劉　偉，彭　雷，張朕滔，周亞勛，龔俊名

(1.重慶理工大學 電氣與電子工程學院，重慶　400054；2.重慶市計量質量檢測研究院，重慶　401121)

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基于IEEE1588協(xié)議電力監(jiān)控系統(tǒng)的對時算法改進

劉偉1，彭雷1，張朕滔2，周亞勛1，龔俊名1

(1.重慶理工大學 電氣與電子工程學院，重慶400054；2.重慶市計量質量檢測研究院，重慶401121)

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，分布式電力監(jiān)控系統(tǒng)對時鐘同步精度的要求越來越高，已經提出了微秒級的要求。為滿足此要求，對IEEE1588精確網絡時鐘同步協(xié)議進行了研究，對該協(xié)議實現高精度時鐘同步的原理進行了闡述，并針對時鐘同步過程中網絡延遲不對等的問題，使用移動平均算法對IEEE1588的同步過程進行了改進，并予以驗證。

IEEE1588；電力監(jiān)控系統(tǒng)；移動平均算法；網絡延遲量

隨著電力系統(tǒng)的日益擴大，分布式電力監(jiān)控系統(tǒng)的結構也越來越復雜。電力監(jiān)控系統(tǒng)的各個節(jié)點的系統(tǒng)時鐘保持同步，才能對電力系統(tǒng)進行實時的調度和控制，這對電力系統(tǒng)的運行有著重要意義?，F今大多數電力監(jiān)控系統(tǒng)的時鐘同步系統(tǒng)，是基于GPS和NTP網絡對時協(xié)議搭建，能使系統(tǒng)達到毫秒級的對時精度。隨著系統(tǒng)的復雜程度增加，并且電子式電流、電壓互感器等，要求時間精度達到微秒級的設備的增加，使NTP網絡對時協(xié)議滿足不了當前的需求[1]。IEEE1588為網絡測量和控制系統(tǒng)的精確時鐘同步協(xié)議(precise time protocol，PTP)。它可以通過以太網實現設備之間的同步，其同步精度可以達到亞微秒級，解決分布式電力監(jiān)控系統(tǒng)的時鐘同步精確度問題，滿足了電力監(jiān)控系統(tǒng)對同步對時的要求。

本文首先對IEEE1588的時鐘同步原理進行介紹，然后針對協(xié)議算法中主從時鐘網絡延遲量不對等的問題進行研究，基于移動平均算法對網絡延遲量的測量方法提出了改進，并在最后給出了驗證。

1　IEEE1588的時鐘同步原理

IEEE1588(precise time protocol，PTP)系統(tǒng)是多個節(jié)點構成的一個網絡,其中的每一個節(jié)點都代表了一個時鐘。系統(tǒng)自動根據最佳主時鐘算法(best master clock，BMC)選擇出子網內的唯一的一個節(jié)點作為主時鐘。在系統(tǒng)運行時，主時鐘就是系統(tǒng)的基準時間，每隔一定的時間，就在網絡上發(fā)布自己的本地時鐘信息[2]。各個從時鐘在網絡上獲得此時鐘信息，完成本地時鐘與主時鐘的同步過程。

1.1IEEE1588的時鐘類型

IEEE1588時鐘同步網絡規(guī)定了3種時鐘類型。除了普通時鐘(OC)和邊界時鐘(BC)，在IEEE1588v2版本中又提出了透明時鐘(TC)。透明時鐘又分為點對點透明時鐘(P2P TC)和端到端透明時鐘(E2E TC)。

1.2IEEE1588的同步過程

從時鐘與主時鐘在PTP系統(tǒng)中的同步過程主要使用以下4類報文：Sync(同步報文)、Follow_Up(同步跟隨報文)、Delay_Req(延遲請求報文)、Delay_Resp(延遲應答報文)[3]。其同步過程是分為兩個階段來完成：時鐘偏移量的計算和網絡延遲量的計算。

IEEE1588同步時鐘過程，是通過主-從時鐘互發(fā)同步報文，進行數據交換，從而實現精確對時的。同步過程如圖1所示[4]。

圖1　IEEE1588主從時鐘同步過程

具體同步過程如下：

1) 主時鐘向網絡中發(fā)布同步報文Sync，同時在報文發(fā)出的同時，記錄本地時間的時間戳t1，這個時間就是發(fā)出Sync的時間。

2) 從時鐘在網絡中獲取同步報文Sync，同時在獲取報文的同時，記錄本地時間的時間戳t2，為獲取Sync的時間。

3) 主時鐘把上次記錄的Sync報文發(fā)送時間的時間戳t1寫入同步跟隨報文Follow_Up，發(fā)送給從時鐘。

4) 從時鐘發(fā)送延遲請求報文Delay_Req給主時鐘，同時在報文發(fā)出的同時記錄本地時間的時間戳t3，為從時鐘發(fā)送Delay_Req報文的時間。

5) 主時鐘接收Delay_Req報文，在獲取報文的同時，記錄本地時間的時間戳t4，為主時鐘獲取Delay_Req報文的時間。

6) 主時鐘把記錄的Delay_Req報文獲取時間的時間戳t4寫入延遲應答報文Delay_Resp，發(fā)送給從時鐘。

以上過程為1個對時周期，從時鐘根據1個周期中產生的4個時間戳t1～t4來計算本地時鐘與主時鐘的時鐘偏移量[5]?，F假設從主時鐘發(fā)送報文到從時鐘的網絡延遲量為Delay1，從時鐘到主時鐘為Delay2，從時鐘與主時鐘的時鐘偏移量為Offset，那么根據得到的四個時間戳，可知：

t2-t1=Delay1+Offset

(1)

t4-t3=Delay2-Offset

(2)

然而在對時過程中，Delay1與Delay2幾乎相同，設為Delay，于是

(3)

(4)

至此，從時鐘根據得到的時鐘偏移量Offset和網絡延遲量Delay，可以完成對時。

2　網絡延遲對稱性的影響

在之前分析時鐘同步的過程中，時鐘偏移量和網絡延遲量的計算都是建立在兩個時鐘節(jié)點之間PTP報文往返的網絡延遲相等的基礎上的。在實際的對時網絡系統(tǒng)中，雖然大部分的情況下網絡延遲量都是近乎對稱的，但是由于系統(tǒng)信息量的繁雜，大量實時監(jiān)控數據隨機性收發(fā)，也總會出現對稱程度很差的情況[6]。如果網絡不對稱，那么在計算網絡延時量時就會產生誤差，影響對時的精度[7]。

以最典型的主從時鐘對時過程為例說明。在計算網絡延遲量和時鐘偏移量的時候，最先得出的是式(1)和式(2)。在后續(xù)的計算過程中，假定Delay1與Delay2幾乎相同，設為Delay。但是在實際的對時系統(tǒng)中，Delay1與Delay2很可能由于網絡的實時性堵塞存在一定的偏差。如圖2所示，同步報文Sync在發(fā)送到從時鐘設備的過程中遇到了網絡堵塞，而延遲請求報文Delay_Req在發(fā)送到主時鐘的過程中，網絡堵塞情況已經好轉。

現在設實際網絡偏移量為Delay*，令

2Delay*=Delay1+Delay2+Δt

(5)

再根據式(1)、(2)和(4)，可以推導得到以下公式

Delay1+Delay2=Td1+Td2

(6)

(7)

(8)

由此可見，在出現網絡延遲不對稱的情況下，再按照一般的算法計算網絡延遲量，計算得到的網絡延遲量和跟同步網絡在實際運行中存在的真實值是存在Δt/2偏差的。如果隨機突然出現網絡極端阻塞的情況下，Δt的值會變得很大，對主從時鐘設備精確對時會產生很大的影響，最終會導致同步不精確。

圖2　網絡延遲不對稱對時鐘同步的影響

3　IEEE1588時鐘同步改進算法

本文采用移動平均算法的方式，對測量得到的網絡延遲量經行數據平滑處理。通過這種方法對偏差較大的數據經行處理，可以有效減小網絡延遲量不對稱對對時精度造成的影響。

3.1移動平均算法原理

一般情況，對于測試到的動態(tài)數據y(t)，都是由確定性元素f(t)和隨機性元素x(t)兩部分組成[8]。確定性元素為測量的目的結果或者有效信號，隨機性元素為測試過程中隨機的誤差或者噪聲，即x(t)=e(t)。對動態(tài)數據離散化采樣后,數據可以寫成

(9)

為了使測量結果更精確的表示，減小隨機性誤差ej的影響，經常會對動態(tài)測試數據yj執(zhí)行平滑和濾波的操作。具體就是對非平穩(wěn)數據yj選擇適當的小區(qū)間[9]，把這一段數據視為接近平穩(wěn)的，對其進行某種局部平均操作，從而減小ej引起的隨機波動。沿著全長為N的非平穩(wěn)數據，每個小區(qū)間上不斷進行這種局部平均，就可以得到較為平滑的測量結果fj，從而減小頻繁起伏的隨機性誤差所帶來的影響[10]。

例如，測量得到N個非平穩(wěn)數據yj，把其中每m個連續(xù)數據的小區(qū)間之內的數據看成是接近平穩(wěn)的，即每個小區(qū)間數據的均值接近于常量。于是，可以計算出每m個連續(xù)數據的平均值，以此來表示這m個連續(xù)數據中任一個的取值，并且可以把這個平均值作為減小了隨機誤差之后的測量目的結果或者抑制了噪聲之后的信號。根據不同的適用場合，該均值可以用來表示該區(qū)間內的中點數據或者端點數據。假設取m等于5，并且用平均值代替這5個點中最后的數據，可以得到

(10)

然后可以認為f5=y5。同理，可以得到

(11)

同樣可以認為f6=y6。依此類推,就可以得到后端點移動平均算法的一般表達式：

(12)

經過移動平均處理之后得到的fk=yk，與原來的數據yk相比，數據的隨機波動由于平均作用減小了，故移動平均算法是一種平滑數據的方法。

3.2移動平均算法的特點

移動平均算法最主要的特點是具有簡捷性和實時性。相比別的動態(tài)測試數據算法，移動平均算法簡便，計算量較小[11]，其通過遞推形式來處理離散數據的機制也可以起到節(jié)省存貯單元的作用。除此之外，還能在對非平穩(wěn)數據平滑處理抑制誤差的同時保證數據的實時性。另外，移動平均算法還具有可控制性。移動平均算法處理數據的效果跟移動參數的選則有很大關系，因此通?？梢跃唧w問題具體分析，針對動態(tài)測試目標本身變化的特點和動態(tài)測試數據的實際變化情況，依靠經驗來選擇合適的移動平均參數[12]。

對于本文研究的網絡對時協(xié)議中主從時鐘網絡延遲不對稱問題，移動平均算法可以完全適用。由于對時精確度的要求，所以計算過程的簡便，使移動平均算法很適合應用于此。在對時過程中，對于突然出現波動較大的網絡延遲量，直接做出丟棄處理顯然是不合適的。因為如果此時網絡只是在網絡延遲對稱情況下出現的正常堵塞，那么直接丟棄大波動的測量數據就會使時鐘偏移量測量結果誤差增大，影響對時精度。但是，對于突然出現較大的網絡延遲量，如果直接依據此數據來進行時鐘偏移量的計算，那么當此量是網絡延遲不對稱情況下的大誤差數據時，會使時鐘偏移量測量結果誤差增大，影響對時精度[13]。因此，最好的方法是用算法平滑突然出現波動較大的網絡延遲量，使其幅值降低，但又盡可能快速地向實時數據進行靠攏。因此，移動平均法雖然會比一些高級算法簡單，但是卻適合于對時網絡主從時鐘網絡延遲量的處理。

3.3移動平均算法的一般方法

移動平均算法一般分為兩種：簡單移動平均算法和加權移動平均算法。

按式(3)～(14)的方法來計算移動平均，是沿總數為N的非平穩(wěn)數據不斷依次移動的取m個連續(xù)數據直接做算術平均計算。這就是簡單移動平均算法，在計算過程中相鄰的數據yk-m+1，yk-m+2，…，yk在進行計算時，對于計算結果fk=yk來說是等效的，是一種等權處理。而實際上，與yk距離較遠的數據相對于距離較近的數據對fk的作用可能小,應該是不等權的，因而對實時性要求高的數據，選擇的m個相鄰數據應該在設置成不同的權值之后再進行移動平均平滑數據，這就是加權移動平均算法[14]。

后端點加權移動平均算法一般公式為

(13)

其中ωi為權系數，滿足

(14)

在計算過程中，當式中m的取值偏大，則選取的連續(xù)數據就會偏多，經過平均處理之后產生的平滑作用較大，這種情況下對頻繁隨機波動的誤差能更好地減小，但是會一起平均掉高頻變化的有效信號，引起結果的不準確[15]；而當式中m的取值偏小，則平滑作用較小，對頻繁隨機波動的誤差抑制程度偏小，達不到處理誤差的預計效果。因此，在實際應用當中，需要先分析處理數據的目的和數據實際波動情況，或經過對比試驗，再選取合適的移動平均參數m以及權系數ωi。一般在用移動平均算法處理動態(tài)測試數據的時候，應用相對較多的是5～11點等權移動平均算法和2，3點加權移動平均算法[16]。

4　改進算法驗證

為了測試移動平均算法對IEEE1588協(xié)議的改進，本文采用自行設計的硬件平臺進行了驗證。平臺采用由意法半導體公司(STMicroelectronics,ST)生產的微控制器STM32F107VCT6實現協(xié)議，同時使用TI公司生產的物理層接口芯片DP83640記錄同步報文的硬件時間戳，如圖3所示。

圖3　測試硬件平臺結構

在測試過程中，兩個硬件平臺分別作為主時鐘和從時鐘，通過以太網交換機相連，從時鐘通過串口與PC相連，用Matlab軟件完成主從時鐘偏移量的繪制。在選取移動平均算法的參數時，由于本文搭建的測試平臺規(guī)模較小，僅將主從時鐘電路板通過一臺交換機相連，因此進行主從時鐘同步過程中產生的網絡抖動不大，如果選擇的參數m過大，那么較大的平均作用就會影響正常的高頻數據。所以，在本實驗中，選擇較小的移動平均參數m，這樣不會影響網絡延遲量變化的實時性。另外，在對于算法的選擇方面，由于時鐘同步作為實時性要求較高的過程，選擇了加權移動平均法。圖4為引入2點加權移動平均算法之后的測試結果。

圖4　改進算法前后主從時鐘偏移量對比

在圖4中：上方圖像中的時鐘偏移量是在網絡延遲量計算過程中沒有加入移動平均算法情況下測量得出的，而下方圖像中的時鐘偏移量波動情況明顯要改善很多，在40～45 ns小幅度波動，就是因為使用了移動平均算法對網絡延遲量進行處理。

上述測試結果可以證明：以上改進可以提高IEEE1588協(xié)議的對時精度和穩(wěn)定性，并且對時精度滿足電力監(jiān)控系統(tǒng)亞微秒級的要求。

5　結束語

電力監(jiān)控系統(tǒng)是一個復雜的實時系統(tǒng)，采用IEEE1588協(xié)議作為網絡精確時鐘同步技術，可以在不增加網絡負荷的基礎上，實現亞微秒級的同步精度，可以有效地解決分布式電力監(jiān)控系統(tǒng)的實時性問題，具有很強的研究與應用價值。本文IEEE1588協(xié)議的對時機制進行了研究，并且改進了對時算法。最后通過實驗證明了移動平均算法可以改進IEEE1588協(xié)議的對時精確度和穩(wěn)定性，并且完全滿足電力監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

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(責任編輯楊文青)

Synchronization Algorithm Modification of Power Supervisory System Based on IEEE1588 Protocol

LIU Wei1, PENG Lei1, ZHANG Zhen-tao2，ZHOU Ya-xun1, GONG Jun-ming1

(1.School of Electrical and Electronic Engineering, Chongqing University of Technology,Chongqing 400054, China; 2.Chongqing Institute of Measurement and Quality Inspection, Chongqing 401121, China)

With the development of the power system, the distributed power monitoring and control system of clock synchronization precision demand is higher and higher, and have put forward the requirements of microsecond. To satisfy this requirement, IEEE 1588 precise network clock synchronization protocols were studied in this article, and exposited the principle of high precision clock synchronization. In view of the clock synchronization network latency is dis-symmetry in the process of problems, that using moving average algorithm was proposed to improve the synchronization process of IEEE1588, and finally it was verified.

IEEE1588; power supervisory system; moving average algorithm; network delay

2016-05-17

重慶理工大學研究生創(chuàng)新基金資助項目(YCX2013217)

劉偉(1963—)，男，副教授，主要從事電力系統(tǒng)自動化技術研究，E-mail:liuwei@cqut.edu.cn；彭雷(1992—)，男，河北廊坊人，碩士研究生，主要從事電氣測試技術研究，E-mail:475569812@qq.com。

format：LIU Wei, PENG Lei, ZHANG Zhen-tao,et al.Synchronization Algorithm Modification of Power Supervisory System Based on IEEE1588 Protocol[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(10):135-140.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.10.021

TN915

A

1674-8425(2016)10-0135-06

引用格式：劉偉，彭雷，張朕滔，等.基于IEEE1588協(xié)議電力監(jiān)控系統(tǒng)的對時算法改進[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(10):135-140.