中國電子科技集團公司第五十四研究所 董廣玉

隨著網(wǎng)絡控制技術水平的不斷提升，分布式控制系統(tǒng)也提出對時鐘同步精度的更高標準，本文以IEEE1588精密時鐘同步協(xié)議為例，對該高精度時鐘的同步機制與校正原理闡述說明，并對IEEE1588協(xié)議的BMC（最佳主時鐘）、LCS（本地時鐘同步）兩大核心算法進行分析，并以技術開發(fā)角度提出了IEEE1588精密時鐘同步協(xié)議，應用于數(shù)字化通信機房的應用方案，通過系統(tǒng)測試發(fā)現(xiàn)了數(shù)字化通信機房內(nèi)IEEE1588的高精度時間同步實現(xiàn)可行性。

IEEE1588作為一種精密時鐘同步協(xié)議標準，主要應用于網(wǎng)絡測量及控制系統(tǒng)中，作為新一代測控縱向LXI標準關鍵組成，為了可以更好的滿足工業(yè)控制、儀器測量相關領域中微秒級標準的時間同步需求，IEEE1588標準自提出得以廣泛應用。IEEE1588標準代稱網(wǎng)絡測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標準，該標準原理就是經(jīng)同步信號周期性，能夠校正網(wǎng)絡內(nèi)的全部節(jié)點時鐘達到同步，并基于以太網(wǎng)分布式系統(tǒng)，精準同步亞納秒時鐘。IEEE1588標準較現(xiàn)階段的GPS、NTP/SNTP達到配置簡單優(yōu)化、高精度且快速收斂，以及較小資源消耗與網(wǎng)絡帶寬特點。對于時鐘同步精度方面也要求更加嚴格，譬如運用于電力自動化系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)、移動通信網(wǎng)等領域，引發(fā)人們的廣泛關注。

1 IEEE1588時鐘同步協(xié)議機制

1.1 PTP時鐘狀態(tài)機

PTP時鐘同步系統(tǒng)作為包括主時鐘、從時鐘這樣兩部分之間構成主從關系的網(wǎng)絡層次結構，以單個或多個PTP子域共同組成，并且每一個子域內(nèi)都含有按個或多個彼此通信時鐘。在網(wǎng)絡內(nèi)每一個PTP時鐘，都極有可能存在兩種不同狀態(tài)，具體狀態(tài)主要取決于BMC算法，在主時鐘狀態(tài)下設備為精確時鐘，能夠與從時鐘的時間同步，但是一個主時鐘只能存在1個通信子域內(nèi)。

對于PTP網(wǎng)絡內(nèi)每一個時鐘設備，經(jīng)周期性交換帶有時間信息同步報文，能夠計算主時鐘和從時鐘之間存在的偏差與網(wǎng)絡延時，對偏差進行糾正，對延時進行補償處理，能夠做到主時鐘和從時鐘之間同步亞納秒級。在其中一個時鐘上線，對于系統(tǒng)指定時間階段內(nèi)，可以負責對主時鐘Sync信息的監(jiān)聽。

一是假若收到同步報文信息源于主時鐘，這代表本地始終進入Slave狀態(tài)；二是假若在一段時間內(nèi)都并未獲取同步報文信息，則假定這個時鐘就是主時鐘，處于Pre-Master狀態(tài)，端口為主時鐘表現(xiàn)狀態(tài)，但是無法負責同步報文信息發(fā)送。這種Pre-Master狀態(tài)會持續(xù)一定時間，假設在這段時間內(nèi)仍然未能收到其他時鐘發(fā)送的同步報文信息，則表示這個時鐘處于Master主狀態(tài)，發(fā)送Sync信息。

在時鐘的各自端口都負責最佳主時鐘算法，對自己時鐘狀態(tài)以及網(wǎng)絡內(nèi)的其他時鐘狀態(tài)加以確定，假若時鐘某Slave狀態(tài)下的端口，能夠確定質(zhì)量高于當前網(wǎng)絡內(nèi)的主時鐘，則主時鐘端口會接收更優(yōu)質(zhì)量的Sync狀態(tài)信息，這個端口會呈現(xiàn)主時鐘狀態(tài)發(fā)送同步報文信息，之后主時鐘會停止向網(wǎng)絡宣布自己是主時鐘同時停止發(fā)送同步報文。

1.2 PTP時鐘同步及LCS算法

針對時鐘網(wǎng)絡內(nèi)已經(jīng)確定主從關系的時鐘，運用LCS算法對本地時鐘校準同步主時鐘（見圖1）。根據(jù)下圖流程在始終Tc2時刻，能夠接收主時鐘發(fā)送同步報文，在Ts3時刻下，從時鐘能夠接收主時鐘的發(fā)送同步報文，根據(jù)時鐘主時鐘偏移Toffset公式如下：

在時鐘Tc4時刻發(fā)送Delay Req報文至主時鐘，在Rs5時刻時鐘可以接收Delay Req報文，對應主時鐘發(fā)送的Delay Req報文，二者延時公式如下：

圖1 PTP時序圖

1.3 BMC算法

BMC算法能夠在PTP系統(tǒng)每一個時鐘獨立運行，主要負責主時鐘與生成時鐘網(wǎng)絡拓撲結構，所受DSC（數(shù)據(jù)設置比較算法）與SD（狀態(tài)決定算法）完成。在DSC算法中能夠依照不同同步報文數(shù)據(jù)集，對比篩選最佳化報文，對最佳主時鐘確定形成拓撲結構。作用于動態(tài)化時鐘，達到同步時鐘系統(tǒng)運行中可以根據(jù)實時數(shù)據(jù)，對比時鐘選擇相應的數(shù)據(jù)集，并對不同端口節(jié)點狀態(tài)做出動態(tài)化調(diào)整。狀態(tài)決定算法對于時鐘所處PTP子域主時鐘確定后，與各數(shù)據(jù)集相應信息為依據(jù)，計算不同時鐘的PTP端口推薦狀態(tài)適當調(diào)整。為了避免網(wǎng)絡生成回路，狀態(tài)決定算法可以自動生成數(shù)形拓撲結構，定義競爭失敗節(jié)點端口為disabled禁用、Passive被動兩狀態(tài)。

2 IEEE1588時鐘應用數(shù)字化通信機房實現(xiàn)

2.1 通信機房應用方案

（1）同步精度要求

通信機房劃分了邏輯結構層、物理結構層，達到網(wǎng)絡化站控層、過程層、間隔層之間信息交互，IEC61850-5-13同步數(shù)字化通信機房的時間報文精度，以差異化需求劃分5個等級分別為T1～T5，對測量中的具體采樣值，以達到最高同步精度要求控制為±1μs，站控層同步精度要求較低±1ms。

（2）配置方案

在通信機房中有諸多不同類型，網(wǎng)絡拓撲結構、保護測控設備配置也并不代表全部相同，目前基于以太網(wǎng)結構基本包括了總線、星形、環(huán)形以上三種，在本文選用星型結構研究IEEE1588時鐘配置，考慮該通信機房的時鐘同步關鍵，均運用IEEE1588時鐘高精度同步報文。本次IEEE1588時鐘應用通信機房中，選用了北斗衛(wèi)星同步時鐘，GPS同步時鐘作為方案一，北斗衛(wèi)星同步原子時鐘作為方案二。因為衛(wèi)星同步易受電磁、天氣等因素干擾，所以優(yōu)先選擇了方案二，分別與2個邊界時鐘連接，之后又將邊界時鐘連接，確保避免丟失其中一個主時鐘情況下，仍然可以與另一個連接的邊界時鐘，精準同步時間。

在對同步報文和跟隨報文發(fā)送的同時，時鐘端口對網(wǎng)絡上的消息進行監(jiān)聽，一旦有消息到來則進行接收，并記下接收時間，根據(jù)報文的識別符進行判斷，看接收到的報文是哪一類報文，如果接收到的報文是同步報文，則將報文進行解包并對接收到的報文進行接收處理，若接收到的同步報文為有效報文，則調(diào)用最佳主時鐘模塊來判斷本地時鐘的狀態(tài)，如果本地時鐘的狀態(tài)在運行最佳主時鐘算法后仍為主時鐘，則按照所設定的時間間隔繼續(xù)向網(wǎng)絡中周期性地發(fā)送同步報文和跟隨報文。若主時鐘收到從時鐘發(fā)來的延遲請求報文，則將延遲請求報文到達的時間記錄下來，構建延遲請求應答報文并將延遲請求報文到達主時鐘的時間放入報文中；在構建好延遲請求應答報文后，主時鐘將報文進行格式轉換后送入發(fā)送緩沖區(qū)發(fā)送給從時鐘。

3 測試驗證

3.1 測試原理

結合以上設計調(diào)試IEEE1588時鐘的各報文標準協(xié)議后，需要對應測試驗證系統(tǒng)各功能，驗證IEEE1588時鐘是否可以滿足系統(tǒng)高精度需求，根據(jù)網(wǎng)絡所發(fā)布的同步觸發(fā)時間情況，借助廣播方式發(fā)送，達到主時鐘、從時鐘二者同步接收以太網(wǎng)觸發(fā)時間，相較本地時間在達到要求時間時，主從量時鐘均由各自I/O輸出口，發(fā)送相應的變化脈沖信號，與同一示波器接收兩時鐘的信號，通過運用邏輯分析儀對不同信號波形進行分析，對比得出兩時鐘差值判斷是否滿足IEEE1588時鐘高精度時鐘同步功能標準。

根據(jù)對比主從兩時鐘的信號波形，發(fā)現(xiàn)符合IEEE1588時鐘高精度時鐘同步功能標準要求，可以達到百μ級別的時鐘同步精度，因為獲取時間方法及所在位置，會很大程度上硬性時鐘同步精度，所以可以通過改變硬件條件達到高精度時鐘同步要求的場所。

結語：總之，IEEE1588時鐘高精度時鐘同步協(xié)議基于網(wǎng)絡，作為LXI儀器關鍵技術，在本研究通過基于IEEE1588時鐘高精度時鐘同步協(xié)議的原理基礎上，在區(qū)域通信機房提出IEEE1588時鐘的應用方案，并展開驗證測試發(fā)現(xiàn)了通信機房內(nèi)IEEE1588的高精度時間同步實現(xiàn)可行性。