章立宗, 張道農(nóng), 劉永新, 杜奇?zhèn)? 汪彥, 胡永春

(1.國網(wǎng)浙江省電力公司紹興供電公司,浙江紹興312000；2.華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司,北京100120；3.國網(wǎng)浙江省電力公司, 浙江杭州310007；4.南京拓為電力科技發(fā)展有限公司，江蘇南京210000；5.南京榮桓電力自動化有限公司，江蘇南京210000)

IEEE1588精確時(shí)鐘同步協(xié)議實(shí)施方案的比較

章立宗1, 張道農(nóng)2, 劉永新1, 杜奇?zhèn)?, 汪彥4, 胡永春5

(1.國網(wǎng)浙江省電力公司紹興供電公司,浙江紹興312000；2.華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司,北京100120；3.國網(wǎng)浙江省電力公司, 浙江杭州310007；4.南京拓為電力科技發(fā)展有限公司，江蘇南京210000；5.南京榮桓電力自動化有限公司，江蘇南京210000)

摘要：由于IEEE1588具有的高精度和優(yōu)點(diǎn)，其必將在電力系統(tǒng)內(nèi)廣泛使用。為提升IEEE1588精確時(shí)鐘同步協(xié)議的應(yīng)用水平，總結(jié)了IEEE1588精確時(shí)鐘同步協(xié)議的組網(wǎng)特性和在智能變電站中實(shí)際使用的幾種實(shí)施方案，并比較了各種實(shí)施方案的差別以及對同步精度的影響，指出各種實(shí)施方案中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和注意事項(xiàng)，為IEEE1588精確時(shí)鐘同步協(xié)議在智能變電站中進(jìn)行大面積使用提供一些參考性意見。

關(guān)鍵詞：IEEE1588；實(shí)施方案；同步精度

中圖分類號：TP23

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.03.012

收稿日期：2014-11-30。

作者簡介：章立宗(1976-)，男，高級工程師，從事電力調(diào)度自動化和變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的研究，E-mail:zlz951@163.com。

Abstract：Because of the high accuracy and the advantage of the IEEE1588, it will be widely used in the power system. To enhance the IEEE1588 precision clock synchronization protocol application level,this paper summarizes characteristics of IEEE1588 precision clock synchronization protocol in the network and several plans of IEEE1588 precision clock synchronization protocol for practical use in the intelligent, compares the various plans of the difference and influence on synchronization accuracy, and points out the key nodes of plans and the matters needing attention. The results indicate that IEEE1588 precision clock synchronization protocol for the use of large area provides some reference value in the intelligent substation.

Keywords：IEEE1588; plans; accuracy

0引言

IEEE1588精確時(shí)鐘同步協(xié)議的同步精度高，具備諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，完全能夠滿足IEC61850標(biāo)準(zhǔn)[2]中定義的不同級別的時(shí)間同步精度的要求[3，4]，因此其推廣應(yīng)用勢在必行[5，6]。

IEEE1588時(shí)鐘同步系統(tǒng)是由多個(gè)不同類型的時(shí)鐘共同組成的復(fù)雜系統(tǒng)，IEEE1588時(shí)鐘按設(shè)備類型可分為三種：(1)普通(ordinary)時(shí)鐘：其按角色可分為主(master)時(shí)鐘和從(slave)時(shí)鐘，只包含一個(gè)PTP端口(port)；(2)邊界(boundary)時(shí)鐘：其包含多個(gè)PTP端口；(3)透明(transparent)時(shí)鐘：其按報(bào)文處理方式的不同分為點(diǎn)到點(diǎn)(peer-to-peer)透明時(shí)鐘和端到端(end-to-end)透明時(shí)鐘[7]。根據(jù)提供時(shí)間信息的方式不同，時(shí)鐘又分為一步法時(shí)鐘和兩步法時(shí)鐘。一步法(one-step)時(shí)鐘通過一幀報(bào)文傳輸必要的時(shí)間信息，無跟隨報(bào)文出現(xiàn)；兩步法(two-step)時(shí)鐘通過跟隨報(bào)文傳輸必要的時(shí)間信息。其不同的組網(wǎng)方式，是否具有不同的關(guān)鍵影響因數(shù)；不同的變電站通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，是否具有優(yōu)化的IEEE1588組網(wǎng)方式；這兩個(gè)問題一直沒有得到很好解決。

本文在討論了各種類型時(shí)鐘的工作方式的基礎(chǔ)上，對在不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式下使用何種組網(wǎng)方案進(jìn)行了討論，并提出了一些影響同步精度的因素，以及如何通過改變組網(wǎng)模式來規(guī)避這些風(fēng)險(xiǎn)，以提升對時(shí)同步系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1IEEE1588對時(shí)同步系統(tǒng)的組成

1.1　基本組網(wǎng)方式

一個(gè)簡單的、包含了各種時(shí)鐘的主-從同步層次關(guān)系如圖1所示。圖中的虛線框表示3個(gè)不同的域，每個(gè)域內(nèi)獨(dú)立執(zhí)行同步過程。所有普通時(shí)鐘的PTP端口通過Announce報(bào)文和最佳主時(shí)鐘算法(Best Master Clock Algorithm，BMC)來建立主-從同步層次，處于從狀態(tài)的PTP端口與處于主狀態(tài)的PTP端口進(jìn)行同步(Synchronization)。

對時(shí)同步系統(tǒng)時(shí)鐘和組網(wǎng)模式中域2和域3中的透明時(shí)鐘可以不配置，即普通時(shí)鐘的PTP端口(從)(也即從鐘)可以直接與邊界時(shí)鐘的PTP端口(主)相連。

圖1　IEEE1588主-從層次關(guān)系示意圖

域內(nèi)存在透明時(shí)鐘時(shí)，其工作方式必須相同，可配置為點(diǎn)到點(diǎn)透明時(shí)鐘或端到端透明時(shí)鐘方式，但兩種方式不能同時(shí)存在。

1.2　站內(nèi)設(shè)備與時(shí)鐘同步系統(tǒng)的角色對應(yīng)方式

在智能變電站內(nèi)，為了獲取統(tǒng)一的時(shí)間和同步性能，需要配置能提供精確時(shí)間和同步性能的對時(shí)同步裝置，為了保證可靠性，一般都采取冗余配置。這些裝置的PTP端口處于“主”或“從”狀態(tài)，其定期發(fā)送Announce報(bào)文，使用最佳主時(shí)鐘算法來決定哪一個(gè)處于“主”狀態(tài)，哪個(gè)處于“從”狀態(tài)。PTP端口處于“主”狀態(tài)的即為對時(shí)同步系統(tǒng)的主鐘，PTP端口處于“從”狀態(tài)的成為對時(shí)同步系統(tǒng)的從鐘，但其與下文所述的從鐘不同，因其依然發(fā)送Announce報(bào)文，隨時(shí)可能變?yōu)橹麋姟?/p>

所有IED設(shè)備需要被對時(shí)同步，因此這些IED設(shè)備在對時(shí)同步系統(tǒng)中處于PTP端口“從”狀態(tài)，即為從鐘。這些從鐘不需要發(fā)送Announce報(bào)文，即永遠(yuǎn)不可能成為主鐘。

該患者雖然已確診為卵巢黏液性囊腺瘤，但如此巨大的黏液性卵巢囊腺瘤少見且容易誤診，并存在一定程度的惡變率，一旦發(fā)現(xiàn)必須盡早手術(shù)，術(shù)后仍需隨訪觀察。對于盆腔巨大包塊的女性患者，我們必須高度警惕，仔細(xì)地全面檢查，以免誤診[4]。同時(shí)需做好科普宣傳工作，宣講定期進(jìn)行婦科檢查的重要性。另外通過此病例，我們認(rèn)為在施行復(fù)雜的盆腔手術(shù)時(shí)，在輸尿管置入雙 J 管是防止輸尿管損傷的有效方法。

在智能變電站中的網(wǎng)絡(luò)交換單元，即交換機(jī)(也可能是其他起交換功能的設(shè)備，如PTN等等)，其承擔(dān)著報(bào)文交換的功能，也包括對時(shí)同步報(bào)文(如Sync、Announce、Follow_Up等)，其在對時(shí)同步系統(tǒng)中的角色為透明時(shí)鐘。當(dāng)然交換機(jī)也可以作為邊界時(shí)鐘存在于對時(shí)同步系統(tǒng)中，但這增加了交換機(jī)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度和工作強(qiáng)度，而且目前變電站內(nèi)并無這樣的運(yùn)行案例。

2透明時(shí)鐘的工作方式

透明時(shí)鐘在對時(shí)同步系統(tǒng)中有著非常重要的作用，其承載著同步報(bào)文傳送和橋接鏈路延遲測量的功能，而且必須要完全無損的傳送這些報(bào)文。透明時(shí)鐘有兩個(gè)重要的特征，一是滯留時(shí)間，二是鏈路延遲測量機(jī)制。

2.1　滯留時(shí)間

滯留時(shí)間指的是報(bào)文通過透明時(shí)鐘的時(shí)間，即報(bào)文進(jìn)入透明時(shí)鐘產(chǎn)生的時(shí)間戳和離開透明時(shí)鐘時(shí)產(chǎn)生的時(shí)間戳之間的差。上述的“無損”即滯留時(shí)間必須準(zhǔn)確，這就要求透明時(shí)鐘也必須與主鐘進(jìn)行同步。

用來計(jì)算滯留時(shí)間的時(shí)間戳是基于本地時(shí)鐘產(chǎn)生的時(shí)間戳，時(shí)間戳的位置如圖2所示。為通信介質(zhì)和IEEE1588協(xié)議棧的底部之間，即時(shí)間戳參考平面(reference plane for and )，也就是在幀開始(SOF)定界符之后的第一個(gè)字符的開始處[8]。在其他任何地方加入時(shí)間戳都會帶來誤差，這一點(diǎn)必須注意。

圖2　時(shí)間戳產(chǎn)生示意圖

2.2　端到端透明時(shí)鐘

端到端透明時(shí)鐘像一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)橋、路由器或交換機(jī)一樣向前傳送所有的消息[9]，并對PTP事件消息(Sync和Delay_Req)產(chǎn)生滯留時(shí)間。端到端透明時(shí)鐘只能使用延遲請求響應(yīng)機(jī)制，如圖3所示。延遲請求響應(yīng)機(jī)制利用最近一次Sync報(bào)文的發(fā)出時(shí)間T1(由主時(shí)鐘提供)和接收時(shí)間T2(由從時(shí)鐘提供)，以及Delay_Req報(bào)文的發(fā)送時(shí)間T3(由從時(shí)鐘提供并經(jīng)過調(diào)諧修正)和接收時(shí)間T4(由主時(shí)鐘提供)，并使用[(T2-T3)+(T4-T1)]/2來計(jì)算得到延遲時(shí)間。

圖3　延時(shí)請求響應(yīng)機(jī)制示意圖

圖3中的R1和R2分別為Sync和Delay_Req報(bào)文在透明時(shí)鐘內(nèi)的滯留時(shí)間，T1和T4需使用R1和R2進(jìn)行修正。在這種機(jī)制下，透明時(shí)鐘只是透明轉(zhuǎn)發(fā)延遲測量報(bào)文，并不參與延遲測量。

2.3　點(diǎn)到點(diǎn)透明時(shí)鐘

點(diǎn)到點(diǎn)透明時(shí)鐘與端到端透明時(shí)鐘的不同之處在于其修正和處理實(shí)時(shí)消息的方式，所有其他方面都與端到端透明時(shí)鐘相同。

點(diǎn)到點(diǎn)透明時(shí)鐘對每個(gè)端口有一個(gè)額外的塊。這個(gè)塊是用來計(jì)算在每個(gè)端口和其共享同一個(gè)鏈路(也就是通過物理連接線連接的另一個(gè)設(shè)備，也稱之為對等連接)的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)上一個(gè)相似配置的端口之間的鏈路延遲。點(diǎn)到點(diǎn)透明時(shí)鐘只能使用對等延時(shí)機(jī)制，如圖4所示。對等延遲機(jī)制利用Pdelay_Req報(bào)文的發(fā)送時(shí)間T1(由從鐘或透明時(shí)鐘左部提供)和接收時(shí)間T2(由主鐘或透明時(shí)鐘右部提供)，以及Pdelay_Resp報(bào)文的發(fā)送時(shí)間T3(由主鐘或透明時(shí)鐘右部提供)和接收時(shí)間T4(由從鐘或透明時(shí)鐘左部提供)，并使用[(T2-T3)+(T4-T1)]/2來計(jì)算得到延遲時(shí)間。

圖4中，透明時(shí)鐘和主鐘之間，以及從鐘與透明時(shí)鐘之間都使用對等延時(shí)機(jī)制進(jìn)行鏈路延遲測量。透明時(shí)鐘在接收到Sync報(bào)文的端口上(Sync報(bào)文進(jìn)入透明時(shí)鐘)與主鐘之間進(jìn)行鏈路延遲測量，在透明時(shí)鐘的其他端口上，各個(gè)從鐘與透明時(shí)鐘之間進(jìn)行鏈路延遲測量。當(dāng)然，透明時(shí)鐘也可主動測量其與從鐘之間的鏈路延時(shí)，這與圖4并不矛盾。

圖4　對等延時(shí)機(jī)制示意圖

2.4　兩種類型的透明時(shí)鐘之間的差別

Sync數(shù)據(jù)包路由通過點(diǎn)到點(diǎn)透明時(shí)鐘系統(tǒng)的改變可能導(dǎo)致Sync數(shù)據(jù)包經(jīng)過不同的連接進(jìn)入點(diǎn)到點(diǎn)透明時(shí)鐘。由于點(diǎn)到點(diǎn)透明時(shí)鐘基于每個(gè)Sync數(shù)據(jù)包通過的實(shí)際連接和內(nèi)部路徑來修正滯留和路徑時(shí)間，出口實(shí)時(shí)信息在測量精度范圍內(nèi)總是正確的。因此，提供給從時(shí)鐘的實(shí)時(shí)信息總是可以反映通過點(diǎn)到點(diǎn)透明時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際路徑。通過對比，在端到端修正這種情況下，從時(shí)鐘等待一個(gè)基于Sync和Delay_Resp消息相結(jié)合的新路徑延遲值，需要更多的時(shí)間，因?yàn)樵谡_的值出現(xiàn)在從時(shí)鐘面前之前，這些消息需要完整的穿過新路徑[7]。

在端到端透明時(shí)鐘系統(tǒng)內(nèi)，鏈路延遲為Sync報(bào)文從主鐘發(fā)出，到從鐘接收到Sync報(bào)文之間的延時(shí)。在Sync報(bào)文的傳輸路徑完全保持不變的情況下，延時(shí)也相對固定；如果Sync報(bào)文的路徑改變，從鐘又無從知曉，會造成同步精度下降。而在點(diǎn)到點(diǎn)透明時(shí)鐘系統(tǒng)中，鏈路延遲被分割為兩個(gè)直接相連的PTP端口之間的鏈路延遲，從鐘只需要關(guān)心其與透明時(shí)鐘之間的鏈路延遲即可，而無需關(guān)心Sync報(bào)文的整個(gè)通信路徑，Sync報(bào)文路徑的改變對從鐘不產(chǎn)生任何影響。

3智能變電站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方式及同步方案

3.1　星形架構(gòu)

在星形架構(gòu)中，以間隔為基本網(wǎng)絡(luò)單元(虛擬局域網(wǎng)，VLAN，可跨交換機(jī))，并將這些基本網(wǎng)絡(luò)單元通過級聯(lián)口(一個(gè)物理交換機(jī)上可能存在幾個(gè)基本網(wǎng)絡(luò)單元，他們共用同一個(gè)級聯(lián)口)接入到上一級交換機(jī)的普通端口上，上一級交換再通過級聯(lián)口連接到更上一級交換機(jī)的普通端口上，依次類推，直到頂層交換機(jī)，其邏輯架構(gòu)如圖5所示。

圖5　星形邏輯拓?fù)鋱D

在星形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，任何報(bào)文的通信路徑都是固定的，并且不可能構(gòu)成閉合回路(從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)B存在兩個(gè)獨(dú)立的通道，此即為閉合回路)。其優(yōu)點(diǎn)是易于擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)簡單；缺點(diǎn)是頂層交換機(jī)的負(fù)擔(dān)較大，其出現(xiàn)故障會造成全網(wǎng)癱瘓。

在星形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，主鐘可位于任意一個(gè)交換機(jī)上，交換機(jī)的角色可以是端到端透明時(shí)鐘，也可以是點(diǎn)到點(diǎn)透明時(shí)鐘。如果全網(wǎng)只有一個(gè)主鐘(不存在主備切換)，則Sync報(bào)文的路徑永遠(yuǎn)不會改變。因此無論使用何種透明時(shí)鐘，因?yàn)殒溌费舆t不會改變，所以對同步對時(shí)系統(tǒng)而言都沒有差別。如果全網(wǎng)主鐘存在主備切換的可能，由于主備兩個(gè)主鐘不可能連接在同一個(gè)交換機(jī)的同一個(gè)端口上，也就是說Sync報(bào)文的路徑在主備機(jī)切換時(shí)，會發(fā)生改變，由上述2.3節(jié)的分析可知，此時(shí)交換機(jī)作為點(diǎn)到點(diǎn)透明時(shí)鐘會有效防范Sync報(bào)文路徑改變引起鏈路延時(shí)變化對同步精度產(chǎn)生的影響。

3.2　環(huán)形架構(gòu)

在環(huán)形架構(gòu)中，以間隔為基本網(wǎng)絡(luò)單元，并將這些基本網(wǎng)絡(luò)單元通過級聯(lián)口互聯(lián)，形成一個(gè)環(huán)狀，所有交換機(jī)處于同一級別。由于環(huán)形在物理上存在閉合，因此在環(huán)形拓?fù)渲?，所有的交換機(jī)必須參與生成樹協(xié)議規(guī)則，用以產(chǎn)生邏輯斷點(diǎn)，使閉合回路斷開，其邏輯架構(gòu)如圖6所示。

在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，任何報(bào)文的通信路徑都是可變的(當(dāng)邏輯斷點(diǎn)改變時(shí)，雖然不是很頻繁)，而且存在閉合回路的可能性(邏輯斷點(diǎn)失效，到下一個(gè)邏輯斷點(diǎn)產(chǎn)生之間，目前絕大部分交換機(jī)都支持快速生成樹協(xié)議，以減小邏輯斷點(diǎn)產(chǎn)生的時(shí)間，使得閉合回路不會產(chǎn)生風(fēng)暴，但在理論上的確存在短暫的閉合回路)。其優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)健壯性增強(qiáng)，單臺交換機(jī)故障影響范圍較??；缺點(diǎn)是邏輯斷點(diǎn)一旦失效，可能產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

圖6　環(huán)形邏輯拓?fù)鋱D

在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，主鐘可位于任意一個(gè)交換機(jī)上，無論是否存在主備機(jī)切換，當(dāng)邏輯斷點(diǎn)的位置發(fā)生改變時(shí)，Sync報(bào)文的路徑都可能會改變，由上述分析可知，此時(shí)只能使用點(diǎn)到點(diǎn)透明時(shí)鐘。

3.3　星環(huán)形架構(gòu)

星環(huán)形架構(gòu)結(jié)合了星形架構(gòu)和環(huán)形架構(gòu)的特點(diǎn)，將星形架構(gòu)中較高級別的交換機(jī)使用環(huán)形方式級聯(lián)，降低了單純星形架構(gòu)中頂層交換機(jī)的負(fù)擔(dān)，但增加了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的風(fēng)險(xiǎn)。

由于在此種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，無論主鐘存在何處，以及是否具有主備切換，其Sync報(bào)文的路徑都可能會改變，由上述分析可知，此時(shí)只能使用點(diǎn)到點(diǎn)透明時(shí)鐘。

3.4　網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)匯總

表1是在單主鐘條件下，以“Sync路徑是否改變”為基礎(chǔ)來對比三種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的表現(xiàn)形式。

表1　三種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對Sync路徑的影響

當(dāng)各個(gè)時(shí)鐘自身良好工作時(shí)，對同步對時(shí)系統(tǒng)精度影響最大的因素就是通信路徑不對稱[12，13]，而Sync路徑的改變對通信路徑不對稱影響最大。由上可知，端到端透明時(shí)鐘只在星形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及單主鐘的條件下，才能滿足工程要求。而點(diǎn)到點(diǎn)透明時(shí)鐘則滿足任意網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，單主鐘或主備鐘同時(shí)存在等情況，因此強(qiáng)烈建議在任何網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下都是點(diǎn)到點(diǎn)透明時(shí)鐘。

4結(jié)論

為了適應(yīng)智能變電站對網(wǎng)絡(luò)通信的特殊需求，開始出現(xiàn)一些新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)拓?fù)淠Ｊ?，例如基于EPON的PTN模式、基于PRP協(xié)議的HSR環(huán)等，但依然處于試點(diǎn)狀態(tài)，并未大面積推廣，IEEE1588在這些網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)內(nèi)的運(yùn)行模式也無相關(guān)定論，因此本文并未討論這些網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

本文并未涉及在上述的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)內(nèi)存在邊界時(shí)鐘的情況，一是因?yàn)橹悄茏冸娬镜木W(wǎng)絡(luò)規(guī)模相對較小，不需要使用邊界時(shí)鐘來擴(kuò)充；二是如果把交換機(jī)當(dāng)做邊界時(shí)鐘來使用，會增加交換機(jī)的設(shè)計(jì)成本和復(fù)雜度，降低了預(yù)期穩(wěn)定性。

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Comparison of Several Implementation Plans of IEEE1588

Precision Clock Synchronization Protocol

Zhang Lizong1, Zhang Daonong2, Liu Yongxin1,Du Qiwei3，

Wang Yan4，Hu Yongchun5

(1.State Grid Shaoxing Power Supply Company,Shaoxing 312000,China; 2. North China Power

Engineering Co.LTD, Beijing 100120, China; 3.State Grid Zhejiang Electric Power Company,

Hangzhou 310007,China; 4.Nanjing TuoWei Power Technology Development Co.Ltd.，

Nanjing 210000，China； 5.Nanjing RongHuan Power Automation Co.Ltd.，Nanjing 210000，China)