李 彬，祁 兵，孫 毅，唐良瑞

（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

目前應(yīng)用較多的無線授時(shí)系統(tǒng)有美國(guó)的GPS、俄羅斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、歐洲Galileo導(dǎo)航系統(tǒng)以及日趨完善的中國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)[1]。隨著智能電網(wǎng)的快速建設(shè)及分組傳送技術(shù)的迅猛發(fā)展，綜合考慮設(shè)備成本、編解碼復(fù)雜度以及配置靈活性等方面的問題，網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)方式逐漸獲得眾多設(shè)備廠商的青睞[2-3]。在電力通信系統(tǒng)中，IEC61850最初考慮的時(shí)間同步方案為簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（SNTP），其時(shí)間同步精度相對(duì)較低[4]。隨著電網(wǎng)運(yùn)行水平的不斷提高，電網(wǎng)的智能化改造過程中，采用自動(dòng)化技術(shù)是未來電網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)。

隨著分布式控制系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步要求逐漸提高，傳統(tǒng)的時(shí)間同步協(xié)議如網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）、SNTP由于同步精度有限，已無法滿足現(xiàn)階段電力自動(dòng)化設(shè)備的同步要求。為解決分布式網(wǎng)絡(luò)校時(shí)問題，IEC將IEEE所制定的1588精確定時(shí)協(xié)議轉(zhuǎn)化為IEC61588標(biāo)準(zhǔn)[5]，同時(shí)該標(biāo)準(zhǔn)已被我國(guó)采標(biāo)為《用于網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量和控制系統(tǒng)的精確時(shí)鐘同步協(xié)議》。在該協(xié)議中明確定義了通過中繼網(wǎng)絡(luò)鏈接的多點(diǎn)分布式實(shí)時(shí)時(shí)鐘同步的方法和步驟，同時(shí)將過程控制協(xié)議從數(shù)據(jù)傳送協(xié)議中分離。原則上任何其他支持組播地址的中繼協(xié)議均可使用，并可通過任意底層網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)執(zhí)行，根據(jù)應(yīng)用的需求定制對(duì)時(shí)的方法，進(jìn)行完全自動(dòng)化的智能對(duì)時(shí)。

1 配用電側(cè)的分布式定時(shí)需求分析

在配用電側(cè)的信息采集系統(tǒng)是一個(gè)覆蓋面很廣的通信網(wǎng)絡(luò)，采集點(diǎn)具有較強(qiáng)的分散性。目前分布式信息采集應(yīng)用較多的通信協(xié)議主要有ZigBee[6]以及中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所推出的無線工業(yè)自動(dòng)化（WIA）技術(shù)[7]。 電能計(jì)量、電費(fèi)核算及收繳的及時(shí)性和準(zhǔn)確性已成為用電企業(yè)的重要課題，系統(tǒng)中任何一個(gè)具有無線通信功能的節(jié)點(diǎn)均可作為轉(zhuǎn)發(fā)其他電表數(shù)據(jù)的中繼，分布式信息采集網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍可以根據(jù)需要靈活調(diào)整。為實(shí)現(xiàn)低功耗全Mesh路由協(xié)議，需要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的同步。配電側(cè)的時(shí)間同步需求主要體現(xiàn)在電網(wǎng)故障分析判斷及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集時(shí)間一致性要求方面，同時(shí)隨著未來分布式能源的接入及數(shù)字電力技術(shù)的推廣應(yīng)用，對(duì)時(shí)間同步的要求會(huì)更高。表1給出了目前電力系統(tǒng)中典型同步應(yīng)用的時(shí)間精度需求。

表1 時(shí)間同步精度需求Tab.1 Accuracy demand of synchronization

電力自動(dòng)化設(shè)備對(duì)時(shí)間同步精度要求的等級(jí)有所不同，對(duì)時(shí)精度的提高需要付出相應(yīng)的代價(jià)，并非精度越高越好。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)沒有必要盲目追求高精度，滿足被授時(shí)設(shè)備本身的同步精度要求即可。以WIA電力信息采集網(wǎng)絡(luò)為例，WIA-PA通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)與其他網(wǎng)絡(luò)的互連。WIA-PA網(wǎng)關(guān)除了與其他WIA-PA設(shè)備進(jìn)行通信、交換設(shè)備間的信息，還負(fù)責(zé)整個(gè)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)管理和安全管理工作[7]。每個(gè)WIA節(jié)點(diǎn)周期性地從休眠模式轉(zhuǎn)為工作模式，并通過射頻模塊廣播自身的標(biāo)識(shí)信息及連通性信息。為實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)，通常希望系統(tǒng)處于工作模式的時(shí)間越短越好，因此必須在系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)一定精度的時(shí)鐘同步，通常毫秒級(jí)的同步已經(jīng)能夠基本滿足WIA網(wǎng)絡(luò)的要求。精確定時(shí)協(xié)議（PTP）可以支持鏈?zhǔn)骄W(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)PTP也并未明確指定其傳輸層面的協(xié)議。目前已經(jīng)定義的傳輸技術(shù)有 UDP ／IPv4、UDP ／IPv6、IEEE802.3、DeviceNet、ControlNet、ProfiNet等，在IEC61588協(xié)議中的協(xié)議編號(hào)0x0007～0xEFFF為后續(xù)其他傳輸協(xié)議預(yù)留了相應(yīng)的標(biāo)識(shí)[5]。本文在PTP的基礎(chǔ)架構(gòu)上，利用該擴(kuò)展接口，提出一種基于傳感網(wǎng)的PTP分布式定時(shí)應(yīng)用模式，所設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)可用于配用電側(cè)的信息采集，同時(shí)提供符合相應(yīng)時(shí)間精度要求的同步信息。

2 基于IEC61588的同步校時(shí)網(wǎng)關(guān)

2.1 面向分組的分布式定時(shí)協(xié)議

在配用電側(cè)采集終端同時(shí)被多個(gè)網(wǎng)關(guān)覆蓋時(shí)，可通過最佳主時(shí)鐘（BMC）算法進(jìn)行選擇，并同時(shí)確定備選最佳主時(shí)鐘。類似于時(shí)間同步數(shù)字系統(tǒng)的同步狀態(tài)信息（SSM）時(shí)鐘選源協(xié)議，IEEE1588v2也有獨(dú)立的時(shí)間選源算法，即BMC算法。與SSM協(xié)議不同的是，除比較SSM時(shí)鐘等級(jí)，BMC算法需要比較的屬性參數(shù)較多，如時(shí)鐘源的優(yōu)先級(jí)、時(shí)鐘源等級(jí)、精度、端口ID、時(shí)鐘源在網(wǎng)絡(luò)中所經(jīng)過的跳數(shù)等。對(duì)于從時(shí)鐘，則將接收到的時(shí)間消息、通告消息、時(shí)間戳以及內(nèi)部的滯留時(shí)間傳送給PTP引擎，協(xié)議引擎計(jì)算出正確的時(shí)間并控制本地時(shí)鐘。對(duì)于主時(shí)鐘，協(xié)議引擎將產(chǎn)生Sync和Follow_Up消息，消息中發(fā)送時(shí)間戳由本地時(shí)鐘基于內(nèi)部停留時(shí)間和輸出時(shí)間戳產(chǎn)生。在實(shí)現(xiàn)中，透?jìng)鲿r(shí)鐘（TC）和普通時(shí)鐘通常使用相同的本地時(shí)鐘。PTP流程見a—d，其示意圖參見圖 1。 圖 1 中 t′2m、t′3m和 t2m、t3m分別為對(duì)應(yīng)右側(cè)（從節(jié)點(diǎn)）的 t′2、t′3和 t2、t3在左側(cè)（主節(jié)點(diǎn)）的時(shí)間。

圖1 PTP流程Fig.1 Flowchart of PTP

a.主時(shí)鐘采用組播方式向從時(shí)鐘發(fā)送Sync報(bào)文，并在報(bào)文發(fā)送過程中記錄Sync報(bào)文的發(fā)送時(shí)間戳t1，從時(shí)鐘收到該報(bào)文后記錄下接收時(shí)間戳t2。

b.主時(shí)鐘發(fā)送Sync報(bào)文后，立即采用組播方式發(fā)送一個(gè)攜帶有時(shí)間戳t1的Follow_Up報(bào)文；從時(shí)鐘接收Follow_Up報(bào)文后，獲取時(shí)間戳t1的值。

c.從時(shí)鐘收到主時(shí)鐘發(fā)送的消息后采用單播方式向主時(shí)鐘發(fā)送Delay_Req報(bào)文，用于發(fā)起反向傳輸延時(shí)的計(jì)算，并記錄發(fā)送時(shí)間戳t3；主時(shí)鐘收到該報(bào)文后，記錄接收時(shí)間戳t4。

d.主時(shí)鐘收到Delay_Req報(bào)文后，立即回復(fù)Delay_Resp報(bào)文，同時(shí)攜帶接收時(shí)間戳t4；從時(shí)鐘接收Delay_Resp報(bào)文，從中獲得時(shí)間戳t4的值。

時(shí)鐘偏移量可通過主時(shí)鐘和從時(shí)鐘設(shè)備雙向通信延時(shí)差的平均值估算，然而對(duì)于未采用媒質(zhì)無關(guān)接口（MII）擴(kuò)展的定時(shí)設(shè)備，通常其時(shí)間差統(tǒng)計(jì)的是主時(shí)鐘和從時(shí)鐘PTP的協(xié)議棧之間的對(duì)端延時(shí)，采用PTP和MII協(xié)議均會(huì)造成一定程度的誤差：

其中，δdev=[（δm1-δm4）+（δs2-δs3）]／2，即為PTP協(xié)議棧定時(shí)與MII時(shí)間戳的誤差；

對(duì)于P2P透?jìng)鲿r(shí)鐘，每個(gè)端口有一個(gè)模塊用于測(cè)量該端口與對(duì)端端口的鏈路延時(shí)，對(duì)端端口也必須支持P2P模式。鏈路的延時(shí)通過交換Pdelay_Req、Pdelay_Resp以及Pdelay_Resp_Follow_Up消息進(jìn)行測(cè)量，P2P透?jìng)鲿r(shí)鐘僅修正并轉(zhuǎn)發(fā)Sync和Follow_Up消息。在傳感網(wǎng)中，本地的停留時(shí)間和收到消息的端口的鏈路延時(shí)均記入修正值。P2P的修正包括了鏈路延時(shí)和停留時(shí)間，從而反映了整個(gè)路徑的延時(shí)。從時(shí)鐘可以根據(jù)Sync消息計(jì)算出正確的時(shí)間，而不需再發(fā)送Delay測(cè)量消息[8]。在發(fā)生時(shí)鐘路徑倒換時(shí)，P2P方式基本不受影響，而E2E方式則需要進(jìn)行新的延時(shí)測(cè)量之后，才能計(jì)算出正確的時(shí)間。

通過網(wǎng)絡(luò)收集PTP域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)上的時(shí)鐘精度和級(jí)別，利用BMC算法計(jì)算出祖父（GM）時(shí)鐘作為整個(gè)區(qū)域的參考時(shí)鐘。各時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)之間通過交互的Announce報(bào)文中所攜帶的最優(yōu)時(shí)鐘優(yōu)先級(jí)、時(shí)間等級(jí)、時(shí)間精度等信息，最終選出1個(gè)節(jié)點(diǎn)作為PTP域的最優(yōu)時(shí)鐘，同時(shí)，各節(jié)點(diǎn)之間的主從關(guān)系以及各節(jié)點(diǎn)上的主從端口也已經(jīng)確定。通過該過程，整個(gè)PTP域中建立起了一棵無環(huán)路、全連通，并以最優(yōu)時(shí)鐘為根的生成樹。此后，主節(jié)點(diǎn)定期發(fā)送Announce報(bào)文給從節(jié)點(diǎn)，如果在一段時(shí)間內(nèi)，從節(jié)點(diǎn)沒有收到主節(jié)點(diǎn)發(fā)來的Announce報(bào)文，便假定該主節(jié)點(diǎn)失效，重新進(jìn)行最優(yōu)時(shí)鐘的選擇。

2.2 PTP軟件處理

普通時(shí)鐘通常具有一個(gè)PTP物理通信端口與網(wǎng)絡(luò)相連，根據(jù)所實(shí)現(xiàn)的功能，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧上包含2類邏輯接口，即事件接口和通用接口[8-10]。事件接口接收和發(fā)送需要時(shí)間標(biāo)簽的事件消息，而通用接口則接收和發(fā)送其他消息并封裝成標(biāo)準(zhǔn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議報(bào)文進(jìn)行傳輸。在網(wǎng)絡(luò)中，普通時(shí)鐘可以作為GM時(shí)鐘或從時(shí)鐘[11-12]。當(dāng)作為GM時(shí)鐘時(shí)其PTP端口處于主狀態(tài)，作為從時(shí)鐘時(shí)其PTP端口則處于從狀態(tài)。PTP節(jié)點(diǎn)內(nèi)部功能模型框圖如圖2所示。

圖2 面向無線傳感網(wǎng)的PTP定時(shí)模型Fig.2 PTP timing model for WSN

當(dāng)普通時(shí)鐘的端口為從狀態(tài)時(shí)，由時(shí)鐘控制環(huán)路控制本地時(shí)鐘與父時(shí)鐘同步。當(dāng)普通時(shí)鐘作為GM時(shí)鐘時(shí)，本地時(shí)鐘可選擇自由振蕩模式或者同步于外部時(shí)鐘源（如 GPS 等）[13-14]。

端到端透?jìng)鲿r(shí)鐘自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)所有的PTP消息，但對(duì)于事件消息，同時(shí)計(jì)算消息報(bào)文經(jīng)過本節(jié)點(diǎn)所耗費(fèi)的時(shí)間，并累加到消息報(bào)文中的Correction字段中。通過抖動(dòng)轉(zhuǎn)移特性反映系統(tǒng)對(duì)輸入抖動(dòng)擴(kuò)展或抑制的程度，指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和改進(jìn)定時(shí)設(shè)備的性能。圖3描述了PTP時(shí)鐘跨越定時(shí)鏈路時(shí)的抖動(dòng)累積模型。

圖3 PTP的抖動(dòng)累積模型Fig.3 Jitter accumulation model of PTP

hi（nT）為第i個(gè)PTP設(shè)備在第n個(gè)采樣周期內(nèi)的系統(tǒng)傳遞函數(shù)，PTP 節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的抖動(dòng) ei，k（nT）由隨機(jī)分量和系統(tǒng)分量?jī)刹糠纸M成。隨機(jī)分量是指與PTP中繼鏈路上其他PTP節(jié)點(diǎn)抖動(dòng)完全不相關(guān)的抖動(dòng)，而與其他中繼節(jié)點(diǎn)抖動(dòng)相關(guān)的抖動(dòng)稱為系統(tǒng)抖動(dòng)。每個(gè)PTP節(jié)點(diǎn)隨機(jī)抖動(dòng)相互之間完全不相關(guān)，并且是均值為零的白色隨機(jī)過程，則在第k個(gè)PTP節(jié)點(diǎn)輸出端的累積隨機(jī)抖動(dòng)功率譜函數(shù)為：

其中，Hi（f）為 hi（nT）的頻域形式，ΦRik為第 k 級(jí)隨機(jī)抖動(dòng)功率譜密度常數(shù)。

PTP節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)抖動(dòng)與隨機(jī)抖動(dòng)不同，其相互之間是相關(guān)的，并且均值為零，則在第k個(gè)PTP節(jié)點(diǎn)的輸出端累積系統(tǒng)抖動(dòng)的功率譜函數(shù)為：

若系統(tǒng)設(shè)備滿足相同特性或者差別不大，則可用平均抖動(dòng)轉(zhuǎn)移特性來描述定時(shí)鏈路的抖動(dòng)特性，假定各PTP傳輸設(shè)備的再定時(shí)電路的變化對(duì)抖動(dòng)累積的影響是隨機(jī)的，則上式可簡(jiǎn)化為：

其中，Ha（f）為任意PTP節(jié)點(diǎn)的抖動(dòng)轉(zhuǎn)移特性，ΦRk和ΦSk分別為第k級(jí)PTP節(jié)點(diǎn)所累積的隨機(jī)抖動(dòng)和系統(tǒng)抖動(dòng)的功率譜密度常數(shù)。

2.3 自動(dòng)校時(shí)網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)建設(shè)“全覆蓋、全采集、全預(yù)付費(fèi)”的總體目標(biāo)，保證智能電網(wǎng)建設(shè)規(guī)范有序推進(jìn)，按照?qǐng)?jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)的總體要求，必須實(shí)現(xiàn)配用電信息采集系統(tǒng)及主站、采集終端之間的同步。在目前國(guó)家電網(wǎng)所發(fā)布的《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)》系列標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)明確規(guī)定相關(guān)設(shè)備的外形接口、通信接口以及材料和工藝要求等。集中器應(yīng)能夠提供可靠的時(shí)鐘信號(hào)，從而保障采集網(wǎng)絡(luò)的同步性和一致性。在配用電側(cè)，集中器可作為校時(shí)網(wǎng)關(guān)的首選設(shè)備，所研制的多模校時(shí)網(wǎng)關(guān)通信接口采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足采用不同通信方式的通信模塊可互換的要求，且其外形尺寸符合Q／GDW375.2的規(guī)范要求。處理單元采用S3C6410高性能處理器ARM11，具有256 MByte RAM以及2 GByte MLC2 Nand Flash，核心板采用高密度6層板設(shè)計(jì)。上行方向同時(shí)支持TD-LTE以及McWiLL，可進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量并靈活選網(wǎng)，并獲取可靠的時(shí)鐘源；下行方向采用WIA微功率無線通信技術(shù)，并嵌入電力信息采集協(xié)議棧，完成對(duì)所轄區(qū)域內(nèi)設(shè)備的信息采集。

3 測(cè)試結(jié)果

搭建測(cè)試平臺(tái)，采用1臺(tái)校時(shí)網(wǎng)關(guān)、6個(gè)WIA采集終端隨機(jī)組網(wǎng)；選用Si4432射頻芯片，配置8位前導(dǎo)碼，最大發(fā)射功率20 dBm；上行工作頻段位于1785～1805 MHz，采用RS碼編碼方式。為進(jìn)行極限網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，主時(shí)鐘配置為每10 ms發(fā)送一次Sync同步報(bào)文，采集網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采用IP承載方式，業(yè)務(wù)包含加速轉(zhuǎn)發(fā)（EF）、確保轉(zhuǎn)發(fā)（AF）2 類，PTP 符合標(biāo)準(zhǔn)的 IEC61588格式并通過 IEEE802.15.4承載[12]。雖然在IEEE1588的v2版本中已明確建議在MII增加硬件時(shí)間戳[5]，但是由于涉及到底層的操作不易擴(kuò)展，目前仍有大量的應(yīng)用在應(yīng)用接口和驅(qū)動(dòng)接口打時(shí)間戳，從而不能忽略協(xié)議棧所引起的非對(duì)稱時(shí)延。

根據(jù)ITU-TG.810所定義的同步準(zhǔn)確性的說明[11]，本文采用時(shí)間偏差 TDEV（Time DEViation）衡量時(shí)鐘同步的準(zhǔn)確度，該參數(shù)定義如下：

其中，n為抽樣點(diǎn)編號(hào)，xi為第i個(gè)采樣周期的時(shí)延差值，〈·〉表示取均值運(yùn)算。

雙模校時(shí)網(wǎng)關(guān)采用一階低通濾波器，其通帶系數(shù)為0.1，阻帶系數(shù)為0.15，抽樣頻率為100 Hz，相當(dāng)于2.5 Hz的下降邊沿，其頻率響應(yīng)曲線如圖4所示，頻率已作歸一化處理。

圖4 濾波器頻率響應(yīng)曲線Fig.4 Frequency response curve of filter

圖5給出了引入PTP的傳感網(wǎng)絡(luò)中采用不同排隊(duì)策略的延時(shí)統(tǒng)計(jì)。從PTP的運(yùn)行原理可知，端到端的延時(shí)上限滿足如下關(guān)系：

其中，σ為漏桶模型中網(wǎng)絡(luò)邊緣處漏桶的深度，相當(dāng)于邊緣節(jié)點(diǎn)處端口緩存的大??；r為業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)速率；Ci為數(shù)據(jù)包在第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的延時(shí)。

圖5 不同隊(duì)列下定時(shí)信息傳輸性能Fig.5 Performance of timing transmission under different queuing strategies

從測(cè)試結(jié)果可以看出，先入先出（FIFO）隊(duì)列的端到端延遲通常不超過80 ms。FIFO隊(duì)列根據(jù)數(shù)據(jù)到達(dá)的先后順序分配轉(zhuǎn)發(fā)所需帶寬，所有報(bào)文共享網(wǎng)絡(luò)和路由器的資源，即Best-Effort服務(wù)，對(duì)分組投遞的延遲、延遲抖動(dòng)、丟包率和可靠性等需求不提供任何承諾和保證。優(yōu)先級(jí)隊(duì)列（PQ）算法建立優(yōu)先隊(duì)列，在調(diào)度時(shí)嚴(yán)格按照優(yōu)先級(jí)從高到低的次序，優(yōu)先發(fā)送較高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中的分組，當(dāng)較高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列為空時(shí)，再發(fā)送較低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中的分組，其延時(shí)小于50 ms。通常將關(guān)鍵業(yè)務(wù)分組（如PTP控制消息）放入較高優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列，將非關(guān)鍵業(yè)務(wù)分組放入較低優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列，從而保證優(yōu)先傳送關(guān)鍵業(yè)務(wù)分組。PQ方法的缺點(diǎn)在于非關(guān)鍵業(yè)務(wù)的分組僅能在處理關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的空閑間隙被傳送，如果較高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中長(zhǎng)時(shí)間有分組存在，則低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)將一直無法處理。加權(quán)隊(duì)列（WFQ）算法對(duì)公平隊(duì)列進(jìn)行了改進(jìn)，在計(jì)算報(bào)文調(diào)度次序時(shí)考慮了優(yōu)先權(quán)，使高優(yōu)先權(quán)的報(bào)文獲得優(yōu)先調(diào)度的機(jī)會(huì)多于低優(yōu)先權(quán)的報(bào)文。WFQ根據(jù)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)高低動(dòng)態(tài)分配每個(gè)流應(yīng)占有出口的帶寬，通過輪詢各個(gè)隊(duì)列，按照帶寬比例從隊(duì)列中取出相應(yīng)數(shù)量的報(bào)文進(jìn)行發(fā)送，進(jìn)而保障網(wǎng)絡(luò)資源享用的公平性，因此其延時(shí)特性最好。無論采用何種隊(duì)列算法，每一級(jí)透?jìng)鲿r(shí)鐘節(jié)點(diǎn)會(huì)引入新的時(shí)鐘抖動(dòng)，從而造成隨機(jī)抖動(dòng)的累積，通常第k級(jí)透?jìng)鲿r(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)抖動(dòng)可表示為：

因此，在接收端的隨機(jī)抖動(dòng)可表示為：

為說明抖動(dòng)的累積效應(yīng)，圖6給出了WFQ方法下同步對(duì)時(shí)網(wǎng)關(guān)在不同層次實(shí)現(xiàn)解碼的時(shí)鐘偏移量。傳統(tǒng)PTP的協(xié)議棧模型的偏差波動(dòng)最大，且具有較高的偏移量[9]；透?jìng)鲿r(shí)鐘模式下時(shí)鐘信息采用端到端的定時(shí)方式，定時(shí)鏈上的所有其他節(jié)點(diǎn)對(duì)定時(shí)信息僅進(jìn)行簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)發(fā)，不進(jìn)行高層編解碼，運(yùn)行偏差最低；MII解碼則在與物理傳輸媒質(zhì)網(wǎng)關(guān)的最底層進(jìn)行信息的編解碼，具有效率高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，在不經(jīng)補(bǔ)償?shù)那闆r下存在固定范圍大小的偏差，相比透?jìng)鲿r(shí)鐘模式其偏差為0.02～0.03 ms。

圖6 不同定時(shí)模式下的時(shí)鐘偏差Fig.6 Clock error under different synchronization modes

圖7分別給出了不同定時(shí)模式下的TDEV性能曲線，TDEV通常用于規(guī)定相位噪聲，即描述定時(shí)信號(hào)的漂動(dòng)，用于評(píng)估漂動(dòng)容限和漂動(dòng)傳遞特性。時(shí)間間隔誤差經(jīng)帶通濾波器以及均方根檢測(cè)器后可得出TDEV值?？梢钥闯?，透?jìng)鲿r(shí)鐘模式的性能介于MII和傳統(tǒng)PTP模式之間，平均TDEV在4 μs左右，但由于透?jìng)鲿r(shí)鐘模式下系統(tǒng)通常采用端到端的模式，其開銷較大，只有引入定時(shí)信息匯聚技術(shù)后才能提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率。采用MII模式后，傳統(tǒng)PTP的TDEV值下降了50%左右，具有較好的輸出漂擺特性。

圖7 不同模式下的TDEV比較Fig.7 Comparison of TDEV under different synchronization modes

4 結(jié)語

PTP目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)自動(dòng)化方向，在未來配用電側(cè)的同步應(yīng)用中，需要將客戶層的時(shí)間同步和傳送層的時(shí)間同步嚴(yán)格分開。在進(jìn)行信息融合處理后，對(duì)于客戶層的時(shí)間同步，傳送層全部采用透?jìng)鲿r(shí)鐘，這樣傳送設(shè)備只需負(fù)責(zé)打時(shí)間戳和計(jì)算修正項(xiàng)，而不用參與處理客戶層的時(shí)鐘協(xié)議。PTP功能僅在接口板實(shí)現(xiàn)，而不用時(shí)鐘板的參與。如果能在進(jìn)傳送網(wǎng)時(shí)打輸入時(shí)間戳，而在出傳送網(wǎng)時(shí)增加輸出時(shí)間戳并計(jì)算修正項(xiàng)，則只需要邊界端口處理即可。對(duì)于傳送層的時(shí)間同步，與客戶層完全獨(dú)立，可以使用任何方便的形式。