网络时间协议在电力监控系统时钟同步中的应用.pdf

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1、网络时间协议在电力监控系统时钟同步中的应用冉懋海1,陈小川1,徐 毅2(1.西南交通大学 电气工程学院,四川 成都610031;2.重庆市电信局 数据通信中心,重庆400042)摘要:电力监测系统是一个复杂的分布式系统,对时钟同步精度有着不同层次的需求。文章在介绍实现时钟同步的3种机制(硬时钟同步、软时钟同步、混合时钟同步)以及网络时间协议(NTP)原理的前提下,针对电力监控系统的特点,给出了一个结合GPS授时和NTP对时的分层混合时钟同步方案,并指出了今后改进的方向。关键词:时钟同步;网络时间协议;交换式以太网;传输延迟中图分类号:TN915.01文献标识码:B 文章编号:1005-7641

2、(2006)01-0029-04收稿日期:2005-07-27;修回日期:2005-09-260 引言随着电力系统规模的扩大,其自动化系统也越来越复杂。对大系统采用分布式控制是必要的,而要做到这一点,首先必须要提供一个统一的系统时钟,使整个控制系统内部各个站点的时钟保持同步。电力系统内部信息交换量大,状态改变快,只有满足了一定的时钟同步精度,才能对相位比较、故障记录、事件顺序启动等功能给予保障。现有电力监控系统的时钟系统大多由GPS精密时钟系统提供1-3。与工业以太网在电力监控系统中的发展趋势相类似,部分基于TCP/IP协议的高层网络应用也获得了在电力系统中大量应用的契机。其实时钟同步协议已经

3、广泛存在于现在的计算机网络中,TCP/IP协议中已经提供了几个用于记录和发送时间的机制,如Dayti me协议、Time协议、I CMP中的时间戳协议、IP中的时间戳选项等,但是它们都还远远达不到电力监控系统的精度要求。而网络时间协议(NTP,Network Time Protocol)通过一定的硬件配合和算法优化,能达到很高的精度,可以尝试应用到电力监控系统之中。1 电力监控系统对时钟同步的要求电力监控系统是一个分层的结构,各个层次对时钟同步的精度要求也不一样。(1)IED之间的时钟同步智能电气设备(IED,Intelligent Electronic De2vice)是IEC61850中提

4、出的设备,它们位于监控的最前沿,对时钟同步的精度要求也最高,比如对工频50 Hz来说,时差1 ms就意味着在相位上相差18。事实上,IEC61850中对标准IED的监控和保护事件的时钟同步要求为 1 ms和 0.1 ms 2个等级,对仪表用互感器的时钟同步精度要求为25s、4s和 1s 3个等级4。(2)控制主机和控制中心之间的时钟同步控制主机之间的时钟同步主要是为顺序控制和事件记录服务,这时候的精度要求较之IED之间的时钟同步精度稍低,可以容忍 1 ms的时差。更高层次的时钟同步,如控制中心之间的时钟同步,主要用于故障分析等,其精度只需满足毫秒级就够了。2 时钟同步的实现方法按实现机理来分,

5、时钟同步有硬时钟同步、软时钟同步和混合时钟同步3种。2.1 硬时钟同步硬时钟同步是采用一定的硬件设施(GPS接收机、UTC接收机、外部精密时钟等)实现的局部时钟的同步,直接操作的对象就是计算机内部的硬件时钟。这种方法可以获得很高的同步精度,一般可以达到10-910-6s。硬时钟同步方法的优点是可靠性好、精度高,但是成本过高,而且操作不便,比较适合小规模的高精度系统。在一个大规模分布式网络中,完全采用硬件同步的方法是不现实的。2.2 软时钟同步软时钟同步是采用时钟同步算法实现结点局92第27卷 第159期 电 力 系 统 通 信 Vol.27 No.1592006年1月1 0日 Telecomm

6、unications for Electric Power SystemJan.10,2006部时钟之间的同步,一般不需要对结点的硬件时钟进行操作。通过软件计算来实现时钟同步,工作量很大,结点间的同步偏差也容易积累,而且广域网上信号的传输延迟很大、又具有一定的不确定性,这就造成了软时钟同步的精度较低,通常为10-310-6s5。软件同步的优点在于更加灵活,成本比硬件方式低。2.3 混合时钟同步混合时钟同步就是把硬件时钟同步和软件时钟同步结合起来,兼有2种方式的优点。主要是采用分层式混合同步,将大规模分布式系统的结点网络分成多个网段,在每个网段设置一个结点为时间服务结点,在该结点上引入时钟同步所

7、需的硬件设备(如GPS、UTC接收机),在网段间实现硬时钟同步。每个网段内部则通过软件同步方式实现网段内部时钟也与此网段时间服务器结点同步。这种同步方式的精确度介于上面2种方式之间,一般都可以达到10-4s。3 网络时间协议3.1 网络时间协议原理NTP是由TCP/IP协议中的时间记录和发送机制发展而来。NTP基于无连接的IP协议和UDP协议,能够在复杂的Internet环境中提供精确的时间服务。NTP是基于客户机/服务器计算模式的协议。客户机以传统的客户机/服务器方式周期性地向服务器请求时间信息。服务器用来同步客户机,但却不能被客户机同步,对于客户机来说,则正好相反。基本校时原理:客户机首先

8、向服务器发送1个NTP包,其中包含了该包离开客户机时的时间戳T1。当服务器接收到该包时,依次填入包到达时的时间戳T2、交换包的源地址和目标地址、填入包离开时的时间戳T3,然后立即把包返回给客户机。客户机在接收到响应包时,再填入包回到客户机的时间戳T4。客户机用以上这4个时间戳就能够计算出2个关键的定时参数:包交换的往返延迟 和客户机滞后服务器的时钟偏移。如图1所示。T2-T1=1+(1)T4-T3=2-(2)=1+2(3)假设发送请求和响应请求在以太网上传播的图1NTP原理Fig.1Theory of NTP时间相同,即1=2,则可以计算出=(T2-T1)-(T4-T3)2(4)=(T2-T1

9、)+(T4-T3)(5)通过求得的偏差,可以校正客户端的时钟。NTP的实际工作流程:首先是接收远程服务器的时间信息;然后对每一个服务器的数据都采取过滤处理(服务器信息处理过程),如果接收的是多个服务器的NTP信息,再针对多个时间服务器进行对等选择与组合处理(系统处理过程);最后通过可变频率振荡器进行本地时钟调整(时钟调整过程)。NTP在实际网络中的应用有3种工作方式。(1)主/被动方式:这是一对一的连接,双方均可同步对方或被对方同步,提出请求的工作在主动模式下,另一方则工作在被动模式。(2)C/S方式:同主/被动方式类似,但是客户机只能被服务器同步,而不能同步服务器。(3)P/S方式:这是一对

10、多的连接,即服务器主动向定购了同步信息的站点发送时间戳消息。NTP采用64 bit的时间戳表示方式,前32 bit是整数部分,表示自1900年1月1日0时的世界时(UTC,Universal Coordinated Ti me)秒数,后32 bit为小数部分,可根据需要取舍位数,最高可以精确到200 ps。图2是一个NTP应用层数据在以太网帧中的格式。图2NTP的以太网帧格式Fig.2Packet format of NTP dataSNTP(Si mple NTP)是NTP的简化版本,它不03 电 力 系 统 通 信 2006,27(159)能提供NTP所提供的错误管理和过滤系统,因此精度也

11、达不到NTP那么高。3.2N TP精度分析NTP误差主要来源于以太网网络时延。在NTP的原理说明中,假设了 1=2,但是在实际网络中二者并不完全相等。因 1和 2并不仅仅包含了在以太网介质中传播时间,而且还包括了发送处理延迟ta、传输延迟tb和接收处理延迟tc。其中ta和tc都相对很小,而且对 1和 2来说是基本相等的,造成1和2不等的主要原因是tc中的传输排队延迟tx,它是造成共享式以太网网络时延不确定的主要因素6,所以NTP在共享式以太网中的精度 是 比 较 低 的。如 果 采 用 交 换 式 以 太 网(Switched Ethernet),网络时延可以大大降低,但是1和2也不是完全相等

12、的,ta和tc的偏差会对精度造成影响。下面通过OPNET动态仿真来分析交换式以太网中网络时延对NTP精度的影响。网络模型参考了一个中等规模配电变电站,结点数为32个,采用10BaseT标准以太网与中心结点交换机相连,缆线长度均为20 m。报文采用NTP的帧格式,选取固定长度为128 bit,作为周期性数据6(周期为20 ms,其实NTP的更新周期应该远远大于20 ms,这里取T=20 ms是模拟变电站通信网络中其他周期性数据)在各个结点间发送。统计量端对端时延(ETE Delay)定义为结点收到报文的时间减去报文创建的时间,由于仿真在同一计算机中进行,使用同一时钟,不存在时钟差,ETEDela

13、y可被视为精确的网络传输延迟。图3为仿真时间0300 s的网络端对端时延图,端对端平均时延约为0.4 ms,最大端对端时延为0.85 ms,最小时延略高于0.2 s,模型中 1和 2的最大可能差值在0.65 ms左右,分析(1)、(2)、(3)式可知0.65 ms的传输差对时钟偏差 的误差影响为 0.325 ms。同时从仿真图中可以看出,延迟越小,统计点就越密集,说明在低延迟时,传输差会更小。通过仿真分析,NTP在32个结点的交换式以太网中的时延误差最大可能达到0.325 ms左右。所以时钟同步精度是达不到0.1 ms的,但是能达到1 ms的精度要求。毫秒级的精度对电力系统来说还是比较低的,N

14、TP的精度还需要进一步提高。其实在交换式以太网中,报文发生碰撞的可能性很小,上面仿真中,图332结点交换式以太网端对端时延Fig.3ETE delay of switchi ng Ethernet with 322nodes端对端时延相对较大的原因在于时间戳一般都是在应用层加盖,这样 由于包含了计算机处理和协议封装(解封)开销等不可具体量化的时延,从而造成NTP精度无法进一步提高。如果能将时间戳的加盖放到更低层进行,例如在MAC层,报文发送(接收)的一瞬间加盖时间戳,就可以使 包含的不确定分量进一步减少,大大提高NTP精度。事实上,这也正是IEEE1588(标准时钟同步协议)在NTP基础上所作

15、的改进之一。4 解决方案鉴于GPS和NTP的各自优点,可以考虑将二者结合起来构成电力监控系统的时钟同步系统。具体是采用分层混合式的结构,软件同步采用NTP通信的方式,结点采用GPS接收机接收的卫星信号作为NTP服务器的精确时钟,网络均采用交换式以太网。该方案结构如图4所示。图4 分层混合时钟同步方案Fig.4Delam inated2m ixed2synchron ization scheme13 技术研究 冉懋海,等 网络时间协议在电力监控系统时钟同步中的应用在监控层和部分设备层(同步精度为毫秒级)采用了双NTP专用服务器(通过外接GPS接收机授时),形成了冗余系统,帮助NTP协议提高精度。

16、同步软件算法在架构上采用P/S模式,即服务器不断地向各结点发送时间戳,结点收到时间戳后,采用过滤算法和收敛算法得到服务器的网络延迟值 和时钟偏差 的估计准确度,并保留最近得到的n组(一般取n=8)和 值,再将最小的 所对应的 作为本次处理的时钟偏差值3(降低以太网的网络延迟造成的系统误差),这样可以得出多个服务器的时间信息,NTP协议再通过对象选择与组合处理算法来选择合适的服务器,并对该服务器的信息进行组合。最后,通过相位锁环(PLL)进行本地时钟校正。而对于过程层中部分对同步精度要求较高的IED,如仪表用互感器的设备,时钟同步精度要求高于毫秒级,标准的NTP授时也无法满足其精度要求,在本方案

17、中,采取GPS高精度时钟直接授时。另外,在操作系统的选择上,应该采用实时操作系统,如Unix、Linux和QNX4.2,其中QNX的系统时间误差最小,可以达到微秒级。5 结束语电力监控系统是一个复杂的分布式系统,如果全部采用GPS硬件对时,成本过高,是不现实的。而通过NTP构建一个分层式混合时钟同步方案,基本可以满足电力监控系统对时钟同步的要求,具有一定的应用价值。但是NTP的精度还不能完全满足过程层部分IED对时钟同步精度的需求。2003年新公布的IEEE1588标准在NTP的基础上做了改进,能达到亚微秒级的精度,经过成熟应用后,可以在工业现场完全取代GPS直接授时。(Z)参考文献:1 高翔

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19、,2005,(8):45-50.7SKEIE T.Ethernet in substation Automation S.IEEEControl SystemsMagazine,2002,22(3):43-51.8 沈宏涛,娄奇鹤,王,等.基于RTPS的变电站自动化网络通信系统研究 J.电力自动化设备,2005,(2):25-30.冉懋海(1978-),男,重庆人,硕士研究生,研究方向为微机保护与变电站综合自动化。陈小川(1963-),男,四川合江人,教授,研究方向为微机保护与变电站综合自动化。徐 毅(1978-),男,重庆人,工程师,研究方向为网络数据通信。Application of ne

20、twork ti me protocol in clock synchron ization in power SCADA systemRAN M ao2hai1,CHEN Xiao2chuan1,XU Yi2(1.School of Electric Engineering Southwest JiaotongUniversity,Chengdu 610031,China;2.Data Traffic Center Chongqing Telecom,Chongqing 400042,China)Abstract:The electric powermonitoring system is

21、a complex distributing system,and there is different demand on clock synchroniza2tion precision in different levels.Based on the realization mechanisms introduction of three kinds of clock synchronization(hardclock synchronization,soft clock synchronization and mixing clock synchronization)and Net w

22、ork Time Protocol(NTP),accordingto the traits of power SCADA system,a delaminated2mixed2synchronization scheme of combining GPS and NTP is presented,and thedirection of amelioration is pointed out.Key words:clock synchronization;Network Ti me Protocol(NTP);s witched Ethernet;transmission delay23 电 力 系 统 通 信 2006,27(159)