论文IEEE-1588-精确时间协议在智能变电站中应用的关键技术.doc

IEEE 1588 精确时间协议在智能变电站中应用的关键技术王佳兴，朱金垦，郑杨（温州市电力公司,温州市，325000）摘要:IEEE 1588精确时间同步协议（PTP）解决了通用以太网延迟时间和同步能力差的瓶颈，在自动化、通信等工业领域具有重要意义，本文介绍了IEEE 1588标准在智能变电站建设中应用的关键技术，包括PTP时钟同步模型以及同步过程，分析了PTP网络结构中的设备类型以及主从时钟的偏移和网络延时的修正，最后分析了PTP时钟设备冗余配置的必要性，给出了时钟设备冗余配置的方法。关键字:IEEE 1588 PTP 智能变电站 时钟同步引言 目前，在变电站自动化系统中广泛应用的对时方式主要有GPS同步脉冲对时，NTP（Network Time Protocol）网络时间协议，SNTP（Simple Network Time Protocol）简单网络时间协议对时等对时方式。随着数字化变电站的发展使得站内二次硬接线逐渐被串行通信线所取代，GPS对时技术已不适用于新兴的数字化智能变电站网络系统，而NTP/SNTP时间同步协议的时间同步精度仅能到到ms级，不能满足具有高精度和稳定性要求的电力自动化设备的需求，因此最终提出了IEEE 1588标准，它定义了一种用于分布式测量和控制系统的精密时间协议（Precision Time Protocol，PTP），其网络对时精度可达亚s级，满足电力系统自动化设备对时间精度的要求，并且所占用网络和硬件资源较少，因此IEEE 1588网络对时方式是应用于智能变电站的理想对时方式3。1 PTP时钟同步模型 PTP系统是分布式网络系统，由PTP设备和非PTP设备组成。下图1-1为一个典型的PTP分布式系统。图1-1 典型的PTP分布式系统 其中，OC（Ordinary Clock）为普通时钟，普通时钟可能是一个系统的最高级主时钟（Grandmaster Clock，GC），也可能是主、从时钟体系中的从时钟（Slave）。 BC（Boundary Clock）为边界时钟，PTP设备通过网络彼此通信，PTP协议在一个叫做域的逻辑范围内运行。实际中的物理网络和连接到网络上的各个PTP设备与多个域相连。边界时钟将PTP的域划分为不同的网段，这些网段被称为通讯路径，每条通讯路径中的PTP设备之间可以进行直接通信，不同路径之间的PTP设备可以通过边界时钟（或透明时钟）桥接。如图1-1中所示，路径A中的四个PTP设备可以直接互相通讯，但路径A与路径B中的PTP设备如需通讯则需要经过边界时钟（或透明时钟）的连接1。 边界时钟可以用于解决跨网段的全系统时钟同步问题，是因为它的从时钟端口与上一级主时钟同步，同时它的主时钟端口又使下一级从时钟与该边界时钟同步，这样将可以消除由于以太网交换机和路由器存储转发机制产生的以太网信息帧的传输延时，提高同步时钟精度，其典型应用如图1-2所示图1-2 边界时钟的典型应用 TC（Transparent Clock）为透明时钟，包括端到端透明时钟（E2E TC，End-to-End Transparent Clock）和对等透明时钟（P2P TC，Peer-to-Peer Transparent Clock）。由于在跨网段的全系统中，边界时钟采取的是逐级同步的方式，因此各级网元的同步精度误差会逐级累加，为了减少这一误差，引入透明时钟。透明时钟可对主、从时钟之间的网络延时进行精确测量与修正，能有效的克服边界时钟的缺点1。普通时钟、边界时钟、透明时钟为PTP设备，而非PTP设备包括网桥、路由器和其他基础设备，例如计算机、打印机等其他应用设备。2 PTP时钟同步过程 通常情况下PTP时钟同步分为两个阶段:建立主从体系结构、同步化时钟。同步化时钟又包含时钟频率调整和相位调整两部分，相位调整主要是计算时间偏移和路径延时。2.1建立主从体系机构 IEEE 1588主要是利用网络中最优时钟算法，通过对比同步报文中的时钟优先级、时间等级、时间精度等信息，分析报文中的内容和自身的时钟数据，决定时钟的状态2。时钟的状态有三个: Master：此时钟是它所处路径上的时钟源，即主时钟。一般设置专用的GPS时钟作为整个对时网络的主时钟源。 Slave：该时钟同步于它所处路径上的Master时钟，即从时钟。一般将过程层、间隔层及变电站层设备只作为对时网络末节点，扮演从时钟角色。 Passive：该时钟既不是路径上的主时钟，也不必与主时钟同步，例如当一条路径中网络中最优时钟算法出现两个可作为Master的时钟时，其中一个作为Master，另一个作为Passive。2.2 主从时钟频率调整 主时钟向子网内的所有从时钟周期性的广播Sync（同步）报文，在Sync报文之后发送Follow_Up报文。其第n个Sync报文准确发送时间记做tsn，子网内所有从时钟在收到第n个Sync报文后几下接收时间tcn，其发送的准确时间tsn包含在随后的Follow_Up报文中。这样从时钟中包含了所有的tsn和tcn，即可计算出本地时钟与住时钟之间的频率偏差,并根据计算出的对本地时钟的频率做出相应调整。其频率调整过程示意图如图2-1所示图2-1 主从时钟频率调整示意图计算公式： (2-1)2.3主从时钟偏移量和网络延时修正 为了实现主从时钟偏移量和网络延时修正可以采用延时请求响应机制。其实现过程如图2-2所示。图2-2 延时请求响应机制的实现过程 主时钟向从时钟发送Sync报文，并记录发送时间t1，从时钟收到该报文后，记录接收时间t2；主时钟发送Sync报文之后，紧接着发送一个携带有t1的Follow_Up报文，从时钟接收后，计算接收向Sync报文的本地时标t2和Follow_Up报文中的时标t1的差异，作为主从时钟的偏移量。为了修正传输延时，从时钟向主时钟发送Delay_Req报文，并记录发送时间t3；主时钟接收到该报文后，记录接收时间t4，并回复从时钟一个携带有t4的Delay_Resp报文1。此时从时钟便拥有了t1t4这四个时间，由此便可计算出主、从时钟之间的传输延时为t。计算公式： (2-2)3 PTP时钟设备的冗余配置 在采用PTP协议对时时，时钟同步的可靠性和时间同步的精度，受时间同步网络中的交换机和路由器等非PTP设备影响较大。由于时钟同步系统给站内所有设备提供同步信号，一旦发生故障，会造成站内设备失去同步而无法正常工作，对变电站的安全性、可靠性形成巨大威胁。因此在组建站内通信网络和配置对时设备时，冗余措施必不可少。现以一单一过程总线智能变电站网络结构为例，演示智能变内通信网络和对时设备配置2。如图3-1所示。假设该站内过程层网络和站控层网络均采用PTP进行高精度对时，且过程层和间隔层设备的以太网芯片、变电站层计算机的网卡以及通信网络中的交换机或路由器均支持IEEE 1588硬件对时。图3-1 单一过程总线网络4结语 IEEE 1588作为一种时钟同步精度达s级的精密时间协议标准，在智能化变电站的建设中有重要意义。如果能更近一步降低其对设备硬件支持的需求，解决与其它对时方式的兼容性问题，其在整个自动化、通信等工业领域将有广阔的发展前景。本文介绍了IEEE 1588精确时间同步协议的关键技术，为此协