数字化变电站中的对时系统 李宝伟 2010-3-5 一、几个时间术语二、数字化变电站时钟同步系统三、网络对时协议目 录Ø世界时Ø国际原子钟Ø协调世界时Ø闰秒一、几个时间术语世界时(GMT)以平子夜作为0时开始的格林威治（英国伦敦南郊原格林尼治天文台的所在地，它又是世界上地理经度的起始点）平太阳时，就称为世界时世界 时与恒星时有严格的转换关系，人们是通过在世界各地利用天文望远镜观 测恒星后平均得到世界时的，其精度只能达到10-9由于地极移动和地球 自转的不均匀性，最初得到的世界时，也是不均匀的，我们将其记为UT0 ；人们对UT0 加上极移改正，得到的结果记为UT1；再加上地球自转速率 季节性变化的经验改正就得到UT2一、几个时间术语国际原子钟(TAI)原子时间计量标准在1967年正式取代了天文学的秒长的定义新秒长规定 为：位于海平面上的铯Cs133原子基态的两个超精细能级间在零磁场中跃 迁振荡9 192 631 770个周期所持续的时间为一个原子时秒，我们称之为 国际原子时（TAI），其稳定度可以达到10-14以上另外规定原子时起点 在1958年1月1日0时（UT），即在这一瞬间，原子时和世界时重合。
一、几个时间术语协调世界时(UTC)相对于以地球自转为基础的世界时来说，原子时是均匀的计量系统，这对于测量时间间隔非常重要但世界时时刻反映了地球在空间的位置，并对 应于春夏秋冬、白天黑夜的周期，是我们熟悉且在日常生活中必不可少的 时间为兼顾这两种需要，引入了协调世界时（UTC）系统UTC在本质上还是一种原子时，因为它的秒长规定要和原子时秒长相等，只是在时刻 上，通过人工干预，尽量靠近世界时一、几个时间术语闰秒UTC在秒长上使用原子时秒，但是在时刻上，需要通过人工干预，使其尽 量靠近世界时这就需要对UTC进行“闰秒操作”，即每当UTC与世界时 UT1时刻之差超过接近或超过0.9秒时，在当年的6月底或12月底的UTC时刻上增加一秒或减少一秒UTC=TAI+34s一、几个时间术语1、时钟同步的意义2、时钟同步的要求3、时钟同步系统方案4、时钟同步系统结构5、时钟同步在数字化变电站中的应用二、变电站时钟同步系统1、通过变电站时钟同步，可为系统故障分析和处理提供准确的时间依据 ；2、时钟同步是提供电网综合自动化水平的必要技术手段；3、电子式互感器的应用，时钟同步是保证同步采样的基础.数字化变电站采用分布式采集，由合并单元输出的数字采样信号中必须含有时间信息。
各合并单元输出的电压、电流信号必须严格同步， 否则将直接影响保护动作的正确性，甚至在失去同步时要退出相应的 保护因此，时钟同步是全数字化保护系统中的关键环节二、数字化变电站时钟同步系统1、数字化变电站时钟同步的意义IEC61850中虽然目前对时间同步报文没有直接的要求，但对时间同步报文所 实现的时间精度--时间性能类(time performance class)却有具体的规定二、数字化变电站时钟同步系统2、数字化变电站对时钟同步的要求国网智能变电站同步对时要求 Ø 应建立统一的同步对时系统全站应采用基于卫星时钟(优先使用北斗) 与地面时钟互备方式获取精确时间； Ø 地面时钟系统应支持通信光传输设备提供的时钟信号； Ø 用于数据采用的同步脉冲源应全站唯一，可采用不同接口方式将同步脉 冲传递到相应装置； Ø 同步脉冲源应同步与正确的精确时间秒脉冲，应不受错误的秒脉冲的影 响； Ø 支持网络、IRIG-B等同步对时方式；二、数字化变电站时钟同步系统2、数字化变电站对时钟同步的要求南网数字化变电站同步对时要求Ø站内应设置两套冗余主时钟，可采用GPS或北斗卫星作为标准时钟源，其 中一台必须为北斗卫星时钟系统，主要输出信号（包括IRIG-B（DC）或秒 脉冲）的时间准确度应优于1μs，时间保持单元的时钟准确度应优于 7×10-8 （1分钟4.2μs）。
Ø站控层设备应采用SNTP对时方式，间隔层设备可采用SNTP、IRIG-B（DC ）或脉冲对时Ø间隔层设备的对时误差应不大于1ms智能终端应采用IRIG-B（DC）或脉 冲对时，对时误差应不大于1ms过程层合并单元同步精度应不低于1μs Ø可根据需要采用IEEE1588协议进行同步对时二、数字化变电站时钟同步系统2、数字化变电站对时钟同步的要求时钟源 + 主时钟 + 时钟信号传输通道 + 时钟信号接口二、数字化变电站时钟同步系统3、时钟同步系统方案时钟源1、卫星时钟ØGPSØ北斗南网要求必须有一台为北斗国网要求优先采用北斗二、数字化变电站时钟同步系统3、时钟同步系统方案ØGPS卫星授时系统GPS 是英文Global Positioning System的简称，而其中文简称为“球位系” GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定 位系统 GPS的空间部分是由21颗工作卫星组成,它位于距地表20 200km的 上空,均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗) ,轨道倾角为55°此外,还有 3 颗有源备份卫星在轨运行卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都 可观测到4 颗以上的卫星。
二、数字化变电站时钟同步系统3、时钟同步系统方案Ø北斗卫星授时系统 中国正在建设的北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务（属于第二代系 统）开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务授权服务是向 授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息 中国计划2012年左右，“北斗”系统将覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球 Ø北斗卫星授时精度为50纳秒二、数字化变电站时钟同步系统3、时钟同步系统方案2、驻留时钟Ø恒温晶振：和卫星失去同步后，24小时精度<30E-9Ø原子钟：在和卫星同步后，使原子钟的频率强制同步于卫星时 钟信号，和卫星失去同步后，24小时精度<1E-11目前使用的原子钟：氢(Hactare)、铯(Seterium))、铷(Russium)等原子钟的精度可以达到每100万年才误差1秒 2001年新研制的“全光学原子钟”精度是铯原子钟的10万倍二、数字化变电站时钟同步系统3、时钟同步系统方案二、数字化变电站时钟同步系统主时钟主时钟设备从多个时钟源通过时钟信号切换或最佳主时钟算法(BMC)给对 时系统提供唯一的标准时钟同步信号对时系统中时钟源可以有很多个，但主时钟只有一个，主时钟是对时系 统中唯一的基准时钟信号，也称标准同步钟3、时钟同步系统方案Ø 正常时取GPS1为主时钟Ø GPS1异常时去GPS2作为主时钟Ø 两个GPS都异常后取GPS1的驻留时钟作为 主时钟对时方式Ø脉冲对时(硬对时) 主要有秒脉冲信号PPS(Pulse per Second)、分脉冲信号PPM(Pulse per Minute),对时脉冲式利用GPS所输出的脉冲时间信号进行时间同步校准，获 取UTC同步时间的精度较高，对时精度<1us信号传输通道：电缆、光纤优点：对时精度高、易于实现缺点：只能对时到秒注：9-2LE标准中对1PPS光信号对时信号做了明确要求二、数字化变电站时钟同步系统3、时钟同步系统方案对时方式Ø串口对时(软对时)串行同步输出方式，是将时钟信息以串行数据流的方式输出。
串口校时的时间 报文包括年、月、日、时、分、秒信息串口校时受串口通道传输距离的限 制，RS-232传输距离30m，RS-422/485传输距离为150m在常规变电站中由监控后台下发对时信息，串口对时精度无法保证串口对时往往和脉冲对时配合使用，弥补脉冲对时只能对时到秒的缺点二、数字化变电站时钟同步系统3、时钟同步系统方案对时方式Ø复合对时(脉冲对时+串口对时)常规变电站中经典对时方案，对于单个装置来说对时功能靠脉冲对时和串口对 时共同完成二、数字化变电站时钟同步系统3、时钟同步系统方案对时方式Ø编码对时将同步信号和标准时间信息编为时间序列码输出到统一的对时总线上，装置解 析出时间信息进行时间同步目前变电站通常使用的信号载体是物理信号为RS-422/485电平的双绞线编码 时间信号有多种，国内变电站对时常用的为IRIG-B码编码对时是一种精度很高并且包含有标准时间信息的对时方法，采用编码对时 就可以取代原变电站中复合对时方法，同时也不需要时钟设备输出大量脉冲 时钟信号二、数字化变电站时钟同步系统3、时钟同步系统方案对时方式Ø网络对时网络对时系统是针对自动化系统中的计算机、控制装置等进行校时方法，网 络对时设备它从GPS卫星上获取标准的时间信号，将这些信息通过各种接口 类型来传输给自动化系统中需要时间信息的设备（计算机、保护装置、故障 录波器、事件顺序记录装置、安全自动装置、远动RTU），从而达到整个系 统的时间同步变电站常用的网络对时方法：ØNTP/SNTP：网络时间协议（Network Time Procotol） ØPTP(IEEE1588对时):精确时间同步协议（Precision Time Synchronization Protocol） 二、数字化变电站时钟同步系统3、时钟同步系统方案对时方式Ø网络对时IEC61850对网络对时有的应用有非常明确的要求和模型功能方面：第5部分功能通信要求和装置模型的附件G中对IEC61850的时间同步 任务规定：时间同步用于系统内各装置的同步。
具有精确外部时间源的逻辑 节点作为主时钟，统一类型的另一个逻辑节点作为后备主时钟通过主时钟 对各分部节点设置绝对时间；各分部节点时钟连续同步为提高效率时钟同 步通过协议层完成IEC61850的时间模型见右图其中SNTP被作为网络时间同步的应用层协议二、数字化变电站时钟同步系统3、时钟同步系统方案常规时钟同步系统结构二、数字化变电站时钟同步系统4、时钟同步系统结构常规时钟同步系统结构二、数字化变电站时钟同步系统4、时钟同步系统结构IEEE1588对时系统结构二、数字化变电站时钟同步系统4、时钟同步系统结构二、数字化变电站时钟同步系统5、时钟同步在数字化变电站中的应用过程层采用9-1或9-2点对点，站控层使用SNTP对时，间隔层和过程层采 用IRIG-B码对时应用方案1二、数字化变电站时钟同步系统5、时钟同步在数字化变电站中的应用完全过程层总线结构，站控层使用SNTP对时，间隔层和过程层采用IRIG-B码 对时应用方案2二、数字化变电站时钟同步系统5、时钟同步在数字化变电站中的应用完全过程层总线结构，站控层使用SNTP对时，间隔层和过程层采用IEEE1588 对时应用方案3二、数字化变电站时钟同步系统数字化变电站采样同步IEC61850和电子式互感器的应用，数据采用分布式采集和网络传输，采用 一种方法来保证采样的一致性是非常必要的，采样同步已经成为数字化 变电站的一项关键技术采样环节：Ø硬件同步Ø软件同步5、时钟同步在数字化变电站中的应用二、数字化变电站时钟同步系统采样同步方式硬件同步：各采样环节依靠统一的 时间信号进行同步采 样5、时钟同步在数字化变电站中的应用硬件同步应用：1、直接对采集器进行对时2、由合并器下发同步采样脉冲合并器采用序号同步、间隔层IED采用序号同步二、数字化变电站时钟同步系统5、时钟同步在数字化变电站中的应用二、数字化变电站时钟同步系统软件同步：使用自身时钟根据采 样延时对多个采样 接收进行插值同步5、时钟同步在数字化变电站中的应用软件同步应用：1、合并器采用插值同步2、间隔IED采用序号同步或插值同步二、数字化变电站时钟同步系统5、时钟同步在数字化变电站中的应用二、数字化变电站时钟同步系统合并器采用硬件同步的采样流程保护收到数据理论上只存在时间上延时，不存在相位上偏移5、时钟同步在数字化变电站中的应用1、网络时间同步协议简介2、网络对时原理3、PTP网络结构4、PTP时间服务5、PTP传输延时计算6、PTP的应用三、网络对时协议网络时间同步协议–NTP, SNTP, PTPØ网络时钟同步协议Network Ti。