GPS北斗卫星授时服务器（NTP）设计及技术应用

GPS北斗卫星授时服务器（NTP）设计及技术应用

摘   要   :    根   据 IEC 61850 标   准   和   实   际   应   用   情   况   , 介   绍   了   厂   站   自   动   化   系   统   对   时   间   精   确   性   的   要   求   、 对   网   络 对 时 方 式 的 需 求 及 目 前 厂 站 自 动 化 系 统 中 最 常 见 的 对 时 实 现 方 案 , 特   别   关   注   了   网   络   对   时   的   精   度   问 题 。 结   合   系   统   保   持   时   间   的   原   理   、 网   络   时   间   协   议 ( NT P ) / 简   单   网   络   时   间   协   议   ( SNT P ) 的   最   新   进   展   及   其   偏 差 定 性 分 析 和 有 关 典 型 试 验 数 据 , 得   出   以   下   结   论 : 对   于   站   控   层   节   点   机 , 完   全   可   采   用   网   络   对   时   方   式   ; 若 能在时间度上取得一定的改善 , 则有可能实现间隔层和过程层设备部分或者全部网络化对时 。  

引 言

厂 站 自 动 化 系 统 的 正 常 运 行 离 不 开 时 间 的 准 确 计 量 , 而   且   需   要   高   精   度   的   时   间 , 否   则   就   会   因   为   时   间   不 确 定 性 引 发 许 多 问 题 [ 1 ] , 例   如   : 故   障   录   波   信   息   失   去   一 定 精 度 的 时 间 参 照 将 降 低 其 有 效 性 [   2 ] ; 分   相   测   量 装 置因时间误差可能引起较大误 差 [ 3 ]   。

目   前   , 在   实   际   应   用   中   , 采   用   最   多   的   方   式   , 是   利   用 全 球 定 位 系 统 ( G P S ) 提   供   精   确   时   间   , 通   过 G P S 接 收

机把该时间引入变电 站 , 再通过 秒 ( 分 ) 脉   冲   、 IRI G- B

码   、 DC F 77 码 或 者 R S- 232 串 口 报 文 的 方 式 给 全 站 部分或全部装置对 时 [ 4 - 7 ] 。

如 果 全 站 的 设 备 和 节 点 机 都 直 接 通 过 以 上 直 接

连线 方   式   对   时 , 虽   然   精   确   度   有   所   提   高 , 但   就   要   求   采   用 多 个 G P S 接   收   机   或   者   多   个 G P S 扩   展   箱   , 使   应   用   成   本

增高 , 并且接线麻烦 。

随   着   厂   站   自   动   化   系   统   走   向   网   络   化   , 间   隔   层   装   置 开始 普 遍 直 接 上 网 。 利   用   无   处   不   在   的   网   络   进   行   网   络

对时也开始越来越引 起人们的注意和探讨 。 文 献 [ 8 ]

讨   论   了   网   络   时   间   协   议   ( N T P ) 在   电   力   自   动   化   设   备   同   步 中的应用 , 笔者认为有必要作更深一步的探讨 。

随   着 IEC 61850 的   推   广   , 相   应   于 IEC 61850 的   国 内电力   行   业   标   准   正   在   加   紧   制   定 ( 到   写   稿   时   为   止   , 部   分

已   正   式   颁   布   或   正   在   送   审   、 报   批   ) 。 在 IEC 61850 站   内 时 间 同 步 模 型 中 , 除   了   少   数   几   台   时   间   装   置   是   直   接   从

外   来   高   精   度   时   钟   源   获   取   时   间   的   , 其   他   大   量   站   内   装   置 和站 控 层 节 点 机 则 是 通 过 网 络 对 时 。 采   用   简   单   网   络

时间协 议 ( SN T P ) 的方式获取时间 。 可见网络对时 是厂   站   内   时   钟   同   步   系   统   中   一   种   重   要   的   同   步   方   式   。 这   里 最 重 要 的 问 题 是 : 对   时   精   度   是   否   能   够   达   到 IEC 61850

的要求或者实际装置完成正常功能所需要的精度 。

本文将结 合 IEC   61850 标准 、 网络时 间   同   步   技   术

发 展 以 及 厂 站 自 动 化 系 统 中 目 前 的 对 时 应 用 情 况 和

实   际   需   要   , 探   讨   厂   站   自   动   化   系   统   中   网   络   时   间   同   步   技 术 的应用 , 以期对实际工作能有所帮助 。

1    对时间度的要 求

厂   站   自   动   化   系   统   对   时   间   精   确   度   的   要   求   , 随   装   置 和 节 点 机 的 不 同 而 有 所 不 同 , 依   据   于   它   们   所   要   实   现 的功能确定 。

例 如 , 在 站 控 层 的 后 台 机 上 , 目 前 对 时 间 精 度 要

求最高的是状态变位 ( CO S ) 、 事件顺序记 录 ( SO E ) 的   处 理   。 SO E 的 时 标 信 息 是 由 间 隔 层 装 置 提 供 的 , CO S 的 时 标 则 是 由 监 控 后 台 机 提 供 的 , 这 2 个   信   号   要   互 相比对 。 目前 , 国内所见的标准或规范对当 地   监   控   后 台 的 时 间 精 确 性 要 求 相 对 较 低 , 一   般 CO S 的   时   标   只 要 到 秒 就 可 以 了 , 即   在   站   控   层   , 节   点   机   上   的   时   间   目   前 只要到秒 。 但 是 , 根 据 IEC 61850 具   体   实   现   精   度 应   该   比   功   能   要   求   精   度   高   一   个   数   量   级 的 要 求 , 站 控 层 节 点 机 的 时 间 精 度 至 少 应 在 100 ~ 500 m s 。

如果后台节点机同时充当主时 钟 / 时间服务 器 ,

则对时间精度的要求较高 。

在   间   隔   层   的   装   置   一   级   , 则   有   更   高   的   时   间   精   度   要 求 。 例如 , 对于同步 相量测量装置 , 周期 是 20 ms , 1 ms

的   误   差   就   会   引   起 1 8 ° 的   相   位   误   差   , 要   想   相   位   误   差   在

1 ° 以   内   , 则   要   求   时   间   精   度   在 55 μ s 以   内   。 又   如   , 在   故 到 录波数据和故障信息的有用程度 。 障 录 波 和 信 息 管 理 系 统 中 , 时 间 同 步 精 度 直 接 关 系

网   络   对   时   作   为   一   种   时   间   同   步   方   法   , 比   起   目   前   在 厂 站 中 普 遍 采 用 的 装 置 直 接 接 G P S 外 部 高 精 度 时 钟 源 的 方 式 , 有   它   经   济   、 简   单   、 规   范   [ 8 ] 、 高   效   的   优   势   , 并且符合厂站自动化系统网络化的发展趋势 。

作为变电站内网络和系统的 国际标 准 IE C6185 0 ,

对网络对时的应用也有非常明确的要求和模型 。

a . 功 能 方 面 , 在 IEC 61850 第 5 部 分 功 能 通 信 要 求 和 装 置 模 型 的 附 件 G 中   对 IEC 61850 的   时   间   同

步任务规定 : 时 间 同 步 用 于 系 统 内 各 装 置 间 的 同 步 。

具   有   精   确   外   部   时   间   源   的   逻   辑   节   点   作   为   主   时   钟   , 同   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 布 节 点 设 置 绝 对 时 间 ; 各   分   布   节   点   时   钟   连

续 同 步 。   为 提 高 效 率 , 时 钟 同 步 最 好 通 过 协 议 层 完

成   。 可   见   除   了   主   、 备   主   时   钟   直   接   从   外   部   高   精   度   时   间 源 获 取 时 间 , 站   内   其   他   装   置   还   是   要   通   过   主   时   钟   实   现

时间同步 。

目前常见的对时系统结 构

目   前   , 厂   站   自   动   化   系   统   中 , 对   时   系   统   普   遍   采   用   直 接接线对时和网络对时 相结合的方式 。 具体表现为 : 通 过 1 个   或   多   个 G P S 接   收   机   引   入   高   精   度   时   钟   ; 站   控 层则一般只 有 1 ~ 2 台   服   务   器   采   用   串   口   时   间   报   文   的   方 式 从 G P S 接   收   机   获   取   时   间   , 其   余   站   控   层   节   点   则   采   用 网 络 对 时 的 方 式 ; 间   隔   层   装   置   普   遍   采   用   直   接   接   线   到

G P S 接 收 机 的 方 式 获 取 时 间 , 一 般 采 用 分 / 秒 脉 冲 、

IRIG   - B 码 、 DC F 77 码方式 。

由   于   间   隔   层   装   置   众   多   , G P S 接 收 机 装 置 往 往 连 有 扩 展 箱 , 以   便   多   出   接   点   , 并   且   允   许   同   一   面   屏   上   若   干

装   置   共   用   同 1 副   接   点   , 或   者   允   许 1 副   接   点   连   接   若   干 台装置 。 不同厂家出厂 的 G P S 接收装 置 , 其秒脉冲 、 IRI G- B 码   输   出   精   度   略   有   不   同   。 图 2 是   典   型 500 kV

变电站对时系统结构 。

对   于   那   些   直   接   从 G P S 接   收   机   取   秒   脉   冲   、 分   脉   冲 信号的装置 , 它还需要综合当前时刻的分 、 秒值 ( 这   些

信   息   一   般   由   其   他   节   点   通   过   网   络   传   送 ) , 才   能   给   出   当   前 准 确 时 间 。 其   时   间   精   确   度   和   具   体   硬   、 软   件   实   现   水   平

有很大关系 。

4    系统的时间保 持

在讨论网络时间同步技术前 , 首先 总结系统是 怎 样保持时间的 。 计算机所保持的时间 有 2 个 [ 9 ] 。

a . 硬   时   钟   ( C M O S ) 时   间   。 它   是   基   于   石   英   晶   体   振 荡 器 和 靠 电 池 供 电 的 日 历 时 钟 芯 片 。 晶   体   振   荡   器   有

固定的振荡频 率 ; 它们 所保持的时间存放在主板上