智能变电站IEEE 1588同步时延优化方法
朱炎平1,2, 陆 俊1, 徐志强3, 王凯亮1
【摘 要】摘要: 针对智能变电站时间同步过程中通信网络的路径时延抖动导致同步精度下降问题,提出一种基于IEEE 1588时间同步协议的时延优化方法。首先分析智能变电站环境下路径时延抖动同步误差过程,实现同步误差产生机理的量化分析;然后阐述所提出的同步时延优化方法,方法在IEEE 1588协议框架下实现从时钟的基本时钟补偿基础上,拓展时延测量机制获取路径时延抖动的时钟补偿最佳估计值,实现从时钟同步时间的二次时钟补偿,减少路径时延抖动对同步精度影响;最后以智能变电站中典型IEEE 1588协议端到端透明时钟同步模式搭建仿真实验验证所提方法。实验结果表明所提方法能够提高智能变电站中从时钟同步精度和稳定性。
【期刊名称】电力系统自动化 【年(卷),期】2018(042)012 【总页数】6
【关键词】关键词: IEEE 1588协议; 时间同步; 时延抖动; 智能变电站
0 引言
智能变电站是智能电网的支撑节点,其中时间同步系统是保证变电站智能化的关键[1],同步时钟系统所提供的时间精度将决定智能变电站中一次、二次设备的控制精度和控制性能[2]。
IEC 61850标准将智能电子设备的时钟精度功能要求划分为5个等级(T1至T5),其中用于计量的T5等级精度达到1 μs。为此,IEC 61850引入了简单网络时间协议(simple network time protocol,SNTP)和IEEE 1588时间同步协议(以下
简称IEEE 1588协议)。SNTP标准同步精度能达到毫秒级,能够满足数字化变电站间隔层设备的对时精度需求[3-4],但达不到IEC 61850标准中T5等级精度要求。与之相比,IEEE 1588协议的同步精度达到亚微秒级,能够满足智能变电站对时间精度的要求[5-6],同时IEEE 1588同步网络具有可以与智能变电站中自动化网络共用的特点,可在站控层网络和过程层网络中直接运行[7-8],因此被广泛应用在智能变电站工程中。
目前,IEEE 1588协议同步优化研究工作主要在时钟路径的非对称和拥塞、频偏及误差累积方面[9-13]。文献[9]通过分析终端队列时延,提出不对称通信路径下的时钟同步补偿算法。文献[10]通过分析时钟偏差变化规律,实现从时钟时间补偿,减少同步周期内从时钟偏差累积。文献[11]通过计算时间窗内主从时钟偏差平均值更新从时钟以减少路径不对称性对时钟精度影响。文献[12]采用延迟分布估计实现分组滤波操作降低拥塞网络下路径延迟波动对IEEE 1588协议时间同步精度的影响。文献[13]采用剔除非对称延迟异常值阈值降低时延补偿误差实现IEEE 1588协议主从同步时钟校正。现有工作对同步通信网络的路径抖动因素尚未加以考虑。
另外，智能变电站应用场景环境复杂,通过交换机构建的时间同步网络与自动化通信网络共存,通常存在路径时延抖动的情况。本文针对主从时钟间路径对称情况,考虑智能变电站IEEE 1588协议时间同步网络下的路径时延抖动同步影响因素,提出一种基于IEEE 1588协议的时延优化时间同步方法。在IEEE 1588协议框架下实现从时钟的基本时钟补偿基础上,拓展时延测量机制获取路径时延抖动的时钟补偿最佳估计值,实现从时钟同步时间的二次时钟补偿以减少路径时延抖动对同步精度的影响。
1 变电站时延抖动同步误差分析
1.1 IEEE 1588协议同步原理
图1所示为IEEE 1588协议同步过程[6],其主要对主从时钟的同步消息通信实现同步控制:在同步周期Ts内,主时钟向从时钟发送同步消息同时从时钟接收同步消息,以此获取四个时间参数T1,T2,T3和T4实现时间同步。
假设Cs和Cm分别表示主时钟和从时钟的时间,则从时钟偏离主时钟的时钟偏差Td=Cs-Cm。若主时钟到从时钟以及从时钟到主时钟的端端路径时延分别记为Tms和Tsm,则时间参数有如下关系[6]: T2-T1=Tms+Td (1)
T4-T3=Tsm-Td (2)
当路径延时对称(Tms=Tsm)假设条件下,则从时钟的当前第k同步周期时间补偿值Toffset(k)按式(3)计算,有 (3)
设第k-1同步周期从时钟时间标记为Cs(k-1),则当前第k同步周期从时钟时间Cs(k)按照式(4)计算,在如图1中时间时刻Ta进行从时钟的时钟补偿,完成与主时钟的同步操作。
Cs(k)=Cs(k-1)+Toffset(k)=Cs(k-1)+Td (4)
1.2 路径时延抖动的同步误差分析
智能变电站时钟同步方式包括简单主从时钟同步、端到端透明时钟(end-to-
智能变电站IEEE 1588同步时延优化方法
