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摘要：本文就智能变电站 NTP 和 IEEE1588 时钟同步对时方式进行了对比分析，并根据同步报文时间戳的产生与识别以及变电站的过程层与站控层网络的拓扑结构，将精密时间同步系统嵌入到智能变电站过程层和站控层。最后通过精度测试验证满足 IEC61850 标准最高 T5 等级（1us）的要求。
关键词：智能变电站;NTP 同步对时;IEEE1588 同步对时
1 NTP 和 IEEE1588 时钟同步报文实现
1.1 NTP 和 IEEE1588 时钟同步工作原理
NTP 对时采用的客户端/服务器（C/S）模式进行时钟同步的。客户端跟随服务器的时钟变化，实现与服务器的时钟同步。客户端不定期的向服务器发送 NTP 对时报文请求，服务器接收到客户端发送的报文请求后向客户端发送 NTP 对时报文响应。
IEEE1588 协议将同步网络中的时钟分为主、从时钟两种。主时钟是通过BMC算法来得到的，主时钟广播、多播和组播同步信号，从时钟读取主时钟发送的时钟同步信号，将得到的时间参数记录下来，通过本地时钟同步算法计算出主、从时钟之间的误差，通过对从时钟进行误差修正来实现从时钟同步。IEEE1588 协议主要是利用M-S模式进行变电站 IED 设备的主、从时钟同步。
1.2时间戳的产生与识别
（1）NTP 对时方式时间戳的产生
NTP 是一个能够兼容底层设备的协议，只需要 NTP 网络通信接口就可以实现，对设备硬件没有严 格要求。NTP 对时方式的时间戳产生与识别是在应用层中进行的，带有应用层时间戳的 NTP 对时报文开始传输时，通过传输层进行UDP打包封装，然后在网络层将 UDP 打包的数据加上 IP 前缀与后缀构成 IP 数据包，最后在数据链路层中的MAC层实现以太网帧格式封装，经由物理层端口发送到交换机以太网上进行同步传输。
（2）IEEE1588 对时方式时间戳的产生
IEEE1588 对时方式的时间戳产生与识别是在数据链路层与物理层之间的MII口。由应用层产生 PTP 数据，通过传输层进行 UDP 打包封装，然后在网络层将 UDP 打包的 PTP 数据加上 IP 前缀与后缀构成 IP 数据包，最后在数据链路层中的 MAC 层实现以太网帧格式封装，在 MII 口进行 IEEE1588 时间戳的加载，经由物理层发送到网线上进行传输。而从时钟经物理层接收来自网线上传输的对时帧，在 MII 口处进行 IEEE1588 时间戳的读取，在网络访问层中的 MAC 层解帧，在网络层中将 IP 数据包中的前缀与后缀去除，通过 TCP/IP 协议进行数据包解封，最后传入从时钟的应用层，根据本地时钟算法实现主、从时钟同步。
1.3 同步时间报文检测原理
IEEE1588 同步时间报文检测的基本原理就是从帧开始标志结束后，将报文的数据流中的 MAC 地址，报文类型和 UDP 端口号记录下来，并与已知的 MAC 地址，报文类型和 UDP 端口号等参数进行比对，当参数匹配时才能确定为时钟同步报文。为了简化报文检测的设计，一般情况下主时钟与从时钟的报文检测方法一样。
Sync 报文检测方法（主时钟端发出，从时钟端接收）：
（1）Sync 报文的 MAC 目的地址是：6 个字节 FF（广播地址）;
（2）（2）Sync 报文的类型是：UDP 类型;
（3）Sync 报文的 UDP 目的端口号是：319。
Delay_Req 报文检测方法（主时钟端接收，从时 钟端发出）：
（1）Delay_Req 报文的 MAC 目的地址是：主节点的 MAC 地址;
（2）Delay_Req 报文类型是：UDP 类型;
（3）Delay_Req 报文的 UDP 目的端口号是：319。
Sync 与 Delay_Req 报文的检测数据必须同时满 足（1）、（2）和（3），才能被认定为时钟同步报文，然后锁定该时刻的本地时钟时间值，并提出中断申请，由应用层来进一步判定报文的完整性与合理性，最后通过本地时钟算法实现主、从时钟同步。
2 变电站同步网络结构
过程层网络与站控层网络相互独立的变电站时钟同步网络结构是当今智能变电站的常用时钟同步网络结构。该结构又具体分为两种网络结构：
（1）过程总线分段模式 站控层网络、过程层网络、测控装置和保护装置均采用双倍冗余，站控层网络采用双星形拓扑结构。这种拓扑结构最大的特点就是网络 延时小、造价比较低，但是变电站信息传输的可靠性比较低。过程层网络采用双环形拓扑结构，这种拓扑结构可靠性最高，是对GOOSE 报文、SV 报文、时间同步报文的传输的重要保障。
（2）单一总线模式
站控层网络、过程层网络、测控装置和保护装置均采用双倍冗余。站控层网络和过程层网络都采用双星形拓扑结构。
3 智能变电站的精密时钟同步系统
针对过程层网络与站控层网络相互独立的变电站时钟同步网络结构来构建智能变电站的精密时钟同步系统。主要包括两种构建方案：
方案一，通过冗余结构的根时钟GC来实现智能变电站的全站IEEE1588对时（如图1）。图1 中的交换机1～8在该方案中承载着透明时钟TC的作用，PTP 同步报文从GC时钟开始经过那8个透明时钟来完成与变电站其余IED设备的内部从时钟同步任务。该方案能够提供全站纳秒级的同步精度，但是每个主时钟、从时钟和透明时钟都必须具有 IEEE1588 时 间戳的产生与识别功能，实际工程的应用成本比较高。
图 1 全站 IEEE1588 对时
方案二：通过双冗余的 GC 与 SNTP 时间服务器结构实现变电站的精密时钟同步系统。其中，站控层网络采用 SNTP 对时方式，过程层网络采用 IEEE1588 对时方式。该方案中使用的 SNTP 服务器具备两个网口，其中一个网口支持 IEEE1588 同步对时方式，另一个网口仅支持 SNTP 同步对时方式。IEEE1588 网口用于实现对时时间性 能要求比较高的过程层网络，而 SNTP 网口却承担着站控层网络的时钟服务器功能。该方案不仅能够省去对同步精度要求不高的站控层网络设备中 IEEE1588 时间戳的发生与识别硬件，还能够保证系统的同步功能需求，提高了对时系统的性价比。图1与图2的同步对时系统相比过程层网络中看起来更加简明，但是该单一过程总线网络拓扑结构对透明时钟交换机 TC 的性能要求非常高，因为只有这样才能保证这个变电站关键信息的高实时性，尤其是 GOOSE 跳闸报文的实时性。采用优先级设置、虚拟局域网 VLAN 设置都可以减少网络延时对同步系统的影响，保证全站 IED 设备的时钟同步精度。
图 2 SNTP 与 IEEE1588 对时结合
4 精度测试
本次实验的设备主要有两个罗杰康生产的支持IEEE1588（V2）的 RSG2288 交换机和一个示波器。其中一个RSG2288交换机设置为主时钟，另外一个设置为从时钟，两个交换机通过网线链接起来。
根据交换机中的背景流量的百分比来设置试验场景。场景一：网络流量正常;场景二：叠加 30% 背景流量。由图3与图4可以得出两种场景的测试结果，如表1。
图 3正常流量测试结果 图 4叠加 30%背景流量测试结果
表 1 测试结果
场景
精度
正常流量
100ns
叠加30%背景流量
150ns
由表1可以看出，基于 IEEE1588 的同步对时方式能够实现百纳秒级的对时精度，可以满足现代智能变电站对时钟同步的要求。
参考文献：
[1]胡学浩. 智能电网—未来电网的发展态势[J] . 电网技术，2009，33（14）：1 -5.
[2]温东旭，马国强，王俊峰. SNTP 协议的分析[J] . 继电器，2008，36（11）：19 -21.
[3]黄小耘. NTP 在电力自动化设备时钟同步中的应用探讨[J] . 电 力系统自动化，2005，29（15）：93 -95.
[4]赵上林，胡敏强，窦晓波，等. 基于 IEEE1588 的数字化变电站时 钟同步技术研究[ J] . 电网技术，2008，32（21）：97 -101.
关键词：智能变电站;NTP 同步对时;IEEE1588 同步对时
1 NTP 和 IEEE1588 时钟同步报文实现
1.1 NTP 和 IEEE1588 时钟同步工作原理
NTP 对时采用的客户端/服务器（C/S）模式进行时钟同步的。客户端跟随服务器的时钟变化，实现与服务器的时钟同步。客户端不定期的向服务器发送 NTP 对时报文请求，服务器接收到客户端发送的报文请求后向客户端发送 NTP 对时报文响应。
IEEE1588 协议将同步网络中的时钟分为主、从时钟两种。主时钟是通过BMC算法来得到的，主时钟广播、多播和组播同步信号，从时钟读取主时钟发送的时钟同步信号，将得到的时间参数记录下来，通过本地时钟同步算法计算出主、从时钟之间的误差，通过对从时钟进行误差修正来实现从时钟同步。IEEE1588 协议主要是利用M-S模式进行变电站 IED 设备的主、从时钟同步。
1.2时间戳的产生与识别
（1）NTP 对时方式时间戳的产生
NTP 是一个能够兼容底层设备的协议，只需要 NTP 网络通信接口就可以实现，对设备硬件没有严 格要求。NTP 对时方式的时间戳产生与识别是在应用层中进行的，带有应用层时间戳的 NTP 对时报文开始传输时，通过传输层进行UDP打包封装，然后在网络层将 UDP 打包的数据加上 IP 前缀与后缀构成 IP 数据包，最后在数据链路层中的MAC层实现以太网帧格式封装，经由物理层端口发送到交换机以太网上进行同步传输。
（2）IEEE1588 对时方式时间戳的产生
IEEE1588 对时方式的时间戳产生与识别是在数据链路层与物理层之间的MII口。由应用层产生 PTP 数据，通过传输层进行 UDP 打包封装，然后在网络层将 UDP 打包的 PTP 数据加上 IP 前缀与后缀构成 IP 数据包，最后在数据链路层中的 MAC 层实现以太网帧格式封装，在 MII 口进行 IEEE1588 时间戳的加载，经由物理层发送到网线上进行传输。而从时钟经物理层接收来自网线上传输的对时帧，在 MII 口处进行 IEEE1588 时间戳的读取，在网络访问层中的 MAC 层解帧，在网络层中将 IP 数据包中的前缀与后缀去除，通过 TCP/IP 协议进行数据包解封，最后传入从时钟的应用层，根据本地时钟算法实现主、从时钟同步。
1.3 同步时间报文检测原理
IEEE1588 同步时间报文检测的基本原理就是从帧开始标志结束后，将报文的数据流中的 MAC 地址，报文类型和 UDP 端口号记录下来，并与已知的 MAC 地址，报文类型和 UDP 端口号等参数进行比对，当参数匹配时才能确定为时钟同步报文。为了简化报文检测的设计，一般情况下主时钟与从时钟的报文检测方法一样。
Sync 报文检测方法（主时钟端发出，从时钟端接收）：
（1）Sync 报文的 MAC 目的地址是：6 个字节 FF（广播地址）;
（2）（2）Sync 报文的类型是：UDP 类型;
（3）Sync 报文的 UDP 目的端口号是：319。
Delay_Req 报文检测方法（主时钟端接收，从时 钟端发出）：
（1）Delay_Req 报文的 MAC 目的地址是：主节点的 MAC 地址;
（2）Delay_Req 报文类型是：UDP 类型;
（3）Delay_Req 报文的 UDP 目的端口号是：319。
Sync 与 Delay_Req 报文的检测数据必须同时满 足（1）、（2）和（3），才能被认定为时钟同步报文，然后锁定该时刻的本地时钟时间值，并提出中断申请，由应用层来进一步判定报文的完整性与合理性，最后通过本地时钟算法实现主、从时钟同步。
2 变电站同步网络结构
过程层网络与站控层网络相互独立的变电站时钟同步网络结构是当今智能变电站的常用时钟同步网络结构。该结构又具体分为两种网络结构：
（1）过程总线分段模式 站控层网络、过程层网络、测控装置和保护装置均采用双倍冗余，站控层网络采用双星形拓扑结构。这种拓扑结构最大的特点就是网络 延时小、造价比较低，但是变电站信息传输的可靠性比较低。过程层网络采用双环形拓扑结构，这种拓扑结构可靠性最高，是对GOOSE 报文、SV 报文、时间同步报文的传输的重要保障。
（2）单一总线模式
站控层网络、过程层网络、测控装置和保护装置均采用双倍冗余。站控层网络和过程层网络都采用双星形拓扑结构。
3 智能变电站的精密时钟同步系统
针对过程层网络与站控层网络相互独立的变电站时钟同步网络结构来构建智能变电站的精密时钟同步系统。主要包括两种构建方案：
方案一，通过冗余结构的根时钟GC来实现智能变电站的全站IEEE1588对时（如图1）。图1 中的交换机1～8在该方案中承载着透明时钟TC的作用，PTP 同步报文从GC时钟开始经过那8个透明时钟来完成与变电站其余IED设备的内部从时钟同步任务。该方案能够提供全站纳秒级的同步精度，但是每个主时钟、从时钟和透明时钟都必须具有 IEEE1588 时 间戳的产生与识别功能，实际工程的应用成本比较高。
图 1 全站 IEEE1588 对时
方案二：通过双冗余的 GC 与 SNTP 时间服务器结构实现变电站的精密时钟同步系统。其中，站控层网络采用 SNTP 对时方式，过程层网络采用 IEEE1588 对时方式。该方案中使用的 SNTP 服务器具备两个网口，其中一个网口支持 IEEE1588 同步对时方式，另一个网口仅支持 SNTP 同步对时方式。IEEE1588 网口用于实现对时时间性 能要求比较高的过程层网络，而 SNTP 网口却承担着站控层网络的时钟服务器功能。该方案不仅能够省去对同步精度要求不高的站控层网络设备中 IEEE1588 时间戳的发生与识别硬件，还能够保证系统的同步功能需求，提高了对时系统的性价比。图1与图2的同步对时系统相比过程层网络中看起来更加简明，但是该单一过程总线网络拓扑结构对透明时钟交换机 TC 的性能要求非常高，因为只有这样才能保证这个变电站关键信息的高实时性，尤其是 GOOSE 跳闸报文的实时性。采用优先级设置、虚拟局域网 VLAN 设置都可以减少网络延时对同步系统的影响，保证全站 IED 设备的时钟同步精度。
图 2 SNTP 与 IEEE1588 对时结合
4 精度测试
本次实验的设备主要有两个罗杰康生产的支持IEEE1588（V2）的 RSG2288 交换机和一个示波器。其中一个RSG2288交换机设置为主时钟，另外一个设置为从时钟，两个交换机通过网线链接起来。
根据交换机中的背景流量的百分比来设置试验场景。场景一：网络流量正常;场景二：叠加 30% 背景流量。由图3与图4可以得出两种场景的测试结果，如表1。
图 3正常流量测试结果 图 4叠加 30%背景流量测试结果
表 1 测试结果
场景
精度
正常流量
100ns
叠加30%背景流量
150ns
由表1可以看出，基于 IEEE1588 的同步对时方式能够实现百纳秒级的对时精度，可以满足现代智能变电站对时钟同步的要求。
参考文献：
[1]胡学浩. 智能电网—未来电网的发展态势[J] . 电网技术，2009，33（14）：1 -5.
[2]温东旭，马国强，王俊峰. SNTP 协议的分析[J] . 继电器，2008，36（11）：19 -21.
[3]黄小耘. NTP 在电力自动化设备时钟同步中的应用探讨[J] . 电 力系统自动化，2005，29（15）：93 -95.
[4]赵上林，胡敏强，窦晓波，等. 基于 IEEE1588 的数字化变电站时 钟同步技术研究[ J] . 电网技术，2008，32（21）：97 -101.