馬曉軍 莫非

摘 要：該文介紹了電力以太網(wǎng)交換機的同步情況和IEEE 1588精密時間協(xié)議的特點。在此基礎(chǔ)上，闡述了IE1588的基本原理，詳細介紹了IEEE1588協(xié)議的實現(xiàn)方式，對幾種時間同步的方式進行了分析，比較了這幾種方式的精度，提出了IEEE1588在電力以太網(wǎng)交換機中的實現(xiàn)方法，并舉例說明了實際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：IEEE1588 電力以太網(wǎng)交換機 時間同步

中圖分類號：TM76 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（a）-0084-02

1 電力以太網(wǎng)交換機同步基本概況

電力以太網(wǎng)交換機是面向智能變電站應(yīng)用而開發(fā)的高性能、高可靠和高安全的工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備。它充分考慮了變電站的嚴酷工作環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)通信需求，采用了電信級以太網(wǎng)、硬件時間戳、智能內(nèi)容識別等先進技術(shù)，使得智能變電站通信系統(tǒng)更加可靠。2002年發(fā)布的IEEE 1588 定義了一種用于分布式測量和控制系統(tǒng)的精密時間協(xié)議（precision timeprotocol，PTP），其網(wǎng)絡(luò)對時精度可達亞us級，引起了自動化、通信等工業(yè)領(lǐng)域研究者的重視。國外一些公司（如Altera、Rockwell 等）相繼開始了支持IEEE1588的相關(guān)硬件產(chǎn)品開發(fā)和IEEE1588具體工業(yè)應(yīng)用的研究，進一步完善的IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)第2版已經(jīng)于2008年發(fā)布。鑒于IEEE1588高精度的分布式網(wǎng)絡(luò)對時特點，我們設(shè)計的電力以太網(wǎng)交換機已經(jīng)實現(xiàn)了IEEE 1588的功能，并且運用到工程實踐中。

2 IEEE1588 的介紹和實現(xiàn)

通過網(wǎng)絡(luò)，將通信網(wǎng)上各種終端設(shè)備或計算機設(shè)備的時間信息（年月日時分秒）基于UTC（協(xié)調(diào)世界時）的時間偏差限定在足夠小的范圍內(nèi)（如100 ms），這種網(wǎng)絡(luò)同步過程叫做網(wǎng)絡(luò)時間同步。IEEE1588的基本功能是使分布式網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的最精確時鐘與其他時鐘保持同步，它定義了一種精確時間協(xié)議PTP（Precision Time Protocol），用于對標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)或其他采用多播技術(shù)的分布式總線系統(tǒng)中的傳感器、執(zhí)行器以及其他終端設(shè)備中的時鐘進行亞微秒級同步。電力以太網(wǎng)交換機對時間同步要求十分嚴格。

IEEE1588時間同步協(xié)議的特點。

在物理層或盡量接近物理層的地方打時間戳，以保證精度；主從設(shè)備之間報文的傳輸延時要對稱，否則計算的結(jié)果會存在比較大的誤差；報文經(jīng)過普通交換機時有“存儲->轉(zhuǎn)發(fā)”的過程，因此其傳輸時延不可測且相差較大，對精度有較大影響，所以推薦使用點對點的傳輸方式。

3 實現(xiàn)IEEE1588協(xié)議的方式

BC模式下交換機內(nèi)部PTP時鐘通過一個端口作為從端口與主設(shè)備同步。交換機的其余端口作為主端口，將交換機的PTP時鐘傳遞給終端設(shè)備或下一級交換機。

TC模式要求收發(fā)鏈路線路延時大致相等，其與BC不同在于：TC E2E模式下，交換機并不傳遞時鐘。該模式下，交換機分別記錄SYNC、Delay_Req報文進出交換機的時間，從而得到其在交換機內(nèi)駐留時間。同時，在接收到Follow_up、Delay_Resp報文時，將此類報文中的時戳值分別加減上述駐留時間，再轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)端口。終端設(shè)備根據(jù)修正后的時戳值，可以準(zhǔn)確的計算出Delay和Offset。

ΔS是SYNC報文在交換機中的駐留時間；ΔR是Delay_Req報文在交換機中的駐留時間；E2E交換機將跟隨報文和響應(yīng)報文中的時間值分別加上ΔS或減去ΔR后發(fā)給從設(shè)備。

TC E2E 線路延時和時間差計算：

對終端設(shè)備而言，TC E2E模式線路延時和時差計算方法與BC模式相同。計算公式如下：

T2-（T1+ΔS ）=Delay+Offset

（T4-ΔR）-T3=Delay-Offset

兩式相減可求出Offset：

Offset=（（T2-T1）-（T4-T3）-（ΔS-ΔR））/2

Delay=（（T2-T1）+（T4-T3）-（ΔS+ΔR））/2

TC Peer to Peer：

P2P模式對同步報文和跟隨報文的處理方式與E2E模式大致相同，區(qū)別在于P2P交換機還需要事先測出主設(shè)備到交換機的線路時延，并將它加到Follow_up包的時間中。P2P交換機將延時請求和響應(yīng)報文當(dāng)作普通報文處理。從設(shè)備向交換機發(fā)PDelay_Req包，交換機記錄下收到該包的準(zhǔn)確時間TS1，并向從設(shè)備發(fā)出響應(yīng)報文PDelay_Resp，該報文帶有時間戳TS1；同時記錄延時響應(yīng)報文的實際發(fā)出時間TS2，隨后交換機再向從設(shè)備發(fā)出帶有時間戳TS2的PDelay_Follow_up報文。從設(shè)備需記錄PDelay_Req的準(zhǔn)確發(fā)出時間T3和PDelay_Resp報文的準(zhǔn)確到達時間T4。

主設(shè)備到交換機之間的線路延時定義為Delay_1；

交換機到從設(shè)備之間的線路延時定義為Delay_2；

從設(shè)備和交換機的時間差定義為Offset_2

ΔS為SYNC報文在交換機內(nèi)的駐留時間

TS1、TS2分別是延時請求報文的時間接收時間和延時響應(yīng)報文的實際發(fā)送時間

TC P2P 線路延時和時間差計算：

同步報文的處理與E2E模式相同，可得：

T2-（T1+ΔS+Delay_1）=Delay_2+ Offset

由PDelay_Req、PDelay_Resp、PDelay_Follow_up報文可得出下述公式：

TS1-T3=Delay_2-Offset_2

T4-TS2=Delay_2+Offset_2

可算出從設(shè)備的時差：

Delay_2=（T4-T3）-（TS2-TS1）

Offset=（T2-T1）-ΔS-Delay_1-（（ T4-T3）-（TS2-TS1））/2

4 時間同步精度分析

BC時間同步精度分析，為保證精度，需嚴格按IEEE1588協(xié)議規(guī)定的時戳采樣點取時間；交換機內(nèi)必須有一個高精度可調(diào)的時鐘源，用于將本地時鐘與上級時鐘同步；BC模式時鐘逐級傳遞，因此交換機級聯(lián)之后，時間誤差會發(fā)生積累。導(dǎo)致最后終端設(shè)備與主設(shè)備時間誤差較大。

TC E2E 時間同步精度分析，由于報文在交換機內(nèi)駐留時間較短（一般為幾十微秒），正常情況下兩報文駐留時間差值一般是微秒級。一個穩(wěn)定度50 ppm的晶振，每秒鐘最大可能跑偏50 μs，每微秒跑偏50ps，對最后精度影響不大。

TC P2P 時間同步精度分析，P2P模式要求交換機測量主設(shè)備到它的線路延時，并將延時值和SYNC包駐留時間一起加到Follow_up包中。P2P模式需計算和測量的時間量遠多于E2E模式，因此其測量精度不如E2E。E2E模式下在局域網(wǎng)內(nèi)有很多終端設(shè)備時，所有的延時請求報文都會匯聚給GrandMaster，對其造成較大響應(yīng)負擔(dān)，導(dǎo)致來不及響應(yīng)，影響終端設(shè)備時間同步精度。

E2E模式有著最好的精度，BC模式的誤差隨交換機級數(shù)的增加線性上升。

5 應(yīng)用實例

DP83640是一款基于IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)的時鐘同步芯片，采用硬件跟軟件相結(jié)合的方式提供最高的精確度實時工業(yè)的時鐘同步，可確保分布式的各個節(jié)點按照主時鐘的時間同步定時，并確保各節(jié)點之間的時間偏差不會超過固定值。一旦線路上有PTP包，就會被DP83640的精密PHYTER所讀取。

在同步以太網(wǎng)機的方案中，通過替換以太網(wǎng)層并增加IEEE 1588 PTP軟件實現(xiàn)，CPU、交換芯片和DP83640通過MII口連接起來組成一個系統(tǒng)。

6 結(jié)語

電力以太網(wǎng)交換機要求高精度的時鐘信號以便同步控制信號和捕捉數(shù)據(jù)，在交換機中應(yīng)用IEEE 1588精密時間協(xié)議（PTP）能夠滿足這一要求。

該文所介紹的使用DP83640實現(xiàn)IEEE1588V2的方案已經(jīng)在本公司的裝置實現(xiàn)6網(wǎng)口的主從時鐘同步。

參考文獻

[1] Technical Committee on Sensor Technology，IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems，24 July 2008.

[2] National Semiconductor Corporation，DP83640 Precision PHYTER–IEEE 1588 Precision Time Protocol Transceiver，January 7，2009.

[3] National Semiconductor Corporation， National Semiconductor Ethernet PHYTER Software Development Guide，October 2，2008.

[4] 蘇建峰.IEEE1588在電力系統(tǒng)應(yīng)用的可行性與方案研究.

[5] 李鑒，孫寶成，周雷.一種新的局域網(wǎng)時間同步方法[J].計算機與數(shù)字工程，2005，30（9）：161-164.

[6] 趙上林.基于 IEEE 1588 的數(shù)字化變電站時鐘同步技術(shù)研究.