电力系统内基于NTP协议的对时网络异常情况处理研究.doc

电力系统内基于NTP协议的对时网络异常情况处理研究【摘要】电力系统要求各设备具有高度的时间 同步性，因此对时系统的可靠运行是电力系统运行的 重要保障本文对基于NTP协议的网络对时方式的原 理进行了分析研究，根据NTP协议的对时原理和网络 结构，对运行中的换流站内出现的对时系统异常情况 进行了分析，提出了增加对时网络层数来减轻GPS主 机负荷的解决方案本研究对提高换流站对时系统稳 定，保证安全稳定运行有着非常重要的意义关键词】换流站;对时网络;NTP协议1弓言在电力系统中，需要对电力设备的运行状态进行 实时的监控参数中如电流和电压、相角、功角，以 及直流输电系统中晶闸管的触发角，都与时间紧密相 关;不同的控制保护装置之间，都要求基于统一的时间 基准运行[1],即在时间上有高度的同步性因此电力 系统内的对时系统必须有极高的可靠性对时系统如 果出现问题，会给电力系统的正常运行造成极大的困 扰，严重时将会造成极为严重的后果随着电力系统自动装置的大量应用，变电站内有 大量的电力设备要与时间服务器进行同步，目前的对 时方式有脉冲对时、串口报文对时、时间编码方式对 时和网络方式对时［2］其中网络方式对时最容易实现, 且技术较为成熟，在国内变电站中应用最为广泛。

本 文对基于NTP网络方式对时的原理进行了分析研究, 对湖北省电力公司所辖龙泉换流站在实际运行中出现 的对时系统异常进行了分析，对对时系统存在的隐患 给出了处理建议2. NTP对时协议原理分析2.1 NTP协议简介NTP (Network Time Protocol)是由美国的 DavidL.Mills教授于1985年提出的，是一种通过因特网服务 的计算机时钟同步协议⑶NTP协议用于在分布式时 间服务器与客户端之间进行时间同步，它定义了时间 同步实现过程中所使用的结构、算法、实体和协议， 它基于TCP/IP中的IP和UDP协议栈⑷在包含众多计算机设备的系统中，例如变电站的 SCADA 系统(Supervisory Control And Data Acquisition 数据采集与监视控制系统)中，要求各设备的时钟高 度同步利用站内的LAN网络，可以轻易实现NTP对 时一般在站内设置有GPS服务器作为时间源，利用 NTP协议，通过本地路由选择算法和时间后台程序， 服务器可以重新分配标准时间，其对时精度可达到 1ms以上，完全满足电力系统的对时要求图1 NTP协议对时原理2.2 NTP对时原理在NTP协议的发展过程中存在多种对时模式，目 前技术最完善、应用最为广泛的是客户端/服务器对时 模式。

在客户端/服务器对时模式下，客户端向服务器 发送请求报文，从而与客户端建立连接其对时原理 如图1所示首先，需要进行对时的客户端（比如是换流站内 的直流极控制主机PCP）向时间同步网络内的对时服 务器（比如是换流站内的GPS时间服务器）发送一个 NTP数据包，数据包中含有客户端发送时的本机时间 标签T1当服务器接收到从客户端发送过来数据包后, 向客户端发送一个NTP数据包，这个NTP数据除包含 有服务器原先接受的T1标签，还包含有T2和T3标签， 其中T2是客户端发送的数据包到达服务器时的时间， 时间标签T3是指服务器给客户端发出数据包时的时 间当客户端接收到服务器发送过来的数据包后，会 打上一个本地时间标签T4,表示客户端接收数据包的 时间根据这4个时间标签可以计算岀服务器与客户 端的传输时延和时钟偏差，NTP消息来回一个周期的 时延，客户端相对服务器的时间差［5］求出多组（d, t）后，将误差较大的去掉，然后客户端根据时钟选择 算法选择合适的时延来调整本地时钟最终客户端的时间调节是根据从对时服务器获取 的一个从基准时刻（基准为1900年1月1日00： 00： 00）到现在时刻的时间数值来确定的。

该数值被存放 在一个被称作NTP时间戳的数据段内NTP时间戳的 表示方法是64bit无符号定点数，单位为秒，前面32bit 表示整数部分，后面32bit表示小数部分由于NTP 时间戳仅有64bit,因此必然存在溢出，即存在一个最 大日期一般规定，当2036年时，此64bit的无符号 定点数溢出，那时所有字段都归0,协议将要重新定 义2.3 NTP协议的分层结构基于NTP协议的时间同步网络根据不同的设备终 端在层次结构上的不同功能分为不同的层次结构，实 际应用中不会大于6级同步网中的授时方向是由级 别较高的层向级别较低的层次授时一般基于NTP协 议的对时网络的分层结构如图2所示：图2基于NTP协议的时间同步网络分层结构第0层表示的是时间同步网的基准时间参考源， 在层级结构中位于最上端，目前普遍采用的是GPS卫 星授时，由GPS发送UTC时间代码在时间同步网的 层次结构中，不同层的设备可以作为不同的角色例 如，在第2层的服务器对于第1层来说可以作为客户 端来接收上层服务器时间，同时也可以作为服务器来 给第3层的客户端授时而对于都属于第2层的设备 来说属于对等机NTP协议通过这种网络层结构延伸下去⑹。

第1层的设备作为网络时间服务器使用，网络时 间服务器可以是专用授时设备，也可以是带有精确时 钟源的通用计算机为提高授时服务功能的精确性和 可靠性，允许上下两层进行网状通信，即位于下层的 设备可以有多个上层设备作为服务器，NTP能够根据 自身的算法选择最合适的时钟参考源，即使在同一层, NTP也会在不同的对等机中选择精确度更高的来提供 授时服务2.4 NTP协议特点基于NTP协议的网络对时系统的特点有：(1)对时系统在物理层上基于Internet网络，可 利用变电站内已有的LAN网络进行建设，网络建造成本较低，易于实现2)在对时的过程中利用高级算法进行时延的对比和修正，对时的精确度极高但是多层次高精度算 法比较复杂，设备的计算负荷较高 （3）层级网状结构，可延伸性较强但是如果同等层次的设备 过多，会造成上层服务器的压力过大4） NTP协议通用性较高，使用广泛，对设备的要求较低，适合系统的更新扩展3. 实际对时系统岀现的问题分析处理2013年年初，湖北省电力公司所辖龙泉换流站多 次出现SCADA系统内部分事件报文的日期突变为 2036年2月6日的异常情况结合现场实际情况和报 文内容来看，发出的事件报文为真实事件，但时间日 期出现错误，在一定程度上影响了换流站的正常运行。

由事件的发送代码看出，事件报文的日期由命令彳亍 GetLocalTime (&SystemTimeStamp) 产生其 中GetLocalTime函数的效果是获取本地操作系统时钟， 即事件报文的日期由操作系统日期决定，由此判断SCADA系统事件日期突然跃变为2036年是由于 Windows操作系统日期突变造成以龙泉站直流极控制主机PCP为例，对Windows操作系统Application日志进行检查，发现Windows系 统日志也产生了日期跃变为2036年的异常由此证明,Windows系统日期确实出现异常Windows系统的日期来源于两个途径，一个是以 硬件晶振频率为基础的本地时钟，另一个来自基于站 内基于NTP协议的对时网络计算机硬件晶振频率的 改变只能较为缓慢的调节时钟的计数周期，效果为时 间变快或变慢，因此晶振频率的改变不可能导致日期 的突变由NTP对时的原理可知，客户端通过接收对 时服务器发送的数据包来调整本地时间，即NTP协议 对时可以直接修改系统日期，因此可认为Windows系 统日期突变为2036年是由NTP协议对时造成的由前述NTP对时原理的分析可知，客户端（比如 PCP主机）的时间调节是通过从对时服务器（GPS主 机）获取NTP时间戳来实现的。

在正常情况下读取龙 泉PCP主机从GPS获得的NTP数据包，其时间数据为 d6454272.45e353f8 （单位：秒），转换为十进制数为 3594863218秒，经换算可得3594863218秒为113年 11月，即从1900年1月1日起往后113年零11个月 即为2013年12月1 0,与实际情况相符合由前述NTP特性可知，NTP时间戳存在溢出，这 个时间点一般在2036年查看站内NTP协议相关说 明，确认64bit数据包所能达到的最大年份恰为2036 年2月6日，由此判断Windows系统时钟岀现异常是 由于接收到异常的授时数据包导致由于NTP协议底层采用UDP协议进行通讯，而UDP数据包采用CRC16循环校验码进行校验，且该异 常现象多次发生，基本可排除在网络传递过程中数据 包发生异常的可能综合以上分析及现场检查结果，可以判断SCADA事件时间突变为2036年时间异常是由GPS装置发出 异常对时数据包导致目前龙泉换流站的GPS装置已使用多年，设备自 身可能因为老化导致工作不稳定对龙泉换流站对时 网络结构进行检查，其两层对时结构网络如图3所示GPS时间主机在对时网络的第1层，PCP主机等设备 在对时网络中的第2层。

第2层中的PCP主机等设备 按照一定的选择算法，在上一层次中选择一台GPS作 为时钟源图3站内对时网络在此种网络结构下，站内大量设备直接将GPS主 机作为时钟源，同时由于NTP高精度算法的计算量较 大，造成GPS主机授时压力过大，导致站内控制保护 主机频繁发生对时异常根据上述对对时异常原因的分析，并结合换流站 的实际情况，建议更换现有的老旧GPS对时设备，以提高GPS主机的对时能力;另一方面，建议将两层对时 网络改为多层结构，改变目前所有站内设备都直接与 两台GPS主机进行对时的通信结构，以减少GPS时间 服务器的压力，以彻底解决目前站内主机对时错误频 发的问题4. 结论本文对基于NTP协议的对时网络的原理进行了分 析和研究根据NTP协议的原理和特点，对运行中的 换流站内出现的对时系统异常事件进行了分析，认为 站内对时系统网络分层较少、GPS主机负荷过大是导 a SCADA系统时间异常的主要原因根据理论分析和 实际情况，最终提出了增加对时网络层数以减轻GPS 主机负荷的解决方案研究结果对提高换流站对时系 统稳定，保证安全稳定运行有着非常重要的意义参考文献⑴张永健.电网监控与调度自动化[M].北京：中国 电力出版社，2004： 211-227.⑵杨锦涛•电力系统环境下的网络时间同步系统 的研究与实现[D].湖南大学，2011.⑶樊国丽，赵尚弘，朱蕊孩等.基于NTP的网络中 心战时间同步技术研究田[J].电光与控制，2006, 13(4)： 28-30.[4]温从轩.NTP协议在Windows系统中的配置应 用[J].计算机与网络，2008 (24)： 65-67.⑸杜建林，方爱国.基于NTP协议的GPS时间服 务器在SCADA系统中的应用[J].化工自动化及仪表， 2012, 39 (5)： 601-603.⑹张红，王志强，陈前斌等.NTP协议及其在电信 网络中的应用[J].计算机应用，2004, 6 (22)： 26-27.作者简介：郑华(1977—),工程师，现供职于湖 北省电力公司检修分公司，研究方向：直流输电技术。