持IEEE 1588v2協(xié)議，實(shí)現變電站自動(dòng)化精準計時(shí)同步

在世界航路快速發(fā)展的時(shí)代，大英帝國之所以能夠取得巨大的海上壯舉，得益于一個(gè)新發(fā)明——航海天文鐘，它可確保在大海航行的時(shí)候獲得精準的時(shí)間。在格林威治港口，將天文臺表設置為本地時(shí)間，然后和當天太陽(yáng)所在位置的時(shí)間進(jìn)行比較，船長(cháng)就可以計算出當前位置的經(jīng)度，精度非常準。天文臺表帶來(lái)了巨大的轉變，這種革命性的轉變使得英國探險家遠勝于當時(shí)其他國家的競爭對手。即使現在大英帝國無(wú)法占據全球，但英國發(fā)明的航海天文鐘卻帶來(lái)了持久的影響，格林威治時(shí)間(GMT)已經(jīng)成為其他時(shí)區設置時(shí)間的標準。

對工業(yè)網(wǎng)絡(luò )而言，精準計時(shí)同樣也會(huì )帶來(lái)巨大優(yōu)勢。特別是配網(wǎng)，更需要精準計時(shí)和網(wǎng)絡(luò )同步，將分布式設備和常規電力設備都協(xié)調一致。高精度級別為電網(wǎng)帶來(lái)了突破性革命——智能電網(wǎng)可通過(guò)自動(dòng)且智能分配電力，滿(mǎn)足用戶(hù)的按需分配，實(shí)現更高水平的效率性、安全性和可靠性。

本文探討了現代工業(yè)體系，尤其是變電站在面對網(wǎng)絡(luò )同步時(shí)所遇到的一些限制。此外，還概述了如今常用的計時(shí)技術(shù)，如NTP和GPS，并介紹IEEE 1588 v2精準時(shí)間同步協(xié)議(PTP)將如何改變您的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )。

1時(shí)間同步技術(shù)概述

在工業(yè)網(wǎng)絡(luò )中，時(shí)間同步主要指該網(wǎng)絡(luò )的所有不同設備都使用共同時(shí)鐘，來(lái)協(xié)調設備之間的通訊。網(wǎng)絡(luò )集成商目前有多種不同的時(shí)間同步技術(shù)可選，每種技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，但都不是工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的最佳選擇：Inter-range Instrumentation Group (IRIG)、網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議(NTP)和全球定位系統(GPS)。

對工業(yè)系統而言，如變電站自動(dòng)化系統都需要準確的時(shí)間同步，來(lái)協(xié)調多個(gè)不同子系統和設備之間的通訊。然而，許多現有的技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)自動(dòng)化測量和控制系統的需求。

精度：工業(yè)網(wǎng)絡(luò )需要納秒計數，但大多數傳統設備根本無(wú)法達到這個(gè)級別。例如，變電站自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )需要納秒級別來(lái)采樣，采集如故障記錄、遠程監控、遠程控制等數據，以保證關(guān)鍵應用隊員數據精準性的要求。IRIGB和NTP在一個(gè)數量級，速度太慢，無(wú)法達到納秒級的精度。即使在理想狀態(tài)下，NTP的精度也只是百微秒級。

費用：GPS網(wǎng)絡(luò )通過(guò)非常精準的原子鐘提供高度精準的時(shí)間信息，但為了獲得這些信息，網(wǎng)絡(luò )中必須每個(gè)節點(diǎn)都安裝GPS接收器。工業(yè)網(wǎng)絡(luò )中每臺設備都需要各自的GPS接收器，這對于工業(yè)網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，成本高昂，不切實(shí)際。如果可以減少網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的個(gè)數，或者更有效使用GPS接收器，那么GPS會(huì )變得實(shí)際，也可以使整個(gè)網(wǎng)絡(luò )受益于GPS系統來(lái)實(shí)現精準計時(shí)。

2 IEEE 1588v2專(zhuān)為工業(yè)系統設計，可以在一個(gè)合理的成本內實(shí)現高精度。

NTP、GPS和IRIGB不具備變電站運行所需要的技術(shù)能力。幸運的是，IEEE 1588v2精準時(shí)間協(xié)議(PTP)是專(zhuān)為工業(yè)測量網(wǎng)絡(luò )和控制系統而設計的協(xié)議。在IEEE 1588v2網(wǎng)絡(luò )中，主時(shí)鐘決定了整個(gè)變電站自動(dòng)化系統的參考時(shí)間。以太網(wǎng)交換機則作為邊界時(shí)鐘或透明時(shí)鐘，其他設備(如測量單元、IED、保護設備)都定義為普通時(shí)鐘。所有這些設備都被主時(shí)鐘集合在一個(gè)主從同步的層級網(wǎng)絡(luò )架構中。如下圖所示，主從設備之間交換PTP包，自動(dòng)調整普通時(shí)鐘，從而有效同步整個(gè)網(wǎng)絡(luò )。在這個(gè)架構里，只有主時(shí)鐘需要連接GPS，然后將數據準確的分發(fā)到網(wǎng)絡(luò )上的其他設備。

一個(gè)IEEE 1588v2系統只需要一臺GPS接收器，可為許多設備提供高度精確的時(shí)間信息。支持IEEE 1588v2的以太網(wǎng)交換機可確保時(shí)間戳精度在1微妙內，并可配置為主時(shí)鐘、邊界時(shí)鐘或透明時(shí)鐘。要實(shí)現真正的精確，網(wǎng)絡(luò )其它設備都需要需要支持IEEE 1588v2：在工業(yè)計算網(wǎng)絡(luò )中，兼容IEEE 1588v2的工業(yè)計算機起到了普通時(shí)鐘從以太網(wǎng)交換機接受同步時(shí)間數據的作用。

當整個(gè)網(wǎng)絡(luò )支持IEEE 1588v2，系統可在納秒級下協(xié)調設備，并仍然保持完全同步。這種協(xié)調能力尤其適用變電站系統，這就是為什么IEEE 1588v2作為IEC 61850-2標準的一部分，用于電力自動(dòng)化的通訊需求。國際電工委員會(huì )將IEEE 1588v2納入標準，是因為它能為變電站自動(dòng)化和電力網(wǎng)絡(luò )提供更精確的時(shí)間同步，優(yōu)勢如下：

事故預防：盡早檢測電網(wǎng)問(wèn)題，盡早確定干擾位置，實(shí)時(shí)進(jìn)行電力檢測

準確的故障記錄和事件記錄器：由于事件記錄器可精確到納秒級，故障分析可以更精準。

更有效地利用資產(chǎn)：減緩網(wǎng)絡(luò )擁塞，隨時(shí)監測設備狀態(tài)。

按需響應：可實(shí)現按需使用電力計費、虛擬電源發(fā)電和自主停電管理。

IEEE 1588v2提供納秒級的精度，極具成本效益，使變電站及其他電力設施網(wǎng)絡(luò )像當年的英國航海事業(yè)一樣，具有極高的競爭優(yōu)勢。作為“智能電網(wǎng)”的一個(gè)組成部分，高度同步的變電站可更高效、更經(jīng)濟、更穩定、更靈敏。這些優(yōu)勢使電力供應商增加業(yè)務(wù)盈利能力，并有效減少對環(huán)境的影響。

3 Moxa——讓您的變電站系統更同步

3.1 Moxa PTP-7728-PTP IEC 61850-3快速工業(yè)以太網(wǎng)交換機支持最新的IEEE 1588v2技術(shù)，為變電站自動(dòng)化和相關(guān)應用提供精準時(shí)間同步。PT-7728-PTP支持：