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IEEE1588精确时间同步协议的应用方案

IEEE 1588精确时间同步协议的应用方案

于鹏飞1,喻　强1,邓　辉1,鲍兴川1,马媛媛1,郭经红1,2

(1.国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司,江苏省南京市210003;2.南京大学计算机软件新技术国家重点实验室,江苏省南京市210003)

摘要:阐述了IEEE 1588协议比以往时间同步方式如网络时间协议(N TP )的优点,分析了IEEE

1588协议的2个核心算法———最佳主时钟(BMC )算法和本地时钟同步(L CS )算法,提出了解决IEEE 1588协议在实际应用中不能满足其假设前提的解决方法,在实验室环境中利用ARM9200平台实现了IEEE 1588协议并进行了测试,结果表明其明显优于N TP 。该研究工作对于IEEE 1588协议在电力系统中的实际应用具有重要意义。

关键词:IEEE 1588;电力系统;最佳主时钟;本地时钟同步;网络延时不确定中图分类号:TM73;TM761

收稿日期:2009201213;修回日期:2009204209。

国家电网公司科技项目(SGK J [2007]1003);江苏省软件和集成电路业专项经费资助项目(J S0646);南京大学计算机软件新技术国家重点实验室项目“高精度网络时间同步技术及

其应用的研究”(2008年8月—2010年8月)。

0　引言

精确的时间同步系统在电力自动化系统中占有重要地位,某些电力系统业务甚至要求时间同步误差小于1μs (例如线路行波故障测距、雷电定位等),因此,精确时间同步是电力自动化系统非常关心的研究课题。IEEE Std 1588TM —2002《网络测量和控

制系统的精确时钟同步协议》

(简称IEEE 1588协议)已于2002年发布[1]。2004年,IEC 也发布了相应的IEC 61588标准。IEEE 1588协议又称精确时间协议(P TP ),利用以太网或其他支持多播技术的网络使终端设备同步,最高精度可以达到亚微秒级。同时,IEEE 1588协议对资源要求非常低,易于高中低端设备之间的兼容。但是,IEEE 1588协议为了保证高精度,需要硬件支持,这对于兼容性很高的以太网来说,制约了IEEE 1588协议的应用与发展。

本文首先针对IEEE 1588协议的以太网应用对协议进行了分析,介绍了IEEE 1588协议的优点和核心算法,然后针对IEEE 1588协议的不足提出了相应的解决方案,并且搭建测试平台在实验室局域网中进行了测试。

1　IEEE 1588协议的革新

目前电力系统中的时间同步系统主要采用3种方式:①利用全球定位系统(GPS )同步,就是在时钟

同步接收设备加载GPS 模块;②编码同步,例如

IRIG 2B 格式时间码等,就是将时钟源的时间信息经过编码,利用专用的传输媒体将其传送至各个时钟信息的接收端[2];③报文同步,例如网络时间协议(N TP )、简单网络时间协议(SN TP ),就是将时钟源的时间信息以以太网包的形式传送至各个时钟信息的接收端。

以上几种方式都存在缺陷。第1种方式虽然标称精度可以达到1μs ,但受环境天气的影响较大,很难时刻保持很高的精度。第2种方式要占用专门的传输通道,传输距离有限,传输距离越长则精度越差。第3种报文同步方式是目前时间同步系统的发展趋势,不存在前2种方式的局限,但是由于以太网传输过程中存在延时的不确定性(例如交换机交换延时、设备响应时间同步报文延时等),精度不能满足电力系统所有的业务需求,据调研,目前的N TP 和SN TP 在局域网中可以达到1ms 的精度,在广域网中只能达到几十毫秒的精度。

电力自动化系统通常是以太网交换机组网,IEEE 1588协议顺应了报文同步的发展趋势,不但借鉴了N TP 和SN TP 技术[3],通过迭代消除了往返的路径延时,而且利用以太网媒体访问控制(MAC )层打时间戳技术(见图1),消除了设备响应时间同步报文的不确定延时,因此,很大程度地提高了时间同步精度。IEEE 1588协议占用很少的资源,无论是CPU 资源还是网络资源都非常少,非常便于各种时钟接收设备的兼容。IEEE 1588协议还是一个自适应的系统,能够自己管理系统内的时钟节点,很大地减少人工参与[1]。

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9—第33卷　第13期2009年7月10

日Vol.33　No.13J uly 10,2009

图1　MAC 层打时间戳示意图Fig.1　Schem atic of timestamp in MAC layer

2　IEEE 1588协议的核心算法

IEEE 1588协议的核心算法包括最佳主时钟(BMC )算法和本地时钟同步(L CS )算法[1]。BMC 算法主要完成选举主时钟和生成拓扑结构2个任务。主时钟选举是通过比较时钟属性(例如是否指定主、从时钟)、时钟等级(IEEE 1588协议用于标识时钟精度)、时钟类型(IEEE 1588协议标识的时钟源类型,例如时钟源来自铷钟、铯钟等)、时钟特性(例如时钟的偏移、方差等)以及时钟地址和时钟端口号(当其他特征都一样时,IEEE 1588协议会选小的作为主时钟)等,来确定哪一个时钟节点会

成为主时钟,进而产生拓扑结构。IEEE 1588协议会生成树形拓扑结构,将一些竞争失败的节点端口定义为禁用(disabled )状态、被动(passive )状态等,避免生成回路。

L CS 算法主要完成本地时钟节点与主时钟的校准。图2所示为主时钟和从时钟校准流程。从时钟先通过报文传输的往返迭代得出路径延时(delay ),然后计算出主、从时钟的时间偏移(off set ),最后对从时钟进行调节同步

。

图2　LCS 算法示意图Fig.2　Schem atic of LCS algorithm

图2中:

1)从时钟在t C2时刻收到主时钟发送的Sync 广播报文。

2)在t C3时刻,从时钟收到主时钟发送的携带同一回合Sync 报文发送时间t M1的FollowUp 报文,从时钟与主时钟的时间偏移t off set 为:

t offset =t C2-t M1-τ

(1)式中:τ为线路延时。

3)从时钟在t C4时刻向主时钟发送DelayReq 报文。

4)在t C5时刻,从时钟收到主时钟发送的与同一回合的DelayReq 报文相对应的DelayReq 报文,其包含了主时钟收到DelayReq 的时刻t M4,其延时τ为:

τ=t C2-t M1+t M4-t C42

(2)

将延时τ代入式(1)可以得出t offset ,进而可以对从时钟进行调节。

可以看出,L CS 算法的假设前提是报文往返的路径延时相等,或者说网络的往返传输延时是对称的,但在实际的以太网中这是不可能绝对满足的。

3　IEEE 1588协议的不足

通过对IEEE 1588协议的分析可以看出,如果协议要在电力系统厂站的自动化网络中应用,就必须满足以下2个条件:

1)往返传输延时应对称。然而在实际的以太网交换机组网中,不可能绝对满足这个假设前提。因为以太网中存在一些连接设备(例如交换机),它们自身存在缓存,当网络负荷严重时,IEEE 1588协议报文需要与其他类型的报文一样排队传输,而且这些连接设备缓存空间有限,会发生冲突、丢包,这些都会影响IEEE 1588协议假设前提的成立。

2)厂站中应用IEEE 1588协议的设备必须有以太网MAC 层打时间戳的硬件支持,然而这种硬件支持的实现是比较复杂的,这也制约了IEEE 1588协议的应用与发展。IEEE 1588协议发布之初,协议的应用主要在专用的测控网络,例如控制器局域网(CAN ),因为类似于CAN 的串行专用网络提供IEEE 1588协议需要的硬件支持较为容易。而在以太网中提供这种硬件支持则较为复杂,直到2004年国际局域网(L AN )扩展仪器(L XI )联盟推出的新一代能够支持IEEE 1588协议的L XI 总线技术标准[4],而这时的IEEE 1588协议应用仍局限于专用网。随后市场上出现了具有以太网MAC 层打时间戳功能的芯片,例如:飞思卡尔的以M PC8360为代表的系列芯片和Intel 的以IXP45X 为代表的系列芯片等,它们都与CPU 集成在一起;Altera 公司提供具有以太网MAC 层打时间戳功能

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)　

的IP核,但只能用于Altera公司提供的现场可编程门阵列(FP GA)中。这些芯片的出现只能解决设备端的硬件支持问题,但可能使成本大增,而且解决不了交换机等以太网连接设备的硬件支持问题。直到2007年初,美国国家半导体公司推出了市场上首款具备IEEE1588协议需要的硬件支持功能的以太网收发器DP83640[5],交换机等以太网连接设备的硬件支持问题才有可能得到解决。

4　IEEE1588协议的应用方案

从美国国家半导体公司的网站上可看到, DP83640芯片目前已经可以申请样片和批量购买, 1000片规模以上的价格是每片 5.24美元。DP83640芯片能够将时间同步信息加入到所要传输的IEEE1588协议报文中,同时集成了精度很高的时钟发生器,最小调节精度达到8ns,当接收、发送IEEE1588协议报文以及需要高精度的时钟发生器提供某种服务时,DP83640芯片还可产生中断信号,通过通用输入、输出接口(GPIO)传送出去,通知CPU[6]。

只有解决了上述IEEE1588协议在以太网应用中的不足,才有可能将IEEE1588协议在电力系统的生产应用中推广和发展。本课题研究提出了2种解决方案,下面以变电站自动化系统中常见的冗余环网为例,解释这2种方案的实施。

第1种解决方案如图3(a)所示,图中交换机需要硬件支持,且与IEEE1588时间同步系统同步。把这些连接设备当做类似IEEE1588协议中的边界时钟处理,让这些连接设备也与整个系统同步;或者记录IEEE1588协议报文进出这些设备的时间,从时钟校准时将其剔除。主、从时钟通过BMC算法,配置各个设备终端端口(port)的属性,建立IEEE1588时间同步系统的网络拓扑结构,然后主、从时钟通过L CS算法进行校时。该方案对于主、从时钟间链路上有很少的网络连接设备(如交换机)的情况,可以达到较好的精度,但是,如果主、从时钟间链路上网络连接设备(如交换机)很多,会造成累计误差,影响IEEE1588协议的精度效果。改造这些网络连接设备会大幅提高成本,同样是美国国家半导体公司的物理层芯片,除不支持IEEE1588协议外,其余技术指标均类似的DP83848芯片,1000片规模以上的价格是每片3.29美元,比DP83640便宜1.95美元[7]。此外,还需要改造这些网络连接设备的管理软件,以支持IEEE1588协议,这又增加了CPU负荷、软件复杂度以及研发的难度与成本

。

图3　IEEE1588在变电站自动化中的解决方案示意图

Fig.3　Solutions schem atic of applying IEEE1588in

substation autom ation

第2种解决方案如图3(b)所示,图中交换机对于IEEE1588时间同步系统来说是透明的,时间信息既可传递到最低层的采集控制设备,也可传递至合并单元。由合并单元保证最低层的采集控制设备的同步。该方案不改变原有自动化网络中的连接设备主、从时钟间点对点的通信,然后以IEEE1588协议报文的不确定网络延时为变量,运用数字信号处理手段进行处理。同时,像第1种解决方案一样,建立IEEE1588时间同步系统的网络拓扑结构,然后校时。该方案在主、从时钟间链路上有很少的网

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?工程应用?　于鹏飞,等　IEEE1588精确时间同步协议的应用方案

络连接设备(如交换机)时,效果不如第1种解决方案,但是如果主、从时钟间链路上网络连接设备(如交换机)很多,同时,如果结合变电站自动化系统网络特性,例如流量、网络拓扑结构和网络设备终端申请服务特性等,可以大幅度提高时间同步系统的精度。简单地可以把电站自动化系统网络抽象为先来先服务(FCFS )算法调度的交换式以太网的IP 网络延时特征模型,那么可用Kendall 排队系统表示为:M/M/1/+∞/+∞/FCFS [8]。其中,前2个M 表示输入分布和服务时间分布均为负指数分布,1表示每次只能服务1个,2个+∞表示系统缓冲和输入数据的容量均为无限大,FCFS 表示服务调度类型。

根据抽象模型,某报文在交换机中的排队延时t queue 为:

t queue =

∑i-1

n =0

P n

+u )+l P i c

(3)

式中:l P n 和l P i 分别为第n 个和第i 个报文的长度;u

为报文间隔,IEEE 规定为96bit ;c 为网络带宽。

假设报文的平均到达概率为ρ,那么报文到达并得到服务的概率P 0为:

P 0=1-ρ

(4) 某报文到达后发现前面有n 个报文需要等待的概率P n 为:

P n =(1-ρ

)ρn-1(5) 此报文需要等待的平均时间t 为:

t =

∑n

m =0

m t m

∑n

(1-ρ

)ρm-1

∑m-1

n =0

P n

+u )+l P m c

(6)

式中:l P m 为第m 个报文的长度。

然后,设计出符合上述概率特征的滤波器对网络中传输IEEE 1588协议报文的不确定延时进行滤波平滑,使时间同步系统取得更好的效果。当然,实际的网络服务模型可能不会这么简单,但是可以在长时间的变电站生产过程中统计出网络流量的概率函数,进而设计出相应的概率滤波器,但是需要时间较长。下面的实验中,以一个固定时间窗内IEEE 1588协议报文传输延时的算术平均模型来验证这种方法的可行性。

5　实验验证

实验采用ARM9200的验证平台,物理层采用

美国国家半导体公司的DP83640芯片。当有IEEE 1588协议报文经过时,DP83640芯片会记录报文经过时刻的信息,并且产生一个中断通知CPU

。图4是实验的软件平台框图,图5是实验的硬件平台框图。实验利用实验室的网络环境,图6是实验环境示意图,图7

是实验结果。

图4　实验软件平台示意图

Fig.4　Schem atic of softw are

platform of experiment

图5　实验硬件平台示意图

Fig.5

　Schem atic of hardw are platform of experiment

图6　实验环境示意图

Fig.6　Schematic of experiment environment

图

7　实验结果

Fig.7　R esults of experiment

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滤波算法采用算术平均,从实验结果可以看到,

从时钟与主时钟经过15s 左右的启动同步过程之后能够达到10μs 以下的精度。图7(b )是从时钟的角度观察主时钟,对主时钟与从时钟的时间误差进行了Allan 方差统计,从而可以衡量主时钟的优劣。

6　结语

精确的时间同步对电力系统通信支撑网的建设具有十分重要的意义,IEEE 1588协议是报文同步方式中最新的解决方案,它更精确而且更全面。实验证明优于N TP ,可以达到10μs 以下的精度,实际的电力系统通信局域网中的网络情况要远好于实验室的网络情况。有文献指出,在100Mbit/s 交换机组网的局域网中,网络流量小于带宽的35%时,交换机转发包发生冲突的概率是非常小的,因此,IEEE 1588协议在实际的现场应用中效果应该更好。

参考文献

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P H YTER 2IEEE 1588precision time protocol transceiver [EB/OL ].[2009201215].http ://https://www.wendangku.net/doc/3f18127030.html,/pf/DP/

DP83640.ht ml.

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于鹏飞(1982—

),男,通信作者,硕士,工程师,主要研究方向:电力系统自动化基础应用。E 2mail :yupengfei @nari https://www.wendangku.net/doc/3f18127030.html,

喻　强(1981—

),男,硕士,工程师,主要研究方向:电力系统自动化基础应用。

邓　辉(1982—

),男,硕士,工程师,主要研究方向:电力系统自动化基础应用。

The R esearch of Precision Time Protocol IEEE 1588

YU Peng f ei 1,YU Qiang 1,D EN G H ui 1,B A O X ingchuan 1,M A Yuany uan 1,GUO J inghong 1,2

(1.State Grid Electric Power Research Institute ,Nanjing 210003,China ;

2.State Key Laboratory for Novel Software Technology at Nanjing University ,Nanjing 210003,China )

Abstract :The IEEE standard precision time protocol (PTP )IEEE 1588is at present a very comprehensive solution for highly precise time synchronization in an Ethernet network for its many advantages over the traditional power station time synchronization protocol ,such as the network time protocol (N TP ).The core algorithms of the IEEE 1588,the best master clock (BMC )algorithm and the local clock synchronization (L CS )algorithm ,are analyzed.A solution is proposed for the situation in which the protocol is incapable of meeting its assumptions in actual application.The protocol is finally realized and tested based on an ARM9200platform in laboratory surroundings ,with evidently better accuracy than N TP.The research is of great significance for actual power system application.

This work is supported by State Grid Corporation of China (No.SGK J [2007]1003)and Special Fund of Jiangsu Information Industry Department (No.J S0646).

K ey w ords :IEEE 1588;power system ;BMC ;L CS ;fluctuation of Ethernet delay

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301—?工程应用?　于鹏飞,等　IEEE 1588精确时间同步协议的应用方案