持IEEE 1588v2協(xié)議，實(shí)現(xiàn)變電站自動(dòng)化精準(zhǔn)計(jì)時(shí)同步

在世界航路快速發(fā)展的時(shí)代，大英帝國(guó)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(zhǔn)的時(shí)間。在格林威治港口，將天文臺(tái)表設(shè)置為本地時(shí)間，然后和當(dāng)天太陽(yáng)所在位置的時(shí)間進(jìn)行比較，船長(zhǎng)就可以計(jì)算出當(dāng)前位置的經(jīng)度，精度非常準(zhǔn)。天文臺(tái)表帶來(lái)了巨大的轉(zhuǎn)變，這種革命性的轉(zhuǎn)變使得英國(guó)探險(xiǎn)家遠(yuǎn)勝于當(dāng)時(shí)其他國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。即使現(xiàn)在大英帝國(guó)無(wú)法占據(jù)全球，但英國(guó)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(qū)設(shè)置時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)而言，精準(zhǔn)計(jì)時(shí)同樣也會(huì)帶來(lái)巨大優(yōu)勢(shì)。特別是配網(wǎng)，更需要精準(zhǔn)計(jì)時(shí)和網(wǎng)絡(luò)同步，將分布式設(shè)備和常規(guī)電力設(shè)備都協(xié)調(diào)一致。高精度級(jí)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，滿足用戶的按需分配，實(shí)現(xiàn)更高水平的效率性、安全性和可靠性。

本文探討了現(xiàn)代工業(yè)體系，尤其是變電站在面對(duì)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(jì)時(shí)技術(shù)，如NTP和GPS，并介紹IEEE 1588 v2精準(zhǔn)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(shè)備都使用共同時(shí)鐘，來(lái)協(xié)調(diào)設(shè)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(tǒng)(GPS)。

對(duì)工業(yè)系統(tǒng)而言，如變電站自動(dòng)化系統(tǒng)都需要準(zhǔn)確的時(shí)間同步，來(lái)協(xié)調(diào)多個(gè)不同子系統(tǒng)和設(shè)備之間的通訊。然而，許多現(xiàn)有的技術(shù)無(wú)法滿足工業(yè)自動(dòng)化測(cè)量和控制系統(tǒng)的需求。

精度：工業(yè)網(wǎng)絡(luò)需要納秒計(jì)數(shù)，但大多數(shù)傳統(tǒng)設(shè)備根本無(wú)法達(dá)到這個(gè)級(jí)別。例如，變電站自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)需要納秒級(jí)別來(lái)采樣，采集如故障記錄、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制等數(shù)據(jù)，以保證關(guān)鍵應(yīng)用隊(duì)員數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性的要求。IRIGB和NTP在一個(gè)數(shù)量級(jí)，速度太慢，無(wú)法達(dá)到納秒級(jí)的精度。即使在理想狀態(tài)下，NTP的精度也只是百微秒級(jí)。

費(fèi)用：GPS網(wǎng)絡(luò)通過(guò)非常精準(zhǔn)的原子鐘提供高度精準(zhǔn)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(jié)點(diǎn)都安裝GPS接收器。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中每臺(tái)設(shè)備都需要各自的GPS接收器，這對(duì)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(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，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(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)計(jì)時(shí)。

2 IEEE 1588v2專為工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以在一個(gè)合理的成本內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度。

NTP、GPS和IRIGB不具備變電站運(yùn)行所需要的技術(shù)能力。幸運(yùn)的是，IEEE 1588v2精準(zhǔn)時(shí)間協(xié)議(PTP)是專為工業(yè)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)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(tǒng)的參考時(shí)間。以太網(wǎng)交換機(jī)則作為邊界時(shí)鐘或透明時(shí)鐘，其他設(shè)備(如測(cè)量單元、IED、保護(hù)設(shè)備)都定義為普通時(shí)鐘。所有這些設(shè)備都被主時(shí)鐘集合在一個(gè)主從同步的層級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中。如下圖所示，主從設(shè)備之間交換PTP包，自動(dòng)調(diào)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(gòu)里，只有主時(shí)鐘需要連接GPS，然后將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的分發(fā)到網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備。

一個(gè)IEEE 1588v2系統(tǒng)只需要一臺(tái)GPS接收器，可為許多設(shè)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(jī)可確保時(shí)間戳精度在1微妙內(nèi)，并可配置為主時(shí)鐘、邊界時(shí)鐘或透明時(shí)鐘。要實(shí)現(xiàn)真正的精確，網(wǎng)絡(luò)其它設(shè)備都需要需要支持IEEE 1588v2：在工業(yè)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中，兼容IEEE 1588v2的工業(yè)計(jì)算機(jī)起到了普通時(shí)鐘從以太網(wǎng)交換機(jī)接受同步時(shí)間數(shù)據(jù)的作用。

當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)支持IEEE 1588v2，系統(tǒng)可在納秒級(jí)下協(xié)調(diào)設(shè)備，并仍然保持完全同步。這種協(xié)調(diào)能力尤其適用變電站系統(tǒng)，這就是為什么IEEE 1588v2作為IEC 61850-2標(biāo)準(zhǔn)的一部分，用于電力自動(dòng)化的通訊需求。國(guó)際電工委員會(huì)將IEEE 1588v2納入標(biāo)準(zhǔn)，是因?yàn)樗転樽冸娬咀詣?dòng)化和電力網(wǎng)絡(luò)提供更精確的時(shí)間同步，優(yōu)勢(shì)如下：

事故預(yù)防：盡早檢測(cè)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(cè)

準(zhǔn)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(jí)，故障分析可以更精準(zhǔn)。

更有效地利用資產(chǎn)：減緩網(wǎng)絡(luò)擁塞，隨時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)。

按需響應(yīng)：可實(shí)現(xiàn)按需使用電力計(jì)費(fèi)、虛擬電源發(fā)電和自主停電管理。

IEEE 1588v2提供納秒級(jí)的精度，極具成本效益，使變電站及其他電力設(shè)施網(wǎng)絡(luò)像當(dāng)年的英國(guó)航海事業(yè)一樣，具有極高的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。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(jì)、更穩(wěn)定、更靈敏。這些優(yōu)勢(shì)使電力供應(yīng)商增加業(yè)務(wù)盈利能力，并有效減少對(duì)環(huán)境的影響。

3 Moxa——讓您的變電站系統(tǒng)更同步

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

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3.1.1最高14個(gè)100BaseFO(多模ST接口)或100BaseTX口，1個(gè)BNC連接頭，每個(gè)端口支持IEEE1588 v1和v2硬件時(shí)間戳，BNC端口支持脈沖數(shù)出(pps)。

3.1.2在終端到終端模式下，透明時(shí)鐘和邊界時(shí)鐘只需1步和2步即可實(shí)現(xiàn)同步精準(zhǔn)度為納秒級(jí)。

3.1.3在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式下，透明時(shí)鐘和邊界時(shí)鐘只需2步即可實(shí)現(xiàn)同步精準(zhǔn)度為納秒級(jí)。

3.1.4網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步精準(zhǔn)度在納秒級(jí)

3.1.5時(shí)鐘同步用于較大規(guī)模的分布式變電站系統(tǒng)

3.1.6實(shí)現(xiàn)低成本組播通訊，例如以太網(wǎng)絡(luò)

3.1.7系統(tǒng)變化時(shí)，可實(shí)現(xiàn)快速重新同步

3.1.8安裝和維護(hù)方便

3.2為完善你的系統(tǒng)，Moxa的DA-683-LX嵌入式計(jì)算機(jī)同樣支持IEEE 1588v2。

3.2.1低功耗，僅40瓦

3.2.2工業(yè)一體化電路板設(shè)計(jì)，無(wú)風(fēng)扇，無(wú)飛線，可靠穩(wěn)定

3.2.3通過(guò)IEC61850-3認(rèn)證，為變電站和電力自動(dòng)化應(yīng)用提供更穩(wěn)定的系統(tǒng)

3.2.4模組化設(shè)計(jì)，具有兩個(gè)獨(dú)立的插槽，便于系統(tǒng)擴(kuò)展。可選8口RS-232/422/485模塊、8口RS-422/485模塊、4口10/100 Mbps網(wǎng)口模塊、8口10/100 Mbps交換機(jī)模塊和1個(gè)Universal PCI擴(kuò)展模塊。

3.2.5用戶友好的Linux-based IEEE 1588v2配置接口，安裝過(guò)程方便，大大節(jié)省安裝維護(hù)的時(shí)間和成本。

3.2.6根據(jù)安裝向?qū)?，只需幾步即可在DA-683上完成IEEE 1588v2的配置。

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