基於工業乙太網相切接入環的智能配電網ieee1588校時同步系統的製作方法
2023-06-01 08:02:31
基於工業乙太網相切接入環的智能配電網ieee1588校時同步系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種配電網校時同步系統，特別涉及一種基於工業乙太網相切接入環的智能配電網IEEE1588校時同步系統。包括骨幹層和接入層，骨幹層關口交換機連接上級網傳精確時鐘裝置，骨幹層關口交換機和骨幹層交換機通過千兆光纖接口連接形成環形結構，接入層包括一個與骨幹層交換機連接的接入層關口交換機和多個接入層交換機，接入層關口交換機和接入層交換機連接形成環形結構，骨幹層關口交換機、接入層關口交換機設置為邊界時鐘，骨幹層交換機和接入層交換機設置為透明時鐘，配電終端裝置設置為普通時鐘，本發明技術簡單、時間精度高、對GPS依賴性小、節省費用擴展度好、覆蓋地域廣闊、能夠滿足智能配電網時間同步要求。
【專利說明】基於工業乙太網相切接入環的智能配電網IEEE1588校時同步系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種配電網校時同步系統，特別涉及一種基於工業乙太網相切接入環的智能配電網IEEE1588校時同步系統。
【背景技術】
[0002]當前輸電網的各個骨幹節點時間同步精度已經達到了較高標準，配網自動化覆蓋的中壓節點時間同步精度仍然比較低。在智能配電網的建設中，具有同步相量採集功能的智能配電網廣域測控體系是智能配電網的關鍵支撐技術，要實現智能配電網安全分析和測控平臺建設、智能配電網廣域保護和事件管理、智能配電網無縫自愈等技術必需讓配電網的校時精度達到微秒級，所以對智能配電網精確時間同步體系建設研究具有重要的實際意義。
[0003]當前電力系統的時間同步研究以變電站自動化為主，主要採用的技術有:GPS對時、秒脈衝對時、IRIG-B碼、簡單網絡時間協議SNTP、精確時間同步協議PTP等。其中GPS同步精度高，但成本昂貴不適合在配電網大量節點中應用，且其穩定性安全性也不十分可靠；秒脈衝和IRIG-B編碼同步也能達到較高精度，但需要額外對時專用線路，無法應用在配電網這種跨度距離比較大的分布式系統中；SNTP網絡報文同步對時精度只能達到ms級。IEEE1588又叫分布式控制與測量系統的精確時間同步協議PTP，它在乙太網中通過校時包並在底層打時間戳來同步網絡達到亞微秒級的時間精度，該協議可以復用乙太網通信網絡，對資源佔用低，無需鋪設額外線路，能降低系統建設成本。目前IEEE1588在電力系統中的應用研究大多集中在變電站自動化領域，配電網中的應用處於起步階段。且已有大量國內外廠家成熟的支持IEEE1588協議的交換機產品。
[0004]光纖通信以其大容量帶寬、強抗幹擾能力、相對低廉的成本、低誤碼率、高速率、保密性好等可靠穩定的通信品質成為配電網通信系統的首選技術。隨著IP業務的大量增加，光纖乙太網技術在配電網通信系統骨幹層和接入層中逐漸成為首選技術。以千兆以太環網構建配電自動化骨幹網，以百兆工業乙太網環網構建配電自動化接入網的方案成為配電網自動化通信系統建設的典型方案。本發明就此典型方案為基礎，研究一種採用IEEE1588復用基於光纖乙太網技術配電網通信系統的校時體系。
【發明內容】
[0005]根據以上現有技術中的不足，本發明要解決的問題是:提供一種技術簡單、時間精度高、對GPS依賴性小、既節省費用擴展度又好、覆蓋地域廣闊、尤其適應接入層是相切接入環結構、能夠滿足智能配電網時間同步要求的基於工業乙太網相切接入環的智能配電網IEEE1588校時同步系統。
[0006]本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:
[0007]所述的基於工業乙太網相切接入環的智能配電網IEEE1588校時同步系統，包括骨幹層和接入層，骨幹層包括一個骨幹層關口交換機和多個骨幹層交換機，骨幹層關口交換機連接上級網傳精確時鐘裝置，骨幹層關口交換機和骨幹層交換機通過千兆光纖接口連接形成環形結構，接入層包括一個與骨幹層交換機相連接的接入層關口交換機和多個接入層交換機，接入層關口交換機和接入層交換機相連接形成環形結構，接入層交換機連接配電終端裝置，骨幹層關口交換機、接入層關口交換機設置為邊界時鐘，骨幹層交換機和接入層交換機設置為透明時鐘，配電終端裝置設置為普通時鐘；
[0008]基於工業乙太網相切接入環的智能配電網IEEE1588校時同步方法步驟如下:
[0009]I)骨幹層關口交換機接收來自上級網傳精確時鐘裝置的時鐘源報文，通過將骨幹層關口交換機設置為邊界時鐘，骨幹層關口交換機接收到上級時間報文後將此報文終結，然後骨幹層關口交換機根據所接收到的信息更新本地時鐘；
[0010]2)骨幹層關口交換機將更新後的本地時鐘作為主時鐘，通過主時鐘埠將報文信息發送給連接在骨幹層上的其他的骨幹層交換機，骨幹層交換機均設置為透明時鐘，在接收到報文信息後不更新自身的時鐘，相當於直接將報文信息轉發至其它骨幹層交換機；
[0011]3)骨幹層關口交換機在將報文信息傳達到骨幹層交換機的同時，骨幹層關口交換機的校時時鐘穿過骨幹層交換機發送給接入層關口交換機，接入層關口交換機接收到報文信息後更新本地時鐘，接入層關口交換機完成時間同步後，本身再作為主時鐘將校時的報文發送給連接在接入層的其他接入層交換機和與接入層交換機相連接的配電終端裝置，由於設置為透明時鐘的接入層交換機的自身時鐘不進行更新，則接入層關口交換機的校時報文相當於直接轉發到下一個接入層交換機和配電終端裝置。
[0012]在精確時鐘源的統一校時下，骨幹通信環網覆蓋配網主站(地市調度中心)和配網子站(各個變電站)，接入層環網由該層一個關口交換機接入本地通信匯聚點骨幹網的交換機上，再連接其它所有接入層交換機形成一個完整的小環，與骨幹環路相切，覆蓋通信匯聚點的各個開閉所、環網櫃、配電所、柱上開關。最後形成了 IEEE1588協議在骨幹層的大環與多個接入層小環相切的結構中逐層傳遞的機制。
[0013]本發明採用分層原則，把每一個通信環(包括骨幹層的大環與接入層的小環)看做成一個時鐘校時區域，在每個時鐘校時區域內選擇少量交換機節點時鐘類型設置為邊界時鐘BC，作為本時鐘校時區域內的主時鐘，其他節點設置為透明時鐘TC，配電終端裝置設置為普通時鐘0C，這樣可以達到系統校時層級數量少、誤差積累小、線路和節點負荷適當的效
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[0014]在骨幹層的大環中，選擇位於主站的交換機節點定義為該層的關口交換機，時鐘類型選擇為邊界時鐘BC，其他節點作為透明時鐘TC(P2P模式)。在接入層的小環中，與骨幹層交換機相連接的交換機定義為關口交換機(每個相切接入環有一個關口交換機)作為邊界時鐘BC，其他交換機節點作為透明時鐘TC(P2P模式)。邊界時鐘BC節點是分割PTP校時子域的邊界，它能形成結構清晰、多個層次分明、相對獨立、對時過程簡便的PTP子域，通過上一層為下一層來一級一級的校時，最終形成一個時鐘校時樹體系。每個PTP子域的Sync報文發送周期一般為2秒，這兩秒中本地的時鐘誤差會逐漸積累，直到下一次更新。而下一層會在本地2秒積累的誤差加上上一層2秒累積的誤差，層級越多誤差積累必然越多。關口交換機相當於一個時鐘信息流的關口，在環形網絡與上下級網絡的連接處都由關口交換機把守，將其設置為邊界時鐘BC，使本層與它上下層的校時體系隔開，形成相對獨立的PTP子域，每一層級的通信網作為一個大的校時整體，由本層的關口交換機邊界時鐘BC開始廣播發送校時包，該層中所有的校時信息都能通過透明時鐘TC無誤差積累地傳送到本層所有時間節點上。將關口交換機設置為邊界時鐘BC還可以阻斷不同層級間校時信息的流動，減輕了線路和設備的通信負擔，增強校時系統的穩定性。按這種方法分割時鐘校時區域，校時信息在區縣級骨幹層傳遞到它的IOKV配網接入層的終端設備上只需要經過兩層PTP校時域。這樣既保證了將校時誤差控制在最小範圍內，又能形成一個規模可任意擴展的廣域多層統一校時網絡。
[0015]進一步地優選，骨幹層關口交換機上設置GPS裝置，骨幹層交換機上設置北鬥裝置。當骨幹層關口交換機無法正常接收上級網傳精確時鐘裝置的報文信息時，可以根據骨幹層關口交換機上設置的GPS裝置進行校時，不需要每個站點都配備GPS裝置，只需要在每層的關口交換機上設置即可，不但能保證校時系統的穩定性，還能降低校時系統的成本；在無法正常接收上級網傳精確時鐘裝置的報文信息，骨幹層關口交換機的GPS裝置也發生故障時可以通過骨幹層交換機上設置的北鬥裝置進行校時，並不是所有的骨幹層交換機都設置有北鬥裝置，我們可以根據需要選擇性的設置，降低校時系統的成本。
[0016]進一步地優選，接入層關口交換機設置為邊界時鐘作為本地時鐘。在無法正常接收上級精確時鐘裝置的報文信息時，通過接入層關口交換機的本地時鐘進行校時。
[0017]進一步地優選，骨幹層關口交換機和骨幹層交換機均採用三層工業乙太網交換機。接入層關口交換機和接入層交換機均採用二層工業乙太網交換機。
[0018]進一步地優選，骨幹層交換機和接入層交換機設置為點對點透傳模式。骨幹層交換機和接入層交換機的透明時鐘TC都設置為點到點(P2P)透明時鐘是為了更進一步減輕線路和設備通信負擔。點到點(P2P)時，相鄰設備間的路徑延時抖動都通過固定周期的定時測量記錄在節點中，當主時鐘發送的時間戳信息傳遞到從時鐘時，整個路徑延時抖動和交換機協議棧抖動都累加到這個主時鐘信息中，從時鐘只需要根據自己接收到的Sync報文的本地時間，就可以精確算出與主時鐘的時間誤差來調整自己，不需要再發送Delay-Request、Delay-Response之類後續報文，相當於主時鐘單向對從時鐘發送校時信息，不再用桌球法。E2E (端到端)透明時鐘仍然相當於用桌球法來測量整個路徑延時抖動，並且在網絡拓撲變化時(保護倒換)，E2E透明時鐘同步精度可能出現短暫的較大偏差，會導致保護裝置的誤動。
[0019]進一步地優選，骨幹層的時鐘源優先級從高到底依次為上級網傳精確時鐘裝置、骨幹層關口交換機上的GPS裝置和骨幹層交換機上的北鬥裝置。接入層的時鐘源優先級從高到底依次為上級網傳精確時鐘裝置、接入層口交換機上的本地時鐘。
[0020]本發明所具有的有益效果是:
[0021]所述的基於工業乙太網相切接入環的智能配電網IEEE1588校時同步系統通過合理的校時體系分層，達到校時網絡規模擴展度高的效果，合理選擇的時間節點類型，達到校時層級數量少、積累誤差小、線路和節點負荷適當、很好的適應接入層是相切接入環結構的效果。通過使用多種時鐘源備用，增強系統的魯棒性，在恰當地點注入時間源，使骨幹層能節省大量GPS校時裝置，通過對不同時鐘源進行優先級排序，上級通信節點時鐘信號為一級，主站關口交換機時鐘源為二級，子站時鐘源設為三級，使系統可以通過BMC算法按照時間源質量始終確定一個時間源作為主時鐘校時。通過選擇合適的時鐘源注入點，減少區縣級骨幹層時鐘源數量，設置接入層關口交換機為邊界時鐘BC，如果接入層出現時間孤島，可以確立一個時間孤島的統一時鐘，儘可能減小影響。
[0022]本發明的建設目標是採用IEEE1588技術、復用工業乙太網通信系統、通過合理的校時體系分層、選擇合適的時鐘節點類型，最終形成一個覆蓋所有的配網自動化終端節點、以上級或本地主站精確時鐘源為主時鐘、多種時鐘源備用、能夠逐級傳遞精確時鐘、網絡冗餘切換時自動形成新時鐘樹、精度優於I微秒、擴展度好、很好的適應接入層是相切接入環結構的廣域多層統一配電網校時網絡，為智能配電網廣域測控系統建設服務。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明的系統結構拓撲圖；
[0024]圖2為本發明的精確時鐘逐層傳遞不意圖；
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本發明的實施例做進一步描述:
[0026]如圖1、圖2所示，本發明所述的基於工業乙太網相切接入環的智能配電網IEEE1588校時同步系統，包括骨幹層和接入層，其特徵在於:骨幹層包括一個骨幹層關口交換機和多個骨幹層交換機，骨幹層關口交換機連接上級網傳精確時鐘裝置，骨幹層關口交換機和骨幹層交換機通過千兆光纖接口連接形成環形結構，接入層包括一個與骨幹層交換機相連接的接入層關口交換機和多個接入層交換機，接入層關口交換機和接入層交換機相連接形成環形結構，接入層交換機連接配電終端裝置，骨幹層關口交換機、接入層關口交換機設置為邊界時鐘，骨幹層交換機和接入層交換機設置為透明時鐘，配電終端裝置設置為普通時鐘；
[0027]基於工業乙太網相切接入環的智能配電網IEEE1588校時同步方法步驟如下:
[0028]I)骨幹層關口交換機接收來自上級網傳精確時鐘裝置的時鐘源報文，通過將骨幹層關口交換機設置為邊界時鐘，骨幹層關口交換機接收到上級時間報文後將此報文終結，然後骨幹層關口交換機根據所接收到的信息更新本地時鐘；
[0029]2)骨幹層關口交換機將更新後的本地時鐘作為主時鐘，通過主時鐘埠將報文信息發送給連接在骨幹層上的其他的骨幹層交換機，骨幹層交換機均設置為透明時鐘，在接收到報文信息後不更新自身的時鐘，相當於直接將報文信息轉發至其它骨幹層交換機；
[0030]3 )骨幹層關口交換機在將報文信息傳達到骨幹層交換機的同時，骨幹層關口交換機的校時時鐘穿過骨幹層交換機發送給接入層關口交換機，接入層關口交換機接收到報文信息後更新本地時鐘，接入層關口交換機完成時間同步後，本身再作為主時鐘將校時的報文發送給連接在接入層的其他接入層交換機和與接入層交換機相連接的配電終端裝置，由於設置為透明時鐘的接入層交換機的自身時鐘不進行更新，則接入層關口交換機的校時報文相當於直接轉發到下一個接入層交換機和配電終端裝置。
[0031 ] 其中，骨幹層關口交換機上設置GPS裝置，骨幹層交換機上設置北鬥裝置，接入層關口交換機設置為邊界時鐘作為本地時鐘。骨幹層關口交換機和骨幹層交換機均採用三層工業乙太網交換機，接入層關口交換機和接入層交換機均採用二層工業乙太網交換機。骨幹層交換機和接入層交換機設置為點對點透傳模式。骨幹層的時鐘源優先級從高到底依次為上級網傳精確時鐘裝置、骨幹層關口交換機上的GPS裝置和骨幹層交換機上的北鬥裝置，接入層的時鐘源優先級從高到底依次為上級網傳精確時鐘裝置、接入層口交換機上的本地時鐘。
[0032]工作原理:
[0033]配電網通信系統分為骨幹層和接入層這兩層。骨幹層通信網覆蓋配網主站(地市調度中心)和配網子站(各個變電站)。如圖1所示，作為骨幹層，主幹網絡設計採用三層工業乙太網交換機，通過千兆光纖接口形成環形網絡，在環形網絡中啟用動態路由協議，實現數據路由動態轉發。接入層主要用於IOKV配電網各級終端的接入，覆蓋各個開閉所、環網櫃、配電所、柱上開關等。接入層由各通信匯聚點所覆蓋區域內的二層工業乙太網交換機組成，根據覆蓋的區域範圍劃分不同相應的子環，這種環是相切接入環結構，該環內的二層工業乙太網交換機之間通過百兆光口組成環網，由一個二層交換機(定義為關口交換機)接入本地通信匯聚點主幹網的三層交換機上，這種結構一般適用於二層交換機採用私有環保護協議時，其接入環的保護倒換時間可以達到20ms以內。
[0034]在骨幹層的大環中，選擇位於主站的交換機節點定義為該層的關口交換機，時鐘類型選擇為邊界時鐘BC，其他節點作為透明時鐘TC (P2P模式)。在接入層的小環中，選擇關口交換機作為邊界時鐘BC，其他交換機節點作為透明時鐘TC (P2P模式)。主站交換機接收上級網傳精確時鐘或GPS精確時鐘源信號對本節點的本地時鐘校時，主站骨幹交換機把本地時鐘作為主時鐘，把報文發送給連接在骨幹網上的其它交換機。由於它們設置為了透明時鐘TC，自身的時鐘不進行更新，相當於此時主時鐘埠發送的校時報文穿過透明時鐘TC到達下一個透明時鐘TC或者與其相連的接入層的關口交換機上，在該層一個校時周期結束時可以對所有接入層的關口交換機完成一次校時。所有接入層的關口交換機完成了時間同步後，本身再作為主時鐘將校時報文發送給連接的其它接入層交換機或本身的配電終端設備，該校時報文穿過相連的透明時鐘TC到達下一個透明時鐘TC或者與其相連的配電終端裝置上。時鐘校時區域分割和節點配置如圖2所示，按照此分割和配置模式可以形成一個廣域多層統一校時網絡。
[0035]骨幹層時鐘源注入和冗餘的實現:骨幹層校時網絡的主時鐘是骨幹層關口交換機連接上級骨幹網絡的通信接口，通過該口接收上級網傳精確時鐘，對該交換機的本地時鐘同步，然後再向連接該層校時網絡的所有邊界時鐘BC廣播校時。備用時鐘源是連接在該關口交換機上的GPS衛星同步對時裝置和連接在本層其它子站骨幹層交換機上的北鬥衛星同步對時裝置。時鐘源優先級分別依次設置為上級網傳精確時鐘、關口交換機上的GPS裝置、子站骨幹交換機上的北鬥裝置和本地時鐘。當主時鐘失效時，節點通過BMC算法，自動更新切換到次級備用時鐘源，使它成為新的主時鐘，從而形成新的校時樹。骨幹環路通過網管系統使它在圖示邏輯連結處斷開，形成一個樹狀校時體系。
[0036]接入層時鐘源注入和冗餘的實現:接入層校時網絡的主時鐘是子站裡面關口交換機連接上級骨幹網絡的通信接口，先通過該口接收上級網傳精確時鐘，更新交換機的本地時鐘，然後再向連接該層校時網絡的所有終端廣播校時。當子網接收不到上級網傳精確時鐘時，會形成一個時間孤島，因為把關口交換機設置為了邊界時鐘BC，此時通過BMC算法，關口交換機自身成為了這個時間孤島的主時鐘，使整個子網所有節點的時鐘保持相對同步。其它機制與骨幹層類似。[0037]本發明使用IEEE1588技術，通過復用工業乙太網通信網絡，使用合理的校時體系分層，選擇合適的時鐘節點類型，使精確時鐘源在一個骨幹層大環與多個接入層小環相切的網絡上逐層傳遞、覆蓋所有的配網自動化終端節點、很好的適應接入層是相切接入環結構，最終形成一個精度優於I微秒、只需少量精確主時鐘設備、能夠自動選擇切換多種冗餘時鐘源、既節省費用擴展度又好的廣域多層統一配電網校時同步系統。
【權利要求】
1.一種基於工業乙太網相切接入環的智能配電網IEEE1588校時同步系統，包括骨幹層和接入層，其特徵在於:骨幹層包括一個骨幹層關口交換機和多個骨幹層交換機，骨幹層關口交換機連接上級網傳精確時鐘裝置，骨幹層關口交換機和骨幹層交換機通過千兆光纖接口連接形成環形結構，接入層包括一個與骨幹層交換機相連接的接入層關口交換機和多個接入層交換機，接入層關口交換機和接入層交換機相連接形成環形結構，接入層交換機連接配電終端裝置，骨幹層關口交換機、接入層關口交換機設置為邊界時鐘，骨幹層交換機和接入層交換機設置為透明時鐘，配電終端裝置設置為普通時鐘； 基於工業乙太網相切接入環的智能配電網IEEE1588校時同步方法步驟如下: 1)骨幹層關口交換機接收來自上級網傳精確時鐘裝置的時鐘源報文，通過將骨幹層關口交換機設置為邊界時鐘，骨幹層關口交換機接收到上級時間報文後將此報文終結，然後骨幹層關口交換機根據所接收到的信息更新本地時鐘； 2)骨幹層關口交換機將更新後的本地時鐘作為主時鐘，通過主時鐘埠將報文信息發送給連接在骨幹層上的其他 的骨幹層交換機，骨幹層交換機均設置為透明時鐘，在接收到報文信息後不更新自身的時鐘，相當於直接將報文信息轉發至其它骨幹層交換機； 3)骨幹層關口交換機在將報文信息傳達到骨幹層交換機的同時，骨幹層關口交換機的校時時鐘穿過骨幹層交換機發送給接入層關口交換機，接入層關口交換機接收到報文信息後更新本地時鐘，接入層關口交換機完成時間同步後，本身再作為主時鐘將校時的報文發送給連接在接入層的其他接入層交換機和與接入層交換機相連接的配電終端裝置，由於設置為透明時鐘的接入層交換機的自身時鐘不進行更新，則接入層關口交換機的校時報文相當於直接轉發到下一個接入層交換機和配電終端裝置。
2.根據權利要求1所述的基於工業乙太網相切接入環的智能配電網IEEE1588校時同步系統，其特徵在於:所述的骨幹層關口交換機上設置GPS裝置，骨幹層交換機上設置北鬥裝置。
3.根據權利要求1所述的基於工業乙太網相切接入環的智能配電網ΙΕΕΕ1588校時同步系統，其特徵在於:所述的接入層關口交換機設置為邊界時鐘作為本地時鐘。
4.根據權利要求1或2所述的基於工業乙太網相切接入環的智能配電網ΙΕΕΕ1588校時同步系統，其特徵在於:所述的骨幹層關口交換機和骨幹層交換機均採用三層工業乙太網交換機。
5.根據權利要求1或3所述的基於工業乙太網相切接入環的智能配電網ΙΕΕΕ1588校時同步系統，其特徵在於:所述的接入層關口交換機和接入層交換機均採用二層工業乙太網交換機。
6.根據權利要求1所述的基於工業乙太網相切接入環的智能配電網ΙΕΕΕ1588校時同步系統，其特徵在於:所述的骨幹層交換機和接入層交換機設置為點對點透傳模式。
7.根據權利要求1或2所述的基於工業乙太網相切接入環的智能配電網ΙΕΕΕ1588校時同步系統，其特徵在於:所述的骨幹層的時鐘源優先級從高到底依次為上級網傳精確時鐘裝置、骨幹層關口交換機上的GPS裝置和骨幹層交換機上的北鬥裝置。
8.根據權利要求1或3所述的基於工業乙太網相切接入環的智能配電網ΙΕΕΕ1588校時同步系統，其特徵在於:所述的接入層的時鐘源優先級從高到底依次為上級網傳精確時鐘裝置、接入層口交換機上的本地時鐘。
【文檔編號】H02J13/00GK103532230SQ201310461625
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月30日 優先權日:2013年9月30日
【發明者】侯梅毅, 高曉東, 鹹日常, 蔣濤, 翟純恆, 王愛華, 翟瀅, 張寧, 劉剛, 劉凱, 張興永, 朱鋒, 張聰, 朱國防, 馮書瑋 申請人:國家電網公司, 國網山東省電力公司淄博供電公司, 山東大學