基于PTP授时的高可靠时间统一系统的应用研究
基于PTP的数字化变电站时钟同步技术的应用研究
第 ３期
电
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报
Ｖｏ ． ５ ＮＯ ３ Ｉ２ ．
２１ ０ ０年 ６月
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控 制工 程 ・
文章 编 号 ： １０—５ ８ ２ １ ）３０ ４—５ ０ ５ ４ （ ００ ０ —２ ６ ６ ０
本文 在介绍 Ｐ Ｐ（ ｒｃ ｅＴｉ ｒ ｔｃ １原 理 Ｔ Ｐ ｅｉ ｍｅＰ ｏｏ ｏ） ｓ
和同步模 型 的基 础 上 ， 据 Ｉ Ｃ １５ 根 Ｅ ６ ８ ０所 定 义 的 同
步精度要 求及通 信 拓扑 结 构 ， 出 了协 议 在变 电站 提 通 信 网络 中的应 用方案 ， Ｐ 为 ＴＰ在数字 化变 电 中的 工 程应用 提供 了参考 。
关键 词 ： ＰＴＰ； 字 化 变 电 站 ； 钟 同 步 数 时
中图分类号 ： ＴＭ ７ ６
文献 标识码 ： Ａ
为 了保证 变 电站地 安全 、 定运行 ， 稳 需要 变 电站
间隔层各 种监控 、 保护 等 ｌ Ｄ设 备 基 于统一 的时 间 Ｅ
基 准 运 行 ， 程 层 电子 式 互 感 器 、 能 开 关 等 设 备 之 过 智
间 保 持 准 确 的 时 间 同 步 ， 满 足 事 件 顺 序 记 录 以
（ ＯＥ 、 障录波 、 Ｓ ）故 实时数据 采集 时间一 致性 。Ｉ Ｃ Ｅ一 ６ ８ ０标准要 求变 电站 内时间 同步功 能 以网络 同步 １５ 的方式实 现 。随着数字 化变 电站 以太 网通信 向过程
层 的延伸 ， 统 网 络 时 钟 同步 协 议 如 ＮＴ Ｓ Ｐ 传 Ｐ、 ＮＴ 因其 同步精 度不 能满 足 要求 ， 限制 了 在变 电站通 信 网络 中的使 用 。 ＩＥ １８ Ｅ Ｅ ５ ８定 义 了一 种用 于 分布 式测 控 系统 的 精 密时 间协议 （ ＴＰ ， Ｐ ） 适用 于通过局域 网 ， 括但 不 包
基于PTP的时间同步系统可用性分析及优化策略
标准与管理作者简介：孙晓明(1979- )，男，高级工程师，硕士，从事电力系统自动化、电力系统继电保护的技术研究及设计工作。
基于PTP的时间同步系统可用性分析及优化策略孙晓明，孙中尉，牛得存(山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013)摘 要：基于网络的IEEE 1588时间同步协议(PTP)，是适应未来智能变电站关键应用要求的精确时间同步方式。
提出了一种利用故障树分析对PTP 可靠性进行量化评估的方法，对IEEE PC37.238推荐的PTP 网络结构可用性进行理论计算，分析影响PTP 对时可靠性的关键因素，对已建系统可靠性进行量化评估，并提出了PTP 网络时延和PTP 对时网络的架构优化策略，提高了IEEE 1588时间同步系统的可用性。
关键词：时间同步；IEEE 1588；可靠性；故障树分析；网络拓扑中图分类号：TM63；TM76 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2017)04-0061-07Abstract: The IEEE precision timing protocol (PTP) is the recommended means of providing precise timing synchronization mode for the key application of future substations. This paper presented a kind of quantitative assessment method of PTP reliability using fault tree analysis, carried out theoretical calculation for the usability of PTP network structure recommended by IEEE PC37.238, analyzed the key factors impacting on PTP precision timing reliability and carried out quantitative assessment for the built system reliability. The PTP network delay and the framework optimizing strategy of PTP precise timing network were raised to improve the availability of IEEE time syn-chronization system.Key words: time synchronization; IEEE ; reliability; fault tree analysis; network topologySUN Xiao-ming, SUN Zhong-wei, NIU De-cun（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Corp., Ltd, Jinan 2 00 , China ）Availability Analysis and Optimization Strategy for Time SynchronizationSystem Based on Precision Timing Protocol0 引言智能电网的发展对未来智能变电站时钟同步系统的精度和可用性提出了更高的要求，且实现全站信息的网络化传输是智能变电站的基本要求之一。
基于PTP的工业控制网络实现网络时间同步
基于PTP的工业控制网络实现网络时间同步随着数字网络的不断发展,基于网络协议(IP)的技术不断涌现，因为它足够的方便、灵活和可扩展性。
局域网（LANs）、广域网（WANs）以及蜂窝网络都是IP网络应用的常见例子。
当我们在工业控制、测试和测量领域、传输声音、视频等信息的数据主干应用方面采用IP网络技术时，时间的同步是我们考虑的关键要点。
例如声音和视频质量对不确定性的延迟和抖动非常的敏感，装配生产线上的机器人彼此之间也需要严格的同步。
图1:数字化显示齿轮帮助同步时间IP网络和以太网最初设计时并没有考虑同步问题，但是这在现在非常的有必要。
如果你的产品需要时间同步需要在设计上采取哪些措施呢？目前已经有几种解决方案，这里我们与大家讨论四种常见的解决方案：网络时间协议（NTP）、精简的网络时间协议（SNTP）、精确的时间协议（PTP）以及借助导航系统时间同步，比如全球定位系统GPS。
幸运的是从架构的角度来看这些不同的实现方案有很多的共同之处。
主时钟源同步网络通常都会有一个主时钟，它的来源一般都是协调世界时（UTC），UTC是基于地球的自转而确立的公立时间。
UTC与国际原子时（TAI）保持着固定的关系，两者之间的固定关系是根据地球自转减慢的速度而周期性的增加到UTC上的闰秒时间而保持的，目前UTC时间比TAI时间快了将近36秒。
另一个度量标准是UT1，它是以平子夜作为0时开始的格林格林威治平太阳时加上人工极移校正后的时间标准，UTC与UT1之间的关系保持在9秒以内。
目前有很多个时间服务器，但是在美国最常用的就是来自国家科学技术研究所（NIST）提供的时间，NIST提供的时间是基于UTC、UTC1和网络时间协议（NTP）服务器的，其他网络的计算机和主时钟源都是根据这个服务器来确定的，然而还有很多的辅助服务器存在，而且时间信息也可以来自于导航卫星。
基于高精度定位的PTP协议解读与应用分析
基于高精度定位的PTP协议解读与应用分析发布时间：2023-02-24T03:20:19.940Z 来源：《中国科技信息》2022年第19期作者：饶毅[导读] 在5G+北斗+AICDE的新基建时代，高精度定位服务以高级别精度（动态厘米级、静态毫米级）饶毅中国移动通信集团湖北有限公司，中国武汉，430023摘要：在5G+北斗+AICDE的新基建时代，高精度定位服务以高级别精度（动态厘米级、静态毫米级）、低时延、快速响应等优势，深受交通领域、车企/tier1/tier2等青睐。
基于IEEE 1588的PTP（Precision Time Protocol，精准授时协议）借助以太网交换链，充分解决了网络延迟与抖动的影响，可以为PTP网络中的所有设备提供纳米级精准度授时服务。
本文主要对高精度定位中的PTP协议进行分析与解读，指出了PTP协议的优势，给出了PTP协议的典型应用场景。
本文的研究，旨在为企业提供决策支撑。
关键词：高精度定位；精准授时协议（PTP）；智能驾驶；PTP端口；PTP报文1 概述在移动互联网高速发展的今天，大部分设备都可以以IP的形式接入到移动互联网。
在移动通信网络中，为了避免设备之间的时间不同步问题，以及为了维持互联网业务的正常运营，网络授时服务至关重要，借助网络授时服务，整个网络中的所有设备，可以在时间维度或频率维度保持一致，其相差的误差可控制在极小的范围里。
整体而言，网络时钟同步，主要包括两个方面：（1）时间同步：设备A与设备B 的时间始终保持一致；（2）频率同步：设备A与设备B的时间差恒定，可通过一定的偏移量进行时间同步计算。
从IEEE 1588v2的发展历程来看，PTP协议主要为应对严苛的工业自动驾驶/智能驾驶需求而产生。
这是因为，为了实现汽车的智能驾驶（或自动驾驶），研究人员对车辆的操控需要精细化到微秒级甚至是纳米级。
PTP协议可以与分组网络进行融合，对异构系统中不同精度要求的时钟信号同步到统一的、性能级别最高的主时钟，这使得PTP协议具有重要生存基础和应用场景。
一种高精度PTP 时钟同步方法及应用
文献引用格式： - 96.HUANG H J，WU Q W，JIANG R，et al.A high precision PTP clock synchronization method and its application[J].Video 中图分类号：摘要：时钟同步至关重要。
因此，SDI over IP技术，取得了满足产品实际应用的高精度时钟同步效果。
关键词Abstract:the field of industrial Ethernet. In the field of IP streaming media transmission, clock synchronization is very important. This paper introduces the principle of PTP clock synchronization, and puts forward a specific implementation method of clock synchronization. This method is applied to the SDI over IP technology of SMPTE STthe practical application of the product.Keywords:一个核心技术。
高精度时间同步协议Time Protocol，PTP）4个时间戳中计算得到主从时钟之间的往返时延和主从时钟之间的时间偏差，行偏差校正。
PTP主时钟从时钟T1sync报文图具体同步过程可以分为（1）主时钟在报文，以开启一次时钟同步，（5），包含。
在更多的应用场景中，T∆的中恢复在本文所提来分析主从时钟的同步及可以考虑使用递推平均滤波法或一阶滞后滤波法对Toffset2.2.1续N每次采样的新样本进入队尾，样本点，算获得滤波结果，周期性干扰和白噪声干扰产生较强的抑制作用。
IEEE1588PTP同步时钟在电力系统应用的可
IEEE1588 PTP 同步时钟在电力系统应用的可IEEE1588(PTP)同步时钟在电力系统应用的可行性方案探讨摘要：本文介绍了电力系统时间同步的基本概况，对目前电力系统所采用的各种时间同步方案作了较为具体的研究，并指出目前电力系统中所采用的时间同步技术的局限性以及存在的问题。
在此基础上，以发电厂作为一个应用实例，结合IEEE1588(PTP)协议本身的特点，提出了一个基于IEEE1588(PTP)时间精确同步协议的应用方案。
在综合各种理论分析和方案对比的基础上，分析并指出在电力系统中采用IEEE1588(PTP)时间同步标准作为时间同步方案是可行也是可取的。
一、电力系统时间同步基本概况电力系统是时间相关系统，无论电压、电流、相角、功角变化，都是基于时间轴的波形。
近年来，超临界、超超临界机组相继并网运行，大区域电网互联，特高压输电技术得到发展。
电网安全稳定运行对电力自动化设备提出了新的要求，特别是对时间同步，要求继电保护装置、自动化装置、安全稳定控制系统、能量管理系统(EMS)和生产信息管理系统等基于统一的时间基准运行，以满足事件顺序记录(SOE)、故障录波、实时数据采集时间一致性要求，确保线路故障测距、相量和功角动态监测、机组和电网参数校验的准确性，以及电网事故分析和稳定控制水平，提高运行效率及其可靠性。
未来数字电力技术的推广应用，对时间同步的要求会更高。
目前，电力系统中的时间同步处于"各自为政"的状态，要求对时的每套系统都配置一套独立的时钟系统，通常选用美国的全球定位系统(GPS)接收器，结果使电力企业、电厂、变电站的楼顶天线林立。
由于处理方式、接口标准不统一，这些时间接收系统相互间不通用、无法互联，更不用说形成互为备用，而且整个系统的可靠性无法保证，过于依赖于GPS。
为了逐步实现全电网的统一时间，有必要在发电厂、变电站、控制中心、调度中心建立集中和统一的电力系统时间同步系统，而且要求该系统能基于不同的授时源建立时间同步并互为热备用。
基于PTP的铁路地面信号设备系统时间同步技术研究
基于PTP的铁路地面信号设备系统时间同步技术研究基于PTP的铁路地面信号设备系统时间同步技术研究摘要：随着铁路信号设备的发展，对时间同步精度的要求越来越高。
本文通过对PTP（Precision Time Protocol）技术的研究，以及其在铁路地面信号设备系统中的应用，对基于PTP的铁路地面信号设备系统时间同步技术进行了探讨和研究。
1. 引言铁路地面信号设备系统是保障铁路运行安全和运行效率的关键系统之一。
而系统中各设备的时间同步对于信号交互、数据传输和运行控制等功能的实现至关重要。
随着铁路信号设备的发展，对时间同步的精确性要求越来越高，传统的时间同步技术已经无法满足实际需求。
因此，研究和应用更先进的时间同步技术显得尤为重要。
2. PTP技术概述PTP（Precision Time Protocol）是一种用于网络中实现精确时间同步的协议。
PTP协议主要利用网络延迟测量和时钟校正来实现时间同步。
该协议在时钟精度、稳定性和可伸缩性等方面具有优势，因此在铁路地面信号设备系统中具有广阔的应用前景。
3. 基于PTP的铁路地面信号设备系统时间同步技术研究3.1 PTP技术在铁路地面信号设备系统中的优势PTP技术可以提供高精度的时间同步，能够满足铁路地面信号设备系统对时间同步精度的要求。
同时，PTP技术具有信号传输速度快、可靠性强、可伸缩性好等优点，能够适应大规模的铁路地面信号设备系统的需求。
3.2 PTP技术在铁路地面信号设备系统中的应用PTP技术在铁路地面信号设备系统中的应用主要包括两个方面：一是基于PTP的信号设备之间的时间同步，二是PTP与其他传感器和设备的接口应用。
通过对信号设备之间的时间同步，可以保证信号交互和数据传输的准确性；而PTP与其他传感器和设备的接口应用，则可以实现更多样化、智能化的功能。
4. 基于PTP的铁路地面信号设备系统时间同步技术实验研究本实验通过在铁路地面信号设备系统中应用PTP技术，对时间同步的精确性进行了验证。
一种基于PTP协议的局域网高精度时钟同步方法
一种基于PTP协议的局域网高精度时钟同步方法
宋波;孙超;姜守达
【期刊名称】《自动化技术与应用》
【年(卷),期】2010(029)001
【摘要】PTP协议是IEEE 1588 中定义的一种精密时钟同步协议,广泛应用于分布式系统中.但当采用纯软件实现时,同步精度受到网卡的缓存效应、网络的平稳性和操作系统的进程调度等多种因素的影响,难以达到亚毫秒的精度.本文通过分析各种影响因素的特点,结合PTP协议时钟同步机制,提出了一种高精度时钟同步方法,通过采用握手机制以及对测量数据进行处理,有效减弱了各种因素的影响,并结合基于CPU定时器构造的高精度时钟,实现了亚毫秒精度的时钟同步.
【总页数】5页(P67-70,74)
【作者】宋波;孙超;姜守达
【作者单位】哈尔滨工业大学,自动化测试与控制研究所,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,自动化测试与控制研究所,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,自动化测试与控制研究所,黑龙江,哈尔滨,150001
【正文语种】中文
【中图分类】TP393.1
【相关文献】
1.一种双余度时间触发协议(TTP)总线系统故障容限时钟同步方法 [J], 苏罗辉;张兴隆;刘振荣
2.用于船舶综合电力系统同步测量的高精度PTP混合时钟同步方法 [J],
3.一种改进IEEE 1588协议的时钟同步方法 [J], 王家林;杨宣访;刘蕾
4.基于TDOA系统的高精度软时钟同步方法 [J], 严格;侯宏卫;罗易凡;房天昊;王闻今;吴驰
5.一种高精度PTP时钟同步方法及应用 [J], 黄化吉;吴其伟;江锐;袁金保;杨雪松因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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0引言随着计算机和通信技术的飞速发展,时间统一系统在测控、航天、工业控制等领域的应用越来越广泛,例如,时间统一系统为指挥控制系统、航空航天信息处理系统、工业控制网络等提供精确、可靠、统一的时间,同时,各应用领域对所需的时间统一系统的性能要求也越来越高[1-2]。
时间统一系统的主要功能是提供标准的时间和脉冲中断信号,使其所处的信息系统有一个统一的时间标准。
目前在时间统一系统中应用最广泛的时间同步协议是NTP协议,但是该协议的同步精度为毫秒级,无法满足高精度要求的应用场景[3-4]。
并且,在NTP协议的条件下,系统主时钟一般都是固定的,一旦系统中的主时钟出现异常,整个系统的授时就会瘫痪,所以,提升时间统一系统的鲁棒性也是一个亟需解决的问题。
因此,设计并实现一个高精度、高可靠性的时间统一系统,提升时间统一系统的同步精度、鲁棒性,对于测控、航天、工业控制等领域具有重大现实意义。
1系统架构本文基于PTP协议构建了一个高可靠的时间统一基于PTP授时的高可靠时间统一系统的应用研究马昭,葛文双,胡爱兰,张瑞权,张志成(华北计算机系统工程研究所,北京100083)摘要:现如今,各领域对时间统一系统的性能要求越来越高。
以往的时间统一系统大多使用网络时间协议(Net⁃work Time Protocol,NTP)进行授时,但该协议只能提供毫秒级的同步精度,且主时钟一般为固定不变的,无法满足测控等应用领域的高精度、高鲁棒性的要求。
基于此,对基于IEEE1588标准(Precision Time Protocol,PTP)授时的高可靠时间统一系统的应用进行了深入研究。
本系统采用PTP协议进行授时,可使系统时间同步精度达到纳秒级,并以最佳主时钟算法(Best Master Clock,BMC)为理论基础,设计并实现手动设置与自动选择两种模式的双机热备功能,满足了测控等应用领域对时间统一系统的高性能要求。
相比较以往的时间统一系统,本系统大大提升了系统的授时精度与鲁棒性。
关键词:高精度授时;PTP;双机热备;时间统一系统;测控中图分类号:TP393.1文献标识码:A DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190161中文引用格式:马昭,葛文双,胡爱兰,等.基于PTP授时的高可靠时间统一系统的应用研究[J].电子技术应用,2019,45(5): 38-42.英文引用格式:Ma Zhao,Ge Wenshuang,Hu Ailan,et al.Application research of high reliability time unified system based on PTP strategy[J].Application of Electronic Technique,2019,45(5):38-42.Application research of high reliability time unified system based on PTP strategy Ma Zhao,Ge Wenshuang,Hu Ailan,Zhang Ruiquan,Zhang Zhicheng(National Computer System Engineering Research Institute of China,Beijing100083,China)Abstract:Nowadays,the performance requirements of time unified system in various fields are getting higher and higher.In the past,most time unified system used NTP for time synchronization,but the protocol can only provide millisecond-level synchronization accuracy,and the master clock is generally fixed,which cannot meet the requirements of high precision and high robustness in application fields such as measurement and control.Based on this,this paper conducts an in-depth study on the application of high-reliability time unified system based on PTP timing.The system adopts the PTP protocol for tim⁃ing,which can make the system time synchronization precision reach nanosecond level,and based on the BMC algorithm,the system is designed and implemented the double mode of manual setting and automatic selection for the dual-system hot stand⁃by function,which satisfies the high-performance requirements of the time unified system in the application fields such as measurement and pared with the previous time unified system,the system greatly improves the timing accuracy and robustness of time unified system.Key words:high precision timing;PTP;dual-system hot standby;time unified system;measurement and control38《电子技术应用》2019年第45卷第5期欢迎网上投稿《电子技术应用》2019年第45卷第5期系统,系统由时间服务器和时统软件两部分组成。
在本系统中,PTP 时间服务器为整个系统的时间源,时统软件接收时间源的同步信号,校正本地时间。
PTP 时间服务器通过网络交换机连接服务器,服务器配置专用网卡来接收网络传输的PTP 信号;安装于服务器上的时统软件获得网卡的时间信息,进行解码并输出对时信号和脉冲中断信号。
系统架构图如图1所示。
2基于PTP 授时的双机热备的实现为了解决时间同步精度较低、鲁棒性较差等问题,本系统采用PTP 协议进行网络授时,且本系统采用两台时间服务器及BMC 算法来实现系统的双机热备功能。
2.1PTP 同步原理PTP 协议的时间戳记录在MAC 层,消除了在NTP 协议中一直存在的协议栈的延迟和抖动,从而提高授时精度。
PTP 协议主要通过4种类型的报文来测量时钟偏差和网络延时,分别是:Sync 报文、Follow_Up 报文、Delay_Req 报文、Delay_Resp 报文[5-7]。
其具体的时间同步过程如图2所示。
具体原理如下:(1)主时钟在t 1时刻发送Sync 消息:如果为1588one-step 机制,则Sync 消息包含有发送时间;如果为1588two-step 机制,则Sync 消息仅发送发送时间值的估计值,即t 1的估计值,然后在Follow_Up 消息中再发送精确的1值。
(2)从时钟记下收到Sync 消息的时间t 2,然后在t 3时刻发送Delay_Req 消息。
(3)主时钟记下收到Delay_Req 消息的时间t 4,然后发送携带t 4值的Delay_Resp 消息给从时钟。
(4)假设主从时钟之间的链路延迟是对称的,从时钟根据已知的t 1、t 2、t 3、t 4值,计算出Offset 值与Delay 值。
计算过程如下:假设从时钟超前主时钟的值为Offset ,则有:t 2-t 1-Offset=Delay (1)t 4-(t 3-Offset)=Delay(2)可得,Offset 值与Delay 值分别为:Offset=(t 2-t 1)+(t 3-t 4)2(3)Delay=(t 2-t 1)+(t 4-t 3)2(4)则本地时间纠正值为本地时间值减去Offset 值与Delay值之和。
2.2双机热备实现原理在时间统一系统中,主时钟的异常会导致整个系统的授时瘫痪。
在航天、测控、工业控制等领域,这种情况的出现对所需授时的信息系统的影响是致命的,它可能会带来无法挽回的损失。
因此,在这些要求较高的应用领域中实现时间统一系统的双机热备,并进一步达到双机切换的无缝衔接,是十分有必要的。
对此问题的解决,BMC 算法提供了很好的理论依据。
双机热备原理图如图3所示。
2.2.1双机热备工作模式在BMC 算法的理论基础上,为了防止算法运行过程中受到无法预测的干扰而导致系统授时出现故障,本系统共实现了两种双机热备工作模式。
两种双机热备工作模式的实现原理如下:(1)手动设置主时钟根据本系统实际工作环境,网络授时采用发送/接收组播数据包的模式进行相关报文的交互,因此,PTP图1系统架构图图2PTP 时差测量机制图3双机热备原理图39时间服务器运行状态稳定后(锁定后),可将其中一台设置为组播模式,其余的设置为单播模式,且将所有的PTP 时间服务器设置为较高的同一优先级。
通过如上的设置,实现了当前网络中只有一台设备发包,进而实现热备功能。
其中,保持为组播模式的PTP 时间服务器为主时钟,单播模式的为备时钟。
另外,传输模式中单播与组播模式可无缝切换无需重启服务,保障了运行的可靠性。
(2)自动选择主时钟①正常工作情况首先,整个时间统一系统会选择一台PTP时间服务器作为主时钟,该模式的工作原理为:当PTP时间服务器开机并锁定后,均从时统专网上获取时间报文,并从中解析出所需的参数值,再根据BMC算法的相应参数值进行判断,符合相应条件的即为主时钟(Master),其余的为从时钟(Slave)。
然后,主时钟对整个系统进行授时。
②异常工作情况主时钟(Master)发生故障或物理链路波动导致授时精度下降时,系统会根据BMC算法的判定结果选定新的主时钟,即主时钟(Master)自动切换为数据质量较好的从时钟(Slave)。