王建微,陳雷,鐘振新,鄺代華

(珠海優(yōu)特電力科技股份有限公司,珠海519000)

王建微(工程師),主要從事數(shù)字化變電站智能裝置的研發(fā);陳雷(工程師),主要從事繼電保護(hù)研究與開(kāi)發(fā)。

引 言

進(jìn)一步完善的IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)第2版于2008年發(fā)布,且不兼容原來(lái)的版本。其在同步原理以及過(guò)程的優(yōu)化,乃至細(xì)節(jié)過(guò)程上都進(jìn)行了較大幅度的改進(jìn)。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對(duì)智能電子設(shè)備的時(shí)鐘精度功能要求劃分為5個(gè)等級(jí)(T1～T5),其中用于計(jì)量的 T5等級(jí)精度達(dá)到±1 μ s。IEEE1588的ns級(jí)精度為實(shí)現(xiàn)IEC61850的時(shí)鐘精度提供了很好的技術(shù)選擇。

IEC61850推薦的以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)同步時(shí)鐘的協(xié)議有SNTP和IEEEl588協(xié)議。SNTP協(xié)議純粹基于軟件實(shí)現(xiàn),是運(yùn)行于IP協(xié)議之上的應(yīng)用層協(xié)議,受網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和實(shí)現(xiàn)限制,其同步精度只能達(dá)到ms級(jí)別。而IEEEl588精確時(shí)間協(xié)議彌補(bǔ)了這種不足,稍微修改了MAC環(huán)節(jié),屏蔽了在其之上的系統(tǒng)與應(yīng)用軟件延時(shí),大大提高同步精度。

本文提出基于MCF54418的解決方案。MCF54418片內(nèi)集成了IEEE1588模塊,摒棄了采用FPGA輔助與外擴(kuò)昂貴專用的IEEE1588芯片的方法,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,性能優(yōu)越,成本低廉,能夠廣泛融入需要支持IEEEl588協(xié)議的設(shè)備中,為IEEE1588的普及與推廣創(chuàng)造了條件。

1 基本同步原理

IEEE1588 PTPv2協(xié)議的基本原理是主從時(shí)鐘間發(fā)送相關(guān)同步報(bào)文,對(duì)同步事件報(bào)文的發(fā)出時(shí)間和接收時(shí)間信息進(jìn)行記錄(硬件加蓋時(shí)間戳)。在PTPv2版中,新版Pdelay_Req與Delay_Req報(bào)文的區(qū)別在于用Pdelay_Req信息包測(cè)量平均網(wǎng)路延遲時(shí)間時(shí)不需要與Sync信息包(即同步過(guò)程)配合使用,可以脫離Sync報(bào)文進(jìn)行多次測(cè)量來(lái)求平均值,以得到更為精確的平均網(wǎng)路延遲時(shí)間。該方法可取代1.0版本Delay_Req,成為平均網(wǎng)路延遲時(shí)間測(cè)量的主要方法。計(jì)算出主從時(shí)鐘偏差(OFFSET)以及網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延時(shí)(DELAY),從而進(jìn)行時(shí)鐘的校準(zhǔn)同步。因此偏差(OFFSET)與傳輸延時(shí)(DELAY)可分別計(jì)算。PTP原理如圖1所示。

圖1 PTP原理

IEEE1588 PTPv2協(xié)議同步測(cè)量分2步:偏差測(cè)量(OFFSET)和延時(shí)測(cè)量(DELAY)。通過(guò)t1～t6的6個(gè)不同接收/發(fā)送時(shí)間戳,計(jì)算出當(dāng)前偏差與延時(shí)。數(shù)據(jù)流如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)流

其中Pdelay_Req報(bào)文、Pdelay_Resp報(bào)文與Pdelay_Resp_Follow_Up報(bào)文完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路延時(shí)的計(jì)算:mean-然后對(duì)其取平均,算出鏈路平均延時(shí)。

Sync報(bào)文與Follow_Up報(bào)文主要用于主從時(shí)鐘偏差(OFFSET)的計(jì)算:

offsetFromMaster=

t2-t1-correctionField-meanPathDelay(A-B端)

交換機(jī)延時(shí) correctionField:幀收發(fā)延時(shí)(Lsf),交換延時(shí)(Lsw),線路傳輸延時(shí)(Lwl)=meanPathDelay,幀隊(duì)列延時(shí)(Lq)。信息包中的時(shí)間修正域,修正報(bào)文的駐留時(shí)間和不對(duì)稱延時(shí),來(lái)自1588交換機(jī)計(jì)算出的延時(shí)時(shí)間。

總的網(wǎng)絡(luò)延時(shí):

同步修正域 correctionField=∑Lsf+Lsw+Lq+Lwl=t4-t4.1-meanPathDelay(C-D端)。

2 應(yīng)用實(shí)例

冷火MCF54418是飛思卡爾公司2010年專門針對(duì)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用而設(shè)計(jì)的芯片,其低功耗、實(shí)時(shí)控制工業(yè)微處理器(MPU)可以應(yīng)對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)迅速發(fā)展的需求。片內(nèi)帶有集成 L2交換機(jī)和高精度硬件時(shí)間戳(IEEE1588)的雙以太網(wǎng),不需要FPGA與其他外部硬件支持,這種特性為電力變電站內(nèi)高精度時(shí)間同步的應(yīng)用提供了經(jīng)濟(jì)、高效的解決方案。

圖3的IEEE1588對(duì)時(shí)采用軟硬結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn),軟件部分包含Linux驅(qū)動(dòng)的1588部分以及IEEE1588協(xié)議引擎。驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)將MAC硬件中時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的時(shí)標(biāo)保存在報(bào)文類型時(shí)標(biāo)緩存區(qū)中,并對(duì)上實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘調(diào)節(jié)的控制接口。對(duì)時(shí)數(shù)據(jù)應(yīng)用報(bào)文的收發(fā)基于TCP/IP的UDP協(xié)議之上,IEEE1588協(xié)議引擎則用來(lái)發(fā)送和接受PTP消息,維護(hù)數(shù)據(jù)集,執(zhí)行與端口關(guān)聯(lián)的狀態(tài)機(jī),根據(jù)接收到的PTP時(shí)間消息和產(chǎn)生的時(shí)間戳計(jì)算時(shí)間。

圖3 ⅠEEE1588軟硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4中MCF54418的MAC包含一個(gè)時(shí)間戳模塊,包含發(fā)送/接收寄存器。接收時(shí)在報(bào)文的起始幀界定符后的統(tǒng)一位置,對(duì)所有接收數(shù)據(jù)幀打時(shí)標(biāo)。網(wǎng)卡中斷程序解析接收到的UDP事件報(bào)文(319端口報(bào)文),根據(jù)類型(Sync、Pdelay_Req等)將硬件時(shí)標(biāo)保存到接收時(shí)標(biāo)緩沖區(qū)中,應(yīng)用解析模塊收到該類型報(bào)文后,讀取該時(shí)標(biāo)并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

圖4 時(shí)標(biāo)獲取原理

報(bào)文發(fā)送時(shí),網(wǎng)卡中斷程序根據(jù)UDP事件報(bào)文(319端口報(bào)文)類型設(shè)置發(fā)送TX_TS標(biāo)志位,待MAC標(biāo)記時(shí)標(biāo)后置TS_AVAIL標(biāo)志位,該報(bào)文loopback返回,保存在發(fā)送時(shí)標(biāo)緩沖區(qū)中,并在應(yīng)用中獲取時(shí)標(biāo)。如應(yīng)用將Sync事件報(bào)文發(fā)送出去后,底層打完時(shí)標(biāo),該報(bào)文 loopback報(bào)文返回到應(yīng)用,應(yīng)用再獲取Sync報(bào)文的發(fā)送時(shí)標(biāo)后,打包在Follow_Up報(bào)文中發(fā)送出去。

硬件打上的時(shí)標(biāo),再由應(yīng)用軟件對(duì)獲取相關(guān)類型報(bào)文的時(shí)標(biāo)進(jìn)行處理與校正。因此IEEE1588采用硬件和軟件結(jié)合的方式提供高精確度時(shí)鐘同步。

2.1 應(yīng)用軟件模塊描述

圖5的IEEE1588協(xié)議引擎主要包括:最佳主時(shí)鐘算法(BMC)模塊、報(bào)文解析模塊、報(bào)文處理模塊。

圖5 ⅠEEE1588軟件原理

最佳主時(shí)鐘算法(BMC)模塊:計(jì)算出每個(gè)時(shí)鐘端口的狀態(tài),從而確立網(wǎng)絡(luò)中的最佳主時(shí)鐘作為時(shí)鐘同步源,給網(wǎng)絡(luò)中的從時(shí)鐘授時(shí)。

時(shí)鐘補(bǔ)償算法模塊:由于晶振的偏差帶來(lái)的納秒級(jí)的誤差,用于校正晶振漂移帶來(lái)的誤差。

報(bào)文解析模塊:解析不同類型格式IEEE1588報(bào)文。

2.2 硬件部分描述

主要包括普通10/100MAC、時(shí)鐘調(diào)整模塊、事件產(chǎn)生模塊,如圖6所示。

2.2.1時(shí)鐘調(diào)整模塊

分布式系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的時(shí)鐘,通常是用一個(gè)晶振驅(qū)動(dòng)的計(jì)數(shù)器來(lái)計(jì)量的。但如果本地時(shí)鐘的振蕩頻率稍有偏離,就會(huì)造成時(shí)間的偏離,而且時(shí)間的偏離是累計(jì)的,會(huì)越來(lái)越大。雖然通過(guò)同步報(bào)文的計(jì)算可以校正時(shí)間,但本地時(shí)間的頻繁校正會(huì)打亂本地時(shí)鐘的連續(xù)性。

時(shí)鐘調(diào)整模塊是一個(gè)納秒時(shí)鐘微調(diào)模塊,包含一個(gè)32位納秒計(jì)數(shù)器,芯片網(wǎng)卡自身振蕩工作頻率為125 MHz,使得時(shí)間戳?xí)r鐘周期寄存器(ENETn_ATINC)的INC字段固定為8 ns。在正常情況下,一個(gè)振蕩周期納秒計(jì)數(shù)器加8,當(dāng)累加到1 000 000 000后回繞并置事件標(biāo)志位TS_TIMER。該模塊還包括一個(gè)校準(zhǔn)計(jì)數(shù)器(ENETn_ATCOR),表示振蕩多少次就用正確的INC_COR值替換INC的8,通過(guò)公式:N=計(jì)算出每秒應(yīng)調(diào)節(jié)的誤差值N。進(jìn)而調(diào)整累加器的值,對(duì)納秒計(jì)數(shù)器進(jìn)行校正。

IEEE1588應(yīng)用軟件從時(shí)鐘補(bǔ)償算法模塊每次接收到sync報(bào)文計(jì)算出的 offsetFromMaster值,采用控制數(shù)字PID調(diào)節(jié)算法,修改ENETn_ATCOR與INC_COR值,增加與減少納秒計(jì)數(shù)器的值,保證讀出的納秒的精確性。秒的計(jì)算則需通過(guò)對(duì)事件產(chǎn)生模塊的事件標(biāo)志位TS_TIMER的判斷,在中斷程序中自行累加得到。

2.2.2 數(shù)字PⅠD時(shí)鐘線修正算法

以主從偏差offsetFromMaster為輸入量,硬件提供的INC_COR和COR兩寄存器接口進(jìn)行硬件時(shí)鐘快慢調(diào)整。因納秒數(shù)值相對(duì)較大,軟件上則采用粗調(diào)與微調(diào)結(jié)合的方式。程序每次調(diào)整周期為1 s,通過(guò)若干個(gè)周期實(shí)現(xiàn)主從時(shí)鐘的同步。

ms級(jí)通過(guò)調(diào)節(jié)inc_cor快速定位,縮小調(diào)節(jié)偏差;ns級(jí)采用PID算法調(diào)整時(shí)鐘的快慢,以cor作為時(shí)鐘微調(diào)的接口完成對(duì)主時(shí)鐘的追蹤。

PI調(diào)節(jié)器可以消除靜差,但卻降低了響應(yīng)速度。PID調(diào)節(jié)器可加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度,減小超調(diào)時(shí)間,克服振蕩,使系統(tǒng)快速趨于穩(wěn)定,從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

圖6 MCF54418的 ⅠEEE 1588硬件原理

2.2.3 秒脈沖產(chǎn)生模塊

MCF54418擁有4個(gè)DMA定時(shí)器,其累加計(jì)數(shù)器可以自行配置關(guān)聯(lián)任一1588的MAC納秒計(jì)數(shù)器。當(dāng)納秒計(jì)數(shù)器達(dá)到預(yù)設(shè)的邊界時(shí),DMA定時(shí)器通過(guò)硬件T0OUT引腳輸出一秒脈沖,保證秒脈沖的準(zhǔn)確度。

2.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境下性能指標(biāo)測(cè)試

設(shè)備采用兩塊Freescale的MCF54418作為主控芯片,用光纖以太網(wǎng)對(duì)接,并連接主從設(shè)備MCF54418芯片的秒脈沖(PPS)T0OUT輸出引腳到示波器1、2通道,實(shí)際測(cè)試結(jié)果性能指標(biāo)。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過(guò)程ts調(diào)節(jié)時(shí)間平均為1.5 min,測(cè)量得到秒脈沖的上升沿平均誤差在±30 ns,峰-峰值誤差不超過(guò)100 ns,滿足數(shù)字化變電站要求的性能指標(biāo)。

3 結(jié) 論

隨著國(guó)家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)的總體發(fā)展的不斷深入,時(shí)間同步在其中顯得尤為重要,與其他授時(shí)技術(shù)對(duì)比,IEEE1588將更好地解決電力系統(tǒng)授時(shí)同步的難題。該技術(shù)模塊在產(chǎn)品中可以跟GPS對(duì)時(shí)模塊、SNTP對(duì)時(shí)模塊相互選擇切換使用,也作為智能變電站技術(shù)用于本公司智能變電站智能防誤保護(hù)系列產(chǎn)品中。

[1]IEEE.ANSI/IEEE Std 1588-2008 Standard for a Precision Clock Synchronization Protoc01 for Networked Measurement and Control Systems[S].New York:IEEE,2008.

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