高精度NTP網絡時間服務器

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IEEE1588在數字化變電站時鐘同步方面的應用
【摘要】本文介紹了電力系統目前所采用的時間同步方案技術的局限性以及存在的問題。在此基礎上，提出了使用在標準以太網中應用的IEEE1588精密時間協議（PTP）為傳播主時鐘時序給系統中的其他結點的實現方法。 
【關鍵詞】IEEE1588；時間同步；PTP 
一、電力系統時間同步基本概況 
  隨著對IEC 61850標準研究的不斷深入，國內外學者提出基于IEC61850通信標準體系建設數字化變電站的發展思路。數字化變電站與常規變電站的顯著區別在于過程層傳統的電流/電壓互感器、斷路器將被電子式電流/電壓互感器、智能斷路器取代。在數字化變電站中數據信息的共享程度和數據的實時性將得到大幅度提高。IEC61850標準對智能電子設備的時鐘精度功能要求劃分為5個等級（T1-T5），其中用于計量的T5等級精度達到1us。 
  目前全球定位系統（b bing system，GPS）在變電站自動化系統（substa-tion automationsystem，SAS）中應用很多，GPS同步設備通過硬接線利用脈沖信號進行對時，具有精度高、成本低的特點，其相關技術已很成熟。但是變電站數字化的發展趨勢使得站內二次硬接線被串行通信線所取代，為此IEC61850標準引入了簡單網絡時間協議（simple network time protocol，SNTP）作為網絡對時協議。SNTP是互聯網網絡時間協議（network timeprotocol，NTP）的簡化標準。在一定的網絡結構下，NTP對時精度可達T1等級（1ms），廣域網內誤差范圍為10～100 ms。NTP/SNTP的網絡應用較成熟，但是實現T3等級精度25us很困難。 
  2002年發布的IEEE 1588定義了一種用于分布式測量和控制系統的精密時間協議（precision timeprotocol，PTP），其網絡對時精度可達亞us級，引起了自動化、通信等工業領域研究者的重視。國外一些公司（如Altera、Rockwell等）相繼開始了支持IEEE1588的相關硬件產品開發和IEEE 1588具體工業應用的研究，經進一步完善的IEEE1588標準第2版已經于2008年發布。鑒于IEEE1588高精度的分布式網絡對時特點，IEC TC57第10工作組準備在支持IEEE1588的交換機和以太網芯片有成熟的商業應用后，將IEEE1588引入IEC 61850。因此研究IEEE1588在數字化變電站中的具體應用具有重要意義。 
二、IEEE1588的介紹和實現 
  IEEE1588即PTP（Precision Time Protocol）是適應智能化變電站時間同步的網絡對時方式。該標準在提出之初是致力于工控和測量的精密時鐘同步協議標準，目標是提供亞微妙的同步精度應用。后來該標準受到了自動化領域尤其是分布式運動控制領域的關注，遠程通信和電力系統等相關組織也對其表現出濃厚的興趣。目前在數字化變電站方面，IEEE1588是時間同步的第選擇。 
  PTP系統采用主從層次式結構來同步時鐘，主要定義了4種多點傳送的時鐘報文類型：（1）同步報文，簡稱Sync；（2）跟隨報文，簡稱Follow_Up；（3）延時要求報文，簡稱Delay_Req；（4）回應報文，簡稱Delay_Resp。實現機制如圖所示。圖中：T1為主端發送同步報文的時間；T2為從端收到同步報文的時間；T3為從端發送延遲請求報文的時間；T4為主端收到延遲請求報文的時間。這里假定同步報文的收到延遲與延遲請求報文的發送延遲相同，即路徑是對稱的。 
  主從時鐘間的偏移量TOffset以及傳輸延遲TDelay 
  計算公式為： 
  PTP系統中的時鐘在結構上分為普通時鐘（ordinary clock，OC）與邊界時鐘（boundary clock，BC），功能上解釋為主時鐘與從時鐘。OC為只有一個PTP端口的對時源端或終端設備，BC為有多個PTP端口的交換機、路由器或智能設備。系統中的源時鐘稱為根時鐘（grandmaster clock，GC）。 
  時標單元是PTP實現高精度對時的關鍵，PTP事件報文的時標點經過時鐘時標點時由報文檢測模塊捕獲，進而觸發時標記錄，存儲精確時標數據供應用程序處理。時鐘按照PTP紀元時間設計成32位整數s加32位分數s（ns級），由單一振蕩器觸發。PTP系統的主從層次結構由主時鐘（best master clock，BMC）算法和事件決定，BMC算法獨立運行于每個時鐘，時鐘之間不會進行相互協商。依據同步報文含有的信息以及駐存于時鐘的數據集信息，運用數據集比較算法判斷兩處信息的優劣，采用狀態決定算法產生時鐘端口推薦狀態，再結合特定背景得到端口確定狀態。PTP的BC模型與OC模型結構類似，不再贅述。 
  IEEE1588分為V1和V2兩個版本，V2在V1的基礎上規范了報文格式，增加了End-to-end transparent clock和Peer-to-peer transparent clock等設備類型，增加了可以減少報文數量Peer Delay的對時機制。對于電力系統的點對點對時要求，V1就完全可以滿足。 
  三、IEEE1588的特點及優勢 
  IEEE1588實現主從同步與其他網絡對時方案相比有以下特點 
  （1）Sync報文發送時刻的精確值并不包含于此報文中，而是在其之后的Follow_Up報文中，這樣所帶來的益處是報文傳輸時間和時間測量互不影響。 
  （2）主方通過位于底層的時標生成器獲得精確信息后，發送Follow_Up報文，精確的反映了Sync報文的發送時刻。從方利用時標生成器，可以精確測量Sync報文的接收時刻。這種精確時刻的保證是因為時間標簽信息是在接近于物理層“加蓋”的。同樣，Delay_Req報文和Delay_Resp報文傳輸時刻也能實現精確的時間標記。   （3）相對于主從時鐘偏移量測量，主從通信路徑延時測量并不是周期性的執行，而是較長時間間隔才執行一次，這樣可以減少網絡負載和終端設備的處理任務。 
  正是由于這種軟，硬件結合的方案，消除了協議堆棧延時的不定性，使得IEEE1588協議同步可以達到亞微妙級的精度。 
  針對與數字化變電站的測量，同步相量的測量需要一個精度達到1us的UTC時間源，這可以通過為每個站點提供一個GPS接收器作為主參照時間來得到。就目前而言，站點內各個設備采用IRIG-B技術從GPS接收器獲得相應的時間。 
  站點內設備數據的采集和傳送一般通過局域網LAN進行，而正是由于采用了局域網這種方式，為IEEE1588標準在電力系統中的應用提供了一種機遇，并且由于目前市場上已經具有可以實現IEEE1588功能的邊界時鐘交換機，因此從技術上和應用環境上分析，采用IEEE 1588技術來代替現有的IRIG-B技術是切實可行的。而且，電廠內部各個電器設備，包括電壓器、電流互感器、電壓互感器以及各種監控設備之間的距離通常在一公里到兩公里的范圍之內，這剛好是IEEE1588標準所適用的局域網范圍。 
  相對于傳統的脈沖，IRIG-B等的硬對時方式，IEEE 1588可以自動校正線路的距離，這跟IRIG-B相比，極大地簡化了站點內部各個設備之間時間的分配和同步。而且，由于采用IEEE 1588標準使用網絡對時，可以減少系統內部專用的對時雙絞線，因此可以提高系統的穩定性，并且費用也比采用IRIG-B的方案更加經濟方便。所以，IEEE1588網絡對時方式以其無以倫比的靈活性必將取代傳統的硬對時方式成為電力系統最主要的通信方式 
  四、結束語 
  許多工業、測試和測量、通信應用都要求高精度的時鐘信號以便同步控制信號和捕捉數據等。在標準以太網中應用的IEEE 1588精密時間協議（PTP）為傳播主時鐘時序給系統中的許多結點提供了一種方法。 

IEEE1588在數字化變電站時鐘同步方面的應用

【摘要】本文介紹了電力系統目前所采用的時間同步方案技術的局限性以及存在的問題。在此基礎上，提出了使用在標準以太網中應用的IEEE1588精密時間協議（PTP）為傳播主時鐘時序給系統中的其他結點的實現方法。

【關鍵詞】IEEE1588；時間同步；PTP

一、電力系統時間同步基本概況

  隨著對IEC 61850標準研究的不斷深入，國內外學者提出基于IEC61850通信標準體系建設數字化變電站的發展思路。數字化變電站與常規變電站的顯著區別在于過程層傳統的電流/電壓互感器、斷路器將被電子式電流/電壓互感器、智能斷路器取代。在數字化變電站中數據信息的共享程度和數據的實時性將得到大幅度提高。IEC61850標準對智能電子設備的時鐘精度功能要求劃分為5個等級（T1-T5），其中用于計量的T5等級精度達到1us。

  目前全球定位系統（b bing system，GPS）在變電站自動化系統（substa-tion automationsystem，SAS）中應用很多，GPS同步設備通過硬接線利用脈沖信號進行對時，具有精度高、成本低的特點，其相關技術已很成熟。但是變電站數字化的發展趨勢使得站內二次硬接線被串行通信線所取代，為此IEC61850標準引入了簡單網絡時間協議（simple network time protocol，SNTP）作為網絡對時協議。SNTP是互聯網網絡時間協議（network timeprotocol，NTP）的簡化標準。在一定的網絡結構下，NTP對時精度可達T1等級（1ms），廣域網內誤差范圍為10～100 ms。NTP/SNTP的網絡應用較成熟，但是實現T3等級精度25us很困難。

  2002年發布的IEEE 1588定義了一種用于分布式測量和控制系統的精密時間協議（precision timeprotocol，PTP），其網絡對時精度可達亞us級，引起了自動化、通信等工業領域研究者的重視。國外一些公司（如Altera、Rockwell等）相繼開始了支持IEEE1588的相關硬件產品開發和IEEE 1588具體工業應用的研究，經進一步完善的IEEE1588標準第2版已經于2008年發布。鑒于IEEE1588高精度的分布式網絡對時特點，IEC TC57第10工作組準備在支持IEEE1588的交換機和以太網芯片有成熟的商業應用后，將IEEE1588引入IEC 61850。因此研究IEEE1588在數字化變電站中的具體應用具有重要意義。

二、IEEE1588的介紹和實現

  IEEE1588即PTP（Precision Time Protocol）是適應智能化變電站時間同步的網絡對時方式。該標準在提出之初是致力于工控和測量的精密時鐘同步協議標準，目標是提供亞微妙的同步精度應用。后來該標準受到了自動化領域尤其是分布式運動控制領域的關注，遠程通信和電力系統等相關組織也對其表現出濃厚的興趣。目前在數字化變電站方面，IEEE1588是時間同步的擇。

  PTP系統采用主從層次式結構來同步時鐘，主要定義了4種多點傳送的時鐘報文類型：（1）同步報文，簡稱Sync；（2）跟隨報文，簡稱Follow_Up；（3）延時要求報文，簡稱Delay_Req；（4）回應報文，簡稱Delay_Resp。實現機制如圖所示。圖中：T1為主端發送同步報文的時間；T2為從端收到同步報文的時間；T3為從端發送延遲請求報文的時間；T4為主端收到延遲請求報文的時間。這里假定同步報文的收到延遲與延遲請求報文的發送延遲相同，即路徑是對稱的。

  主從時鐘間的偏移量TOffset以及傳輸延遲TDelay

  計算公式為：

  PTP系統中的時鐘在結構上分為普通時鐘（ordinary clock，OC）與邊界時鐘（boundary clock，BC），功能上解釋為主時鐘與從時鐘。OC為只有一個PTP端口的對時源端或終端設備，BC為有多個PTP端口的交換機、路由器或智能設備。系統中的源時鐘稱為根時鐘（grandmaster clock，GC）。

  時標單元是PTP實現高精度對時的關鍵，PTP事件報文的時標點經過時鐘時標點時由報文檢測模塊捕獲，進而觸發時標記錄，存儲精確時標數據供應用程序處理。時鐘按照PTP紀元時間設計成32位整數s加32位分數s（ns級），由單一振蕩器觸發。PTP系統的主從層次結構由主時鐘（best master clock，BMC）算法和事件決定，BMC算法獨立運行于每個時鐘，時鐘之間不會進行相互協商。依據同步報文含有的信息以及駐存于時鐘的數據集信息，運用數據集比較算法判斷兩處信息的優劣，采用狀態決定算法產生時鐘端口推薦狀態，再結合特定背景得到端口確定狀態。PTP的BC模型與OC模型結構類似，不再贅述。

  IEEE1588分為V1和V2兩個版本，V2在V1的基礎上規范了報文格式，增加了End-to-end transparent clock和Peer-to-peer transparent clock等設備類型，增加了可以減少報文數量Peer Delay的對時機制。對于電力系統的點對點對時要求，V1就完全可以滿足。

  三、IEEE1588的特點及優勢

  IEEE1588實現主從同步與其他網絡對時方案相比有以下特點

  （1）Sync報文發送時刻的精確值并不包含于此報文中，而是在其之后的Follow_Up報文中，這樣所帶來的益處是報文傳輸時間和時間測量互不影響。

  （2）主方通過位于底層的時標生成器獲得精確信息后，發送Follow_Up報文，精確的反映了Sync報文的發送時刻。從方利用時標生成器，可以精確測量Sync報文的接收時刻。這種精確時刻的保證是因為時間標簽信息是在接近于物理層“加蓋”的。同樣，Delay_Req報文和Delay_Resp報文傳輸時刻也能實現精確的時間標記。   （3）相對于主從時鐘偏移量測量，主從通信路徑延時測量并不是周期性的執行，而是較長時間間隔才執行一次，這樣可以減少網絡負載和終端設備的處理任務。

  正是由于這種軟，硬件結合的方案，消除了協議堆棧延時的不定性，使得IEEE1588協議同步可以達到亞微妙級的精度。

  針對與數字化變電站的測量，同步相量的測量需要一個精度達到1us的UTC時間源，這可以通過為每個站點提供一個GPS接收器作為主參照時間來得到。就目前而言，站點內各個設備采用IRIG-B技術從GPS接收器獲得相應的時間。

  站點內設備數據的采集和傳送一般通過局域網LAN進行，而正是由于采用了局域網這種方式，為IEEE1588標準在電力系統中的應用提供了一種機遇，并且由于目前市場上已經具有可以實現IEEE1588功能的邊界時鐘交換機，因此從技術上和應用環境上分析，采用IEEE 1588技術來代替現有的IRIG-B技術是切實可行的。而且，電廠內部各個電器設備，包括電壓器、電流互感器、電壓互感器以及各種監控設備之間的距離通常在一公里到兩公里的范圍之內，這剛好是IEEE1588標準所適用的局域網范圍。

  相對于傳統的脈沖，IRIG-B等的硬對時方式，IEEE 1588可以自動校正線路的距離，這跟IRIG-B相比，極大地簡化了站點內部各個設備之間時間的分配和同步。而且，由于采用IEEE 1588標準使用網絡對時，可以減少系統內部專用的對時雙絞線，因此可以提高系統的穩定性，并且費用也比采用IRIG-B的方案更加經濟方便。所以，IEEE1588網絡對時方式以其無以倫比的靈活性必將取代傳統的硬對時方式成為電力系統最主要的通信方式

  四、結束語

  許多工業、測試和測量、通信應用都要求高精度的時鐘信號以便同步控制信號和捕捉數據等。在標準以太網中應用的IEEE 1588精密時間協議（PTP）為傳播主時鐘時序給系統中的許多結點提供了一種方法。