CN103532230B - 基于工业以太网相切接入环的智能配电网ieee1588校时同步*** - Google Patents

基于工业以太网相切接入环的智能配电网ieee1588校时同步*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种配电网校时同步***，特别涉及一种基于工业以太网相切接入环的智能配电网IEEE1588校时同步***。包括骨干层和接入层，骨干层关***换机连接上级网传精确时钟装置，骨干层关***换机和骨干层交换机通过千兆光纤接口连接形成环形结构，接入层包括一个与骨干层交换机连接的接入层关***换机和多个接入层交换机，接入层关***换机和接入层交换机连接形成环形结构，骨干层关***换机、接入层关***换机设置为边界时钟，骨干层交换机和接入层交换机设置为透明时钟，配电终端装置设置为普通时钟，本发明技术简单、时间精度高、对GPS依赖性小、节省费用扩展度好、覆盖地域广阔、能够满足智能配电网时间同步要求。

Description

基于工业以太网相切接入环的智能配电网IEEE1588校时同步***
技术领域
本发明涉及一种配电网校时同步***，特别涉及一种基于工业以太网相切接入环的智能配电网IEEE1588校时同步***。
背景技术
当前输电网的各个骨干节点时间同步精度已经达到了较高标准，配网自动化覆盖的中压节点时间同步精度仍然比较低。在智能配电网的建设中，具有同步相量采集功能的智能配电网广域测控体系是智能配电网的关键支撑技术，要实现智能配电网安全分析和测控平台建设、智能配电网广域保护和事件管理、智能配电网无缝自愈等技术必需让配电网的校时精度达到微秒级，所以对智能配电网精确时间同步体系建设研究具有重要的实际意义。
当前电力***的时间同步研究以变电站自动化为主，主要采用的技术有：GPS对时、秒脉冲对时、IRIG-B码、简单网络时间协议SNTP、精确时间同步协议PTP等。其中GPS同步精度高，但成本昂贵不适合在配电网大量节点中应用，且其稳定性安全性也不十分可靠；秒脉冲和IRIG-B编码同步也能达到较高精度，但需要额外对时专用线路，无法应用在配电网这种跨度距离比较大的分布式***中；SNTP网络报文同步对时精度只能达到ms级。IEEE1588又叫分布式控制与测量***的精确时间同步协议PTP，它在以太网中通过校时包并在底层打时间戳来同步网络达到亚微秒级的时间精度，该协议可以复用以太网通信网络，对资源占用低，无需铺设额外线路，能降低***建设成本。目前IEEE1588在电力***中的应用研究大多集中在变电站自动化领域，配电网中的应用处于起步阶段。且已有大量国内外厂家成熟的支持IEEE1588协议的交换机产品。
光纤通信以其大容量带宽、强抗干扰能力、相对低廉的成本、低误码率、高速率、保密性好等可靠稳定的通信品质成为配电网通信***的首选技术。随着IP业务的大量增加，光纤以太网技术在配电网通信***骨干层和接入层中逐渐成为首选技术。以千兆以太环网构建配电自动化骨干网，以百兆工业以太网环网构建配电自动化接入网的方案成为配电网自动化通信***建设的典型方案。本发明就此典型方案为基础，研究一种采用IEEE1588复用基于光纤以太网技术配电网通信***的校时体系。
发明内容
根据以上现有技术中的不足，本发明要解决的问题是：提供一种技术简单、时间精度高、对GPS依赖性小、既节省费用扩展度又好、覆盖地域广阔、尤其适应接入层是相切接入环结构、能够满足智能配电网时间同步要求的基于工业以太网相切接入环的智能配电网IEEE1588校时同步***。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
所述的基于工业以太网相切接入环的智能配电网IEEE1588校时同步***，包括骨干层和接入层，骨干层包括一个骨干层关***换机和多个骨干层交换机，骨干层关***换机连接上级网传精确时钟装置，骨干层关***换机和骨干层交换机通过千兆光纤接口连接形成环形结构，接入层包括一个与骨干层交换机相连接的接入层关***换机和多个接入层交换机，接入层关***换机和接入层交换机相连接形成环形结构，接入层交换机连接配电终端装置，骨干层关***换机、接入层关***换机设置为边界时钟，骨干层交换机和接入层交换机设置为透明时钟，配电终端装置设置为普通时钟；
基于工业以太网相切接入环的智能配电网IEEE1588校时同步方法步骤如下：
1)骨干层关***换机接收来自上级网传精确时钟装置的时钟源报文，通过将骨干层关***换机设置为边界时钟，骨干层关***换机接收到上级时间报文后将此报文终结，然后骨干层关***换机根据所接收到的信息更新本地时钟；
2)骨干层关***换机将更新后的本地时钟作为主时钟，通过主时钟端口将报文信息发送给连接在骨干层上的其他的骨干层交换机，骨干层交换机均设置为透明时钟，在接收到报文信息后不更新自身的时钟，相当于直接将报文信息转发至其他骨干层交换机；
3)骨干层关***换机在将报文信息传达到骨干层交换机的同时，骨干层关***换机的校时时钟穿过骨干层交换机发送给接入层关***换机，接入层关***换机接收到报文信息后更新本地时钟，接入层关***换机完成时间同步后，本身再作为主时钟将校时的报文发送给与接入层关***换机相连接的接入层交换机和与该接入层交换机相连接的配电终端装置，由于设置为透明时钟的接入层交换机的自身时钟不进行更新，则校时报文信息相当于直接转发到下一级接入层交换机和与该接入层交换机相连接的配电终端装置。
在精确时钟源的统一校时下，骨干通信环网覆盖配网主站(地市调度中心)和配网子站(各个变电站)，接入层环网由该层一个关***换机接入本地通信汇聚点骨干网的交换机上，再连接其他所有接入层交换机形成一个完整的小环，与骨干环路相切，覆盖通信汇聚点的各个开闭所、环网柜、配电所、柱上开关。最后形成了IEEE1588协议在骨干层的大环与多个接入层小环相切的结构中逐层传递的机制。
本发明采用分层原则，把每一个通信环(包括骨干层的大环与接入层的小环)看做成一个时钟校时区域，在每个时钟校时区域内选择少量交换机节点时钟类型设置为边界时钟BC，作为本时钟校时区域内的主时钟，其他节点设置为透明时钟TC，配电终端装置设置为普通时钟OC，这样可以达到***校时层级数量少、误差积累小、线路和节点负荷适当的效果。
在骨干层的大环中，选择位于主站的交换机节点定义为该层的关***换机，时钟类型选择为边界时钟BC，其他节点作为透明时钟TC(P2P模式)。在接入层的小环中，与骨干层交换机相连接的交换机定义为关***换机(每个相切接入环有一个关***换机)作为边界时钟BC，其他交换机节点作为透明时钟TC(P2P模式)。边界时钟BC节点是分割PTP校时子域的边界，它能形成结构清晰、多个层次分明、相对独立、对时过程简便的PTP子域，通过上一层为下一层来一级一级的校时，最终形成一个时钟校时树体系。每个PTP子域的Sync报文发送周期一般为2秒，这两秒中本地的时钟误差会逐渐积累，直到下一次更新。而下一层会在本地2秒积累的误差加上上一层2秒累积的误差，层级越多误差积累必然越多。关***换机相当于一个时钟信息流的关口，在环形网络与上下级网络的连接处都由关***换机把守，将其设置为边界时钟BC，使本层与它上下层的校时体系隔开，形成相对独立的PTP子域，每一层级的通信网作为一个大的校时整体，由本层的关***换机边界时钟BC开始广播发送校时包，该层中所有的校时信息都能通过透明时钟TC无误差积累地传送到本层所有时间节点上。将关***换机设置为边界时钟BC还可以阻断不同层级间校时信息的流动，减轻了线路和设备的通信负担，增强校时***的稳定性。按这种方法分割时钟校时区域，校时信息在区县级骨干层传递到它的10KV配网接入层的终端设备上只需要经过两层PTP校时域。这样既保证了将校时误差控制在最小范围内，又能形成一个规模可任意扩展的广域多层统一校时网络。
进一步地优选，骨干层关***换机上设置GPS装置，骨干层交换机上设置北斗装置。当骨干层关***换机无法正常接收上级网传精确时钟装置的报文信息时，可以根据骨干层关***换机上设置的GPS装置进行校时，不需要每个站点都配备GPS装置，只需要在每层的关***换机上设置即可，不但能保证校时***的稳定性，还能降低校时***的成本；在无法正常接收上级网传精确时钟装置的报文信息，骨干层关***换机的GPS装置也发生故障时可以通过骨干层交换机上设置的北斗装置进行校时，并不是所有的骨干层交换机都设置有北斗装置，我们可以根据需要选择性的设置，降低校时***的成本。在无法正常接收上级精确时钟装置的报文信息时，通过接入层关***换机的本地时钟进行校时。
进一步地优选，骨干层关***换机和骨干层交换机均采用三层工业以太网交换机。接入层关***换机和接入层交换机均采用二层工业以太网交换机。
进一步地优选，骨干层交换机和接入层交换机设置为点对点透传模式。骨干层交换机和接入层交换机的透明时钟TC都设置为点到点(P2P)透明时钟是为了更进一步减轻线路和设备通信负担。点到点(P2P)时，相邻设备间的路径延时抖动都通过固定周期的定时测量记录在节点中，当主时钟发送的时间戳信息传递到从时钟时，整个路径延时抖动和交换机协议栈抖动都累加到这个主时钟信息中，从时钟只需要根据自己接收到的Sync报文的本地时间，就可以精确算出与主时钟的时间误差来调整自己，不需要再发送Delay-Request、Delay-Response之类后续报文，相当于主时钟单向对从时钟发送校时信息，不再用乒乓法。E2E(端到端)透明时钟仍然相当于用乒乓法来测量整个路径延时抖动，并且在网络拓扑变化时(保护倒换)，E2E透明时钟同步精度可能出现短暂的较大偏差，会导致保护装置的误动。
进一步地优选，骨干层的时钟源优先级从高到底依次为上级网传精确时钟装置、骨干层关***换机上的GPS装置和骨干层交换机上的北斗装置。
本发明所具有的有益效果是：
所述的基于工业以太网相切接入环的智能配电网IEEE1588校时同步***通过合理的校时体系分层，达到校时网络规模扩展度高的效果，合理选择的时间节点类型，达到校时层级数量少、积累误差小、线路和节点负荷适当、很好的适应接入层是相切接入环结构的效果。通过使用多种时钟源备用，增强***的鲁棒性，在恰当地点注入时间源，使骨干层能节省大量GPS校时装置，通过对不同时钟源进行优先级排序，上级通信节点时钟信号为一级，主站关***换机时钟源为二级，子站时钟源设为三级，使***可以通过BMC算法按照时间源质量始终确定一个时间源作为主时钟校时。通过选择合适的时钟源注入点，减少区县级骨干层时钟源数量，设置接入层关***换机为边界时钟BC，如果接入层出现时间孤岛，可以确立一个时间孤岛的统一时钟，尽可能减小影响。
本发明的建设目标是采用IEEE1588技术、复用工业以太网通信***、通过合理的校时体系分层、选择合适的时钟节点类型，最终形成一个覆盖所有的配网自动化终端节点、以上级或本地主站精确时钟源为主时钟、多种时钟源备用、能够逐级传递精确时钟、网络冗余切换时自动形成新时钟树、精度优于1微秒、扩展度好、很好的适应接入层是相切接入环结构的广域多层统一配电网校时网络，为智能配电网广域测控***建设服务。
附图说明
图1为本发明的***结构拓扑图；
图2为本发明的精确时钟逐层传递示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述：
如图1、图2所示，本发明所述的基于工业以太网相切接入环的智能配电网IEEE1588校时同步***，包括骨干层和接入层，其特征在于：骨干层包括一个骨干层关***换机和多个骨干层交换机，骨干层关***换机连接上级网传精确时钟装置，骨干层关***换机和骨干层交换机通过千兆光纤接口连接形成环形结构，接入层包括一个与骨干层交换机相连接的接入层关***换机和多个接入层交换机，接入层关***换机和接入层交换机相连接形成环形结构，接入层交换机连接配电终端装置，骨干层关***换机、接入层关***换机设置为边界时钟，骨干层交换机和接入层交换机设置为透明时钟，配电终端装置设置为普通时钟；
基于工业以太网相切接入环的智能配电网IEEE1588校时同步方法步骤如下：
1)骨干层关***换机接收来自上级网传精确时钟装置的时钟源报文，通过将骨干层关***换机设置为边界时钟，骨干层关***换机接收到上级时间报文后将此报文终结，然后骨干层关***换机根据所接收到的信息更新本地时钟；
2)骨干层关***换机将更新后的本地时钟作为主时钟，通过主时钟端口将报文信息发送给连接在骨干层上的其他的骨干层交换机，骨干层交换机均设置为透明时钟，在接收到报文信息后不更新自身的时钟，相当于直接将报文信息转发至其他骨干层交换机；
3)骨干层关***换机在将报文信息传达到骨干层交换机的同时，骨干层关***换机的校时时钟穿过骨干层交换机发送给接入层关***换机，接入层关***换机接收到报文信息后更新本地时钟，接入层关***换机完成时间同步后，本身再作为主时钟将校时的报文发送给与接入层关***换机相连接的接入层交换机和与该接入层交换机相连接的配电终端装置，由于设置为透明时钟的接入层交换机的自身时钟不进行更新，则校时报文信息相当于直接转发到下一级接入层交换机和与该接入层交换机相连接的配电终端装置。
其中，骨干层关***换机上设置GPS装置，骨干层交换机上设置北斗装置，骨干层关***换机和骨干层交换机均采用三层工业以太网交换机，接入层关***换机和接入层交换机均采用二层工业以太网交换机。骨干层交换机和接入层交换机设置为点对点透传模式。骨干层的时钟源优先级从高到底依次为上级网传精确时钟装置、骨干层关***换机上的GPS装置和骨干层交换机上的北斗装置。
工作原理：
配电网通信***分为骨干层和接入层这两层。骨干层通信网覆盖配网主站(地市调度中心)和配网子站(各个变电站)。如图1所示，作为骨干层，主干网络设计采用三层工业以太网交换机，通过千兆光纤接口形成环形网络，在环形网络中启用动态路由协议，实现数据路由动态转发。接入层主要用于10KV配电网各级终端的接入，覆盖各个开闭所、环网柜、配电所、柱上开关等。接入层由各通信汇聚点所覆盖区域内的二层工业以太网交换机组成，根据覆盖的区域范围划分不同相应的子环，这种环是相切接入环结构，该环内的二层工业以太网交换机之间通过百兆光口组成环网，由一个二层交换机(定义为关***换机)接入本地通信汇聚点主干网的三层交换机上，这种结构一般适用于二层交换机采用私有环保护协议时，其接入环的保护倒换时间可以达到20ms以内。
在骨干层的大环中，选择位于主站的交换机节点定义为该层的关***换机，时钟类型选择为边界时钟BC，其他节点作为透明时钟TC(P2P模式)。在接入层的小环中，选择关***换机作为边界时钟BC，其他交换机节点作为透明时钟TC(P2P模式)。主站交换机接收上级网传精确时钟或GPS精确时钟源信号对本节点的本地时钟校时，主站骨干交换机把本地时钟作为主时钟，把报文发送给连接在骨干网上的其他交换机。由于它们设置为了透明时钟TC，自身的时钟不进行更新，相当于此时主时钟端口发送的校时报文穿过透明时钟TC到达下一个透明时钟TC或者与其相连的接入层的关***换机上，在该层一个校时周期结束时可以对所有接入层的关***换机完成一次校时。所有接入层的关***换机完成了时间同步后，本身再作为主时钟将校时报文发送给连接的其他接入层交换机或本身的配电终端设备，该校时报文穿过相连的透明时钟TC到达下一个透明时钟TC或者与其相连的配电终端装置上。时钟校时区域分割和节点配置如图2所示，按照此分割和配置模式可以形成一个广域多层统一校时网络。
骨干层时钟源注入和冗余的实现：骨干层校时网络的主时钟是骨干层关***换机连接上级骨干网络的通信接口，通过该口接收上级网传精确时钟，对该交换机的本地时钟同步，然后再向连接该层校时网络的所有边界时钟BC广播校时。备用时钟源是连接在该关***换机上的GPS卫星同步对时装置和连接在本层其他子站骨干层交换机上的北斗卫星同步对时装置。时钟源优先级分别依次设置为上级网传精确时钟、关***换机上的GPS装置、子站骨干交换机上的北斗装置和本地时钟。当主时钟失效时，节点通过BMC算法，自动更新切换到次级备用时钟源，使它成为新的主时钟，从而形成新的校时树。骨干环路通过网管***使它在图示逻辑链接处断开，形成一个树状校时体系。
接入层时钟源注入和冗余的实现：接入层校时网络的主时钟是子站里面关***换机连接上级骨干网络的通信接口，先通过该口接收上级骨干网络网传精确时钟，更新交换机的本地时钟，然后再向连接该层校时网络的所有终端广播校时。当子网接收不到上级骨干网络网传精确时钟时，会形成一个时间孤岛，因为把关***换机设置为了边界时钟BC，此时通过BMC算法，关***换机自身成为了这个时间孤岛的主时钟，使整个子网所有节点的时钟保持相对同步。其他机制与骨干层类似。
本发明使用IEEE1588技术，通过复用工业以太网通信网络，使用合理的校时体系分层，选择合适的时钟节点类型，使精确时钟源在一个骨干层大环与多个接入层小环相切的网络上逐层传递、覆盖所有的配网自动化终端节点、很好的适应接入层是相切接入环结构，最终形成一个精度优于1微秒、只需少量精确主时钟设备、能够自动选择切换多种冗余时钟源、既节省费用扩展度又好的广域多层统一配电网校时同步***。

Claims (6)

1.一种基于工业以太网相切接入环的智能配电网IEEE1588校时同步***，包括骨干层和接入层，其特征在于：骨干层包括一个骨干层关***换机和多个骨干层交换机，骨干层关***换机连接上级网传精确时钟装置，骨干层关***换机和骨干层交换机通过千兆光纤接口连接形成环形结构，接入层包括一个与骨干层交换机相连接的接入层关***换机和多个接入层交换机，接入层关***换机和接入层交换机相连接形成环形结构，接入层交换机连接配电终端装置，骨干层关***换机、接入层关***换机设置为边界时钟，骨干层交换机和接入层交换机设置为透明时钟，配电终端装置设置为普通时钟；
基于工业以太网相切接入环的智能配电网IEEE1588校时同步方法步骤如下：
1)骨干层关***换机接收来自上级网传精确时钟装置的时钟源报文，通过将骨干层关***换机设置为边界时钟，骨干层关***换机接收到上级时间报文后将此报文终结，然后骨干层关***换机根据所接收到的信息更新本地时钟；
2)骨干层关***换机将更新后的本地时钟作为主时钟，通过主时钟端口将报文信息发送给连接在骨干层上的其他的骨干层交换机，骨干层交换机均设置为透明时钟，在接收到报文信息后不更新自身的时钟，相当于直接将报文信息转发至其他骨干层交换机；
3)骨干层关***换机在将报文信息传达到骨干层交换机的同时，骨干层关***换机的校时时钟穿过骨干层交换机发送给接入层关***换机，接入层关***换机接收到报文信息后更新本地时钟，接入层关***换机完成时间同步后，本身再作为主时钟将校时的报文发送给与接入层关***换机相连接的接入层交换机和与该接入层交换机相连接的配电终端装置，由于设置为透明时钟的接入层交换机的自身时钟不进行更新，则校时报文信息相当于直接转发到下一级接入层交换机和与该接入层交换机相连接的配电终端装置。
2.根据权利要求1所述的基于工业以太网相切接入环的智能配电网IEEE1588校时同步***，其特征在于：所述的骨干层关***换机上设置GPS装置，骨干层交换机上设置北斗装置。
3.根据权利要求1或2所述的基于工业以太网相切接入环的智能配电网IEEE1588校时同步***，其特征在于：所述的骨干层关***换机和骨干层交换机均采用三层工业以太网交换机。
4.根据权利要求1所述的基于工业以太网相切接入环的智能配电网IEEE1588校时同步***，其特征在于：所述的接入层关***换机和接入层交换机均采用二层工业以太网交换机。
5.根据权利要求1所述的基于工业以太网相切接入环的智能配电网IEEE1588校时同步***，其特征在于：所述的骨干层交换机和接入层交换机设置为点对点透传模式。
6.根据权利要求2所述的基于工业以太网相切接入环的智能配电网IEEE1588校时同步***，其特征在于：所述的骨干层的时钟源优先级从高到低依次为上级网传精确时钟装置、骨干层关***换机上的GPS装置和骨干层交换机上的北斗装置。
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