周國(guó)平，鄒 磊

(南京林業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，江蘇 南京 210037)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)變電站的時(shí)間同步主要以GPS 時(shí)間信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源，其對(duì)時(shí)方式共四種:脈沖方式同步、編碼方式同步、串口方式同步以及網(wǎng)絡(luò)方式同步。

以上4 種方式都有不足之處。第1 種雖然精度很高，但沒(méi)有具體的時(shí)間信息且精度受傳輸距離的影響，每米的傳輸延遲時(shí)間在3.33 納秒左右。第2 種雖然與第一種方式一樣精度很高，但所含時(shí)間信息較少，傳輸距離也有限，傳輸距離越長(zhǎng)則精度越差。第3 種其精度受傳輸波特率的影響，且傳輸距離也有限。第4 種網(wǎng)絡(luò)時(shí)間報(bào)文同步方式是目前時(shí)間同步方式的發(fā)展趨勢(shì)，不存在前3 種方式的局限，但是由于以太網(wǎng)傳輸過(guò)程中存在延時(shí)的不確定性(例如交換機(jī)交換延時(shí)、設(shè)備響應(yīng)時(shí)間同步報(bào)文延時(shí)等)，導(dǎo)致同步精度低。據(jù)調(diào)研，目前的NTP和SNTP 在局域網(wǎng)中可以達(dá)到1 ms的精度，在廣域網(wǎng)中只能達(dá)到幾十毫秒的精度。本文介紹的IEEE 1588 精確時(shí)間同步協(xié)議能夠達(dá)到次微秒級(jí)的精度，能夠滿足當(dāng)前數(shù)字化變電站對(duì)時(shí)間同步精度的要求［3］。

1 IEEE 1588 同步原理

IEEE 1588(Precision Time Protocol 即PTP)是網(wǎng)絡(luò)報(bào)文時(shí)間同步方式的一種。其主從時(shí)間同步過(guò)程可分為兩個(gè)階段［1］［4］。如圖1所示，第一個(gè)階段是偏差測(cè)量階段。主時(shí)鐘周期性的發(fā)出同步報(bào)文(Sync 報(bào)文)，間隔時(shí)間一般為2 s。從時(shí)鐘接受同步報(bào)文并記下接收到同步報(bào)文的時(shí)間值T2，主時(shí)鐘緊接著發(fā)送跟隨報(bào)文(Follow－Up 報(bào)文)，它將同步報(bào)文發(fā)出時(shí)的準(zhǔn)確時(shí)間T1傳送給從時(shí)鐘。

第二階段是傳輸延遲測(cè)量階段，在第二階段中，為了防止報(bào)文發(fā)送時(shí)產(chǎn)生碰撞，在從時(shí)鐘接收到跟隨報(bào)文后并不是立即發(fā)送延遲請(qǐng)求報(bào)文(Delay－Req 報(bào)文)，而是隨機(jī)的等待一段時(shí)間(默認(rèn)值為4 到60 秒之間)即圖中的ts，與ts對(duì)應(yīng)的主時(shí)鐘的時(shí)間為tm。從時(shí)鐘記錄下發(fā)出延遲請(qǐng)求報(bào)文的時(shí)間值T3，主時(shí)鐘接收到延遲請(qǐng)求報(bào)文后記錄下時(shí)間值T4并通過(guò)延遲請(qǐng)求響應(yīng)報(bào)文(Delay－ Resp 報(bào)文)將T4值傳送回給從時(shí)鐘。這樣從時(shí)鐘就擁有了4個(gè)時(shí)間值:T1、T2、T3、T4。

設(shè)從時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的時(shí)間偏差為Toffset，報(bào)文傳輸延遲時(shí)間為Tdelay，從而根據(jù)上述同步過(guò)程列出下面的方程組:

解得方程組如下:

從而可以根據(jù)上式算出時(shí)間偏差值來(lái)，從時(shí)鐘再根據(jù)此偏差值調(diào)整自己的本地時(shí)鐘以實(shí)現(xiàn)與主時(shí)鐘的同步。

圖1 主從時(shí)鐘之間的同步過(guò)程

2 IEEE 1588 時(shí)鐘同步精度的影響因素及改進(jìn)方法

2.1 主從時(shí)鐘時(shí)間變化率的一致性［5］

在上述的同步原理中，是在主從時(shí)鐘之間的時(shí)間變化率相同的情況才成立的。但在實(shí)際情況下，由于主從時(shí)鐘的晶振和定時(shí)器分頻偏差等原因的影響而導(dǎo)致時(shí)間變化率并不相等，即導(dǎo)致圖1 中ts≠tm那么從而可以得到下面的方程組:

解得方程組如下:

由上述公式可知，主從時(shí)鐘的時(shí)間變化率不同而產(chǎn)生的Δt 勢(shì)必會(huì)影響時(shí)間偏差值的計(jì)算進(jìn)而影響到時(shí)間同步精度。因此，從時(shí)鐘在與主時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)間同步校正時(shí)應(yīng)先檢測(cè)自身的時(shí)間變化率與主時(shí)鐘的時(shí)間變化率是否相等。

從時(shí)鐘的檢測(cè)原理如下:在同步過(guò)程的第一階段偏差測(cè)量階段。主時(shí)鐘以固定時(shí)間間隔給從時(shí)鐘發(fā)送Sync 報(bào)文，假設(shè)以發(fā)送某一幀的Sync 報(bào)文為起點(diǎn)(主時(shí)鐘發(fā)出報(bào)文時(shí)的時(shí)間為M0，從時(shí)鐘接收到報(bào)文時(shí)的時(shí)間為S0)經(jīng)過(guò)1個(gè)時(shí)間間隔后主時(shí)鐘發(fā)送Sync 報(bào)文的時(shí)間值為M1，從時(shí)鐘接收Sync 報(bào)文的時(shí)間值為S1。從而可以得到主從時(shí)鐘之間的時(shí)間變化的差值為Q。

若Q=0，則從時(shí)鐘與主時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)間同步校正。若Q≠0，則從時(shí)鐘應(yīng)先通過(guò)相應(yīng)的補(bǔ)償算法使自身的時(shí)間變化率與之相等后再進(jìn)行同步。

由于從時(shí)鐘是通過(guò)自身的硬件時(shí)鐘來(lái)記錄時(shí)間的，因此調(diào)整自身的時(shí)間變化率主要是通過(guò)改變自身定時(shí)器的計(jì)數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)。若Q ＞0，則說(shuō)明從時(shí)鐘的時(shí)間變化率比主時(shí)鐘的時(shí)間變化率快。假設(shè)以Q=100000 ns為例，表明從時(shí)鐘在2 s的時(shí)間間隔內(nèi)比主時(shí)鐘快100 μs。那么20 ms 則從時(shí)鐘比主時(shí)鐘快1 μs。假設(shè)從時(shí)鐘采用的是50 MHz、32 分頻的計(jì)數(shù)頻率，則計(jì)一個(gè)數(shù)的時(shí)間為640 ns，硬件時(shí)鐘每20 ms中斷一次，并在中斷處理中更新本地的時(shí)間信息。20 ms 需要計(jì)31250個(gè)數(shù)。現(xiàn)在由于從時(shí)鐘在20 ms 內(nèi)比主時(shí)鐘快1 μs，則從時(shí)鐘可以通過(guò)改變計(jì)數(shù)值將31250 改為31252從而實(shí)現(xiàn)從時(shí)鐘的時(shí)間變化率與主時(shí)鐘的相等。若Q ＜0，則說(shuō)明從時(shí)鐘的時(shí)間變化率比主時(shí)鐘的時(shí)間變化率慢，則應(yīng)該減少?gòu)臅r(shí)鐘定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，以實(shí)現(xiàn)主從時(shí)鐘之間時(shí)間變化率的相等。

由此可以得到從時(shí)鐘定時(shí)器的計(jì)數(shù)值N的公式為:

其中，Q為在固定時(shí)間間隔2 s 內(nèi)從時(shí)鐘與主時(shí)鐘時(shí)間變化的差值。Tinterrupt為從時(shí)鐘定時(shí)中斷一次的時(shí)間，Tinterval為時(shí)間同步間隔時(shí)間。f 從時(shí)鐘晶振的頻率，m 分頻值。

當(dāng)然由于從時(shí)鐘是通過(guò)中斷來(lái)更新本地時(shí)間的，因此定時(shí)器中斷處理的時(shí)間也要考慮進(jìn)去，對(duì)于51 單片機(jī)的中斷處理時(shí)間一般為3個(gè)機(jī)器周期。從時(shí)鐘在每一次中斷后更新本地時(shí)間時(shí)要把這個(gè)時(shí)間補(bǔ)償進(jìn)去。

2.2 時(shí)間戳的生成方式

NTP和PTP的相同點(diǎn)都是通過(guò)迭代消除往返路徑延遲的方法以實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的，但是之所以PTP 較之NTP 有更高的時(shí)間同步精度關(guān)鍵在于時(shí)間戳的生成位置不同。

圖2 協(xié)議棧的時(shí)間戳生成位置

如圖2所示，NTP 報(bào)文方式的時(shí)間記錄點(diǎn)在協(xié)議棧的應(yīng)用層，屬于軟件記錄時(shí)間點(diǎn)。而PTP 建議的是利用硬件來(lái)記錄報(bào)文離開(kāi)和進(jìn)入的時(shí)間點(diǎn)，即在最靠近網(wǎng)口的物理層來(lái)記錄時(shí)間點(diǎn)，這樣就大大地減少了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的延遲與抖動(dòng)給時(shí)間同步精度造成的影響。

2.3 通信路徑的對(duì)稱性

通信路徑對(duì)稱是指主時(shí)鐘到從時(shí)鐘的傳輸延遲和從時(shí)鐘到主時(shí)鐘的傳輸延遲是相等的，上述的同步原理都是基于這個(gè)前提下才成立的。但實(shí)際上主從時(shí)鐘之間的通信路徑往往是不對(duì)稱的。這樣就會(huì)在鏈路延遲補(bǔ)償時(shí)產(chǎn)生誤差。

由于在通信路徑不變的情況下，通信路徑不對(duì)稱性相對(duì)固定，工業(yè)上的分布式系統(tǒng)多為相對(duì)本地化、局域網(wǎng)的系統(tǒng)，子網(wǎng)或內(nèi)部組件相對(duì)穩(wěn)定，因此可忽略鏈路延遲在傳輸方向上的差異。

2.4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在進(jìn)行時(shí)鐘同步的過(guò)程當(dāng)中，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接可以提供主時(shí)鐘和從時(shí)鐘之間最佳的同步精度。然而，根據(jù)實(shí)際PTP系統(tǒng)的組網(wǎng)情況，存在一個(gè)主時(shí)鐘對(duì)多個(gè)從時(shí)鐘進(jìn)行同步的系統(tǒng)，這樣就必須在同步網(wǎng)絡(luò)中會(huì)引入具有存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)功能的中間設(shè)備。比如交換機(jī)。

由于交換機(jī)帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)延遲勢(shì)必會(huì)影響時(shí)間同步精度，因此IEEE 1588 協(xié)議在交換機(jī)中引入了邊界時(shí)鐘的概念。邊界時(shí)鐘含有多個(gè)PTP 時(shí)鐘端口，先讓主時(shí)鐘與交換機(jī)中的PTP 時(shí)鐘進(jìn)行同步，此時(shí)交換機(jī)扮演的是從時(shí)鐘的角色。等交換機(jī)與主時(shí)鐘時(shí)間同步完成之后，交換機(jī)再作為主時(shí)鐘與連接到其上面的各個(gè)從時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)間同步。邊界時(shí)鐘的引入改善了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使時(shí)鐘同步之間都保證的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的時(shí)間同步結(jié)構(gòu)，從而極大地提高了時(shí)間同步的精度。

2008 年提出的IEEE 1588 V2 版本［2］，增加了透明時(shí)鐘的概念。透明時(shí)鐘的引入也是為了改善網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)的影響以及大型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的積聚誤差，排除交換網(wǎng)造成的非對(duì)稱延遲，其主要用于距離較長(zhǎng)的主從時(shí)鐘之間。透明時(shí)鐘與邊界時(shí)鐘不同的是，透明時(shí)鐘沒(méi)有主從狀態(tài)，也不需要做逐級(jí)同步。

3 結(jié)束語(yǔ)

高精度的時(shí)間同步系統(tǒng)是現(xiàn)今數(shù)字化變電站建設(shè)的需要。IEEE 1588 高精度時(shí)間。同步協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方式中最具優(yōu)勢(shì)的時(shí)間同步方案，其可以同時(shí)提供時(shí)間同步和頻率同步，且同步精度達(dá)到次微秒級(jí)，但通過(guò)上述分析，在整個(gè)IEEE 1588 同步系統(tǒng)當(dāng)中，無(wú)論哪個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)誤差都將影響到整個(gè)系統(tǒng)的同步精度和穩(wěn)定性，因此，必須對(duì)影響其同步精度的因素進(jìn)行改進(jìn)，才能夠很好地將IEEE 1588 協(xié)議應(yīng)用于未來(lái)數(shù)字化變電站的通信體系當(dāng)中。

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