高精度NTP網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器

高精度NTP網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器

高精度NTP網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器

IEEE1588在數(shù)字化變電站時鐘同步方面的應(yīng)用
【摘要】本文介紹了電力系統(tǒng)目前所采用的時間同步方案技術(shù)的局限性以及存在的問題。在此基礎(chǔ)上，提出了使用在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)中應(yīng)用的IEEE1588精密時間協(xié)議（PTP）為傳播主時鐘時序給系統(tǒng)中的其他結(jié)點的實現(xiàn)方法。 
【關(guān)鍵詞】IEEE1588；時間同步；PTP 
一、電力系統(tǒng)時間同步基本概況 
  隨著對IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)研究的不斷深入，國內(nèi)外學(xué)者提出基于IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)數(shù)字化變電站的發(fā)展思路。數(shù)字化變電站與常規(guī)變電站的顯著區(qū)別在于過程層傳統(tǒng)的電流/電壓互感器、斷路器將被電子式電流/電壓互感器、智能斷路器取代。在數(shù)字化變電站中數(shù)據(jù)信息的共享程度和數(shù)據(jù)的實時性將得到大幅度提高。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對智能電子設(shè)備的時鐘精度功能要求劃分為5個等級（T1-T5），其中用于計量的T5等級精度達(dá)到1us。 
  目前全球定位系統(tǒng)（b bing system，GPS）在變電站自動化系統(tǒng)（substa-tion automationsystem，SAS）中應(yīng)用很多，GPS同步設(shè)備通過硬接線利用脈沖信號進(jìn)行對時，具有精度高、成本低的特點，其相關(guān)技術(shù)已很成熟。但是變電站數(shù)字化的發(fā)展趨勢使得站內(nèi)二次硬接線被串行通信線所取代，為此IEC61850標(biāo)準(zhǔn)引入了簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（simple network time protocol，SNTP）作為網(wǎng)絡(luò)對時協(xié)議。SNTP是互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（network timeprotocol，NTP）的簡化標(biāo)準(zhǔn)。在一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，NTP對時精度可達(dá)T1等級（1ms），廣域網(wǎng)內(nèi)誤差范圍為10～100 ms。NTP/SNTP的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用較成熟，但是實現(xiàn)T3等級精度25us很困難。 
  2002年發(fā)布的IEEE 1588定義了一種用于分布式測量和控制系統(tǒng)的精密時間協(xié)議（precision timeprotocol，PTP），其網(wǎng)絡(luò)對時精度可達(dá)亞us級，引起了自動化、通信等工業(yè)領(lǐng)域研究者的重視。國外一些公司（如Altera、Rockwell等）相繼開始了支持IEEE1588的相關(guān)硬件產(chǎn)品開發(fā)和IEEE 1588具體工業(yè)應(yīng)用的研究，經(jīng)進(jìn)一步完善的IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)第2版已經(jīng)于2008年發(fā)布。鑒于IEEE1588高精度的分布式網(wǎng)絡(luò)對時特點，IEC TC57第10工作組準(zhǔn)備在支持IEEE1588的交換機(jī)和以太網(wǎng)芯片有成熟的商業(yè)應(yīng)用后，將IEEE1588引入IEC 61850。因此研究IEEE1588在數(shù)字化變電站中的具體應(yīng)用具有重要意義。 
二、IEEE1588的介紹和實現(xiàn) 
  IEEE1588即PTP（Precision Time Protocol）是適應(yīng)智能化變電站時間同步的網(wǎng)絡(luò)對時方式。該標(biāo)準(zhǔn)在提出之初是致力于工控和測量的精密時鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)是提供亞微妙的同步精度應(yīng)用。后來該標(biāo)準(zhǔn)受到了自動化領(lǐng)域尤其是分布式運(yùn)動控制領(lǐng)域的關(guān)注，遠(yuǎn)程通信和電力系統(tǒng)等相關(guān)組織也對其表現(xiàn)出濃厚的興趣。目前在數(shù)字化變電站方面，IEEE1588是時間同步的第選擇。 
  PTP系統(tǒng)采用主從層次式結(jié)構(gòu)來同步時鐘，主要定義了4種多點傳送的時鐘報文類型：（1）同步報文，簡稱Sync；（2）跟隨報文，簡稱Follow_Up；（3）延時要求報文，簡稱Delay_Req；（4）回應(yīng)報文，簡稱Delay_Resp。實現(xiàn)機(jī)制如圖所示。圖中：T1為主端發(fā)送同步報文的時間；T2為從端收到同步報文的時間；T3為從端發(fā)送延遲請求報文的時間；T4為主端收到延遲請求報文的時間。這里假定同步報文的收到延遲與延遲請求報文的發(fā)送延遲相同，即路徑是對稱的。 
  主從時鐘間的偏移量TOffset以及傳輸延遲TDelay 
  計算公式為： 
  PTP系統(tǒng)中的時鐘在結(jié)構(gòu)上分為普通時鐘（ordinary clock，OC）與邊界時鐘（boundary clock，BC），功能上解釋為主時鐘與從時鐘。OC為只有一個PTP端口的對時源端或終端設(shè)備，BC為有多個PTP端口的交換機(jī)、路由器或智能設(shè)備。系統(tǒng)中的源時鐘稱為根時鐘（grandmaster clock，GC）。 
  時標(biāo)單元是PTP實現(xiàn)高精度對時的關(guān)鍵，PTP事件報文的時標(biāo)點經(jīng)過時鐘時標(biāo)點時由報文檢測模塊捕獲，進(jìn)而觸發(fā)時標(biāo)記錄，存儲精確時標(biāo)數(shù)據(jù)供應(yīng)用程序處理。時鐘按照PTP紀(jì)元時間設(shè)計成32位整數(shù)s加32位分?jǐn)?shù)s（ns級），由單一振蕩器觸發(fā)。PTP系統(tǒng)的主從層次結(jié)構(gòu)由主時鐘（best master clock，BMC）算法和事件決定，BMC算法獨立運(yùn)行于每個時鐘，時鐘之間不會進(jìn)行相互協(xié)商。依據(jù)同步報文含有的信息以及駐存于時鐘的數(shù)據(jù)集信息，運(yùn)用數(shù)據(jù)集比較算法判斷兩處信息的優(yōu)劣，采用狀態(tài)決定算法產(chǎn)生時鐘端口推薦狀態(tài)，再結(jié)合特定背景得到端口確定狀態(tài)。PTP的BC模型與OC模型結(jié)構(gòu)類似，不再贅述。 
  IEEE1588分為V1和V2兩個版本，V2在V1的基礎(chǔ)上規(guī)范了報文格式，增加了End-to-end transparent clock和Peer-to-peer transparent clock等設(shè)備類型，增加了可以減少報文數(shù)量Peer Delay的對時機(jī)制。對于電力系統(tǒng)的點對點對時要求，V1就完全可以滿足。 
  三、IEEE1588的特點及優(yōu)勢 
  IEEE1588實現(xiàn)主從同步與其他網(wǎng)絡(luò)對時方案相比有以下特點 
  （1）Sync報文發(fā)送時刻的精確值并不包含于此報文中，而是在其之后的Follow_Up報文中，這樣所帶來的益處是報文傳輸時間和時間測量互不影響。 
  （2）主方通過位于底層的時標(biāo)生成器獲得精確信息后，發(fā)送Follow_Up報文，精確的反映了Sync報文的發(fā)送時刻。從方利用時標(biāo)生成器，可以精確測量Sync報文的接收時刻。這種精確時刻的保證是因為時間標(biāo)簽信息是在接近于物理層“加蓋”的。同樣，Delay_Req報文和Delay_Resp報文傳輸時刻也能實現(xiàn)精確的時間標(biāo)記。   （3）相對于主從時鐘偏移量測量，主從通信路徑延時測量并不是周期性的執(zhí)行，而是較長時間間隔才執(zhí)行一次，這樣可以減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和終端設(shè)備的處理任務(wù)。 
  正是由于這種軟，硬件結(jié)合的方案，消除了協(xié)議堆棧延時的不定性，使得IEEE1588協(xié)議同步可以達(dá)到亞微妙級的精度。 
  針對與數(shù)字化變電站的測量，同步相量的測量需要一個精度達(dá)到1us的UTC時間源，這可以通過為每個站點提供一個GPS接收器作為主參照時間來得到。就目前而言，站點內(nèi)各個設(shè)備采用IRIG-B技術(shù)從GPS接收器獲得相應(yīng)的時間。 
  站點內(nèi)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和傳送一般通過局域網(wǎng)LAN進(jìn)行，而正是由于采用了局域網(wǎng)這種方式，為IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了一種機(jī)遇，并且由于目前市場上已經(jīng)具有可以實現(xiàn)IEEE1588功能的邊界時鐘交換機(jī)，因此從技術(shù)上和應(yīng)用環(huán)境上分析，采用IEEE 1588技術(shù)來代替現(xiàn)有的IRIG-B技術(shù)是切實可行的。而且，電廠內(nèi)部各個電器設(shè)備，包括電壓器、電流互感器、電壓互感器以及各種監(jiān)控設(shè)備之間的距離通常在一公里到兩公里的范圍之內(nèi)，這剛好是IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)所適用的局域網(wǎng)范圍。 
  相對于傳統(tǒng)的脈沖，IRIG-B等的硬對時方式，IEEE 1588可以自動校正線路的距離，這跟IRIG-B相比，極大地簡化了站點內(nèi)部各個設(shè)備之間時間的分配和同步。而且，由于采用IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)使用網(wǎng)絡(luò)對時，可以減少系統(tǒng)內(nèi)部專用的對時雙絞線，因此可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且費(fèi)用也比采用IRIG-B的方案更加經(jīng)濟(jì)方便。所以，IEEE1588網(wǎng)絡(luò)對時方式以其無以倫比的靈活性必將取代傳統(tǒng)的硬對時方式成為電力系統(tǒng)最主要的通信方式 
  四、結(jié)束語 
  許多工業(yè)、測試和測量、通信應(yīng)用都要求高精度的時鐘信號以便同步控制信號和捕捉數(shù)據(jù)等。在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)中應(yīng)用的IEEE 1588精密時間協(xié)議（PTP）為傳播主時鐘時序給系統(tǒng)中的許多結(jié)點提供了一種方法。 

IEEE1588在數(shù)字化變電站時鐘同步方面的應(yīng)用

【摘要】本文介紹了電力系統(tǒng)目前所采用的時間同步方案技術(shù)的局限性以及存在的問題。在此基礎(chǔ)上，提出了使用在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)中應(yīng)用的IEEE1588精密時間協(xié)議（PTP）為傳播主時鐘時序給系統(tǒng)中的其他結(jié)點的實現(xiàn)方法。

【關(guān)鍵詞】IEEE1588；時間同步；PTP

一、電力系統(tǒng)時間同步基本概況

  隨著對IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)研究的不斷深入，國內(nèi)外學(xué)者提出基于IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)數(shù)字化變電站的發(fā)展思路。數(shù)字化變電站與常規(guī)變電站的顯著區(qū)別在于過程層傳統(tǒng)的電流/電壓互感器、斷路器將被電子式電流/電壓互感器、智能斷路器取代。在數(shù)字化變電站中數(shù)據(jù)信息的共享程度和數(shù)據(jù)的實時性將得到大幅度提高。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對智能電子設(shè)備的時鐘精度功能要求劃分為5個等級（T1-T5），其中用于計量的T5等級精度達(dá)到1us。

  目前全球定位系統(tǒng)（b bing system，GPS）在變電站自動化系統(tǒng)（substa-tion automationsystem，SAS）中應(yīng)用很多，GPS同步設(shè)備通過硬接線利用脈沖信號進(jìn)行對時，具有精度高、成本低的特點，其相關(guān)技術(shù)已很成熟。但是變電站數(shù)字化的發(fā)展趨勢使得站內(nèi)二次硬接線被串行通信線所取代，為此IEC61850標(biāo)準(zhǔn)引入了簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（simple network time protocol，SNTP）作為網(wǎng)絡(luò)對時協(xié)議。SNTP是互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（network timeprotocol，NTP）的簡化標(biāo)準(zhǔn)。在一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，NTP對時精度可達(dá)T1等級（1ms），廣域網(wǎng)內(nèi)誤差范圍為10～100 ms。NTP/SNTP的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用較成熟，但是實現(xiàn)T3等級精度25us很困難。

  2002年發(fā)布的IEEE 1588定義了一種用于分布式測量和控制系統(tǒng)的精密時間協(xié)議（precision timeprotocol，PTP），其網(wǎng)絡(luò)對時精度可達(dá)亞us級，引起了自動化、通信等工業(yè)領(lǐng)域研究者的重視。國外一些公司（如Altera、Rockwell等）相繼開始了支持IEEE1588的相關(guān)硬件產(chǎn)品開發(fā)和IEEE 1588具體工業(yè)應(yīng)用的研究，經(jīng)進(jìn)一步完善的IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)第2版已經(jīng)于2008年發(fā)布。鑒于IEEE1588高精度的分布式網(wǎng)絡(luò)對時特點，IEC TC57第10工作組準(zhǔn)備在支持IEEE1588的交換機(jī)和以太網(wǎng)芯片有成熟的商業(yè)應(yīng)用后，將IEEE1588引入IEC 61850。因此研究IEEE1588在數(shù)字化變電站中的具體應(yīng)用具有重要意義。

二、IEEE1588的介紹和實現(xiàn)

  IEEE1588即PTP（Precision Time Protocol）是適應(yīng)智能化變電站時間同步的網(wǎng)絡(luò)對時方式。該標(biāo)準(zhǔn)在提出之初是致力于工控和測量的精密時鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)是提供亞微妙的同步精度應(yīng)用。后來該標(biāo)準(zhǔn)受到了自動化領(lǐng)域尤其是分布式運(yùn)動控制領(lǐng)域的關(guān)注，遠(yuǎn)程通信和電力系統(tǒng)等相關(guān)組織也對其表現(xiàn)出濃厚的興趣。目前在數(shù)字化變電站方面，IEEE1588是時間同步的擇。

  PTP系統(tǒng)采用主從層次式結(jié)構(gòu)來同步時鐘，主要定義了4種多點傳送的時鐘報文類型：（1）同步報文，簡稱Sync；（2）跟隨報文，簡稱Follow_Up；（3）延時要求報文，簡稱Delay_Req；（4）回應(yīng)報文，簡稱Delay_Resp。實現(xiàn)機(jī)制如圖所示。圖中：T1為主端發(fā)送同步報文的時間；T2為從端收到同步報文的時間；T3為從端發(fā)送延遲請求報文的時間；T4為主端收到延遲請求報文的時間。這里假定同步報文的收到延遲與延遲請求報文的發(fā)送延遲相同，即路徑是對稱的。

  主從時鐘間的偏移量TOffset以及傳輸延遲TDelay

  計算公式為：

  PTP系統(tǒng)中的時鐘在結(jié)構(gòu)上分為普通時鐘（ordinary clock，OC）與邊界時鐘（boundary clock，BC），功能上解釋為主時鐘與從時鐘。OC為只有一個PTP端口的對時源端或終端設(shè)備，BC為有多個PTP端口的交換機(jī)、路由器或智能設(shè)備。系統(tǒng)中的源時鐘稱為根時鐘（grandmaster clock，GC）。

  時標(biāo)單元是PTP實現(xiàn)高精度對時的關(guān)鍵，PTP事件報文的時標(biāo)點經(jīng)過時鐘時標(biāo)點時由報文檢測模塊捕獲，進(jìn)而觸發(fā)時標(biāo)記錄，存儲精確時標(biāo)數(shù)據(jù)供應(yīng)用程序處理。時鐘按照PTP紀(jì)元時間設(shè)計成32位整數(shù)s加32位分?jǐn)?shù)s（ns級），由單一振蕩器觸發(fā)。PTP系統(tǒng)的主從層次結(jié)構(gòu)由主時鐘（best master clock，BMC）算法和事件決定，BMC算法獨立運(yùn)行于每個時鐘，時鐘之間不會進(jìn)行相互協(xié)商。依據(jù)同步報文含有的信息以及駐存于時鐘的數(shù)據(jù)集信息，運(yùn)用數(shù)據(jù)集比較算法判斷兩處信息的優(yōu)劣，采用狀態(tài)決定算法產(chǎn)生時鐘端口推薦狀態(tài)，再結(jié)合特定背景得到端口確定狀態(tài)。PTP的BC模型與OC模型結(jié)構(gòu)類似，不再贅述。

  IEEE1588分為V1和V2兩個版本，V2在V1的基礎(chǔ)上規(guī)范了報文格式，增加了End-to-end transparent clock和Peer-to-peer transparent clock等設(shè)備類型，增加了可以減少報文數(shù)量Peer Delay的對時機(jī)制。對于電力系統(tǒng)的點對點對時要求，V1就完全可以滿足。

  三、IEEE1588的特點及優(yōu)勢

  IEEE1588實現(xiàn)主從同步與其他網(wǎng)絡(luò)對時方案相比有以下特點

  （1）Sync報文發(fā)送時刻的精確值并不包含于此報文中，而是在其之后的Follow_Up報文中，這樣所帶來的益處是報文傳輸時間和時間測量互不影響。

  （2）主方通過位于底層的時標(biāo)生成器獲得精確信息后，發(fā)送Follow_Up報文，精確的反映了Sync報文的發(fā)送時刻。從方利用時標(biāo)生成器，可以精確測量Sync報文的接收時刻。這種精確時刻的保證是因為時間標(biāo)簽信息是在接近于物理層“加蓋”的。同樣，Delay_Req報文和Delay_Resp報文傳輸時刻也能實現(xiàn)精確的時間標(biāo)記。   （3）相對于主從時鐘偏移量測量，主從通信路徑延時測量并不是周期性的執(zhí)行，而是較長時間間隔才執(zhí)行一次，這樣可以減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和終端設(shè)備的處理任務(wù)。

  正是由于這種軟，硬件結(jié)合的方案，消除了協(xié)議堆棧延時的不定性，使得IEEE1588協(xié)議同步可以達(dá)到亞微妙級的精度。

  針對與數(shù)字化變電站的測量，同步相量的測量需要一個精度達(dá)到1us的UTC時間源，這可以通過為每個站點提供一個GPS接收器作為主參照時間來得到。就目前而言，站點內(nèi)各個設(shè)備采用IRIG-B技術(shù)從GPS接收器獲得相應(yīng)的時間。

  站點內(nèi)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和傳送一般通過局域網(wǎng)LAN進(jìn)行，而正是由于采用了局域網(wǎng)這種方式，為IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了一種機(jī)遇，并且由于目前市場上已經(jīng)具有可以實現(xiàn)IEEE1588功能的邊界時鐘交換機(jī)，因此從技術(shù)上和應(yīng)用環(huán)境上分析，采用IEEE 1588技術(shù)來代替現(xiàn)有的IRIG-B技術(shù)是切實可行的。而且，電廠內(nèi)部各個電器設(shè)備，包括電壓器、電流互感器、電壓互感器以及各種監(jiān)控設(shè)備之間的距離通常在一公里到兩公里的范圍之內(nèi)，這剛好是IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)所適用的局域網(wǎng)范圍。

  相對于傳統(tǒng)的脈沖，IRIG-B等的硬對時方式，IEEE 1588可以自動校正線路的距離，這跟IRIG-B相比，極大地簡化了站點內(nèi)部各個設(shè)備之間時間的分配和同步。而且，由于采用IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)使用網(wǎng)絡(luò)對時，可以減少系統(tǒng)內(nèi)部專用的對時雙絞線，因此可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且費(fèi)用也比采用IRIG-B的方案更加經(jīng)濟(jì)方便。所以，IEEE1588網(wǎng)絡(luò)對時方式以其無以倫比的靈活性必將取代傳統(tǒng)的硬對時方式成為電力系統(tǒng)最主要的通信方式

  四、結(jié)束語

  許多工業(yè)、測試和測量、通信應(yīng)用都要求高精度的時鐘信號以便同步控制信號和捕捉數(shù)據(jù)等。在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)中應(yīng)用的IEEE 1588精密時間協(xié)議（PTP）為傳播主時鐘時序給系統(tǒng)中的許多結(jié)點提供了一種方法。