基于OPNETTM的电力系统传感器网络IEEE1588同步协议仿真

田 鹤，井 实 ，张杨（电子科技大学自动化工程学院 四川 成都 611731）

0 引言

在广域、分布式测量系统中，数据的同步采集是保证系统准确运行的关键，而同步采集的关键是保证广域的时钟同步。电力系统传感器网络方案中，提出广域使用GPS卫星信号同步，各子网采用IEEE1588实现精确时间同步的方法[3]。IEEE1588精确时间同步协议为实时以太网中的时钟提供了一种有效的同步方法[4]。通过精确时钟同步协议，能够使在同一网络中的传感器、变送器等终端设备的时钟精确同步，精确度可达到亚微秒级。而现有的其它时间同步协议都无法满足这种要求。

本文的目的就是通过对电力系统传感器网络中的IEEE1588进行OPNETTM建模、仿真，来验证时间同步方案的合理性和有效性。在文中提出了一种满足IEEE1588协议的OPNETTM模型，并对其进行仿真和分析。

1 电力系统传感器网络广域同步机制

广域网络下如何提供稳定的时钟源以及如何对电力系统数据进行高精度同步采集(特别是触发)是广域动态监控网络中的关键问题，得到国内外众多学者的关注[5-14]。主要研究集中在3个方面：一是稳定的时钟源，二是高性能算法，三是网络同步机制。文献[13]解决了同步时钟信号失效情况下建立内部守时钟的问题。文献[6]还提出采用GPS和我国北斗互授时的方案来进一步提供稳定的时钟源。在同步算法方面，目前已经涌现出很多算法[20-21]，基于主动式的硬件同步算法在精度方面具有较大的优势。在同步机制方面，IEEE1588[28]和NTP（Network Time Protocol）等协议也被国内学者成功用于变电站内部的时钟同步[25-27]。

人们在谈到PMU时，由于WAMS中采用基于GPS时钟实现广域同步，经常笼统地认为其精度可以达到1μs。文献[23]、[24]对同步相量的测量过程中的误差进行了量化分析，得出结论：由GPS时钟造成的误差只有0.1°，但系统经过系统采集和处理后误差平均为0.5°～1.5°。实际上，由于目前WAMS中采用时间标签的方法来实现同步的方式总需要一个再同步过程，这样不但费时，而且对同步精度造成很大的损失（具体损失与所采用的采样速率、同步软硬件系统以及算法有关）。国外一些产品均声称运行精度达到0.1°（如Macrodyne公司model1690和ABB公司的RES521）。因此需要对现有同步和触发机制，以及后期处理算法进行改进，才有可能进一步提高测量精度，满足稳定控制的要求（1°）。

因此，本文提出采用如图1所示的同步和触发方案来实现电力系统传感器网络的时钟同步和触发。该方案基于GPS精确授时、网络内部则通过IEEE1588的广域网络同步。IEEE 1588标准精确时间协议已经被用于实践，被证明可以实现亚微秒级同步。由于普通计算机的时钟无法达到亚微秒级的分辨率，因此，必须基于软件同步和硬件同步相结合的方案。目前，硬件实现主要基于现代FPGA技术来实现。然而，通过建立OPNet模型来验证方案的同步和实时性能是很有必要的。

图1 电力系统传感器网络时钟同步与触发方案

2 电力系统传感器网络中IEEE1588的OPNETTM建模

2.1 OPNETTM仿真关键技术介绍

OPNETTM是一种优秀的通信协议建模和仿真工具，具有先进的建模机制、完备的模型库、完善的外部接口等优点。OPNETTM将通信网络仿真的各个阶段合并在起，包括模型的设计、仿真、数据的收集和分析等阶段[3-4]。

OPNETTM采用3层建模机制，即建模工作在3种不同的环境中完成，这3种环境也称为3个域,分别是进程域、节点域和网络域。最低层为进程模型，以有限状态机来描述协议，有限状态机用C语言编程；其次为节点模型，由协议模块和连接模块的各种连接线组成，反映设备特性。每个模块对应一个或多个进程模型；最上层为网络模型，由网络节点和连接网络节点的通信链路组成，由该层模型可直接建立起仿真网络的拓扑结构。3层模型和实际的网络、设备、协议层次完全对应，全面反映了网络的相关特性。

OPNETTM采用离散事件驱动的模拟机理，“事件”是指网络状态的变化，即只有网络状态发生变化时，模拟机才工作，网络状态不发生变化的时间段不执行任何模拟计算。仿真核心实际上为离散事件驱动的事件调度器，它对所有进程模块希望完成的事件和计划该事件发生的时间进行列表和维护。事件调度器主要维护一个具有优先级的队列，它按照事件发生的时间对其中的工作排序，并遵循先进先出顺序执行事件，而各个模块之间的通信主要依靠传递包的方式来实现。

OPNETTM采用基于包的通信机制。包是OPNETTM中定义的一种数据结构，用来进行面向消息的通信。包被认为是一种对象，可以被创建、修改、检查、复制、发送、接收及销毁。OPNETTM采用基于包的建模机制。通过仿真包在仿真模型中的传递来模拟实际物理网络中的数据包的流动和节点设备内部的处理过程，模拟实际网络协议中的组包和拆包的过程。

因此，OPNET是一种能够对电力系统传感器网络同步和实时性能进行仿真测试的理想工具。

2.2 电力系统传感器网络OPNET建模

根据电力系统的需求和IEEE 1588讨论的模型，将OPNETTM模型分为3个抽象层次：网络模型、节点模型和进程模型。

根据电力系统传感器网络的系统结构，整个网络建模如图2所示。整个网络由多个局域网络组成，其内部结构如图3所示。

图3中名为PSSN Clock的节点为主时钟节点，接收从卫星传来的GPS信号，为局域传感器网络的其它节点提供时间同步基准时钟，各个节点通过IEEE 1588协议与主时钟进行精确时间同步。每个局域传感器网络中都有一个接收GPS信号的主时钟节点，广域网络中通过卫星信号结合局域网络中的IEEE1588精确时间同步协议，实现了广域传感器网络的精确时间同步。

IEEE1588的节点模型如图4所示。在原有的OPNETTM节点模型的基础上，在以太网协议栈模型中添加了新的UDP/IP模块，实现了IEEE1588中规定的精确时钟模型，并添加相关的统计模块，便于仿真结果的获取。在节点模型中添加了3个进程模型：精确时钟同步模块、GPS时钟模块和精确时钟同步统计模块。进程模型为图4中的ptp，local_clock和PTP stastistic generator模块。

图2 广域电力系统传感器网络的OPNETTM网络模型

图3 电力系统传感器网络内部IEEE1588的OPNETTM网络模型

3 IEEE1588仿真关键参数及OPNETTM仿真结果

3.1 IEEE1588同步原理及关键参数

IEEE1588的同步过程原理如图5所示。图中的主时钟为GPS接收到的时钟信号，作为主时钟，从时钟为各个节点的时钟。IEEE1588中主要参数的计算如下：

Delay表示从时钟与主时钟之间的网络延时，Offset表示从时钟与主时钟之间的时间偏差。根据处理得到的Offset值，对该从模块中的本地实时时钟重新设定，从而完成作为同步授时网络从模块的本地时钟同步模块的授时。

IEEE1588的同步过程就是计算Offset的值，根据Offset对时间进行修正，使从时钟与主时钟同步。因此IEEE1588的仿真中最重要的参数就是Offset的变化情况。

图4 IEEE1588的OPNETTM节点模型

图5 IEEE1588的同步过程

3.2 OPNETTM仿真结果及分析

为了评估系统的同步性能，根据前面介绍的OPNETTM的模型，仿真的主要结果如图6和图7所示。

图6 Offset瞬时值离散分布图

图7 Offset平均值连续分布图

图6和图7为Offset的瞬时值和平均值仿真结果。从仿真结果可知，Offset的瞬时值的主要分布在较小的一个时间偏差范围内，从平均值变化的曲线可知Offset的值随着时间趋于稳定，逼近零值，实现了较高的时间同步精度和较好的系统同步稳定性。由于本系统为电力系统的专有网络，为网络的质量提供了很好的保证，仿真结果也适用于电力系统的专有网络。

[1]薛禹胜，徐伟，Zhaoyang DONG，等. 关于广域测量系统及广域控制保护系统的评述[J]. 电力系统自动化， 2007，31(15):1-5.

[12]Qi Huang. Design of Sensor Network for the Security Infrastructure of Electric Power System[J]. The 2007 International Conference on Information Computing and Automation:1-4.

[3]IEEE Std IEEE 1588: IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems, 2002.

[4]T. Skeie, S. Johannessen, O. Holmeide. Highly accurate time synchronization over switched Ethernet[C]. Proc. of 2001 IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation,2001:195- 204.

[5]IEEE Std C37.118-2005, IEEE Standard for Synchrophasors for Power Systems, 2006.

[6]李建，谢小荣，韩英铎. 北斗卫星导航系统与GPS互备授时的分布式相量测量单元[J]. 电网技术，2005,29(9): 1-4.

[7]吴海涛，贺鹏. 分布式系统的时间同步算法研究及应用[J].计算机应用，2001，21(12):20-23.

[8]何万里，隋江华，任光. 时钟同步算法的分析和比较[J].计算机工程与应用，2004，40(34):51-53.

[9]V. Shivakumar, V. Arunachalam, V.N. Nandakumar, et al. Time synchronizing unit for measurement and monitoring[C]. International Conference on Power System Technology, Vol. 1, 2004:442-446.

[10]吴京涛，黄志刚，韩英铎,等. 同步相量测量算法与实测误差估计[J]. 清华大学学报:自然科学版，2001，41(4/5):147-150.

[11]王义军，任先文，范琦,等. 同步相量测量单元及其误差分析[J]. 电力自动化设备，2004，24(2): 66-69.

[12]殷志良，刘万顺，杨奇逊，等. 基于IEEE 1588实现变电站过程总线采样值同步新技术[J]. 电力系统自动化，2005，29(13): 60-63.

[13]易娜，贺鹏，易亚文，等. 优化的网络时间协议算法及其在变电站自动化中的应用[J]. 电力系统自动化，2007，31(13): 93-95.

[14]高志远，刘长虹，刘瑞平. 厂站自动化系统中应用网络时间同步技术探讨[J]. 电力自动化设备，2006，26(7): 84-89.

[15]陈敏. OPNET网络仿真[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004.