持IEEE 1588v2協(xié)議，實現(xiàn)變電站自動化精準計時同步

時間：2012-08-11 22:16:29

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[導(dǎo)讀]持IEEE 1588v2協(xié)議，實現(xiàn)變電站自動化精準計時同步

在世界航路快速發(fā)展的時代，大英帝國之所以能夠取得巨大的海上壯舉，得益于一個新發(fā)明——航海天文鐘，它可確保在大海航行的時候獲得精準的時間。在格林威治港口，將天文臺表設(shè)置為本地時間，然后和當天太陽所在位置的時間進行比較，船長就可以計算出當前位置的經(jīng)度，精度非常準。天文臺表帶來了巨大的轉(zhuǎn)變，這種革命性的轉(zhuǎn)變使得英國探險家遠勝于當時其他國家的競爭對手。即使現(xiàn)在大英帝國無法占據(jù)全球，但英國發(fā)明的航海天文鐘卻帶來了持久的影響，格林威治時間(GMT)已經(jīng)成為其他時區(qū)設(shè)置時間的標準。

對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)而言，精準計時同樣也會帶來巨大優(yōu)勢。特別是配網(wǎng)，更需要精準計時和網(wǎng)絡(luò)同步，將分布式設(shè)備和常規(guī)電力設(shè)備都協(xié)調(diào)一致。高精度級別為電網(wǎng)帶來了突破性革命——智能電網(wǎng)可通過自動且智能分配電力，滿足用戶的按需分配，實現(xiàn)更高水平的效率性、安全性和可靠性。

本文探討了現(xiàn)代工業(yè)體系，尤其是變電站在面對網(wǎng)絡(luò)同步時所遇到的一些限制。此外，還概述了如今常用的計時技術(shù)，如NTP和GPS，并介紹IEEE 1588 v2精準時間同步協(xié)議(PTP)將如何改變您的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。

1時間同步技術(shù)概述

在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，時間同步主要指該網(wǎng)絡(luò)的所有不同設(shè)備都使用共同時鐘，來協(xié)調(diào)設(shè)備之間的通訊。網(wǎng)絡(luò)集成商目前有多種不同的時間同步技術(shù)可選，每種技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點，但都不是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的最佳選擇：Inter-range Instrumentation Group (IRIG)、網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)和全球定位系統(tǒng)(GPS)。

對工業(yè)系統(tǒng)而言，如變電站自動化系統(tǒng)都需要準確的時間同步，來協(xié)調(diào)多個不同子系統(tǒng)和設(shè)備之間的通訊。然而，許多現(xiàn)有的技術(shù)無法滿足工業(yè)自動化測量和控制系統(tǒng)的需求。

精度：工業(yè)網(wǎng)絡(luò)需要納秒計數(shù)，但大多數(shù)傳統(tǒng)設(shè)備根本無法達到這個級別。例如，變電站自動化網(wǎng)絡(luò)需要納秒級別來采樣，采集如故障記錄、遠程監(jiān)控、遠程控制等數(shù)據(jù)，以保證關(guān)鍵應(yīng)用隊員數(shù)據(jù)精準性的要求。IRIGB和NTP在一個數(shù)量級，速度太慢，無法達到納秒級的精度。即使在理想狀態(tài)下，NTP的精度也只是百微秒級。

費用：GPS網(wǎng)絡(luò)通過非常精準的原子鐘提供高度精準的時間信息，但為了獲得這些信息，網(wǎng)絡(luò)中必須每個節(jié)點都安裝GPS接收器。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中每臺設(shè)備都需要各自的GPS接收器，這對于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)來說，成本高昂，不切實際。如果可以減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的個數(shù)，或者更有效使用GPS接收器，那么GPS會變得實際，也可以使整個網(wǎng)絡(luò)受益于GPS系統(tǒng)來實現(xiàn)精準計時。

2 IEEE 1588v2專為工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計，可以在一個合理的成本內(nèi)實現(xiàn)高精度。

NTP、GPS和IRIGB不具備變電站運行所需要的技術(shù)能力。幸運的是，IEEE 1588v2精準時間協(xié)議(PTP)是專為工業(yè)測量網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)而設(shè)計的協(xié)議。在IEEE 1588v2網(wǎng)絡(luò)中，主時鐘決定了整個變電站自動化系統(tǒng)的參考時間。以太網(wǎng)交換機則作為邊界時鐘或透明時鐘，其他設(shè)備(如測量單元、IED、保護設(shè)備)都定義為普通時鐘。所有這些設(shè)備都被主時鐘集合在一個主從同步的層級網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中。如下圖所示，主從設(shè)備之間交換PTP包，自動調(diào)整普通時鐘，從而有效同步整個網(wǎng)絡(luò)。在這個架構(gòu)里，只有主時鐘需要連接GPS，然后將數(shù)據(jù)準確的分發(fā)到網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備。

一個IEEE 1588v2系統(tǒng)只需要一臺GPS接收器，可為許多設(shè)備提供高度精確的時間信息。支持IEEE 1588v2的以太網(wǎng)交換機可確保時間戳精度在1微妙內(nèi)，并可配置為主時鐘、邊界時鐘或透明時鐘。要實現(xiàn)真正的精確，網(wǎng)絡(luò)其它設(shè)備都需要需要支持IEEE 1588v2：在工業(yè)計算網(wǎng)絡(luò)中，兼容IEEE 1588v2的工業(yè)計算機起到了普通時鐘從以太網(wǎng)交換機接受同步時間數(shù)據(jù)的作用。

當整個網(wǎng)絡(luò)支持IEEE 1588v2，系統(tǒng)可在納秒級下協(xié)調(diào)設(shè)備，并仍然保持完全同步。這種協(xié)調(diào)能力尤其適用變電站系統(tǒng)，這就是為什么IEEE 1588v2作為IEC 61850-2標準的一部分，用于電力自動化的通訊需求。國際電工委員會將IEEE 1588v2納入標準，是因為它能為變電站自動化和電力網(wǎng)絡(luò)提供更精確的時間同步，優(yōu)勢如下：

事故預(yù)防：盡早檢測電網(wǎng)問題，盡早確定干擾位置，實時進行電力檢測

準確的故障記錄和事件記錄器：由于事件記錄器可精確到納秒級，故障分析可以更精準。

更有效地利用資產(chǎn)：減緩網(wǎng)絡(luò)擁塞，隨時監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)。

按需響應(yīng)：可實現(xiàn)按需使用電力計費、虛擬電源發(fā)電和自主停電管理。

IEEE 1588v2提供納秒級的精度，極具成本效益，使變電站及其他電力設(shè)施網(wǎng)絡(luò)像當年的英國航海事業(yè)一樣，具有極高的競爭優(yōu)勢。作為“智能電網(wǎng)”的一個組成部分，高度同步的變電站可更高效、更經(jīng)濟、更穩(wěn)定、更靈敏。這些優(yōu)勢使電力供應(yīng)商增加業(yè)務(wù)盈利能力，并有效減少對環(huán)境的影響。

3 Moxa——讓您的變電站系統(tǒng)更同步

3.1 Moxa PTP-7728-PTP IEC 61850-3快速工業(yè)以太網(wǎng)交換機支持最新的IEEE 1588v2技術(shù)，為變電站自動化和相關(guān)應(yīng)用提供精準時間同步。PT-7728-PTP支持：

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3.1.1最高14個100BaseFO(多模ST接口)或100BaseTX口，1個BNC連接頭，每個端口支持IEEE1588 v1和v2硬件時間戳，BNC端口支持脈沖數(shù)出(pps)。

3.1.2在終端到終端模式下，透明時鐘和邊界時鐘只需1步和2步即可實現(xiàn)同步精準度為納秒級。

3.1.3在點對點模式下，透明時鐘和邊界時鐘只需2步即可實現(xiàn)同步精準度為納秒級。

3.1.4網(wǎng)絡(luò)時鐘同步精準度在納秒級

3.1.5時鐘同步用于較大規(guī)模的分布式變電站系統(tǒng)

3.1.6實現(xiàn)低成本組播通訊，例如以太網(wǎng)絡(luò)

3.1.7系統(tǒng)變化時，可實現(xiàn)快速重新同步

3.1.8安裝和維護方便

3.2為完善你的系統(tǒng)，Moxa的DA-683-LX嵌入式計算機同樣支持IEEE 1588v2。