一种数字化变电站时间同步性能检测方法及其装置与流程

本发明涉及电力系统时间同步领域，具体讲涉及一种数字化变电站时间同步性能检测方法及其装置。

背景技术：

建立在IEC61850通信规范基础上，由智能化一次设备(电子式互感器、智能化开关等)和网络化二次设备分层(过程层、间隔层、站控层)构建的数字化变电站，是一种能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站。

数字化变电站是应用IEC61850进行建模和通信的变电站，数字化变电站的特点体现在过程层设备的数字化，整个站内信息的网络化，以及开关设备实现智能化。

一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计，简化了常规机电式继电器及控制回路的结构，数字程控器及数字公共信号网络取代传统的导线连接。变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编程序代替，常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替。

变电站内常规的二次设备，如继电保护装置、防误闭锁装置、测量控制装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制、同期操作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设备不再出现常规功能装置重复的I/O现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源其享，常规的功能装置在这里变成了逻辑的功能模块。

变电站运行管理自动化系统应包括电力生产运行数据、状态记录统计无纸化；数据信息分层、分流交换自动化；变电站运行发生故障时能及时提供故障分析报告，指出故障原因，提出故障处理意见；系统能自动发出变电站设备检修报告，即常规的变电站设备“定期检修”改变为“状态检修”。

数字化变电站具有性能高、安全性高、精度高、可靠性高和经济性高的优点。

数字化变电站的快速推广给变电站时间同步方式带来了革命性的变革。

对于站间时间同步系统，数字化变电站的站间同步设备，直接接收GPS或北斗卫星信号，并传送给自动化系统以进行时间同步。在实际系统中，站间同步设备可能会由于自身装置故障或者环境因素，例如恶劣天气、强电磁等导致接收的卫星信号受到干扰，这将影响时间同步的准确性和可靠性。另一方面，时间同步的安全性也受到越来越多的关注，这是因为电力系统是国家关键基础设施，若成为战争攻击的目标，干扰卫星授时信号可能会导致整个电力系统动态安全监控系统瘫痪。因此系统地检测站间同步设备的准确性、可靠性和安全性等时间同步特性具有重要意义。

对于站内时间同步系统，数字化变电站提倡网络化的信息传递，站内过程层和间隔层的时间同步方式将逐渐由高精度网络同步方式替代传统对时方式。标准IEEE 1588提出了一种精度高于1μs的精确时钟同步协议(Precision Time Protocol，PTP)，能够满足标准IEC 61850对数字化变电站的智能设备的最高时间同步精度的要求。然而在实际应用中，PTP设备却表现出协议一致性差、授时偏差波动大、抗网络流量能力差等缺陷。在未来的数字化变电站的过程层组网会考虑PTP网、采样报文(Sampled Value，SV)网以及面向通用对象的变电站事件(Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE)网“三网合一”的方式；2008年发布的IEEE 1588第二版标准，在时钟模式、交换机模式和延时测量机制上有所更新。而对已有的PTP设备需要提供一种能否实现这些新的方式，能否满足IEEE 1588的电力系统应用的要求，并适应今后“三网合一”的运行要求进行检测的技术方案检测。

现有技术的不足之处在于：对站间时间同步性能测试而言，现有测试方法未能系统地评估智能站间的同步性能；对于站内时间同步性能测试而言，现有测试并未涉及“三网合一”下的性能测试，不能系统地反映1588时钟在智能站网络中适应。

技术实现要素：

针对以上提出的问题，本发明提供了一种数字化变电站时间同步性能检测方法及其装置。

一种数字化变电站时间同步性能检测方法，其特征在于，所述方法包括：站间时间同步性能的检测和站内时间同步性能的检测，

所述站间时间同步性能检测包括时间准确性检测、时间可靠性检测和时间安全性检测；

所述站内时间同步性能的检测包括以下步骤：

步骤一、直联时间同步性能的检测；

步骤二、经交换机时间同步性能的检测；

步骤三、面向通用对象的变电站事件GOOSE网、采样报文SV网和精确时钟同步协议PTP网“三网合一”下的抗网络风暴性能的检测。

进一步的，所述时间准确性检测包括上升沿陡度的检测和时间准确度的检测；时间可靠性的检测包括灵敏度检测和时间抖动检测；安全性检测包括欺骗式干扰检测和压制式干扰检测。

进一步的，所述上升沿陡度的检测包括，若1PPS的上升沿上升时间小于或等于100ns，则数字变电站的性能满足要求；

所述时间准确度的检测包括，测量1PPS的上升沿与标准时间源输出的1PPS的上升沿之间的时间偏差，若时间偏差小于1μs，则数字变电站的性能满足要求。

进一步的，所述灵敏度检测包括捕获灵敏度和跟踪灵敏度，若电力系统对捕获灵敏度要求小于-160dBm，对跟踪灵敏度的要求小于-163dBm，则数字变电站的性能满足要求；

所述时间抖动检测包括，记录输出1PPS的上升沿与标准时间源输出的1PPS的上升沿之间时间偏差连续24小时内的波动，若波动偏差小于1μs，则数字变电站的性能满足要求。

进一步的，所述欺骗式干扰检测包括，发射干扰信号，使授时发生偏差，根据串口输出的信息做出判断，若输出的信息有效标志位不变，则数字变电站的性能满足要求；

所述压制式干扰检测包括，模拟压制干扰源情况下的示波器示出的设备输出的1PPS对数字变电站的性能是否满足要求作出判断。

进一步的，所述直联时间同步性能的检测包括：把两台PTP普通时钟作为从时钟与主时钟直接相连，进行网络时间同步，对模式进行配置，模式配置后将主、从时钟的同步秒脉冲引入到高精度数字滤波器中，观察示波器中数据，若满足标准IEEE 1588，则数字变电站的性能满足要求。

进一步的，所述经交换机时间同步性能的检测包括将PTP从时钟与主时钟先经过一台PTP交换机进行同步，作为一个拓扑，配置PTP所规定的所有同步模式后进行检测和采集，交换机的数目逐台增加，配置所有模式以依次检测，完成同步模式的配置后将主从时钟的同步秒脉冲引入到高精度采样数字滤波器中，观察示波器中数据，若满足标准IEEE 1588，则数字变电站的性能满足要求。

进一步的，所述模式包括时钟模式、交换机模式、传输模式、延时测量机制和通信机制。

进一步的，交换机的数目小于或等于标准C37.238-2011所规定的数目。

进一步的，所述抗网络风暴性能检测包括报文类型、报文量的配置、虚拟局域网的配置和报文优先级的配置。

进一步的，所述报文类型包括面向通用对象的变电站事件报文GOOSE报文、采样值报文SV报文和精确时钟同步协议报文PTP报文，GOOSE报文和SV报文是PTP报文的背景流量；

所述报文量的配置包括GOOSE与SV的报文量比为1:4。

进一步的，所述虚拟局域网的配置包括Trunk型交换机互联端口的配置和Access型非级联端口的配置。

进一步的，所述报文优先级的配置包括：按GOOSE跳闸报文、PTP报文和SV报文的顺序递减。

进一步的，所述抗网络风暴性能检测包括：网络检测仪中加入由GOOSE和SV报文组成的背景流量，配置所有模式以依次检测，完成同步模式的配置后将主从时钟的同步秒脉冲引入到高精度采样数字滤波器中，观察示波器中数据，若满足标准IEEE 1588，则数字变电站的性能满足要求。

一种数字化变电站时间同步性能检测装置，其特征在于，包括：所述站间时间同步性能检测装置和所述站内时间同步性能检测装置，所述站间时间同步性能检测装置包括：

功分器，用于将接收到的信号能量分成两路或多路输出相等或不相等的能量；

低噪放LNA，用于将接收自天线的信号放大；

高精度数字示波器，用于显示和观测结果；

计数器，用于对脉冲的个数进行计数；和

铷原子钟，作为标准时间源。

进一步的，所述站内时间同步性能的检测所用装置包括：

高精度数字示波器，用于显示和观测结果；

网络测试仪，用于检测每个流量档位下的不同同步模式组合；

主控计算机，用于配置信息和接收检测结果；和

交换机，用于在通信系统中完成信息交换。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

1、本发明提供的技术方案对站间同步设备提出了系统性的评估方案，特别是模拟了站间同步设备对抗由于自身装置故障或者恶劣天气、强电磁等极端运行条件所导致的干扰的性能。

2、本发明提供的技术方案针对一整套运行中的PTP授时系统进行检测，同时考虑到数字化变电站GOOSE网、SV网和PTP网“三网合一”的实际工况，模拟实际工况下的测试精度可达300ns，远高于变电站同步精度标准——1μs检测结果更具实际工程指导意义。

3、本发明提供的技术方案可实时捕获PTP同步状况，测试方法能准确反映不同同步模式下的同步性能差异，同时完全符合IEEE 1588标准的规定，检测精度高于数字化变电站的1μs最高时间同步精度要求。

4、本发明提供的站内同步测量方法无论在网络风暴下与否，都可以准确地进行实时的时间同步精度量测，其最高量测精度可达10ns以内，并能准确反映同步精度随同步模式变化的规律。该方法可在数字化变电站自动化系统中准确地在线检测同步精度，具有较高的计算效率，对现代的硬件来说计算负担并不重，可在实际装置中实现。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的站间同步设备准确性检测平台；

图2为本发明实施例一提供的站间同步设备安全性和可靠性检测平台；

图3为本发明实施例一提供的站间同步设备秒脉冲上升沿陡度检测结果；

图4为本发明实施例一提供的站间同步设备准确度检测结果；

图5为本发明实施例一提供的站间同步设备抖动检测结果；

图6为本发明实施例一提供的站间同步设备压制式干扰检测结果；

图7为本发明实施例二提供的PTP直联时间同步性能检测平台示意图；

图8为本发明实施例二提供的PTP经交换机同步性能检测平台示意图；

图9为本发明实施例二提供的PTP抗网络风暴能力检测平台示意图；

图10为本发明实施例二提供的PTP一步钟抗网络风暴能力检测结果统计分布图；

图11为本发明实施例二提供的PTP两步钟抗网络风暴能力检测结果统计分布图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明提供的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将从站间和站内两方面详细说明性能检测的具体方式。

一、实施例一，站间同步设备性能检测

站间时间同步性能检测包括时间同步准确性检测，时间同步可靠性检测，以及时间同步安全性检测。

(一)时间同步准确性检测

时间同步准确性是指站间时间同步设备的时间与UTC时间同步或者能保持在较小的偏差范围内，即同步设备输出的1PPS上升沿时刻与UTC时间的每个整秒时刻同步或保持在较小的时间偏差范围内。因此时间同步的准确性是站间同步的时间同步特性中最主要也是最核心的特性。下面分别通过上升沿陡度检测和时间准确度检测来分析其时间同步特性。

上升沿陡度检测，检测拓扑如图1，只需通过示波器观测上升沿的上升时间(脉冲幅值的10％到90％所经历的时间)，不需要标准参考时间源的输入。检测结果如图3，上升沿上升时间为2.55ns，而电力系统中对1PPS的上升沿上升时间的要求为≤100ns，因此该设备满足要求。

时间准确度检测，检测拓扑如图1，测量1PPS上升沿与标准时间源(认为其时间与UTC时间严格同步)输出的1PPS上升沿之间的时间偏差，因此必须加入标准时间源的输入作为参考。检测结果如图4所示，三个设备的标准差的测量结果由上至下分别为8.0630ns，9.5057ns和3.9872ns，均满足精度要求。

(二)时间同步可靠性检测

时间同步可靠性可以分为两方面。其一为站间时间同步设备能可靠的接收卫星信号，解算卫星信号，并输出高精度1PPS的能力，衡量该可靠性的指标为授时产品的灵敏度；其二是指站间时间同步设备输出的1PPS在较长一段时间保持高精度稳定运行的能力，衡量该可靠性的指标为授时产品时间抖动。

灵敏度检测，分为捕获灵敏度和跟踪灵敏度。其中捕获灵敏度指的是完成捕获卫星所需要的最低信号强度，而跟踪灵敏度指的是在已经捕获成功后，能够维持对卫星信号跟踪所需要的最低信号强度。检测拓扑如图2所示，检测结果见表1，电力系统对捕获灵敏度要求小于-160dBm，对跟踪灵敏度的要求为小于-163dBm，因此三个设备均能满足。

表1 灵敏度检测结果

时间抖动检测，将被测设备输出的1PPS与标准时间源输出的1PPS之间时间偏差连续24小时内的波动情况。通过计数器记录下时间偏差的标准差、峰峰值、随时间的变化趋势及其分布规律，以此来检测时间抖动特性。检测结果如图5所示。看出该设备检测共计数87027次，抖动标准差为20.663ns，峰峰值为105.01ns。其短期(约1小时)内的抖动的幅度主要在25ns以内。随着时间的推移，抖动有较大的起伏，整体的趋势为先下降，再逐渐上升，然经过一段时间的平稳下降后回到最初状态，随后经过两次上升和下降的起伏后降低到最低点，最后缓慢上升回到最初的状态。其抖动的分布规律除了少数分布在离平均值较远处，其余的近似接近阶梯波的分布规律。

(三)时间同步安全性检测

指接收卫星信号后的北斗二代授时产品受到干扰后能有效识别干扰信号，并保持输出高精度1PPS的能力。下面分别通过欺骗式干扰检测和压制式干扰检测来分析其时间同步特性。

欺骗式干扰检测，其手段是发射与卫星信号相类似的干扰信号，导致授时产品接收到了伪卫星信号而使得定位发生偏差，进而导致授时发生偏差。欺骗式干扰对时间同步安全性的影响主要根据串口输出的信息做出判断。该信息由一系列的数据语句组成，信息中包含时间信息有效标志位等内容。观测到串口信息中的时间信息有效以后，修改卫星模拟器输出的导航电文信息参数，以此来模拟卫星授时信息受到欺骗式干扰的场景。设备正常的授时信息如下：

$GNGGA,000417.000,4005.1679,N,11614.0018,E,1,11,1.3,104.1,M,0.0,M,,*74

$GNGLL,4005.1679,N,11614.0018,E,000417.000,A,0*36

$GPGSA,A,3,,,,,,,,,,,,,2.4,1.3,2.0*34

受到欺骗干扰后，时间信息则变成：

$GNGGA,000951.000,4005.1685,N,11614.0014,E,1,11,1.3,90.5,M,0.0,M,,*4C

$GNGLL,4005.1685,N,11614.0014,E,000951.000,A,0*36

$GPGSA,A,3,,,,,,,,,,,,,2.4,1.3,2.0*34

变化的语句中显示的是纬度、经度、时分秒等信息，例如干扰前的信息表示北纬40°5’，东经116°14’，时间为04分17秒。其后面的字母有两种显示：A代表时间信息有效。可见受到欺骗式干扰后，该设备的输出的时间标志位依然保持A，表示其时间信息没有发生变化，依然处于有效状态，且时间不发生跳变。

压制式干扰检测，是指干扰信号进入授时设备的强度高于卫星信号解扩后的强度，从而使授时设备无法捕获、跟踪卫星信号，使授时产品授时发生偏差。其最终效果是使授时设备无法捕获到卫星信号，因此可通过拔掉天线来模拟压制干扰源。检测开始时，授时设备正常授时。待其稳定输出1PPS后，将其天线拔掉，去掉天线的同时利用示波器开始观察设备的1PPS输出。检测结果如图6所示。

二、实施例二，站内网络高精度时间同步性能检测

本发明实施例二中，所述检测方法所涉及的数字化变电站站内高精度网络时间同步模式，均按照标准IEEE 1588以及IEEE C37.118-2011来配置，这些模式包括时钟模式、交换机模式、传输模式、延时测量机制以及通信机制，同时还考虑了是否包含背景流量。站内高精度网络时间同步性能检测共分为三组，包括直联时间同步性能检测，经PTP交换机同步性能检测，以及抗网络风暴能力检测。

(一)直联时间同步性能检测

直连检测，作为本发明站内同步检测涉及的一系列检测中的基础，以验证PTP设备能否支持IEEE 1588规定的同步模式，并为下一组检测提供对照参考。

如图7的拓扑所示，两台PTP普通时钟作为从时钟与主时钟，它们直接相连通过多播报文进行网络时间同步，下面简称为直联检测。参照PTP协议对模式进行逐一配置，特别注意的是，同一个拓扑中只允许存在一种延时测量机制。模式配置后将主、从时钟的同步秒脉冲引入到高精度采样数字滤波器中。特别注意的是，秒脉冲引出线的型号和长度应都相等，引出线不可交缠在一起并做好电磁屏蔽。在示波器自带的库中通过VisualBasic语言编程控制示波器，检测中运行程序，每秒种保存一次主、从时钟秒脉冲的偏差量测结果。每个同步模式下所采集的检测样本数目应不少于统计规律的一般需求。

为了进一步说明本发明，下面再以具体的硬件平台实验对检测方法进行说明：如表2所示，由从时钟对主时钟的秒脉冲偏差的平均值、标准差和抖动范围的统计来看，同步偏差的均值远优于1μs的精度要求，同时标准差和抖动范围都很小，说明本发明的检测方法的精度达到要求。

表2 直联时间同步检测结果

(二)经PTP交换机同步性能检测

若直联检测中，主、从时钟的同步精度和抖动都满足标准要求，则可以进行该检测。本发明所提供的检测中，应同时关注PTP交换机的模式和数目对同步性能的影响。该实施例可有多个拓扑，分述如下：将PTP从时钟与主时钟先经过一台PTP交换机进行同步，作为一个拓扑，配置PTP所规定的所有同步模式后进行检测和采集；然后再接入两台交换机，以此类推；交换机的数目逐台增加，配置所有模式以依次检测。应注意的是，根据标准电力系统高精度网络授时导则的规定，级联的时间同步系统中，交换机的跳数不能超过15台。

每个拓扑下，按所需配置的模式划分，需要进行共计16组检测。完成同步模式的配置后将主从时钟的同步秒脉冲引入到高精度采样数字滤波器中。特别注意的是，秒脉冲引出线的型号和长度应都相等，引出线不可交缠在一起并做好电磁屏蔽。在示波器自带的库中通过VB语言编程控制示波器，检测中运行程序，一秒种保存一次主从时钟秒脉冲的量测结果。每个同步模式下所采集的检测样本数目不少于统计规律的一般需求。

表3 经交换机同步检测结果

为了进一步说明本发明，下面再以具体的ETH-P2P模式下的检测实例，对上述测量方法进行硬件平台检测如图8所示，具体来说：

以经过一台交换机和两台交换机同步为例，对经PTP交换机同步性能检测方法进行说明。如下表进行模式配置，统计所采集的从时钟对主时钟的秒脉冲偏差的平均值、标准差和抖动范围。由表3可见，同步偏差的均值远优于1μs的精度要求，同时标准差和抖动范围都很小；加入交换机以后，该检测方法能准确反映抖动的增加；同时TC模式的综合性能较BC模式的更优，表明该检测方法也能正确反映PTP标准的规定。说明本发明的检测方法在精度上达到要求，同时满足标准IEEE 1588所规定的同步性能规律。

(三)抗网络风暴检测

基于上一个检测的分析结果，若主从时钟的同步精度和抖动都满足标准要求，且能正确反映IEEE 1588所规定的同步规律，则可以进行抗网络风暴能力检测。本发明所述方法采用实际变电站内定GOOSE报文和SV报文充当PTP时间同步网络的背景流量。为了让检测更接近工程实际，特做如下几个配置：

报文量的配置。通常情况下，智能站的自动化网络中GOOSE量极少、SV量极多。以某实际变电站实测表明，电力系统处于稳态时，GOOSE报文以周期5s进行发送，SV报文是以80Hz的频率进行发送；变电站发生极端事故时，GOOSE对SV的报文量比例可激增至近1:4。此时正是电力系统脆弱的时候，需要精确而稳定的授时以保障保护和录波等装置正确动作。因此，本实施例考虑最坏的情况，将GOOSE对SV的报文量比例设置为1:4。

虚拟局域网的配置。实际工程中会划分虚拟局域网(Virtual Local Area Network,VLAN)对网络报文进行过滤，避免多播流量之间相互干扰。工程实施时，会为每种报文分配一个指定的VLAN。基于网络端口和基于路由划分VLAN，是工程中常用的两种方法。本实施例基于端口的VLAN划分，根据IEEE 802.1Q标准的规定进行操作。PTP交换机的互连的端口，由于要传输PTP报文、GOOSE报文和SV报文，即需要沟通不同的VLAN，因此根据IEEE 802.1Q标准的规定，交换机互联端口应配置为Trunk型，所有VLAN内的其他端口均配置为Access型。

报文优先级的配置。IEEE 802.1Q标准还将以太网报文的优先级划分为0至7级，最高级为7级，最低级为0级。对于数字化变电站网络，在正常情况下，GOOSE跳闸报文优先级最高，其余报文优先级从高到低次序为：时钟同步报文，同步采样报文；若网络遭受黑客攻击时，各类报文的优先级可能发生错乱。本实施例只考虑正常情况下，利用网络检测仪将GOOSE报文优先级设置为6，SV优先级设为2，而根据IEEE 1588的规定，PTP报文保持默认优先级为4。

利用网络检测仪依次加入不同线速比例的由GOOSE和SV报文组成的背景流量，流量大小变化趋势可以为从低到高、从高到低或随机。在每个流量档位之下，按IEEE1588标准所规定的同步模式配置时钟模式、交换机模式、传输模式以及延时测量机制。每个流量档位下，共有16组不同同步模式组合的检测。

完成同步模式的配置后将主从时钟的同步秒脉冲引入到高精度采样数字滤波器中。特别注意的是，秒脉冲引出线的型号和长度应都相等，引出线不可交缠在一起并做好电磁屏蔽。在示波器自带的库中通过VB语言编程控制示波器，检测中运行程序，一秒种保存一次主从时钟秒脉冲的量测结果。每个同步模式下所采集的检测样本数目不少于统计规律的一般需求。

为了进一步说明本发明，下面再以具体的ETH传输模式-P2P延时测量机制下的抗网络风暴检测实例，如表4所示，对上述测量方法进行硬件平台检测如图9所示，具体来说：

本示例中采用百兆以太网线搭建含两台交换机的级联式网络时间同步系统，按从高到低的顺序，依次加入90％、80％、50％、30％和10％线速的背景流量，加过重载后再检测不加背景流量时PTP设备的同步性能。

表4 “三网合一”下抗网络风暴能力检测结果

下面以2TC-ETH-P2P-一步钟和2TC-ETH-P2P-两步钟为例作具体的对比说明。

这两个例子的检测结果的统计分布分别如图10和图11所示，结果显示，加入流量后，一步钟性能很稳定；两步钟的授时偏差在加入流量后有较明显增大，但不随着流量的增加而恶化。这是由于两步钟本身的报文流量比一步钟的稍大，检测现象符合IEEE1588标准的阐述，说明本发明可满足PTP时间同步检测的需要，且精度很高。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。