IEEE1588在数字化变电站中的应用

IEEE1588 PTP协议在数字化变电站中的应用杨亮1，马党梅2(1.南京电研电力自动化股份有限公司,南京市 210061；2. 南京电研电力自动化股份有限公司,南京市210061)摘要：分析目前变电站内智能设备的对时现状，比较NTP协议与精确时钟同步协议（IEEE1588 PTP）的优缺点。

阐述了NTP和PTP协议的基本原理和软件报文交换过程。

基于数字化变电站发展的要求，提出了IEEE 1588 PTP协议的应用方案及其进一步应用领域。

关键词：以太网；实时性；IEEE1588；PTP协议；时间戳0 引言目前，应用于变电站内的对时方式有IRIG-B格式时间码，SNTP（Simple Network Time Protocol）等方式。

IRIG-B码对时在实际变电站应用中需要专门的对时网，传输距离有限，而且传输距离越长则精度越差，能够精确到毫秒级。

报文同步对时将是未来变电站的发展趋势。

SNTP对时可以利用变电站内通信网络给各通信单元对时，无需再另建对时网，但是对时的精度在局域网中也只能达到毫秒级。

对于要求对时精度更高的数字化变电站来说，IEEE 1588标准精确时间协议顺应了报文同步的趋势。

IEEE 1588的基本功能是使分布式网络内的最精确时钟与其他时钟保持同步，它定义了一种精确时间协议PTP（Precision Time Protocol），用于对标准以太网或其他采用多播技术的分布式总线系统中的传感器、执行器以及其他终端设备中的时钟进行亚微秒级同步。

该协议为小型同构或异构局域网设计，设计者特别注意降低资源使用，使其可以在低成本终端设备上应用。

该协议对内存及CPU性能没有特殊的要求，只需要最小限度的网络带宽。

这使得PTP协议在电力系统的数字化变电站的应用成为可能。

本文首先分析NTP协议和PTP协议的基本原理和软件实现的算法，分析两种协议的优缺点，然后介绍一种IEEE 1588标准精确时间协议的应用方案，详细阐述硬件和软件的实现方法。

1 NTP协议的基本原理从时钟向主时钟发送一个消息包（SNTP(NTP)协议），记录发出消息包时的时间戳T1（以从时钟时间为基准），主时钟收到消息包立即记录时间戳T2（以主时钟时间为基准），主时钟向从时钟返回一个消息包，返回消息包时记录时间戳T3（以主时钟时间为基准），从时钟收到主时钟返回的消息包，此时记录时间戳T4（以从主时钟时间为基准）。

T1和T4是以从时钟的时间标准记录的时间戳，其差T4-T1表示整个消息传递过程所需要的时间间隔；T2和T3是以主时钟的时间标准记录的时间戳，其差T3-T2表明消息传递过程在主时钟内逗留的时间，那么(T4-T1)-(T3-T2)应该就是信息包由从到主，再从主时钟传回从时钟的时间（中间去除了在主时钟内的逗留时间），如果假定信息包由主时钟到从时钟和从时钟到主时钟所用的时间一样，那么，从到主或者主到从信息包的传送时间（RoundTripDelay）为：RoundTripDelay = ((T4 - T1) - (T3 - T2))/2假定客户端机相对于服务器机的时间误差是△t，则有下列等式：T2 = T1 + △t + RoundTripDelayT4 = T3 - △t + RoundTripDelay从以上三个等式可以解出客户端机的时间误差△t为：△t = ((T2 - T1) + (T3 - T4)) / 2Ts：客户端当前时间。

客户端系统时间修改为：Ts +△t。

如此多次连续校正时间可以达到相对精确的时间。

报文交换过程如图1所示。

图1 NTP时钟同步报文交换示意图Fig.1 Figure of NTP Clock synchronization message exchange 从上述过程中，可以看出NTP可以达到比较好的对时效果，但是存在如下缺陷：a.上述时间戳（T1～T4）是纯粹软件的时间，实际上，软件读取系统时间后，需要组织报文，通过网卡传输出去，所记录的时间不是真正意义上的时间，增加了对时的误差。

b.想要得到相对精确的时钟，需要多次连续校正时间，在比较多的客户端系统中，对时报文交换需要消耗比较多的网络资源。

c. 实际上网络报文从主时钟到从时钟所用的时间和从时钟到主时钟的时间不可能完全相等。

2 IEEE 1588 PTP协议的基本原理IEEE 1588 PTP协议借鉴了NTP技术，但其在硬件上要求每个网络节点必须有一个包含实时时钟的网络接口卡（本文中的应用方案采用DP83640T来满足时间戳的要求），可以实现基于PTP协议栈的相关服务。

它的主要原理是通过一个同步信号周期性的对网络中所有站点的时钟进行校正同步，可以使基于以太网的分布式变电站自动化系统达到精确同步，精度可以达到微秒级。

IEEE 1588将整个网络内的时钟分为两种，普通时钟OC（Ordinary Clock）和边界时钟BC（Boundary Clock），只有一个PTP通信端口的时钟是普通时钟，有一个以上PTP通信端口的时钟是边界时钟，每个PTP端口提供独立的PTP通信。

其中，边界时钟通常用在确定性较差的网络设备如交换机和路由器上。

从通信关系上又可把时钟分为主时钟和从时钟，理论上任何时钟都能实现主时钟和从时钟的功能，但一个PTP通信子网内只能有一个主时钟。

整个系统中的最优时钟为最高级时钟GMC（Grandmaster Clock），有着最好的稳定性、精确性、确定性等。

根据各节点上时钟的精度和级别以及UTC（通用协调时间）的可追溯性等特性，由最佳主时钟算法（Best Master Clock）来自动选择各子网内的主时钟；在只有一个子网的系统中，主时钟就是GMC。

每个系统只有一个GMC，且每个子网内只有一个主时钟，从时钟与主时钟保持同步。

纯软件的方案可以达到毫秒的精度，软硬件结合的方案可以达到微秒的精度。

PTP通信中的报文主要包括同步报文Sync，跟随报文Follow_Up，延迟请求报文Delay_Req，延迟应答报文Delay_Resp和管理报文，各报文的详细定义请参看IEEE 1588标准。

PTP协议基于同步数据包被传播和接收时的最精确的匹配时间，每个从时钟通过与主时钟交换同步报文而与主时钟达到同步。

这个同步过程分为两个阶段：偏移测量阶段和延迟测量阶段。

第一阶段修正主时钟与从时钟之间的时间偏差，称为偏移测量。

为了方便表述，假设线上延迟时间为△t，初始主时钟时间为Tm，从时钟时间为Ts，偏移测量方法如图2所示。

图2 偏移测量报文交换示意图Fig.2 Figure of Offset measurement of packet switching偏移测量的过程：在修正偏移量的过程中，主时钟按照定义的间隔时间（缺省是2秒）周期性地向相应的从时钟发出唯一的同步报文(Sync)。

这个同步报文包括该报文离开主时钟的时间估计值。

主时钟测量传递的准确时间Tm1，从时钟测量接收的准确时间Ts1。

之后主时钟发出第二条报文——跟随报文（Follow_Up），此报文与同步报文相关联，且包含同步报文放到PTP通信路径上的更为精确的估计值。

这样，对传递和接收的测量与标准时间戳的传播可以分离开来。

时钟根据同步报文和跟随报文中的信息来计算偏移量，然后按照这个偏移量来修正从时钟的时间，如果在传输路径中没有延迟，那么两个时钟就会同步。

计算方法如下：Offset:偏移量；△t:线上延时（初值为0）；Offset=Ts1-Tm1-△t (初值为0)调整时间: Ts=Ts1-Offset=Tm1+△t此时把系统时间修改为Ts，与主时钟相差线上延时的时间△t。

只要能准确计算出上延时的时间△t，即可得到精确时钟了。

为此PTP协议中专门通过延时请求报文Delay_Req和延时应答报文Delay_Resp来计算线上延时的时间Delay。

为了提高修正精度，可以把主时钟到从时钟的报文传输延迟等待时间考虑进来，即延迟测量，这是同步过程的第二个阶段。

延迟测量的过程：从时钟向主时钟发出一个延迟请求(Delay_Req)数据包，在这个过程中决定该报文传递准确时间Ts3。

主时钟对接收数据包打上一个时间戳，然后在延迟响应(Delay_Resp)数据包中把接收时间戳Tm3送回到从时钟。

根据传递时间戳Ts3和主时钟提供的接收时间戳Tm3，从时钟计算与主时钟之间的延迟时间。

与偏移测量不同，延迟测量是不规则进行的，其测量间隔时间（缺省值是4到60秒之间的随机值）比偏移值测量间隔时间要大。

这样使得网络尤其是设备终端的负荷不会太大。

延迟测量的过程如图3所示。

图3 延迟测量报文交换示意图Fig.3 Figure of Delay Measurement Packet switching计算偏移量的方法如下：假设报文由主到从所用的时间与由从到主所用的时间相同，所以△t =Ts2-Tm2+(Tm3-Ts3)/2当从时钟收到Tm4同步报文时Offset=Ts4-Tm4- △t此时从时钟更新为Ts=Tm4+△t，这一步的时钟就已经和主时钟一致了。

实际上报文由主到从所用的时间与由从到主所用的时间是不可能完全相同的（这一点与NTP对时过程有着相同的缺陷），所以对时过程需要多个来回，方可达到一个比较精确的时钟。

用这种同步过程，可以消减PTP协议栈中的时间波动和主从时钟间的等待时间。

但是关于同步机制和IEEE 1588其它特征的进一步详细描述可参见IEEE 1588标准。

4 时钟同步的软硬件实现方案本方案应用于数字化变电站中的授时装置（Master）和变电站各智能单元（Slave）。

每个网络接口上均有一个网络接口卡DP838640T器件用来给发出去的PTP报文打上精确的时间戳。

DP83640T收发器芯片采用48引脚的LQFP封装。

授时装置（Master）和各智能单元（Slave）通信模块的硬件是一样的，软件处理授时装置（主时钟）用服务器端，各智能单元（从时钟）是客户端。

时间同步应用如图4所示。

DP83640T是美国国家半导体公司研制生产的高精度PHYTER收发器芯片内置高精度IEEE 1588时钟，并设有由硬件执行的时间标记功能，可为接收及发送的信息包印上时间标记。

此外，这款芯片还有12条通用输入/输出引脚，专门负责处理同步发生的实时事件或不同的触发信号。

DP83640T芯片可以连接任何微控制器、FPGA或内置以太网媒体接入控制器(MAC)的专用集成电路(ASIC)。

DP83640T芯片与现有的软件方案或专用的硬件装置不同，其特别之处是将IEEE1588 高精度时间协议(PTP)功能设于芯片的物理层之内，因此可以在最靠近网线的位置记录时间标记，而且分辨度达8ns，不但可为系统提供最准确的高精度控制功能，也确保采集回来的数据出现最少的抖动。