摘要IRIG-BB码凭借数十年工程验证、抗干扰能力强、协议简单可靠长期是国内变电站主流授时方案但B码属于单向点对点/点对多点专用信号传输存在布线量大、链路时延无法自动补偿、难以跨交换机组网、扩展性弱等固有短板。以IEEE 1588-2008PTPv2为核心的精确时间协议依托变电站现有IEC 61850以太网可自动测算并补偿链路时延、支持冗余时钟切换硬件时间戳方案可实现亚微秒级同步精度契合数字化、智能变电站的建设需求。但PTP无法完全替代B码在老旧设备改造、高压室强电磁干扰场景下B码依然不可缺少二者更多是互补关系而非简单替代。本文从原理、优缺点、适用边界、选型逻辑展开对比。关键词b码对时模块b码对时时钟irig-b码产生器北斗b码授时b码授时b码时钟一、B码IRIG-B是什么它的“稳”来自哪里IRIG-B是IRIG标准组织定义的串行时间码主流使用IRIG-B000直流码DC、IRIG-B120交流调制码AC每秒输出一帧、包含秒、分、时、日、年以及时间质量标识等完整UTC时间信息帧参考沿对应秒同步点。整套B码授时系统一般由B码对时时钟主时钟、IRIG-B码产生器、B码对时模块以及接收B码的IED装置共同组成工程上大量采用北斗B码授时方案以北斗卫星作为顶层时间源由B码时钟解码北斗时间、再通过IRIG-B码产生器生成标准B码信号下发。同步天下SYN1102型IRIG-B码产生器便是这类标准信号发生设备的典型代表可接收GNSS、PTP、1PPS等多类外部时间参考输出符合DL/T 1100.1-2018等电力标准的交直流B码并支持手动设置时间既可作为现场授时扩展单元也用于B码接口设备的实验室校验测试。技术优势1独立信号链路不依赖以太网交换机协议简单运维人员认知成熟在国内电力行业已有长期大规模运行经验符合变电站传统时间同步技术规范要求。技术优势2DC-B码RS-422接口同步精度可优于1 μsAC调制B码适合长距离同轴电缆传输隔离性好在强电磁干扰环境下容错能力突出适配继电保护、故障录波等传统IED装置的对时接口这类老装置大多自带B码对时模块仅支持IRIG-B时间输入。技术优势3信号仅传递时间码逻辑简单只要波形正常、解码芯片兼容即可稳定授时不存在以太网报文抖动、交换机转发扰动等网络侧不确定因素。B码的底层传输模式是单向信号下发主时钟也就是B码对时时钟输出B码信号通过同轴电缆、屏蔽双绞线或光纤专线送到每一台需要授时的装置接收端的B码对时模块只能被动读取时间无法反向测量线路传输时延。二、B码难以回避的固有短板也是新项目转向PTP的核心原因需要独立专用布线工程成本高、施工复杂。B码信号和IEC 61850业务以太网必须分开布线每个间隔、每台保护、录波装置如需B码对时都要单独规划B码线缆大型变电站中B码授时线缆数量多、布线繁琐、屏蔽接地要求严格线缆分布电容、阻抗不匹配还会造成波形畸变引入额外同步误差后期改扩建新增设备时布线工作量大。即便搭配性能优良的IRIG-B码产生器与B码对时模块线缆带来的信号劣化问题依然无法根除。链路时延无法自动补偿精度受线缆长度影响。B码为单向传输协议B码时钟不知道电缆长度、信号在介质中的传播延时工程上只能在现场人工固定补偿一旦线缆改动、替换补偿值就不再准确。长电缆传输带来的固定时延无法由协议自动消除距离越远链路引入的同步偏差越明显。原生不支持跨交换机组网组网灵活性差。标准B码不是网络协议不能像以太网报文一样经过交换机转发。如果跨多个间隔、多交换机区域分发B码只能增加B码对时模块、B码中继装置系统层级变多、故障点同步增加不利于大规模智能变电站、过程层网络化架构部署。冗余和故障管理能力弱。B码本身没有自带时钟源优选、自动切换机制双主时钟冗余需要额外硬件切换继电器或切换板卡缺少标准化的链路状态上报、故障诊断机制很难在后台自动化识别B码断线、波形劣化、IRIG-B码产生器输出异常、B码对时模块解码失败这类隐性故障。三、PTPIEEE1588授时的核心优势为什么新站优先选用PTP即精确时间协议电力行业主流采用IEEE 1588-2008PTPv2配套电力轮廓标准IEEE C37.238、IEC 61850-9-3专门面向变电站自动化系统在同一IEC61850以太网上承载业务报文与授时报文不需要单独敷设对时电缆。双向测量、自动链路时延补偿。PTP主从时钟之间通过Sync、Follow_Up、Delay_Req、Delay_Resp四步交互双向测算收发链路时延并自动扣除不需要人工按线缆设置补偿值硬件时间戳在PHY/交换机芯片层打戳方案可做到百ns级亚微秒级同步精度满足合并单元、电子式互感器、同步相量测量装置PMU高精度授时需求。复用站内现有工业以太网布线极简扩展性强。数字化变电站本身已经部署IEC61850过程层、间隔层以太网支持PTP的交换机边界时钟BC、透明时钟TC可以直接转发PTP报文新增IED设备只要接入以太网即可接入授时系统改扩建不需要新增大量专用对时线缆显著降低工程造价与施工难度。标准化冗余与自动选主机制。PTP内置BMCA最佳主时钟算法网络内多台主时钟GM可以自动比较时钟质量等级故障时无人工干预自动切换主时钟支持VLAN划分授时域、时钟状态上送监控后台便于运维在线监测同步质量、告警异常适配智能变电站运维数字化需求。补充区分PTP≠NTP。NTP同样基于以太网但NTP以软件时间戳为主典型精度仅毫秒级无法满足保护、合并单元的微秒级授时要求不能替代硬件时间戳PTP而依托北斗B码授时的B码系统、硬件PTP二者都可以实现微秒级精度但传输架构完全不同。四、关键结论PTP是新站主流但B码不会被淘汰这些场景依旧离不开B码很多工程从业者会产生误区PTP出来之后B码就要全部换掉。从现行电力工程实践和标准来看二者是互补不是替代。适合继续保留B码的场景老旧变电站改造大量存量继电保护、测控装置仅内置B码对时模块无PTP以太网授时能力只能保留原有B码授时链路或者部署PTP转B码网关集成IRIG-B码产生器功能向下输出标准信号。高压室、一次设备就地控制柜等强电磁干扰区域独立B码光纤/同轴链路隔离度高相比共享以太网受网络风暴、业务报文扰动影响更小北斗B码授时方案在此类场景应用稳定。对时链路简单的小型站对时链路简单、装置数量少的小型站延续成熟B码对时时钟方案运维门槛更低。优先采用PTP的场景其一新建数字化、智能变电站大量合并单元、智能终端、PMU等高精度需求设备其二间隔多、IED数量大、后续频繁改扩建希望减少专用对时电缆其三需要统一全网时间、后台集中监控授时链路质量、实现多主时钟自动冗余切换。当前主流新建智能变电站方案常采用混合授时架构主时钟输出PTP接入站内以太网同时配置PTP转B码模块给不支持PTP的传统IED输出B码信号兼顾新设备和老设备的兼容性。五、工程选型避坑小结精度不是**指标B码DC版和硬件PTP都可以做到1 μs内选型核心看布线成本、设备接口、电磁环境、运维习惯很多老装置只有B码对时模块只能选用B码时钟配套方案。PTP不是插上交换机就稳必须使用支持硬件时间戳、符合电力PTP轮廓的工业交换机普通交换机软件打戳PTP抖动大、精度无法保障。B码也要区分有源/无源、DC/ACB码要区分有源/无源、DC/AC混用极易出现偶发对时不稳采购B码对时时钟、IRIG-B码产生器、B码对时模块时要核对接口类型与装置匹配。时间源无论B码还是PTP北斗/GNSS仍是绝大多数变电站顶层时间源北斗B码授时是国内电力B码授时最常用的时间源方案。参考文献[1] 赵上林胡敏强窦晓波. 基于IEEE1588的数字化变电站时钟同步技术研究[J]. 电网技术2008,32(21):97-102.[2] 王勇李刚. 智能变电站过程层时间同步方式研究[J]. 电力系统自动化2010,34(10):113-115.[3] IEEE Std 1588-2008, IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S].[4] IEEE C37.238-2017, IEEE Standard Profile for Use of IEEE 1588 Precision Time Protocol in Power System Applications[S].[5] BD 520002-2019, 北斗定时型用户设备检定规程[S].[6] IRIG Standard 200-04, IRIG Serial Time Code Formats[S].[7] IEC/IEEE 61850-9-3:2016, Communications Networks and Systems for Power Utility Automation Part 9-3: Precision Time Protocol Profile for Power Utility Automation[S].
摘要IRIG-BB码凭借数十年工程验证、抗干扰能力强、协议简单可靠长期是国内变电站主流授时方案但B码属于单向点对点/点对多点专用信号传输存在布线量大、链路时延无法自动补偿、难以跨交换机组网、扩展性弱等固有短板。以IEEE 1588-2008PTPv2为核心的精确时间协议依托变电站现有IEC 61850以太网可自动测算并补偿链路时延、支持冗余时钟切换硬件时间戳方案可实现亚微秒级同步精度契合数字化、智能变电站的建设需求。但PTP无法完全替代B码在老旧设备改造、高压室强电磁干扰场景下B码依然不可缺少二者更多是互补关系而非简单替代。本文从原理、优缺点、适用边界、选型逻辑展开对比。关键词b码对时模块b码对时时钟irig-b码产生器北斗b码授时b码授时b码时钟一、B码IRIG-B是什么它的“稳”来自哪里IRIG-B是IRIG标准组织定义的串行时间码主流使用IRIG-B000直流码DC、IRIG-B120交流调制码AC每秒输出一帧、包含秒、分、时、日、年以及时间质量标识等完整UTC时间信息帧参考沿对应秒同步点。整套B码授时系统一般由B码对时时钟主时钟、IRIG-B码产生器、B码对时模块以及接收B码的IED装置共同组成工程上大量采用北斗B码授时方案以北斗卫星作为顶层时间源由B码时钟解码北斗时间、再通过IRIG-B码产生器生成标准B码信号下发。同步天下SYN1102型IRIG-B码产生器便是这类标准信号发生设备的典型代表可接收GNSS、PTP、1PPS等多类外部时间参考输出符合DL/T 1100.1-2018等电力标准的交直流B码并支持手动设置时间既可作为现场授时扩展单元也用于B码接口设备的实验室校验测试。技术优势1独立信号链路不依赖以太网交换机协议简单运维人员认知成熟在国内电力行业已有长期大规模运行经验符合变电站传统时间同步技术规范要求。技术优势2DC-B码RS-422接口同步精度可优于1 μsAC调制B码适合长距离同轴电缆传输隔离性好在强电磁干扰环境下容错能力突出适配继电保护、故障录波等传统IED装置的对时接口这类老装置大多自带B码对时模块仅支持IRIG-B时间输入。技术优势3信号仅传递时间码逻辑简单只要波形正常、解码芯片兼容即可稳定授时不存在以太网报文抖动、交换机转发扰动等网络侧不确定因素。B码的底层传输模式是单向信号下发主时钟也就是B码对时时钟输出B码信号通过同轴电缆、屏蔽双绞线或光纤专线送到每一台需要授时的装置接收端的B码对时模块只能被动读取时间无法反向测量线路传输时延。二、B码难以回避的固有短板也是新项目转向PTP的核心原因需要独立专用布线工程成本高、施工复杂。B码信号和IEC 61850业务以太网必须分开布线每个间隔、每台保护、录波装置如需B码对时都要单独规划B码线缆大型变电站中B码授时线缆数量多、布线繁琐、屏蔽接地要求严格线缆分布电容、阻抗不匹配还会造成波形畸变引入额外同步误差后期改扩建新增设备时布线工作量大。即便搭配性能优良的IRIG-B码产生器与B码对时模块线缆带来的信号劣化问题依然无法根除。链路时延无法自动补偿精度受线缆长度影响。B码为单向传输协议B码时钟不知道电缆长度、信号在介质中的传播延时工程上只能在现场人工固定补偿一旦线缆改动、替换补偿值就不再准确。长电缆传输带来的固定时延无法由协议自动消除距离越远链路引入的同步偏差越明显。原生不支持跨交换机组网组网灵活性差。标准B码不是网络协议不能像以太网报文一样经过交换机转发。如果跨多个间隔、多交换机区域分发B码只能增加B码对时模块、B码中继装置系统层级变多、故障点同步增加不利于大规模智能变电站、过程层网络化架构部署。冗余和故障管理能力弱。B码本身没有自带时钟源优选、自动切换机制双主时钟冗余需要额外硬件切换继电器或切换板卡缺少标准化的链路状态上报、故障诊断机制很难在后台自动化识别B码断线、波形劣化、IRIG-B码产生器输出异常、B码对时模块解码失败这类隐性故障。三、PTPIEEE1588授时的核心优势为什么新站优先选用PTP即精确时间协议电力行业主流采用IEEE 1588-2008PTPv2配套电力轮廓标准IEEE C37.238、IEC 61850-9-3专门面向变电站自动化系统在同一IEC61850以太网上承载业务报文与授时报文不需要单独敷设对时电缆。双向测量、自动链路时延补偿。PTP主从时钟之间通过Sync、Follow_Up、Delay_Req、Delay_Resp四步交互双向测算收发链路时延并自动扣除不需要人工按线缆设置补偿值硬件时间戳在PHY/交换机芯片层打戳方案可做到百ns级亚微秒级同步精度满足合并单元、电子式互感器、同步相量测量装置PMU高精度授时需求。复用站内现有工业以太网布线极简扩展性强。数字化变电站本身已经部署IEC61850过程层、间隔层以太网支持PTP的交换机边界时钟BC、透明时钟TC可以直接转发PTP报文新增IED设备只要接入以太网即可接入授时系统改扩建不需要新增大量专用对时线缆显著降低工程造价与施工难度。标准化冗余与自动选主机制。PTP内置BMCA最佳主时钟算法网络内多台主时钟GM可以自动比较时钟质量等级故障时无人工干预自动切换主时钟支持VLAN划分授时域、时钟状态上送监控后台便于运维在线监测同步质量、告警异常适配智能变电站运维数字化需求。补充区分PTP≠NTP。NTP同样基于以太网但NTP以软件时间戳为主典型精度仅毫秒级无法满足保护、合并单元的微秒级授时要求不能替代硬件时间戳PTP而依托北斗B码授时的B码系统、硬件PTP二者都可以实现微秒级精度但传输架构完全不同。四、关键结论PTP是新站主流但B码不会被淘汰这些场景依旧离不开B码很多工程从业者会产生误区PTP出来之后B码就要全部换掉。从现行电力工程实践和标准来看二者是互补不是替代。适合继续保留B码的场景老旧变电站改造大量存量继电保护、测控装置仅内置B码对时模块无PTP以太网授时能力只能保留原有B码授时链路或者部署PTP转B码网关集成IRIG-B码产生器功能向下输出标准信号。高压室、一次设备就地控制柜等强电磁干扰区域独立B码光纤/同轴链路隔离度高相比共享以太网受网络风暴、业务报文扰动影响更小北斗B码授时方案在此类场景应用稳定。对时链路简单的小型站对时链路简单、装置数量少的小型站延续成熟B码对时时钟方案运维门槛更低。优先采用PTP的场景其一新建数字化、智能变电站大量合并单元、智能终端、PMU等高精度需求设备其二间隔多、IED数量大、后续频繁改扩建希望减少专用对时电缆其三需要统一全网时间、后台集中监控授时链路质量、实现多主时钟自动冗余切换。当前主流新建智能变电站方案常采用混合授时架构主时钟输出PTP接入站内以太网同时配置PTP转B码模块给不支持PTP的传统IED输出B码信号兼顾新设备和老设备的兼容性。五、工程选型避坑小结精度不是**指标B码DC版和硬件PTP都可以做到1 μs内选型核心看布线成本、设备接口、电磁环境、运维习惯很多老装置只有B码对时模块只能选用B码时钟配套方案。PTP不是插上交换机就稳必须使用支持硬件时间戳、符合电力PTP轮廓的工业交换机普通交换机软件打戳PTP抖动大、精度无法保障。B码也要区分有源/无源、DC/ACB码要区分有源/无源、DC/AC混用极易出现偶发对时不稳采购B码对时时钟、IRIG-B码产生器、B码对时模块时要核对接口类型与装置匹配。时间源无论B码还是PTP北斗/GNSS仍是绝大多数变电站顶层时间源北斗B码授时是国内电力B码授时最常用的时间源方案。参考文献[1] 赵上林胡敏强窦晓波. 基于IEEE1588的数字化变电站时钟同步技术研究[J]. 电网技术2008,32(21):97-102.[2] 王勇李刚. 智能变电站过程层时间同步方式研究[J]. 电力系统自动化2010,34(10):113-115.[3] IEEE Std 1588-2008, IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S].[4] IEEE C37.238-2017, IEEE Standard Profile for Use of IEEE 1588 Precision Time Protocol in Power System Applications[S].[5] BD 520002-2019, 北斗定时型用户设备检定规程[S].[6] IRIG Standard 200-04, IRIG Serial Time Code Formats[S].[7] IEC/IEEE 61850-9-3:2016, Communications Networks and Systems for Power Utility Automation Part 9-3: Precision Time Protocol Profile for Power Utility Automation[S].
