IEEE1588精確時鐘同步協議實施方案的比較
2016-01-25 06:18:48章立宗張道農劉永新杜奇?zhèn)?/span>汪彥胡永春
電力科學與工程 2015年3期
章立宗, 張道農, 劉永新, 杜奇?zhèn)? 汪彥, 胡永春
(1.國網浙江省電力公司紹興供電公司,浙江紹興312000；2.華北電力設計院工程有限公司,北京100120；3.國網浙江省電力公司, 浙江杭州310007；4.南京拓為電力科技發(fā)展有限公司，江蘇南京210000；5.南京榮桓電力自動化有限公司，江蘇南京210000)
IEEE1588精確時鐘同步協議實施方案的比較
章立宗1, 張道農2, 劉永新1, 杜奇?zhèn)?, 汪彥4, 胡永春5
(1.國網浙江省電力公司紹興供電公司,浙江紹興312000；2.華北電力設計院工程有限公司,北京100120；3.國網浙江省電力公司, 浙江杭州310007；4.南京拓為電力科技發(fā)展有限公司，江蘇南京210000；5.南京榮桓電力自動化有限公司，江蘇南京210000)
摘要：由于IEEE1588具有的高精度和優(yōu)點，其必將在電力系統內廣泛使用。為提升IEEE1588精確時鐘同步協議的應用水平，總結了IEEE1588精確時鐘同步協議的組網特性和在智能變電站中實際使用的幾種實施方案，并比較了各種實施方案的差別以及對同步精度的影響，指出各種實施方案中的關鍵節(jié)點和注意事項，為IEEE1588精確時鐘同步協議在智能變電站中進行大面積使用提供一些參考性意見。
關鍵詞：IEEE1588；實施方案；同步精度
中圖分類號：TP23
文獻標識碼:A
DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.03.012
收稿日期：2014-11-30。
作者簡介：章立宗(1976-)，男，高級工程師，從事電力調度自動化和變電站計算機監(jiān)控技術的研究，E-mail:zlz951@163.com。
Abstract：Because of the high accuracy and the advantage of the IEEE1588, it will be widely used in the power system. To enhance the IEEE1588 precision clock synchronization protocol application level,this paper summarizes characteristics of IEEE1588 precision clock synchronization protocol in the network and several plans of IEEE1588 precision clock synchronization protocol for practical use in the intelligent, compares the various plans of the difference and influence on synchronization accuracy, and points out the key nodes of plans and the matters needing attention. The results indicate that IEEE1588 precision clock synchronization protocol for the use of large area provides some reference value in the intelligent substation.
Keywords：IEEE1588; plans; accuracy
0引言
IEEE1588精確時鐘同步協議的同步精度高，具備諸多優(yōu)點[1]，完全能夠滿足IEC61850標準[2]中定義的不同級別的時間同步精度的要求[3，4]，因此其推廣應用勢在必行[5，6]。
IEEE1588時鐘同步系統是由多個不同類型的時鐘共同組成的復雜系統，IEEE1588時鐘按設備類型可分為三種：(1)普通(ordinary)時鐘：其按角色可分為主(master)時鐘和從(slave)時鐘，只包含一個PTP端口(port)；(2)邊界(boundary)時鐘：其包含多個PTP端口；(3)透明(transparent)時鐘：其按報文處理方式的不同分為點到點(peer-to-peer)透明時鐘和端到端(end-to-end)透明時鐘[7]。根據提供時間信息的方式不同，時鐘又分為一步法時鐘和兩步法時鐘。一步法(one-step)時鐘通過一幀報文傳輸必要的時間信息，無跟隨報文出現；兩步法(two-step)時鐘通過跟隨報文傳輸必要的時間信息。其不同的組網方式，是否具有不同的關鍵影響因數；不同的變電站通信網絡架構，是否具有優(yōu)化的IEEE1588組網方式；這兩個問題一直沒有得到很好解決。
本文在討論了各種類型時鐘的工作方式的基礎上，對在不同的網絡架構模式下使用何種組網方案進行了討論，并提出了一些影響同步精度的因素，以及如何通過改變組網模式來規(guī)避這些風險，以提升對時同步系統的穩(wěn)定性。
1IEEE1588對時同步系統的組成
1.1 基本組網方式
一個簡單的、包含了各種時鐘的主-從同步層次關系如圖1所示。圖中的虛線框表示3個不同的域，每個域內獨立執(zhí)行同步過程。所有普通時鐘的PTP端口通過Announce報文和最佳主時鐘算法(Best Master Clock Algorithm，BMC)來建立主-從同步層次，處于從狀態(tài)的PTP端口與處于主狀態(tài)的PTP端口進行同步(Synchronization)。
對時同步系統時鐘和組網模式中域2和域3中的透明時鐘可以不配置，即普通時鐘的PTP端口(從)(也即從鐘)可以直接與邊界時鐘的PTP端口(主)相連。
圖1 IEEE1588主-從層次關系示意圖
域內存在透明時鐘時，其工作方式必須相同，可配置為點到點透明時鐘或端到端透明時鐘方式，但兩種方式不能同時存在。
1.2 站內設備與時鐘同步系統的角色對應方式
在智能變電站內，為了獲取統一的時間和同步性能，需要配置能提供精確時間和同步性能的對時同步裝置，為了保證可靠性，一般都采取冗余配置。這些裝置的PTP端口處于“主”或“從”狀態(tài)，其定期發(fā)送Announce報文，使用最佳主時鐘算法來決定哪一個處于“主”狀態(tài)，哪個處于“從”狀態(tài)。PTP端口處于“主”狀態(tài)的即為對時同步系統的主鐘，PTP端口處于“從”狀態(tài)的成為對時同步系統的從鐘，但其與下文所述的從鐘不同，因其依然發(fā)送Announce報文，隨時可能變?yōu)橹麋姟?/p>
所有IED設備需要被對時同步，因此這些IED設備在對時同步系統中處于PTP端口“從”狀態(tài)，即為從鐘。這些從鐘不需要發(fā)送Announce報文，即永遠不可能成為主鐘。
該患者雖然已確診為卵巢黏液性囊腺瘤，但如此巨大的黏液性卵巢囊腺瘤少見且容易誤診，并存在一定程度的惡變率，一旦發(fā)現必須盡早手術，術后仍需隨訪觀察。對于盆腔巨大包塊的女性患者，我們必須高度警惕，仔細地全面檢查，以免誤診[4]。同時需做好科普宣傳工作，宣講定期進行婦科檢查的重要性。另外通過此病例，我們認為在施行復雜的盆腔手術時，在輸尿管置入雙 J 管是防止輸尿管損傷的有效方法。
在智能變電站中的網絡交換單元，即交換機(也可能是其他起交換功能的設備，如PTN等等)，其承擔著報文交換的功能，也包括對時同步報文(如Sync、Announce、Follow_Up等)，其在對時同步系統中的角色為透明時鐘。當然交換機也可以作為邊界時鐘存在于對時同步系統中，但這增加了交換機的設計復雜度和工作強度，而且目前變電站內并無這樣的運行案例。
2透明時鐘的工作方式
透明時鐘在對時同步系統中有著非常重要的作用，其承載著同步報文傳送和橋接鏈路延遲測量的功能，而且必須要完全無損的傳送這些報文。透明時鐘有兩個重要的特征，一是滯留時間，二是鏈路延遲測量機制。
2.1 滯留時間
滯留時間指的是報文通過透明時鐘的時間，即報文進入透明時鐘產生的時間戳和離開透明時鐘時產生的時間戳之間的差。上述的“無損”即滯留時間必須準確，這就要求透明時鐘也必須與主鐘進行同步。
用來計算滯留時間的時間戳是基于本地時鐘產生的時間戳，時間戳的位置如圖2所示。為通信介質和IEEE1588協議棧的底部之間，即時間戳參考平面(reference plane for
圖2 時間戳產生示意圖
2.2 端到端透明時鐘
端到端透明時鐘像一個標準的網橋、路由器或交換機一樣向前傳送所有的消息[9]，并對PTP事件消息(Sync和Delay_Req)產生滯留時間。端到端透明時鐘只能使用延遲請求響應機制，如圖3所示。延遲請求響應機制利用最近一次Sync報文的發(fā)出時間T1(由主時鐘提供)和接收時間T2(由從時鐘提供)，以及Delay_Req報文的發(fā)送時間T3(由從時鐘提供并經過調諧修正)和接收時間T4(由主時鐘提供)，并使用[(T2-T3)+(T4-T1)]/2來計算得到延遲時間。
圖3 延時請求響應機制示意圖
圖3中的R1和R2分別為Sync和Delay_Req報文在透明時鐘內的滯留時間，T1和T4需使用R1和R2進行修正。在這種機制下，透明時鐘只是透明轉發(fā)延遲測量報文，并不參與延遲測量。
2.3 點到點透明時鐘
點到點透明時鐘與端到端透明時鐘的不同之處在于其修正和處理實時消息的方式，所有其他方面都與端到端透明時鐘相同。
點到點透明時鐘對每個端口有一個額外的塊。這個塊是用來計算在每個端口和其共享同一個鏈路(也就是通過物理連接線連接的另一個設備，也稱之為對等連接)的另一個節(jié)點上一個相似配置的端口之間的鏈路延遲。點到點透明時鐘只能使用對等延時機制，如圖4所示。對等延遲機制利用Pdelay_Req報文的發(fā)送時間T1(由從鐘或透明時鐘左部提供)和接收時間T2(由主鐘或透明時鐘右部提供)，以及Pdelay_Resp報文的發(fā)送時間T3(由主鐘或透明時鐘右部提供)和接收時間T4(由從鐘或透明時鐘左部提供)，并使用[(T2-T3)+(T4-T1)]/2來計算得到延遲時間。
圖4中，透明時鐘和主鐘之間，以及從鐘與透明時鐘之間都使用對等延時機制進行鏈路延遲測量。透明時鐘在接收到Sync報文的端口上(Sync報文進入透明時鐘)與主鐘之間進行鏈路延遲測量，在透明時鐘的其他端口上，各個從鐘與透明時鐘之間進行鏈路延遲測量。當然，透明時鐘也可主動測量其與從鐘之間的鏈路延時，這與圖4并不矛盾。
圖4 對等延時機制示意圖
2.4 兩種類型的透明時鐘之間的差別
Sync數據包路由通過點到點透明時鐘系統的改變可能導致Sync數據包經過不同的連接進入點到點透明時鐘。由于點到點透明時鐘基于每個Sync數據包通過的實際連接和內部路徑來修正滯留和路徑時間，出口實時信息在測量精度范圍內總是正確的。因此，提供給從時鐘的實時信息總是可以反映通過點到點透明時鐘網絡的實際路徑。通過對比，在端到端修正這種情況下，從時鐘等待一個基于Sync和Delay_Resp消息相結合的新路徑延遲值，需要更多的時間，因為在正確的值出現在從時鐘面前之前，這些消息需要完整的穿過新路徑[7]。
在端到端透明時鐘系統內，鏈路延遲為Sync報文從主鐘發(fā)出，到從鐘接收到Sync報文之間的延時。在Sync報文的傳輸路徑完全保持不變的情況下，延時也相對固定；如果Sync報文的路徑改變，從鐘又無從知曉，會造成同步精度下降。而在點到點透明時鐘系統中，鏈路延遲被分割為兩個直接相連的PTP端口之間的鏈路延遲，從鐘只需要關心其與透明時鐘之間的鏈路延遲即可，而無需關心Sync報文的整個通信路徑，Sync報文路徑的改變對從鐘不產生任何影響。
3智能變電站網絡架構方式及同步方案
3.1 星形架構
在星形架構中，以間隔為基本網絡單元(虛擬局域網，VLAN，可跨交換機)，并將這些基本網絡單元通過級聯口(一個物理交換機上可能存在幾個基本網絡單元，他們共用同一個級聯口)接入到上一級交換機的普通端口上，上一級交換再通過級聯口連接到更上一級交換機的普通端口上，依次類推，直到頂層交換機，其邏輯架構如圖5所示。
圖5 星形邏輯拓撲圖
在星形網絡架構中，任何報文的通信路徑都是固定的，并且不可能構成閉合回路(從節(jié)點A到節(jié)點B存在兩個獨立的通道，此即為閉合回路)。其優(yōu)點是易于擴展，結構簡單；缺點是頂層交換機的負擔較大，其出現故障會造成全網癱瘓。
在星形網絡架構中，主鐘可位于任意一個交換機上，交換機的角色可以是端到端透明時鐘，也可以是點到點透明時鐘。如果全網只有一個主鐘(不存在主備切換)，則Sync報文的路徑永遠不會改變。因此無論使用何種透明時鐘，因為鏈路延遲不會改變，所以對同步對時系統而言都沒有差別。如果全網主鐘存在主備切換的可能，由于主備兩個主鐘不可能連接在同一個交換機的同一個端口上，也就是說Sync報文的路徑在主備機切換時，會發(fā)生改變，由上述2.3節(jié)的分析可知，此時交換機作為點到點透明時鐘會有效防范Sync報文路徑改變引起鏈路延時變化對同步精度產生的影響。
3.2 環(huán)形架構
在環(huán)形架構中，以間隔為基本網絡單元，并將這些基本網絡單元通過級聯口互聯，形成一個環(huán)狀，所有交換機處于同一級別。由于環(huán)形在物理上存在閉合，因此在環(huán)形拓撲中，所有的交換機必須參與生成樹協議規(guī)則，用以產生邏輯斷點，使閉合回路斷開，其邏輯架構如圖6所示。
在環(huán)形網絡架構中，任何報文的通信路徑都是可變的(當邏輯斷點改變時，雖然不是很頻繁)，而且存在閉合回路的可能性(邏輯斷點失效，到下一個邏輯斷點產生之間，目前絕大部分交換機都支持快速生成樹協議，以減小邏輯斷點產生的時間，使得閉合回路不會產生風暴，但在理論上的確存在短暫的閉合回路)。其優(yōu)點是網絡健壯性增強，單臺交換機故障影響范圍較??；缺點是邏輯斷點一旦失效，可能產生網絡風暴。
圖6 環(huán)形邏輯拓撲圖
在環(huán)形網絡架構中，主鐘可位于任意一個交換機上，無論是否存在主備機切換，當邏輯斷點的位置發(fā)生改變時，Sync報文的路徑都可能會改變，由上述分析可知，此時只能使用點到點透明時鐘。
3.3 星環(huán)形架構
星環(huán)形架構結合了星形架構和環(huán)形架構的特點，將星形架構中較高級別的交換機使用環(huán)形方式級聯，降低了單純星形架構中頂層交換機的負擔，但增加了網絡風暴的風險。
由于在此種網絡架構中，無論主鐘存在何處，以及是否具有主備切換，其Sync報文的路徑都可能會改變，由上述分析可知，此時只能使用點到點透明時鐘。
3.4 網絡架構匯總
表1是在單主鐘條件下，以“Sync路徑是否改變”為基礎來對比三種網絡架構的表現形式。
表1 三種網絡架構對Sync路徑的影響
當各個時鐘自身良好工作時，對同步對時系統精度影響最大的因素就是通信路徑不對稱[12，13]，而Sync路徑的改變對通信路徑不對稱影響最大。由上可知，端到端透明時鐘只在星形網絡架構以及單主鐘的條件下，才能滿足工程要求。而點到點透明時鐘則滿足任意網絡架構，單主鐘或主備鐘同時存在等情況，因此強烈建議在任何網絡架構下都是點到點透明時鐘。
4結論
為了適應智能變電站對網絡通信的特殊需求，開始出現一些新型的網絡架構拓撲模式，例如基于EPON的PTN模式、基于PRP協議的HSR環(huán)等，但依然處于試點狀態(tài)，并未大面積推廣，IEEE1588在這些網絡架構內的運行模式也無相關定論，因此本文并未討論這些網絡架構。
本文并未涉及在上述的網絡架構內存在邊界時鐘的情況，一是因為智能變電站的網絡規(guī)模相對較小，不需要使用邊界時鐘來擴充；二是如果把交換機當做邊界時鐘來使用，會增加交換機的設計成本和復雜度，降低了預期穩(wěn)定性。
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Engineering Co.LTD, Beijing 100120, China; 3.State Grid Zhejiang Electric Power Company,
Hangzhou 310007,China; 4.Nanjing TuoWei Power Technology Development Co.Ltd.，
Nanjing 210000，China； 5.Nanjing RongHuan Power Automation Co.Ltd.，Nanjing 210000，China)
