时间同步及其在电力系统中的应用

时间同步及其在电力系统中的应用

薛昊

TimeSynchronousandItsApplicationinPowerSystem

薛昊①XUEHao；蒋南②JIANGNan

（①江苏省高新技术创业服务中心，南京210008；②南京南瑞集团公司信息通信技术分公司，南京211100）

（①JiangsuProvinceHigh-techInnovationServiceCenter，Nanjing210008，China；

②JiangsuNanruiGroupInformationTechnologyBranch，Nanjing211100，China）

摘要：针对电力系统中时间同步技术的重要性，本文在分析常规时间同步方案的基础上，根据电力系统的特点，提出了电力系统中站点间采用卫星与SDH时间同步方式相结合，站点内部采用NTP与IRIGB同步方式相结合的综合时间同步方案，并分析了其优点以及应用前景，为电力系统时间同步提出了一个综合解决方案。

Abstract:Accordingtothestricttimerequirementsofpowersystem,thepaperfirstlyanalyzestheadvantagesanddisadvantagesofsynchronizationschemesusedinthepresenttime,andthenpresentstheSDH-basedtimesynchronouscombinedwithsatellite-basedtimesynchronousschemesbetweenthetransformersubstations,andNTP-basedtimesynchronouscombinedwithIRIGB-basedtimesynchronousschemesinthesametransformersubstationsbasedonthecharacteristicsofthepowersystem.Finallytheadvantagesofthepresentedschemeswasanalyzed.

关键词：时间同步；SDH；电力系统

Keywords:timesynchronous；SDH；powersystem

中图分类号：TN929.1文献标识码：A文章编号：1006-4311（2014）13-0042-02

1时间同步的意义

时间同步是指各分布式系统或终端以中心控制系统的标准时钟作为基准，使各分布式系统或终端的时钟与中心控制系统标准时钟同步，其误差符合一定的标准，从而实现整个系统在时间上的统一或同步。

时间同步是随着航天、航空、卫星通讯等远距离监测、控制、通讯等实际应用需求而发展起来的一门新兴技术，其广泛应用于现代通讯、导航、军事、电力、雷达等领域，并且随着计算机以及网络技术的发展，时间同步已成为其实现主要功能的基础之一。

在计算机网络应用中，时间是数据交互的依据之一，不同的时间标准造成的时间偏差，不仅可能造成数据延时，甚至可能引起数据丢失，因此时间同步是计算机网络同步的基础；在电信等通讯网络中，各子网络承载维护、管理以及计费等功能，同样对时间同步具有严格的要求，且其各个子网络之间必须要求严格同步；卫星通讯等导航系统中的各个设备之间也必须保持时间的绝对同步，以避免各个系统之间的误操作；在电力系统等网络中，对各个设备的监控、控制以及管理，各个子系统对故障告警和日志信息同样需要高精度的时间信息，以便进行故障定位和性能分析。

因此，时间同步技术对现代科技发展具有十分重要的意义，研究时间同步技术无论是在理论上还是在实际应用中都具有非常重要的应用价值。

2时间同步系统

常规时间同步技术主要有以下5种实现方案：①卫星时间同步方案，接收全球定位系统（GPS）[1]或北斗系统输出的标准时间作为系统时间的方案；②有线传输时间同步方案，采用诸如时间编码IRIGB[2]或利用串口传输等，在短距离内实现时间的精确同步；③网络时间协议（NTP）或简单网络时间协议（SNTP）[3,4]，NTP或SNTP是利用以太网包进行高精度时间同步的方案；④精确时钟对时（PTP）协议[5]，是通过在网络的物理层协议中添加时间信息，以提高时间传输精度的方案；⑤基于SDH的时间同步方案[6]，以SDH作为传输介质，采用双向对时协议进行时间校准，以实现时间的精确同步[7]。

以上几种方案各有优缺点。基于GPS的时间同步方案的优点是成本较低，技术成熟，因此得到了广泛的应用，且其标称精度可以达到纳秒级，但其缺点同样明显，其受环境天气的影响，在天气情况较差的情况下，会出现时间失锁的情况，造成时间在一段时间内无法同步，因此需要在本地设计一个时间保持设备，在一段时间内保持时间同步功能，因此这种方式很难时刻保持较高的同步精度。

有线时间同步方案如IRIGB协议等的优点是时间同步可靠，稳定，时间同步精度高，且其成本较低，但其缺点是工作距离较短，长距离传输会造成时间同步精度的急剧下降。IRIGB协议如图1所示。

NTP、SNTP以及PTP协议均是基于交换网络的时间同步方式，但是由于交换网络的延时不确定性，因此其同步精度不能满足电力系统的应用需求。NTP与SNTP协议在局域网中的时间同步精度可以达到毫秒级，在广域网中性能则更差，只能达到几十毫秒的精度。PTP协议在理论上可以实现纳秒级的同步精度，但其需要系统硬件升级。PTP时间同步算法如图2所示。

基于SDH的时间同步方案。将电路域SDH网络作为时间传输[7]媒介，利用双向对时协议进行时间同步，可实现系统时间高精度同步。基于SDH的时间同步系统如图3所示。基于SDH的时间同步方案的缺点是需要占用一条专用SDH链路[8]。

3时间同步在电力系统中的应用

3.1电力系统中时间同步系统时间同步是电力系统可靠运行的关键，但目前电力系统的时间同步还仅限于各个站点内部的局部时间同步，各个变电站、电厂之间的时间尚未完全同步，因此给供电安全造成了比较大的隐患[9]。

3.1.1站点间时间同步方案目前电力系统中各个站点间尚处于“各自为政”的状态，各个系统均采用一套独立的卫星对时系统，由于卫星对时系统生产厂家繁多，虽然均为卫星对时系统，但各个对时系统处理方式不一致，造成接口形式不统一，系统守时精度难以保证。因此电力系统站点间并未实现真正的时间同步[9]。

3.1.2站点内部时间同步方案电力系统站点内部之间的时间同步以卫星同步方式为主，辅以以NTP为主的网络时间协议对时方案。站点内部各个设备均采用卫星授时，设备与从设备之间则采用以NTP等网络时间协议为主的对时方式。因此电力系统站点内部的时间同步方案是基本可靠的。

3.2电力系统的综合时间同步方案针对上述分析可知，目前的电力系统中，虽然站点内部的时间同步基本建立，但各个站点间的时间同步尚未完全建立，因此，建立站点间的时间同步是电力系统中时间同步的关键。目前的电力系统有两条主要通讯网络：基于分组交换的以太网以及基于电路交换的SDH网络，基于两种网络又存在两种主要时间同步协议：PTP时间同步协议以及基于SDH的时间同步协议。由于电力系统中任意两个站点间的距离一般较远，因此任意两个站点经过分组交换的以太网进行通讯，必然需要经过多级交换机或路由器，在这种复杂的网络环境中，以网络对时协议NTP为代表的时间同步协议的精度只能达到毫秒级，达不到电力系统对时间同步的要求；而以IEEE1588为代表的时间同步协议虽然可以达到纳秒级的时间同步精度，但其需要外部硬件的支持，更新网络中的全部或部分硬件对目前电力系统而言，代价太大，因此基于分组交换的时间同步系统并不适合于电力系统中站点间的时间同步。

而基于SDH的时间同步协议对网络两端站点远近并无要求，且在不更换硬件的前提下，即可以实现高精度的时间同步，利用电力系统中SDH网络，可在不增加额外成本的前提下，实现精确的网络时间同步。

对于任何一个时间同步系统而言，时间同步的可靠性均依赖通讯链路的稳定，而任何一条通讯链路均不可能完全可靠，因此，单一时间同步方式对任何一个需要高可靠性的系统而言，均是不够的。考虑到成本以及目前任何一个站点均拥有一套卫星时间同步系统，因此，建立一套结合SDH与卫星的时间同步系统对于电力系统站点间时间同步是一个理想的选择。

站点内部由于距离较近，且有各种有线通讯，因此采用有线时间同步方式结合网络时间同步方式是一个理想的时间同步方案。

因此，本文提出电力系统中站点间采用卫星与SDH时间同步方式相结合，站点内部采用NTP与IRIGB同步方式相结合的综合时间同步方案。

其具有如下优点：①成本低，利用现有的网络与硬件资源，在满足系统要求的前提下，使系统设计方案成本最低；②稳定性高，充分利用每种时间同步方案的优点，结合电力系统的实际特点，最大限度的提高了系统的稳定性；③可靠性高，利用多种时间同步协议互为补充，互为备份，大大提高了系统的可靠性。

由上述分析可知，本方案在无需较大投入的情况下，即可实现一套既可靠又稳定的电力系统时间同步方案，因此具有十分广阔的应用前景。

4结论

针对电力系统的组成及网络特点，本文在分析目前时间同步方案优缺点的前提下，提出了电力系统中站点间采用卫星与SDH时间同步方式相结合，站点内部采用NTP与IRIGB同步方式相结合的综合时间同步方案。为电力系统时间同步提出了一个综合解决方案。

参考文献：

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