基于工业以太网直连接入环的智能配电网ieee1588校时同步系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种配电网校时同步系统，特别涉及一种基于工业以太网直连接入环的智能配电网IEEE1588校时同步系统。包括骨干层和接入层，骨干层的主站关口交换机连接上级网传精确时钟装置，主站关口交换机和子站交换机连接形成环形结构，接入层第一关口交换机和第二关口交换机连接在子站交换机两侧后再与接入层交换机相连接形成环形结构，主站关口交换机、第一关口交换机和第二关口交换机设置为边界时钟，子站交换机和接入层交换机设置为透明时钟，配电终端装置设置为普通时钟。本实用新型技术简单、时间精度高、对GPS依赖性小、既节省费用扩展度又好、覆盖地域广阔、很好的适应接入层是直连接入环、能够满足智能配电网时间同步要求。
【专利说明】基于工业以太网直连接入环的智能配电网IEEE1588校时同步系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种配电网校时同步系统，特别涉及一种基于工业以太网直连接入环的智能配电网IEEE1588校时同步系统。
【背景技术】
[0002]当前输电网的各个骨干节点时间同步精度已经达到了较高标准，配网自动化覆盖的中压节点时间同步精度仍然比较低。在智能配电网的建设中，具有同步相量采集功能的智能配电网广域测控体系是智能配电网的关键支撑技术，要实现智能配电网安全分析和测控平台建设、智能配电网广域保护和事件管理、智能配电网无缝自愈等技术必需让配电网的校时精度达到微秒级，所以对智能配电网精确时间同步体系建设研究具有重要的实际意义。
[0003]当前电力系统的时间同步研究以变电站自动化为主，主要采用的技术有:GPS对时、秒脉冲对时、IRIG-B码、简单网络时间协议SNTP、精确时间同步协议PTP等。其中GPS同步精度高，但成本昂贵不适合在配电网大量节点中应用，且其稳定性安全性也不十分可靠；秒脉冲和IRIG-B编码同步也能达到较高精度，但需要额外对时专用线路，无法应用在配电网这种跨度距离比较大的分布式系统中；SNTP网络报文同步对时精度只能达到ms级。IEEE1588又叫分布式控制与测量系统的精确时间同步协议PTP，它在以太网中通过校时包并在底层打时间戳来同步网络达到亚微秒级的时间精度，该协议可以复用以太网通信网络，对资源占用低，无需铺设额外线路，能降低系统建设成本。目前IEEE1588在电力系统中的应用研究大多集中在变电站自动化领域，配电网中的应用处于起步阶段。且已有大量国内外厂家成熟的支持IEEE1588协议的交换机产品。
[0004]光纤通信以其大容量带宽、强抗干扰能力、相对低廉的成本、低误码率、高速率、保密性好等可靠稳定的通信品质成为配电网通信系统的首选技术。随着IP业务的大量增力口，光纤以太网技术在配电网通信系统骨干层和接入层中逐渐成为首选技术。以千兆以太环网构建配电自动化骨干网，以百兆工业以太网环网构建配电自动化接入网的方案成为配电网自动化通信系统建设的典型方案。本实用新型就此典型方案为基础，研究一种采用IEEE1588复用基于光纤以太网技术配电网通信系统的校时体系。
实用新型内容
[0005]根据以上现有技术中的不足，本实用新型要解决的问题是:提供一种技术简单、时间精度高、对GPS依赖性小、既节省费用扩展度又好、覆盖地域广阔、尤其适应接入层是直连接入环结构、能够满足智能配电网时间同步要求的基于工业以太网直连接入环的智能配电网IEEE1588校时同步系统。
[0006]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0007]所述的基于工业以太网直连接入环的智能配电网IEEE1588校时同步系统，包括骨干层和接入层，骨干层包括一个主站关口交换机和多个子站交换机，主站关口交换机连接上级网传精确时钟装置，主站关口交换机和子站交换机通过千兆光纤接口连接形成环形结构，接入层包括第一关口交换机、第二关口交换机和多个接入层交换机，第一关口交换机和第二关口交换机通过百兆光纤接口分别连接在子站交换机两侧后再与接入层交换机相连接形成环形结构，第一关口交换机、第二关口交换机和接入层交换机均连接配电终端装置，主站关口交换机、第一关口交换机和第二关口交换机设置为边界时钟，子站交换机和接入层交换机设置为透明时钟，配电终端装置设置为普通时钟。
[0008]在精确时钟源的统一校时下，骨干层通信环网覆盖配网主站(地市调度中心)和配网子站(各个变电站)，接入层环网由该层两个关口交换机即第一关口交换机和第二关口交换机从两边直接接入本地通信汇聚点骨干层网的子站交换机上，两个关口交换机通过连接其它所有接入层交换机再加上骨干层的子站交换机形成一个完整的接入环，覆盖通信汇聚点的各个开闭所、环网柜、配电所、柱上开关，最后形成了 IEEE1588协议在骨干层的大环与多个接入层小环直连接入的结构中逐层传递的机制。在骨干层的大环中，选择位于主站的交换机节点定义为该层的关口交换机，即主站关口交换机，时钟类型选择为边界时钟BC，其他节点为子站交换机，时钟类型选择为透明时钟TC (P2P模式)。在接入层的小环中，选择第一关口交换机和第二关口交换机(每个直连接入环有两个关口交换机)，时钟类型选择为边界时钟BC，其他接入层交换机节点时钟类型选择为透明时钟TC (P2P模式)，配电终端装置设置为普通时钟0C。边界时钟BC节点是分割PTP校时子域的边界，它能形成结构清晰、多个层次分明、相对独立、对时过程简便的PTP子域，通过上一层为下一层来一级一级的校时，最终形成一个时钟校时树体系。每个PTP子域的Sync报文发送周期一般为2秒，这两秒中本地的时钟误差会逐渐积累，直到下一次更新。而下一层会在本地2秒积累的误差加上上一层2秒累积的误差，层级越多误差积累必然越多。关口交换机相当于一个时钟信息流的关口，在环形网络与上下级网络的连接处都由关口交换机把守，将其设置为边界时钟BC，使本层与它上下层的校时体系隔开，形成相对独立的PTP子域，每一层级的通信网作为一个大的校时整体，由本层的关口交换机边界时钟BC开始广播发送校时包，该层中所有的校时信息都能通过透明时钟TC无误差积累地传送到本层所有时间节点上。将关口交换机设置为边界时钟BC还可以阻断不同层级间校时信息的流动，减轻了线路和设备的通信负担，增强校时系统的稳定性。按这种方法分割时钟校时区域，校时信息在区县级骨干层传递到它的IOKV配网接入层的终端设备上只需要经过两层PTP校时域。这样既保证了将校时误差控制在最小范围内，又能形成一个规模可任意扩展的广域多层统一校时网络。
[0009]进一步地优选，骨干层的主站关口交换机上设置GPS装置，子站交换机上设置北斗装置。当主站关口交换机无法正常接收上级网传精确时钟装置的报文信息时，可以根据主站关口交换机上设置的GPS装置进行校时，不需要每个站点都配备GPS装置，只需要在每层的关口交换机上设置即可，不但能保证校时系统的稳定性，还能降低校时系统的成本；在无法正常接收上级网传精确时钟装置的报文信息，主站关口交换机的GPS装置也发生故障时，可以通过子站交换机上设置的北斗装置进行校时，并不是所有的子站交换机都设置有北斗装置，我们可以根据需要选择性的设置，降低校时系统的成本。
[0010]进一步地优选，接入层的第一关口交换机设置为边界时钟作为第一本地时钟，第二关口交换机设置为边界时钟作为第二本地时钟。在无法正常接收上级精确时钟装置的报文信息时，通过第一关口交换机和第二关口交换机上设置的本地时钟进行校时。
[0011]进一步地优选，主站关口交换机和子站交换机均采用三层工业以太网交换机。第一关口交换机、第二关口交换机和接入层交换机均采用二层工业以太网交换机。
[0012]进一步地优选，子站交换机和接入层交换机设置为点对点透传模式。将子站交换机和接入层交换机的透明时钟TC都设置为点到点(P2P)透明时钟是为了更进一步减轻线路和设备通信负担。点到点(P2P)时，相邻设备间的路径延时抖动都通过固定周期的定时测量记录在节点中，当主时钟发送的时间戳信息传递到从时钟时，整个路径延时抖动和交换机协议栈抖动都累加到这个主时钟信息中,从时钟只需要根据自己接收到的Sync报文的本地时间，就可以精确算出与主时钟的时间误差来调整自己，不需要再发送Delay-Request、Delay-Response之类后续报文，相当于主时钟单向对从时钟发送校时信息，不再用乒乓法。E2E透明时钟仍然相当于用乒乓法来测量整个路径延时抖动，并且在网络拓扑变化时(保护倒换)，E2E透明时钟同步精度可能出现短暂的较大偏差，会导致保护装置的误动。
[0013]进一步地优选，骨干层的时钟源优先级从高到低依次为上级网传精确时钟装置、主站关口交换机上的GPS装置和子站交换机上的北斗装置。接入层的时钟源优先级从高到低依次为上级网传精确时钟装置、第一关口交换机上的第一本地时钟，第二关口交换机上的第二本地时钟。
[0014]本实用新型所具有的有益效果是:
[0015]所述的基于工业以太网直连接入环的智能配电网IEEE1588校时同步系统通过合理的校时体系分层，达到校时网络规模扩展度高的效果，合理选择的时间节点类型，达到校时层级数量少、积累误差小、线路和节点负荷适当、很好的适应接入层是直连接入环结构的效果。使用多种时钟源备用，增强系统的鲁棒性，在恰当地点注入时间源，使骨干层能节省大量GPS校时装置。通过对不同时钟源进行优先级排序，上级通信节点时钟信号为一级，主站时钟源为二级，子站时钟源设为三级，使系统可以通过BMC算法按照时间源质量始终确定一个时间源作为主时钟校时，选择合适的时钟源注入点，减少区县级骨干层时钟源数量。通过设置接入层关口交换机为BC，如果接入层出现时间孤岛，可以确立一个时间孤岛的统一时钟，尽可能减小影响。
[0016]本实用新型采用IEEE1588技术、复用工业以太网通信系统、通过合理的校时体系分层，选择合适的时钟节点类型，最终形成一个覆盖所有的配网自动化终端节点、以上级或本地主站精确时钟源为主时钟、多种时钟源备用、能够逐级传递精确时钟、网络冗余切换时自动形成新时钟树、精度优于I微秒、扩展度好、很好的适应接入层是直连接入环的广域多层统一配电网校时网络，为智能配电网广域测控系统建设服务。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本实用新型的系统结构拓扑图；
[0018]图2为本实用新型的精确时钟逐层传递不意图；
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本实用新型的实施例做进一步描述:
[0020]如图1、图2所示，本实用新型所述的基于工业以太网直连接入环的智能配电网IEEE1588校时同步系统，包括骨干层和接入层，其特征在于:骨干层包括一个主站关口交换机和多个子站交换机，主站关口交换机连接上级网传精确时钟装置，主站关口交换机和子站交换机通过千兆光纤接口连接形成环形结构，接入层包括第一关口交换机、第二关口交换机和多个接入层交换机，第一关口交换机和第二关口交换机通过百兆光纤接口分别连接在子站交换机两侧后再与接入层交换机相连接形成环形结构，第一关口交换机、第二关口交换机和接入层交换机均连接配电终端装置，主站关口交换机、第一关口交换机和第二关口交换机设置为边界时钟，子站交换机和接入层交换机设置为透明时钟，配电终端装置设置为普通时钟；
[0021]基于工业以太网直连接入环的智能配电网IEEE1588校时同步方法步骤如下:
[0022]I)骨干层的主站关口交换机接收来自上级网传精确时钟装置的时钟源报文，通过将主站关口交换机设置为边界时钟，主站关口交换机接收到上级时间报文后将此报文终结，然后主站关口交换机根据所接收到的信息更新本地时钟；
[0023]2)骨干层的主站关口交换机将更新后的本地时钟作为主时钟，通过主时钟端口将报文信息发送给连接在骨干层上的其他的子站交换机，子站交换机均设置为透明时钟，在接收到报文信息后不更新自身的时钟，相当于直接将报文信息转发至其它子站交换机；
[0024]3)主站关口交换机在将报文信息传达到子站交换机的同时，主站关口交换机的校时时钟穿过子站交换机发送给接入层内的交换机，若环阻断出现在相连接的两个接入层交换机之间，则主站关口交换机的校时时钟同时发送到第一关口交换机和第二关口交换机，第一关口交换机和第二关口交换机均设置为边界时钟，第一关口交换机和第二关口交换机接收到报文信息后分别更新本地时钟，将更新后的本地时钟分别作为主时钟发送给与其相连接的接入层交换机以及与第一关口交换机、第二关口交换机和接入层交换机相连接的配电终端装置进行校时；若第二关口交换机与子站交换机之前出现环阻断，则主站关口交换机的校时时钟穿透过子站交换机发送到接入层的第一关口交换机，第一关口交换机完成时间同步后本身作为主时钟，将报文信息发送给与其连接的其他接入层交换机、第二关口交换机以及与接入层交换机、第一关口交换机和第二关口交换机连接的配电终端装置，接入层交换机均设置为透明时钟。
[0025]其中，骨干层的主站关口交换机上设置GPS装置，子站交换机上设置北斗装置，接入层的第一关口交换机设置为边界时钟作为第一本地时钟，第二关口交换机设置为边界时钟作为第二本地时钟。主站关口交换机和子站交换机均采用三层工业以太网交换机，第一关口交换机、第二关口交换机和接入层交换机均采用二层工业以太网交换机。子站交换机和接入层交换机设置为点对点透传模式。
[0026]骨干层的时钟源优先级从高到低依次为上级网传精确时钟装置、主站关口交换机上的GPS装置和子站交换机上的北斗装置，接入层的时钟源优先级从高到低依次为上级网传精确时钟装置、第一关口交换机上的第一本地时钟，第二关口交换机上的第二本地时钟。
[0027]工作原理:
[0028]配电网通信系统分为骨干层和接入层这两层。骨干层通信网覆盖配网主站(地市调度中心)和配网子站(各个变电站)，主站和变电站职的交换机之间的连接均采用IEEE1588协议。如图1所示，作为骨干层，主干网络设计采用三层工业以太网交换机，通过千兆光纤接口形成环形网络，在环形网络中启用动态路由协议，实现数据路由动态转发。接入层主要用于IOKV配电网各级终端的接入，覆盖各个开闭所、环网柜、配电所、柱上开关等。接入层由各通信汇聚点所覆盖区域内的二层工业以太网交换机组成，根据覆盖的区域范围划分不同相应的子环，这种环是直连接入环，该环两端分别由两个关口交换机接入本地通信汇聚点的主干网三层交换机上，两个关口交换机通过连接其它所有该层交换机再加上骨干层交换机，形成一个完整的接入环。
[0029]在骨干层的大环中，选择位于主站的交换机节点定义为该层的关口交换机，时钟类型选择为边界时钟BC，其他节点作为透明时钟TC (P2P模式)。在接入层的小环中，选择关口交换机作为边界时钟BC，其他交换机节点作为透明时钟TC(P2P模式)。主站交换机接收上级网传精确时钟或GPS精确时钟源信号对本节点的本地时钟校时，主站骨干层交换机把本地时钟作为主时钟，把报文发送给连接在骨干网上的其它子站交换机。由于子站交换机设置为透明时钟TC，自身的时钟不进行更新，相当于此时主时钟端口发送的校时报文穿过透明时钟TC到达下一个透明时钟TC或者与其相连的接入层的关口交换机上，在该层一个校时周期结束时可以对所有接入层的关口交换机完成一次校时。所有接入层的关口交换机完成了时间同步后，本身再作为主时钟将校时报文发送给连接的其它交换机或本身的配电终端设备，该校时报文穿过相连的透明时钟TC到达下一个透明时钟TC或者与其相连的配电终端装置上。时钟校时区域分割和节点配置如图2所示，按照此分割和配置模式可以形成一个广域多层统一校时网络。
[0030]骨干层时钟源注入和冗余的实现:骨干层校时网络的主时钟是主站关口交换机连接上级骨干网络的通信接口，通过该口接收上级网传精确时钟,对该交换机的本地时钟同步，然后再向连接该层校时网络的所有BC广播校时。备用时钟源是连接在主站关口交换机上的GPS卫星同步对时装置和连接在骨干层其它子站交换机上的北斗卫星同步对时装置。时钟源优先级分别依次设置为:上级网传精确时钟、关口交换机上的GPS装置、子站骨干交换机上的北斗装置和本地时钟。当主时钟失效时，节点通过BMC算法，自动更新切换到次级备用时钟源，使它成为新的主时钟，从而形成新的校时树。骨干环路通过网管系统使它在图示逻辑链接处断开，形成一个树状校时体系。
[0031]接入层时钟源注入和冗余的实现:通信网直连接入环时，把两个关口交换机设置为边界时钟BC，其中第一关口交换机的优先级要高于第二关口交换机，这样时间同步树的形成会比较方便，避免校时冲突。正常状态时，由上级网传精确时钟给其中一个关口交换机校时，再由它向所有的配电终端装置和第二关口交换机校时。线路发生环保护时，由上级网传精确时钟分别给两边的关口交换机校时，再由它们给各自相连PTP子域校时。时间孤岛时，由一边的关口交换机作为主时钟源向所有的配电终端装置和另一个的关口交换机校时。同时发生时间孤岛和线路环保护时，相当于形成了两个时间孤岛，每一个由它的关口交换机作为主时钟源校时。
[0032]本实用新型采用分层原则，把每一个通信环(包括骨干层的大环与接入层的小环)看做成一个时钟校时区域，在每个时钟校时区域内选择少量交换机节点时钟类型设置为BC，作为本时钟校时区域内的主时钟；其他节点设置为TC。这样可以达到系统校时层级数量少、误差积累小、线路和节点负荷适当的效果，技术简单、时间精度高、对GPS依赖性小、既节省费用扩展度又好、覆盖地域广阔、很好的适应接入层是直连接入环、能够满足智能配电网时间同步要求。
【权利要求】
1.一种基于工业以太网直连接入环的智能配电网IEEE1588校时同步系统，包括骨干层和接入层，其特征在于:骨干层包括一个主站关口交换机和多个子站交换机，主站关口交换机连接上级网传精确时钟装置，主站关口交换机和子站交换机通过千兆光纤接口连接形成环形结构，接入层包括第一关口交换机、第二关口交换机和多个接入层交换机，第一关口交换机和第二关口交换机通过百兆光纤接口分别连接在子站交换机两侧后再与接入层交换机相连接形成环形结构，第一关口交换机、第二关口交换机和接入层交换机均连接配电终端装置，主站关口交换机、第一关口交换机和第二关口交换机设置为边界时钟，子站交换机和接入层交换机设置为透明时钟，配电终端装置设置为普通时钟。
2.根据权利要求1所述的基于工业以太网直连接入环的智能配电网IEEE1588校时同步系统，其特征在于:所述的骨干层的主站关口交换机上设置GPS装置，子站交换机上设置北斗装置。
3.根据权利要求1所述的基于工业以太网直连接入环的智能配电网IEEE1588校时同步系统，其特征在于:所述的接入层的第一关口交换机设置为边界时钟作为第一本地时钟，第二关口交换机设置为边界时钟作为第二本地时钟。
4.根据权利要求1或2所述的基于工业以太网直连接入环的智能配电网IEEE1588校时同步系统，其特征在于:所述的主站关口交换机和子站交换机均采用三层工业以太网交换机。
5.根据权利要求1或3所述的基于工业以太网直连接入环的智能配电网IEEE1588校时同步系统，其特征在于:所述的第一关口交换机、第二关口交换机和接入层交换机均采用二层工业以太网交换机。
6.根据权利要求1所述的基于工业以太网直连接入环的智能配电网IEEE1588校时同步系统，其特征在于:所述的子站交换机和接入层交换机设置为点对点透传模式。
7.根据权利要求1或2所述的基于工业以太网直连接入环的智能配电网IEEE1588校时同步系统，其特征在于:所述的骨干层的时钟源优先级从高到低依次为上级网传精确时钟装置、主站关口交换机上的GPS装置和子站交换机上的北斗装置。
8.根据权利要求1或3所述的基于工业以太网直连接入环的智能配电网IEEE1588校时同步系统，其特征在于:所述的接入层的时钟源优先级从高到低依次为上级网传精确时钟装置、第一关口交换机上的第一本地时钟，第二关口交换机上的第二本地时钟。
【文档编号】H04L12/28GK203554472SQ201320613691
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年9月30日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】高晓东, 侯梅毅, 咸日常, 蒋涛, 郭东升, 孙铭, 夏鼎, 常建, 魏建莉, 王军, 李思毛, 朱国防, 冯书玮 申请人:国家电网公司, 国网山东省电力公司淄博供电公司, 山东大学