、从设备收发各种IEEE1588帧，其必须完全支持IEEE1588协议

（包括管理报文等）；

2）E2E模式下的计算量要小于P2P模式，精度却要高于P2P模式；

3）E2E模式下在局域网内有很多终端设备

时，所有的延时请求报文都会汇聚给根时钟，对其造成较大响应负担，导致来不及响应，影响终端设备时钟同步精度。

2.3

TCP2P模式

P2P模式对同步报文和跟随报文的处理方式

3）BC网络交换机时钟传递的方式是逐级传

递，会产生时间误差积累。

与E2E模式大致相同，区别在于P2P网络交换机还需要事先测出主设备到交换机的线路时延，并将它加到Follow_up包的时间中。P2P网络交换机将延时请求和响应报文当做普通报文处理。其实现机制如图3所示。

主设备到网络交换机之间的线路延时定义为

2.2

TCE2E模式

E2E模式中网络交换机并不传递时钟，它只

是简单记录同步报文及延迟请求报文在交换机中的驻留时间，并且在后续报文的时间戳标记中把这部分时间扣除，其实现机制如图2所示。

Delay_1，网络交换机到从设备之间的线路延时定

·专题聚焦·卜宪德等数字化变电站中通信设备时钟同步技术的研究

·7·

义为Delay_2，从设备和网络交换机的时间差定义为Offset_2，ΔS为SYNC报文在网络交换机内的驻留时间，TS1、TS2分别是延时请求报文的时间接收时间和延时响应报文的实际发送时间。

设备的时钟同步手段有多种多样，只有研究和分析数字化变电站各层设备对时钟同步精度的要求，比较各种时钟同步技术的优缺点，才能提出适合于数字化变电站内设备间时钟同步的完整解决方案。

数字化变电站系统分为过程层、间隔层和站控层三层网络[2]，不同网络之间需要统一的全站统一同步时钟源作为授时和同步的基准。过程层对同步精度要求：过程层对同步精度要求最高，为

μs级。过程层要求信号具有实时性和一致性，而

保证采集数据的实时性和一致性的基础和关键就是高精度的同步信号。间隔层对同步精度要求为

ms级；站控层对同步精度要求为ms级。

IEEE1588是网络对时方式，变电站通信网

络拓扑的不同对其应用有较大影响。基于IEC

61850的数字化变电站典型网络结构如图4所示[3]。

图3P2P模式实现机制

Fig.3RealizationmechanismofP2Pmodel

主从时钟间的偏移量Offset和传输延迟

Delay的计算公式为：

Delay＝[（T4-T3）-（TS2-TS1）]/2Offset＝（T2－T1）-ΔS-Delay_1-[（T4-T3）-（TS2-TS1）]/2

P2P模式的工作特点：

1）P2P模式要求网络交换机测量主设备到它

的线路延时，并将延时值和SYNC包驻留时间一起加到Follow_up包中；

注：红线为冗余网络。

图4数字化变电站典型的通信网络结构

Fig.4Typicalcommunicationnetworkstructureof

digitalsubstations

2）P2P模式需计算和测量的时间量远多于E2E模式，因此其测量精度不如E2E；

3）P2P模式下网络交换机将过滤所有的延时

请求和响应报文，根时钟只需处理和其直接相连的网络交换机发出的延时请求报文。

4

IEEE1588在数字化变电站的应用解决方案

为便于对同步过程的掌控，对IEEE1588的

站内应用进行限制：①过程层、间隔层以及变电站层设备只作为对时网络末节点，扮演从时钟角色；

3

IEEE1588PTP在变电站内的应用分析

由以上分析可以看出，用于数字化变电站内

②通信网络中的交换机或路由器作为BC或从时钟参与整个对时过程；③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，

·8·

电力系统通信2010，31（213）

但不是交换机或路由器。经过上述限制，数字化变电站对时网络的层次变得清晰，功能明确，通用性更强[4]。

对于图4所示的网络结构，由于过程网络与站级网络相互独立，且有前面所述限制，过程网络与站级网络的对时将被隔开，对此有2种解决方法[5]，如图5、图6所示。

图5全站设备时钟同步解决方案1

Fig.5No.1solutionoftimesynchronization

图6全站设备时钟同步解决方案2

Fig.6No.2solutionoftimesynchronization

方案1：过程网络与站级网络都采用IEEE

1588进行高精度对时。专用GC分别连接到过程

网络与站级网络，如图5所示。

GC接入过程网络与站级网络中的交换机，如图4中的switch5和switch7，对时报文经由这

些BC在GC与从时钟间进行交互，完成对时。此方法需要全站过程层和间隔层设备的以太网芯片、变电站层计算机的网卡以及通信网络中的交换机或路由器都支持IEEE1588硬件对时，投资较大，但全站设备都能实现高精度时钟同步。

方案2：过程网络采用IEEE1588对时，站

级网络采用SNTP对时，如图6所示。

SNTP服务器通过一个支持IEEE1588的网

口作为从时钟与GC对时，通过另一不需支持

IEEE1588的网口接入站级网络，以SNTP方式

对变电站层设备对时。过程网络的对时方法与方案一相同。此处的SNTP服务器可以和GC优化成一个时钟服务器，该时钟服务器一个网口以

SNTP对时，一个网口以IEEE1588对时，这样可

以优化功能配置，节省投资。

此方法针对变电站层设备对时钟同步精度要求较低的特点，省去了变电站层计算机网卡及站级网络中的交换机或路由器对IEEE1588的支持，将功能实现与经济性很好地结合在一起。

5时钟同步系统冗余的实现

鉴于数字化变电站在电网中的重要地位，在

组建站内通信网络和配置对时设备时，冗余措施必不可少，如图4中红线所示。

以图5过程网络对时为例，IEEE1588对时的冗余备用可按下述方式配置：站内装设2套

GC（命名为：GCl与GC2），GC上可以有多个支

持IEEE1588的网口。GCl与GC2各有一个网口接至图4中的switch7，另一个网口接至switch8。

GCl作为主GC在主过程网络与冗余过程网络上

发送对时报文，GC2作为备用。当GCl正常工作时，GC2能接收到GCl发送的正确报文；当GCI工作不正常时，GC2可能收不到GCl发送的对时报文或者收到错误的报文，据此可以判断GCI出

现故障并接替GCl进行对时服务。

对于过程层与间隔层设备，主网口与冗余网口都会收到对时报文。如果主网口正常工作时冗余网口不工作，冗余网口MAC层收到的报文直接被后续报文覆盖，当主网口故障时，设备CPU判断后切换到冗余网口；如果主网口与冗余网口相互独立工作，则由设备CPU进行判别后对报文做出取舍。

6结束语

这里仅对比较简单的数字化变电站通信网

络进行了分析，在实际应用中，通信网络是比较复杂的，而解决方案都是类似的。

·专题聚焦·卜宪德等数字化变电站中通信设备时钟同步技术的研究

·9·

（ZL）

参考文献

[1]IEC61588,precisionclocksynchronizationprotocolfor

networkedmeasurementandcontrolsystems[S].2004.[2]TC57-WG57,IEC61850-5,CommunicationRequire-mentsforFunctionsandDeviceModels[S].2001.[3]TC57-WG57,IEC61850-7,Communicationnetworks

andsystemsinsubstations[S].2001.

[4]赵上林,胡敏强,窦晓波,等.基于IEEE1588的数字

化变电站时钟同步技术研究[J].电网技术,2008,32

27-30.

卜宪德（1978—），男，江苏徐州人，高级工程师，从事电力通信系统、数字化变电站通信信息系统研究。

石秋生（1977—），男，江苏徐州人，工程师，从事电力自动化系统、数字化变电站时间同步技术的研究。

张

浩（1981—），男，江苏盐城人，工程师，从事电力

线载波通信研究。

何迎利（1976—），男，江苏南京人，高级工程师，从事同步时间系统研究。

（收稿日期：2010-05-10）

(21):13-15.

[5]高志远,刘长虹,刘瑞平.厂站自动化系统中应用网络

时间同步技术探讨[J].电力自动化设备,2006,26(7):

StudyonClockSynchronizationTechnologyforCommunicationEquipment

inDigitalSubstations

BUXian-de,SHIQiu-sheng,ZHANGHao,HEYing-li

（StateGridElectricPowerResearchInstitute,Nanjing210003,China）

Abstract:Thispaperintroducesthreekindsoftimesynchronizationtechnologiesusedbycommunicationequipmentindigitalsubstations,andanalysestheadvantagesanddisadvantages.ItdiscussestheinternationalstandardofIEEE1588PTP(PrecisionTimeProtocol),andanalysestheworkingmodesandputforwardthesolutions.Theredundancyinclocksynchronizationsystemisalsodiscussedinthepaper.

Keywords:digitalsubstation；clocksynchronization；communicationequipment

电力光纤到户试点工程在沈阳开工2010年6月13日上午，

“沈阳市电力光纤到户试点工程”建设开工仪式在辽宁省沈阳市举行，国家电网公司副总经理郑宝森、沈阳市市长陈海波共同为沈阳光纤到户试点工——八王寺圣水源小区揭程—牌。这标志着电力光纤到户试

点工程建设全面启动，沈阳市电力光纤到户试点工程建设进入了实质性的操作阶段。

“沈阳市电力光纤到户试点工程”是在低压通信接入网中采用光纤复合低压电缆（O-互动等功能。电力光纤到户解决了信息高速公路的末端接入问题，可满足智能电网用电环节信息化、自动化、互动化的需求，在提供电能的同时，实现电信网、广播电视网、互联网的同网传输，为用户提供更加便利和现代化的生活方式。电力光纤到户能够实现网络基础设施的共建共享，大幅降低“三网融合”实施成本，提高网络的综合运营效率，在节能环保方面优势明显，不仅是构建节约型社会的重要手段，还是提高社会信息化水平的有效途径。

（辽宁省电力公司）

PLC），将光纤随低压电力线敷

设，实现到表到户，配合无源光网络技术，承载用电信息采集、智能用电双向交互、“三网融合”等业务，可实现电表、水表、煤气表信息的远程采集，家居智能用电分析与控制，太阳能、风能等绿色清洁能源的应用，以及用户、社区与95598系统之间的信息