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智能变电站IEEE1588时钟同步冗余技术研究
李俊刚，刘 星，张爱民，张 杭，耿英三，魏 勇
2015年第20期
DOI：10.7667/j.issn.1674-3415.2015.20.015
智能变电站设计和建设过程中，可靠性方面的要求极为重要。冗余配置作为提高可靠性的主要措施之一，在变电站中得到广泛应用，诸如：保护装置冗余和通信网络冗余。然而时钟系统作为变电站控制系统的决策前提，其重要性不言而喻。但是，时钟系统的冗余设计一直停留在较浅的层面，对时钟信号的传输以及处理过程中的冗余研究，很少有文献加以研究。
目前，智能变电站时钟同步系统采用多种方式实现，如 NTP、IRIG-B、GPS等。IEEE1588时钟同步与这些方式相比，其不仅能以标准的方式实现亚微妙的时钟同步，还能实现不同系统的兼容和互操作。这些特质适合很多电力业务的拓展，能很好地满足电力系统的需求。因此，基于IEEE1588的时钟同步方式在智能变电站中具有较好的应用前景，而如何做好智能变电站IEEE1588时钟同步系统的冗余亟待研究。
智能变电站中IEEE1588时钟同步系统冗余设计中，其方案大致有三种：单钟方案、双钟互备方案、双钟双扩展方案。虽然，其时钟同步系统有多种冗余方式，但是从设计难度和可靠性程度而言，如图1所示，最适合智能变电站需求的即为双钟互备方案。
切换原理分析
智能变电站外部基准时间源多采用GPS信号、上游B码等。外部基准时间源的优先级由时钟装置确定。图1所示为时钟装置外部时间源仅包括GPS信号和备用B码。GPS信号存在则首先选取GPS信号，GPS信号失去后选择备用B码(另一时钟装置送来)。如果GPS信号源，备用B码源均失去，时钟装置输出失步告警信号。
此双钟互备方案中，(1)?主时钟装置、备用时钟装置事先确定；(2)?主用时钟装置的失步告警信号要接入备用时钟装置。假设开始运行时，主用时钟装置为主，发送PTP同步报文，当主用时钟装置失步时，输出失步告警信号给备用时钟装置，改由备用时钟装置发送PTP同步报文。主用时钟装置与外部基准时间源同步时，时钟质量参数clockClass 为6。主用时钟装置与外部基准时间源失步时，时钟质量参数clockClass 为7 ，并且输出失步告警信号。
切换时间分析
两个互备的时钟和装置1均接入一个网络。如图2所示，根据BMC竞争机制，主时钟装置的PTP端口为Master状态，发出PTP同步报文，装置1接收同步报文，与主用时钟装置保持同步。备用时钟装置处于Passive状态，虽然不发出同步报文，但一直在监听主用时钟装置发出的报文。
如果主时钟装置PTP输出断线(如图3示)，那么备用时钟装置的PTP端口将接收不到master的announce报文。当持续设定时间后时钟仍接收不到原来master的announce报文，将引起备用时钟装置PTP端口的Announce报文接收超时事件，此事件触发PTP端口状态机从Passive状态切换到Master状态。
单网模式分析
图4中M表示时钟装置PTP端口为Master状态，P表示时钟装置PTP端口为Passive状态，S表示时钟装置PTP端口为Slave状态。只有Master状态发出同步报文。只有Slave状态接收同步报文并校时。
双网模式分析
图5所示为双网模式下的双钟互备方案，当主用时钟装置与外部基准时间源同步时，主用时钟装置clockClass = 6。备用时钟装置clockClass = 8。因此主用时钟装置的A网口是A网上的Master，主时钟装置的B网口是B网上的Master。对于装置2，通过 A、B双网接入，A、B双网PTP同步报文均来自主用时钟装置。
若主用时钟装置的A网PTP输出断线，如图6所示，装置2的A网口接收不到的PTP信号，装置2的B网口接收到来自主用时钟装置的B网口的PTP信号。则即装置2的B网口发送时钟同步响应报文，而A网口将不再发送同步报文。
IEEE1588在智能变电站中具有良好的应用前景，因此，如何对基于IEEE1588时钟同步的系统进行设计非常有意义。本文针对IEEE1588的实现原理及其特点，分析时钟冗余切换原理和过程，并阐述了单网模式和双网模式下的冗余设计。本文对IEEE1588时钟系统的冗余设计，将会提高现有变电站时钟系统的可靠性，保障保护控制系统的安全实施。因此，本文所做的研究将会对IEEE1588在智能变电站中的推广起着重要作用。
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