Синхронизация времени на цифровых подстанциях



В статье автор пытается определить основные виды синхронизации времени на цифровых подстанциях.

Ключевые слова : синхронизации времени на цифровых подстанциях, стандарты времени, протокол точного времени, работа спутникового приемника.

В энергетической отрасли уже довольно долгий период с момента появления многофункциональных систем защиты, автоматизации и управления, построенных на базе микропроцессоров, осуществляется синхронизация устройств. Это, в первую очередь, необходимо для оценки возможной связанности событий, регистрируемых различными устройствами. Помимо этого, синхронизация требуется в системах мониторинга и управления с целью протоколирования возникающих событий и своевременного реагирования на них.

Формирование требований к системам передачи данных, касающиеся надежности, производительности и совместимости программно-аппаратных решений систем защиты, автоматизации и управления объектов электроэнергетики, привели к решениям на основе стандарта IEC 61850 Communication networks and systems in substations (МЭК 61850 Сети и системы связи на подстанциях) [1]. Стандартом IEC 61850 определены система автоматизации на цифровой подстанции и связи как внутри подстанции, так и между несколькими подстанциями, что предоставляет возможность анализировать состояние контролируемых объектов (или их параметров) в разных физических местах электроэнергетической системы. Поэтому при разработке стандарта IEC 61850 пришлось учитывать требования ко времени в моделях данных и объектов, а также к коммуникационным сервисам.

Концепция построения цифровой подстанции (ЦПС) предусматривает использование различных протоколов времени ( Time Protocols ).

Временную синхронизации интеллектуальных электронных устройств IED ( Intelligent Electronic Device ) выполняют c использованием либо независимой системы, включающей в себя выделенные каналы передачи информации и ретрансляторы, либо сети Ethernet , по которой также производится обмен прикладной информацией между устройствами энергообъекта [2].

В независимых системах синхронизации времени применяются два протокола:

— IRIG-B , предоставляющий информацию о времени и дате наряду с импульсами синхронизации;

— 1- PPS , предоставляющий точный импульс синхронизации времени без информации о времени и дате.

В компьютерных сетях всех уровней ( LAN , WAN , MAN ) для передачи данных используются пакетные технологии преимущественно на основе Ethernet и IP/TCP . На ЦПС применяются два протокола синхронизации времени с коммутацией пакетов [3, 4]:

—NTP (Network Time Protocol — протокол сетевого времени) или SNTP (Simple Network Time Protocol — простой протокол сетевого времени);

—PTP (Precision Time Protocol — протокол точного времени), которые осуществляют обмен по сети Ethernet.

В протоколах 1 PPS , NTP ( SNTP ) и PTP необходим надежный опорный генератор синхросигнала PRS (англ. — Primary Reference Source ), называемый первичным опорным источником или первичным эталонным генератором (ПЭГ). Одним из таких надежных источников может быть приемник глобальной спутниковой системы навигации (ГНСС, англ. — Global Navigation Satellite System , GNSS ) [5, 6], вырабатывающий высокоточный импульс PPS в качестве опорного сигнала.

Синхронизация времени на цифровых подстанциях. Протокол точного времени PTP IEEE 1588. Редакции стандарта IEEE 1588

Первый вариант протокола PTP был предложен 8 ноября 2002 года как IEEE 1588–2002 ( PTP v1 ), а второй вариант был стандартизирован в 2008 году под названием IEEE 1588–2008 ( PTP v2 ) [5]. В 2020 году была опубликована новая редакция IEEE 1588, IEEE 1588–2019 ( PTPv2.1 ), которая в данной работе не рассматривается.

Первая версия была нацелена на достижение синхронизации часов реального времени в узлах сети c субмикросекундной точностью [9]. Она также предназначалась для относительно небольших и локализованных систем, которые обычно встречаются в испытательных и измерительных лабораториях, а также на площадках промышленной автоматизации. Для реализации протокола требовались минимальные ресурсы сети, в которой он действовал, и поддержка гетерогенных (разнородных) схем синхронизации с различной прецизионностью и стабильностью.

Вторая версия PTP способствовала улучшению временной синхронизации с точки зрения точности, прецизионности и надежности, но является несовместимой с первой версией.

Система PTP представляет собой распределенную сетевую систему, состоящую из комбинации устройств PTP и устройств без PTP . В устройства PTP входят обычные часы, граничные часы, прозрачные часы и узлы управления. К устройствам, не являющимся устройствами PTP , относятся мосты, маршрутизаторы и другие устройства инфраструктуры [7].

Протокол PTP — это распределенный протокол, который определяет, как часы реального времени в системе синхронизируются друг с другом. Эти часы организованы в иерархию синхронизации ведущий-ведомый с ведущими часами GMC ( Grandmaster Clock ) в верхней части иерархии, определяющими опорное время для всей системы. Синхронизация достигается путем обмена сообщениями синхронизации PTP , при этом ведомые используют информацию синхронизации для настройки своих часов в соответствии со временем их ведущего устройства в иерархии.

Устройства в системе PTP взаимодействуют друг с другом через сеть связи. Синхронизация PTP объектов электроэнергетики основана на пакетной технологии локальной вычислительной сети LAN ( Layer 2 Ethernet Mapping ), многоадресной адресации с использованием измерения одноранговой задержки [8].

Протокол выполняется в логической области, называемой доменом. Домен состоит из логически сгруппированных часов, взаимодействующих друг с другом по протоколу PTP . Все сообщения PTP , наборы данных, конечные автоматы и другие объекты PTP всегда связаны с определенным доменом [9]. Следовательно, протокол PTP остается независимым для разных доменов, хотя данная физическая сеть и отдельные устройства, подключенные к сети, могут быть связаны не с одним, а с несколькими доменами. В рамках стандарта IEEE 1588 время, установленное в одном домене протоколом, не зависит от времени в других доменах [10]. В домене выбирается высокоточный опорный источник времени — первичный эталонный генератор или ПЭГ. ПЭГ затем корректирует другие менее точные часы путем периодической коррекции смещения их локальных часов посредством пакетов синхронизации, содержащих точные временные метки как с секундным, так и наносекундным разрешениях.

В IEEE 1588–2008 принята новая концепция профилей как «The set of allowed Precision Time Protocol (PTP) features applicable to a device» («Набор разрешенных функций протокола Precision Time Protocol ( PTP ), применимых к устройству») [5]. Таким образом, в зависимости от сферы применения можно задавать индивидуальные варианты выбора атрибутов и дополнительных функций (опциональных особенностей) протокола PTP . Например, Сектор стандартизации электросвязи Международного союза электросвязи МСЭ-Т ( International Telegraph Union Telecommunication Standardization Sector — ITU-T ) занимается приложениями протокола PTP в сфере телекоммуникаций.

Общее описание архитектуры временной синхронизации по протоколу PTP

В верхнем левом углу рис. 1. показаны единственные активные ведущие часы GMC , которые остальными ведомыми часами рассматриваются, как ПЭГ. Активный и резервный GMC , другие часы, входящие в логическую область, состоящую из высшего субдомена, субдомена A и субдомена B , образуют домен PTP .

Рис. 1. Пример архитектуры временной синхронизации по протоколу PTP в соответствии с IEC 61850–9-3

Эта топология «ведущий-ведомый PTP » ( Master-Slave PTP topology ) по своей сути отделяет системные процессы от времени распространения сообщения, чтобы обеспечить необходимый детерминизм в часах реального времени на каждом узле сети PTP .

Стандартом IEEE 1588 v 2 определены несколько типов устройств PTP [11]. Устройства, взаимодействующие друг с другом через ЛВС, используя PTP , называются узлами. PTP включает в себя несколько узлов и каждый узел представляет собой часы. Все эти узлы образуют сеть. Часами PTP являются ведущие часы ( Master Clock ), обычные часы ( Ordinary Clock ), граничные часы ( Boundary Clock ) и прозрачные часы ( Transparent Clock) . Среди них ведущие часы и обычные часы имеют только один порт PTP , в то время как граничные часы и прозрачные часы имеют несколько портов PTP.

Обычно в качестве ведущих часов могут быть выбраны атомные часы или приемники ГНСС, которые могут служить временной основой во всей системе.

Устройства IED , которые должны быть синхронизированы по времени, являются обычными часами и могут обеспечить временну ' ю синхронизацию путем приема сообщений от ведущих часов.

Граничные часы ( Boundary Clock ) имеют один порт Slave-clock (порт ведомых часов или ведомый порт) и несколько портов Master-clock (порты ведущих часов или ведущие порты); первый используется для синхронизации с верхними ведущими часами, в то время как вторые обеспечивают сигналы синхронизации для следующих ведомых часов.

Прозрачные часы ( Transparent Clock ) могут точно измерять время пребывания сообщения в коммутаторе/маршрутизаторе и устранять влияние задержки и дрожания на синхронизацию времени.

Обычные часы и граничные часы должны поддерживать синхронизацию времени с другими узлами, являющимися часами, а прозрачные часы — нет.

Литература:

1. Ингрэм, Д. Реализация систем синхронизации времени на основе / Дэвид Ингрэм, Брайн Смелли. — Текст: электронный // URL: http://digitalsubstation.com/blog/2015/04/21/ptp-timesync-operation/ (дата обращения: 10.05.2020)
2. Чичёв С. И., Калинин В. Ф., Глинкин Е. И. Методология проектирования цифровой подстанции в формате новых технологий. — Москва: Издательский дом «Спектр», 2014. — 228 с. — ISBN 978–5-4442–0076–6.
3. СТО 56947007–29.240.10.256–2018 Технические требования к аппаратно-программным средствам и электротехническому оборудованию ЦПС, ПАО «ФСК ЕЭС»
4. СТО 56947007–29.240.10.302–2020 Типовые технические требования к организации и производительности технологических ЛВС в АСУ ТП ПС ЕНЭС, ПАО «ФСК ЕЭС»
5. Wlodmierz Lewanddowski, Jaques Azoubib, and William J. Klepczynski. GPS: Primary Tool for Time Transfer / W. Lewanddowski; Jaques Azoubib; William J. Klepczynski. — Текст: электронный // Proceedings of the IEEE , vol. 87, no. 1, p. 1, January 1999. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/736348 (дата обращения: 10.05.2020)
6. Marcel Geor, Alex Lippitt, and Hayden Alves Tekron. Full digital substation with process bus — time synchronization best practice / M. Geor, A. Lippitt, H. A. Tekron — Текст: электронный // pacworld: [сайт]. — 2020. — № 52. URL: https://www.pacw.org/full-digital-substation-with-process-bus-time-synchronization-best-practice (дата обращения: 10.05.2020)
7. Дони, Н. А. Особенности совместного использования устройств релейной защиты на основе стандарта IEC 61850–9-2LE и защит с традиционными входными аналоговыми цепями // 5-я Международная научно-техническая конференция «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем». — 2015.
8. Shuang, S. Chapter 6 — Time Synchronization Principle and Testing Technology in Smart Substations / Song Shuang, Liu Jiankun, Cao Haiou [и др.] // IEC 61850-Based Smart Substations: Principles, Testing, Operation and Maintenance. 1st Edition, Kindle Edition. — Academic Press, 2019. — C. 185–222
9. Dirk Mohl, Andreas Dreher. White Paper, Precision Clock Synchronization, The Standard IEEE 1588. / D. Mohl, A. Dreher. — Текст: электронный // [сайт]. — DOI: https://www.industrialnetworking.com/pdf/Hirschmann_IEEE_1588.pdf (дата обращения: 10.05.2020)
10. Douglas, A. The virtues of clock watching: Why it’s important to monitor your timing network / Douglas Arnold. — Текст: электронный // News and Tutorials from Meinberg [сайт]. — May 10, 2018. URL: https://blog.meinbergglobal.com/2018/05/10/the-virtues-of-clock-watching-why-its-important-to-monitor-your-timing-network/
11. Как работает протокол синхронизации PTPv2. — Текст: электронный // Сетевое издание «Elec.ru»: [сайт]. — 2020. — URL: https://www.elec.ru/articles/kak-rabotaet-protokol-sinhronizacii-ptpv2/ (дата обращения: 10.05.2020)