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【摘要】：在智能变电站中，时间同步系统为全站智能设备提供一个准确、安全、可靠的时钟源。为了满足在智能变电站数字采样模式对时间同步系统提出的精度要求，在实际应用中，采用了IEEE1588的方式进行对时，IEEE1588对时可采用点对点及交换机方式。本文以一次时间同步装置故障导致的过程层网络中断故障为例，分析了采用IEEE1588交换机对时方式的时间同步装置在时间同步装置发生故障，会对过程层交换机造成影响，进而造成网络的瘫痪。
【关键词】：智能变电站；时间同步；过程层；网络；
【引言】：
智能变电站高度依赖网络通信，虽然为了可靠性，重要保护都采用直采直跳的方式，但依然有很多功能的实现十分依赖过程层网络。
比较重要的功能有：保护间220kV线路间隔起母差失灵信号、母差起线路间隔远跳信号、主变解母线复压闭锁信号，失灵联调主变三侧信号等；采用网络跳闸的保护，保护跳闸信号；综合自动化系统的遥控、遥调命令执行、遥测、遥信数据的采集。
智能变电站的时钟同步装置，除了具有常规变电站时间同步装置所具有的为故障录波分析、SOE报文、测控数据提供稳定时钟源的作用外，还具有为合并单元提供采样时间的作用，直接影响到了保护采样的同步性，具有更重要的地位。
本文以一起时间同步装置故障引起的网络故障分析，分析时间同步装置在极端情况下是如何影响网络稳定性的，希望能进一步引起对时钟同步装置的关注。
1、原理分析
1.1 IEEE1588对时方式
智能变电站过程层设备一般采用IEEE1588对时方式
IEEE1588对时方式采用的是主从模式（Master-Slave），主要依靠同步报文进行时钟同步。
主要有以下四种报文类型。
（1）同步报文；
（2）跟随报文；
（3）延时测量报文；
（4）延时回应报文。
IEEE 1588对时过程间图1所示，包含时刻偏移值计算以及传输延时值计算方法。偏移计算是指计算时钟装置、对时设备之间的时间偏差值，从而在从时钟上补偿这些偏差；传输延时计算是指确定时钟装置、对时设备间数据报文传输的网络延时。
时钟装置发送同步报文采用多播方式，以固定周期（常用设置是2s）向网络上的对时装置发送同步报文。同步报文发送出时钟装置端口时，增加了报文的发送时间t1信息，从时钟端口收到同步报文时，添加了报文的接收时间t2。时钟装置在网络上广播跟随报文，添加了同步报文的发送时间，从时钟在接收到的跟随报文中获取这个t1值。最后，从时钟还会向时钟装置发送延时回应报文，添加了报文的发送时间t3信息；时钟装置接收到延时回应报文后记录下收到报文的时间t4，再次向从时钟回复一个延时测量报文，并且在延时处理报文中包添加收到延时回应报文的时间t4。
计算出时钟装置、对时设备之间的偏差值，就可以通过调节从时钟的算法来调节从时钟。另外，为了避免时钟装置、对时设备内部网络协议栈处理延迟不确定性的影响，IEEE 1588采用硬件获取时标的方法，在接近物理层的位置获取时间标签，这种方法也是IEEE 1588具有很高对时精度的原因之一。这种方法具有两种模式：点对点模式和经交换机的网络模式。
点对点模式就是用光纤对时钟装置、对时设备进行连接，由于在光纤上报文的传播时间T1是相等的，这种模式具有很高的时钟同步精度，同步原理如图2所示。
经交换机的模式是将时钟装置、对时设备接入过程层网络，依靠交换机交换报文。由于交换机流量和内部排队机制的影响，网络传输延迟的不确定程度增大了，因此为了弥补这种不确定性，就要对传输路径进行分段测量和修正。同时，为了获得高精度的时钟同步，对于接入时钟装置、对时设备之间的交换机也提出了更高的要求。不仅要在每个端口设置独立的硬件来获取同步报文进入和离开交换机的时标，还要具备高精度的内部时钟来测量同步报文在交换机内的驻留时间，这在一般普通的交换机上是无法实现的，因此，为了达到高精度的时钟同步目的，就要采用符合IEEE 1588的新型交换机。这样就可以将整个传输路径分为三段，即时钟装置到交换机的时间T1、交换机内部的时间T2和交换机到从时钟的时间T3。其中，T1和T3可以由时钟装置、对时设备和交换机之间的报文得到；T2是指同步报文在交换机内部的驻留时间，这个时间也可以通过IEEE 1588交换机内部的时钟精确得到。這样，从时钟就可以从交换机计算出的T1、T2和交换机自身的驻留时间得到整个时钟装置、对时设备之间的传输延迟，并且对得到的时钟延迟进行补偿和修正。
1.2 中心交换机流量分析
在智能变电站中，过程层网络一般采用双网配置。在500kV系统中，一般采用SV、goose网络分开的方式，有效地降低了交换机工作负荷。但在220kV部分，则采用SV、GOOSE合并组网的方式，过程层交换机数据量较大，尤其是220kV中心交换机。该网络中心交换机的业务量在数据类型上，兼具了SV采样、GOOSE开关量、等多种信号传输；在传输设备类型包括了保护装置、数字化计量表计、智能终端、合并单元以及自动化设备（如故障录波、继电保护及故障信息子站、向量测量装置等）；在涉及间隔上，又包含了母线、线路、主变、母联（分段）等，是智能变电站流量压力最大的交换机类型。
根据相关文献显示，220kV系统过程层网络中心交换机的业务量一般能达到35%。
而根据运行经验，当交换机业务量达到交换机数据吞吐能力的40%，可能造成交换机的数据拥堵。
2、故障实例
2.1故障发生及处理过程：
某变电站，某日出现过220kV程层设备大量出现通信中断问题，并在10分钟左右后自动复归。检查后，没有发现无异常。一天后该变电站，再次出现过220kV过程层设备大量出现通信中断问题，在10分钟左右后复归。专业人员再次检查，仍未无异常。如此反复前后出现3次后，该问题被列入严重缺陷。经组织保护专业人员、系统集成厂家技术人员人员到现场检查，调取历史信息，装置报文、分析问题，考虑到这些设备全部都经过220kV B网中心交换机，怀疑是该交换机故障，决定更换备用交换机机并重新配置。但在3天后再次出现过220kV程层设备大量出现通信中断问题，还是在10分钟左右后复归。专业人员再次检查，仍未无异常。 至此，基本可以排除排除交换机问题。
经技术人员讨论决定对报文进行实时监控。在一星期的监控过程中，出现通信中断问题3次，查看报文后，发现每次引起网络堵塞的大量报文主要是对时系统发出的对时报文。经过对时间同步装置进行检查，发现装置电源不稳定，存在不定时重新启动的现象，当两次重新启动时间间隔小于1分钟时，网络就会出现大量设备通信中断现象。
2.2故障产生过程分析
从IEEE1588对时原理可以看出，在时间同步装置运行期间，与对时装置（合并单元、智能终端）存在数据交换。
由于，在调试及设备投产验收阶段，时间同步装置一直处于运行状态，而对时装置则是逐渐投入运行，在上文“原理分析”部分描述的对时报文互相发送过程不存在同时进行的问题。
但在时间同步装置发生故障后，需要对时的设备一直处于自守时状态，一直在等待时间同步装置的同步报文。当时间同步装置恢复正常后，这些对时设备会同时回应，并继续对时过程。这时，对时报文产生的大量报文就会导致过程层交换机的流量增加。
而通过对220kV系统过程层网络中心交换机的流量分析可知，该中心交换机的流量本来就极大，在短时间内对时报文的大量增加又进一步加重了交换机的负担，网络极易发生拥堵。。
在时间同步装置反复故障的情况下，这一过程的累积，就造成了过程层交换机的瘫痪，进而连接在这一交换机上的装置大面积出现“通信断链”故障。
在时间同步装置恢复正常一段时间后，随着所有装置的对时过程结束，对时报文数量逐渐减少，交换机慢慢就会恢复正常，断链也会逐渐恢复。
3、建议解决方法
通过以上分析可得知， 在智能变电站如果采用IEEE1588经交换机的模式进行对时的话，可能出现由于对时系统故障导致过程层网络中断问题。
3.1建议解决方案
为解决这一隐患，我们可以从以下三个方面考虑：
3.1.1采用点对点模式对时，不要接入过程层网络，从源头上避免对时系统和过程层网络的相互影响。
3.1.2 升级时间同步装置，在程序中增加同时回应对时设备的数目上限，在同时收到对时设备数目超过上限时，延时对超过部分对时设备的报文进行回复。
3.1.3 在前期建设阶段，对流量压力较大的过程层中心交换机，选用采用性能较好的设备，在关键参数上预留更多的裕度。
3.2 方案比较
方案1的从源头上避免了时间同步数据与过程层网络的相互影响，但需要使用单独的光纤通道，施工难度大，且被对时设备都需要有单独的对时接口。另外，采用本方案后，系统的扩展也会受制于时间同步装置自身对时接口的数量，成为以后间隔的扩展的制约因素。方案2不改变现有对时方式，但需要开发人员的配合，实施难度较大。所以，建议采用方案3，通过提高中心交换机的性能来解决这一问题。
结论
在网络环境对时间同步系统正常工作有直接的影响外，时间同步装置运行情况也会对网络产生很大的影响，甚至造成过程层网络的瘫痪，直接导致保护装置闭锁等严重故障，所以应提高对时间同步装置的重视程度，这里提高装置的性能，为智能变电站的进一步发展奠定基础。
【参考文献】：
[1] 张洪源，王倩.基于IEEE1588的數字化变电站时钟同步技术的应用研究[C]. 西南交通大学，2010.
[2] 崔全胜，魏勇，何永吉，等..PTP1588协议的分析，电力系统保护与控制[J]. 2011，39（10）：148-154.
作者简介：
王海龙，男，高级工程师，大学本科，主要从事电力系统继电保护工作。
【关键词】：智能变电站；时间同步；过程层；网络；
【引言】：
智能变电站高度依赖网络通信，虽然为了可靠性，重要保护都采用直采直跳的方式，但依然有很多功能的实现十分依赖过程层网络。
比较重要的功能有：保护间220kV线路间隔起母差失灵信号、母差起线路间隔远跳信号、主变解母线复压闭锁信号，失灵联调主变三侧信号等；采用网络跳闸的保护，保护跳闸信号；综合自动化系统的遥控、遥调命令执行、遥测、遥信数据的采集。
智能变电站的时钟同步装置，除了具有常规变电站时间同步装置所具有的为故障录波分析、SOE报文、测控数据提供稳定时钟源的作用外，还具有为合并单元提供采样时间的作用，直接影响到了保护采样的同步性，具有更重要的地位。
本文以一起时间同步装置故障引起的网络故障分析，分析时间同步装置在极端情况下是如何影响网络稳定性的，希望能进一步引起对时钟同步装置的关注。
1、原理分析
1.1 IEEE1588对时方式
智能变电站过程层设备一般采用IEEE1588对时方式
IEEE1588对时方式采用的是主从模式（Master-Slave），主要依靠同步报文进行时钟同步。
主要有以下四种报文类型。
（1）同步报文；
（2）跟随报文；
（3）延时测量报文；
（4）延时回应报文。
IEEE 1588对时过程间图1所示，包含时刻偏移值计算以及传输延时值计算方法。偏移计算是指计算时钟装置、对时设备之间的时间偏差值，从而在从时钟上补偿这些偏差；传输延时计算是指确定时钟装置、对时设备间数据报文传输的网络延时。
时钟装置发送同步报文采用多播方式，以固定周期（常用设置是2s）向网络上的对时装置发送同步报文。同步报文发送出时钟装置端口时，增加了报文的发送时间t1信息，从时钟端口收到同步报文时，添加了报文的接收时间t2。时钟装置在网络上广播跟随报文，添加了同步报文的发送时间，从时钟在接收到的跟随报文中获取这个t1值。最后，从时钟还会向时钟装置发送延时回应报文，添加了报文的发送时间t3信息；时钟装置接收到延时回应报文后记录下收到报文的时间t4，再次向从时钟回复一个延时测量报文，并且在延时处理报文中包添加收到延时回应报文的时间t4。
计算出时钟装置、对时设备之间的偏差值，就可以通过调节从时钟的算法来调节从时钟。另外，为了避免时钟装置、对时设备内部网络协议栈处理延迟不确定性的影响，IEEE 1588采用硬件获取时标的方法，在接近物理层的位置获取时间标签，这种方法也是IEEE 1588具有很高对时精度的原因之一。这种方法具有两种模式：点对点模式和经交换机的网络模式。
点对点模式就是用光纤对时钟装置、对时设备进行连接，由于在光纤上报文的传播时间T1是相等的，这种模式具有很高的时钟同步精度，同步原理如图2所示。
经交换机的模式是将时钟装置、对时设备接入过程层网络，依靠交换机交换报文。由于交换机流量和内部排队机制的影响，网络传输延迟的不确定程度增大了，因此为了弥补这种不确定性，就要对传输路径进行分段测量和修正。同时，为了获得高精度的时钟同步，对于接入时钟装置、对时设备之间的交换机也提出了更高的要求。不仅要在每个端口设置独立的硬件来获取同步报文进入和离开交换机的时标，还要具备高精度的内部时钟来测量同步报文在交换机内的驻留时间，这在一般普通的交换机上是无法实现的，因此，为了达到高精度的时钟同步目的，就要采用符合IEEE 1588的新型交换机。这样就可以将整个传输路径分为三段，即时钟装置到交换机的时间T1、交换机内部的时间T2和交换机到从时钟的时间T3。其中，T1和T3可以由时钟装置、对时设备和交换机之间的报文得到；T2是指同步报文在交换机内部的驻留时间，这个时间也可以通过IEEE 1588交换机内部的时钟精确得到。這样，从时钟就可以从交换机计算出的T1、T2和交换机自身的驻留时间得到整个时钟装置、对时设备之间的传输延迟，并且对得到的时钟延迟进行补偿和修正。
1.2 中心交换机流量分析
在智能变电站中，过程层网络一般采用双网配置。在500kV系统中，一般采用SV、goose网络分开的方式，有效地降低了交换机工作负荷。但在220kV部分，则采用SV、GOOSE合并组网的方式，过程层交换机数据量较大，尤其是220kV中心交换机。该网络中心交换机的业务量在数据类型上，兼具了SV采样、GOOSE开关量、等多种信号传输；在传输设备类型包括了保护装置、数字化计量表计、智能终端、合并单元以及自动化设备（如故障录波、继电保护及故障信息子站、向量测量装置等）；在涉及间隔上，又包含了母线、线路、主变、母联（分段）等，是智能变电站流量压力最大的交换机类型。
根据相关文献显示，220kV系统过程层网络中心交换机的业务量一般能达到35%。
而根据运行经验，当交换机业务量达到交换机数据吞吐能力的40%，可能造成交换机的数据拥堵。
2、故障实例
2.1故障发生及处理过程：
某变电站，某日出现过220kV程层设备大量出现通信中断问题，并在10分钟左右后自动复归。检查后，没有发现无异常。一天后该变电站，再次出现过220kV过程层设备大量出现通信中断问题，在10分钟左右后复归。专业人员再次检查，仍未无异常。如此反复前后出现3次后，该问题被列入严重缺陷。经组织保护专业人员、系统集成厂家技术人员人员到现场检查，调取历史信息，装置报文、分析问题，考虑到这些设备全部都经过220kV B网中心交换机，怀疑是该交换机故障，决定更换备用交换机机并重新配置。但在3天后再次出现过220kV程层设备大量出现通信中断问题，还是在10分钟左右后复归。专业人员再次检查，仍未无异常。 至此，基本可以排除排除交换机问题。
经技术人员讨论决定对报文进行实时监控。在一星期的监控过程中，出现通信中断问题3次，查看报文后，发现每次引起网络堵塞的大量报文主要是对时系统发出的对时报文。经过对时间同步装置进行检查，发现装置电源不稳定，存在不定时重新启动的现象，当两次重新启动时间间隔小于1分钟时，网络就会出现大量设备通信中断现象。
2.2故障产生过程分析
从IEEE1588对时原理可以看出，在时间同步装置运行期间，与对时装置（合并单元、智能终端）存在数据交换。
由于，在调试及设备投产验收阶段，时间同步装置一直处于运行状态，而对时装置则是逐渐投入运行，在上文“原理分析”部分描述的对时报文互相发送过程不存在同时进行的问题。
但在时间同步装置发生故障后，需要对时的设备一直处于自守时状态，一直在等待时间同步装置的同步报文。当时间同步装置恢复正常后，这些对时设备会同时回应，并继续对时过程。这时，对时报文产生的大量报文就会导致过程层交换机的流量增加。
而通过对220kV系统过程层网络中心交换机的流量分析可知，该中心交换机的流量本来就极大，在短时间内对时报文的大量增加又进一步加重了交换机的负担，网络极易发生拥堵。。
在时间同步装置反复故障的情况下，这一过程的累积，就造成了过程层交换机的瘫痪，进而连接在这一交换机上的装置大面积出现“通信断链”故障。
在时间同步装置恢复正常一段时间后，随着所有装置的对时过程结束，对时报文数量逐渐减少，交换机慢慢就会恢复正常，断链也会逐渐恢复。
3、建议解决方法
通过以上分析可得知， 在智能变电站如果采用IEEE1588经交换机的模式进行对时的话，可能出现由于对时系统故障导致过程层网络中断问题。
3.1建议解决方案
为解决这一隐患，我们可以从以下三个方面考虑：
3.1.1采用点对点模式对时，不要接入过程层网络，从源头上避免对时系统和过程层网络的相互影响。
3.1.2 升级时间同步装置，在程序中增加同时回应对时设备的数目上限，在同时收到对时设备数目超过上限时，延时对超过部分对时设备的报文进行回复。
3.1.3 在前期建设阶段，对流量压力较大的过程层中心交换机，选用采用性能较好的设备，在关键参数上预留更多的裕度。
3.2 方案比较
方案1的从源头上避免了时间同步数据与过程层网络的相互影响，但需要使用单独的光纤通道，施工难度大，且被对时设备都需要有单独的对时接口。另外，采用本方案后，系统的扩展也会受制于时间同步装置自身对时接口的数量，成为以后间隔的扩展的制约因素。方案2不改变现有对时方式，但需要开发人员的配合，实施难度较大。所以，建议采用方案3，通过提高中心交换机的性能来解决这一问题。
结论
在网络环境对时间同步系统正常工作有直接的影响外，时间同步装置运行情况也会对网络产生很大的影响，甚至造成过程层网络的瘫痪，直接导致保护装置闭锁等严重故障，所以应提高对时间同步装置的重视程度，这里提高装置的性能，为智能变电站的进一步发展奠定基础。
【参考文献】：
[1] 张洪源，王倩.基于IEEE1588的數字化变电站时钟同步技术的应用研究[C]. 西南交通大学，2010.
[2] 崔全胜，魏勇，何永吉，等..PTP1588协议的分析，电力系统保护与控制[J]. 2011，39（10）：148-154.
作者简介：
王海龙，男，高级工程师，大学本科，主要从事电力系统继电保护工作。