IEEE 1588精确时间同步协议的应用方案

!GMMM=7FF 协 议 的 不 足
通过对TVVV!(66协 议 的 分 析 可 以 看 出!如 果 协议要在电力系统 厂 站 的 自 动 化 网 络 中 应 用!就 必 须满足以下5个条件,
!(往 返 传 输 延 时 应 对 称 " 然 而 在 实 际 的 以 太 网 交换机组网中!不 可 能 绝 对 满 足 这 个 假 设 前 提" 因 为以太网中存在一 些 连 接 设 备 '例 如 交 换 机(!它 们 自身存在缓存!当网络负荷严重时!TVVV!(66 协 议 报文需要与其他类 型 的 报 文 一 样 排 队 传 输!而 且 这 些连接设备缓存 空 间 有 限!会 发 生 冲 突)丢 包!这 些 都 会 影 响TVVV!(66 协 议 假 设 前 提 的 成 立 "
\@0算法主 要 完 成 本 地 时 钟 节 点 与 主 时 钟 的 校准"图5所示为主时钟和从时钟校准流程"从时 钟先通过报文传输的往返迭代得出路径延时 '-GICP(!然 后 计 算 出 主)从 时 钟 的 时 间 偏 移 ';MM9GH(!最 后 对 从 时 钟 进 行 调 节 同 步 "
图 A!ICO算 法 示 意 图 "#$%A!O);(30*#).2ICO0/$.'#*;3
摘要阐述了TVVV!(66协议比以往时 间 同 步 方 式 如 网 络 时 间 协 议 !WSQ#的 优 点$分 析 了TVVV !(66协议的5个核心算法"""最 佳 主 时 钟 !e/@#算 法 和 本 地 时 钟 同 步 !\@0#算 法$提 出 了 解 决 TVVV!(66 协 议 在 实 际 应 用 中 不 能 满 足 其 假 设 前 提 的 解 决 方 法$在 实 验 室 环 境 中 利 用 &./45## 平台实现了TVVV!(66 协 议 并 进 行 了 测 试$结 果 表 明 其 明 显 优 于 WSQ& 该 研 究 工 作 对 于 TVVV !(66 协 议 在 电 力 系 统 中 的 实 际 应 用 具 有 重 要 意 义 &
:;MM9GH ;:@5 <:/! <
'!(
式 中 , 为 线 路 延 时 "
3(从时钟在:@'时刻向 主 时 钟 发 送 NGICP.GU报
文"
'(在:@(时刻!从时钟收到 主 时 钟 发 送 的 与 同 一 回合的 NGICP.GU报 文 相 对 应 的 NGICP.GU报 文!其 包含了 主 时 钟 收 到 NGICP.GU 的 时 刻:/'!其 延 时 为,
第 33 卷!第 !3 期 5##4 年 $ 月 !# 日
+;I"33!W;"!3 XBIP!#!5##4
GMMM=7FF精确时间同步协议的应用方案
于 鹏 飞!喻 ! 强!邓 ! 辉!鲍 兴 川!马 媛 媛!郭 经 红!5
'!"国网电力科学研究院&南京南瑞集团公司!江苏省南京市 5!###3+ 5"南京大学计算机软件新技术国家重点实验室!江苏省南京市 5!###3(
5(厂站 中 应 用 TVVV!(66 协 议 的 设 备 必 须 有 以太 网 /&@ 层 打 时 间 戳 的 硬 件 支 持!然 而 这 种 硬 件 支 持 的 实 现 是 比 较 复 杂 的!这 也 制 约 了 TVVV !(66 协 议 的 应 用 与 发 展"TVVV!(66 协 议 发 布 之 初 !协 议 的 应 用 主 要 在 专 用 的 测 控 网 络 !例 如 控 制 器 局域网'@&W(!因 为 类 似 于 @&W 的 串 行 专 用 网 络 提供 TVVV!(66 协 议 需 要 的 硬 件 支 持 较 为 容 易" 而在以太网中提供 这 种 硬 件 支 持 则 较 为 复 杂!直 到 5##'年国际局 域 网 '\&W(扩 展 仪 器 '\]T(联 盟 推 出的 新 一 代 能 够 支 持TVVV!(66 协 议 的 \]T总 线 技术标准#'$!而这 时 的TVVV!(66 协 议 应 用 仍 局 限 于专用网"随后市场上出现了具有以太网 /&@ 层 打 时 间 戳 功 能 的 芯 片!例 如,飞 思 卡 尔 的 以 /Q@63,#为代表的 系 列 芯 片 和T<HGI的 以T]Q'(] 为代表的系列芯片 等!它 们 都 与 @Q? 集 成 在 一 起+ &IHGJC公司提供具有以太网 /&@ 层打 时 间 戳 功 能
工 程 应 用 于 鹏 飞 等 !.../011 精 确 时 间 同 步 协 议 的 应 用 方 案
的!" 核但 只 能 用 于 #$%&'( 公 司 提 供 的 现 场 可 编 程门阵列)"*#中这些 芯 片 的 出 现 只 能 解 决 设 备 端 的 硬 件 支 持 问 题 但 可 能 使 成 本 大 增 而 且 解 决 不了交换机等以太网连接设备的硬件支持问题直 到 +,,- 年 初 美 国 国 家 半 导 体 公 司 推 出 了 市 场 上 首 款具备!.../011 协 议 需 要 的 硬 件 支 持 功 能 的 以 太网收发器 2"1345,0交 换 机 等 以 太 网 连 接 设 备 的硬件支持问题才有可能得到解决
图5中, !(从时钟在:@5时刻收到主 时 钟 发 送 的 0P<1广 播报文" 5(在:@3时刻!从时钟收到 主 时 钟 发 送 的 携 带 同 * !## *
一回合 0P<1报 文 发 送 时 间:/! 的 >;II;R?L 报 文!
从 时 钟 与 主 时 钟 的 时 间 偏 移:;MM9GH为 ,
电力自 动 化 系 统 通 常 是 以 太 网 交 换 机 组 网! TVVV!(66协议顺应 了 报 文 同 步 的 发 展 趋 势!不 但 借鉴了 WSQ 和 0WSQ 技 术#3$!通 过 迭 代 消 除 了 往 返 的 路 径 延 时!而 且 利 用 以 太 网 媒 体 访 问 控 制 '/&@(层打时间 戳 技 术'见 图 !(!消 除 了 设 备 响 应 时 间 同 步 报 文 的 不 确 定 延 时 !因 此 !很 大 程 度 地 提 高 了时间 同 步 精 度"TVVV!(66 协 议 占 用 很 少 的 资 源!无论是 @Q? 资源 还 是 网 络 资 源 都 非 常 少!非 常 便于各种时钟接收设备的兼容"TVVV!(66 协议 还 是一个自适应的系 统!能 够 自 己 管 理 系 统 内 的 时 钟 节点!很大地减少人工参与 " #!$
e/@ 算法主要 完 成 选 举 主 时 钟 和 生 成 拓 扑 结 构5个任务"主时钟 选 举 是 通 过 比 较 时 钟 属 性 '例 如 是 否 指 定 主 )从 时 钟 ()时 钟 等 级 'TVVV!(66 协 议 用于标识时钟 精 度()时 钟 类 型 'TVVV!(66 协 议 标 识 的 时 钟 源 类 型 !例 如 时 钟 源 来 自 铷 钟 )铯 钟 等 ()时 钟特性'例如时钟的 偏 移)方 差 等(以 及 时 钟 地 址 和 时 钟 端 口 号 '当 其 他 特 征 都 一 样 时 !TVVV!(66 协 议 会 选 小 的 作 为 主 时 钟 (等 !来 确 定 哪 一 个 时 钟 节 点 会 成为主时钟!进 而 产 生 拓 扑 结 构"TVVV!(66 协 议 会生成树形拓扑结 构!将 一 些 竞 争 失 败 的 节 点 端 口 定义为禁用'-F9COIG-(状 态)被动'LC99FZG(状态等! 避免生成回路"
关 键 词 TVVV!(66'电 力 系 统 '最 佳 主 时 钟 '本 地 时 钟 同 步 '网 络 延 时 不 确 定
中 图 分 类 号 S/$3'S/$,!
! 引 言
精确的时间同步系统在电力自动化系统中占有 重要地位!某些电力 系 统 业 务 甚 至 要 求 时 间 同 步 误 差 小 于!9'例 如 线 路 行 波 故 障 测 距 )雷 电 定 位 等 (! 因此!精确时间同步 是 电 力 自 动 化 系 统 非 常 关 心 的 研究课题"TVVV0H-!(66S/ *5##5-网络 测 量 和 控 制系 统 的 精 确 时 钟 同 步 协 议.'简 称 TVVV!(66 协 议(已于5##5年发 布#!$"5##' 年!TV@ 也 发 布 了 相 应的TV@,!(66标准"TVVV!(66协议又 称精确 时 间协议'QSQ(!利 用 以 太 网 或 其 他 支 持 多 播 技 术 的 网 络 使 终 端 设 备 同 步 !最 高 精 度 可 以 达 到 亚 微 秒 级 " 同时!TVVV!(66协议对资源要求非常低!易于 高中 低端设备之 间 的 兼 容" 但 是!TVVV!(66 协 议 为 了 保 证 高 精 度 !需 要 硬 件 支 持 !这 对 于 兼 容 性 很 高 的 以 太 网 来 说 !制 约 了TVVV!(66 协 议 的 应 用 与 发 展 "
目前电力系统中的时间同步系统主要采用3种 方式,利用全球定位系统'EQ0(同 步!就是 在时 钟
收 稿 日 期 %5##48#!8!3'修 回 日 期 %5##48#'8#4& 国家电网 公 司 科 技 项 目 !0EfX(5##$)!##3#'江 苏 省 软 件 和 集成电路业专项经费资助项目!X0#,',#'南 京 大 学 计 算 机 软 件新技术国家重点实验室项目*高精度网络时间同步 技 术 及 其 应 用 的 研 究 +!5##6 年 6 月 "5#!# 年 6 月 #&
本文 首 先 针 对 TVVV!(66 协 议 的 以 太 网 应 用 对协议进行了分析!介绍了TVVV!(66 协议 的 优 点 和核心 算法!然 后针对TVVV!(66 协议的 不足 提 出 了相应的解决方案!并 且 搭 建 测 试 平 台 在 实 验 室 局 域网中进行了测试"
!GMMM=7FF 协 议 的 革 新
* 44 *
5##4!33'!3(
!
图=!N:C 层打时间戳示意图 "#$%=!O);(30*#).2*#3(@*03<#, N:C/0L('
!GMMM=7FF 协 议 的 核 wenku.baidu.com 算 法
TVVV!(66协 议 的 核 心 算 法 包 括 最 佳 主 时 钟 'e/@(算法和本地时钟同步'\@0(算法 " #!$

;:@5
<:/!
=:/' 5
<:@'
'5(
将延时 代入式'!(可以得出:;MM9GH!进而 可 以 对 从 时
钟进行调节"
可以看出!\@0算法 的 假 设 前 提 是 报 文 往 返 的 路径延时相等!或者 说 网 络 的 往 返 传 输 延 时 是 对 称
的 !但 在 实 际 的 以 太 网 中 这 是 不 可 能 绝 对 满 足 的 "
同步 接 收 设 备 加 载 EQ0 模 块+ 编 码 同 步!例 如 T.TE8e 格式时间码等!就是将时钟 源的 时间 信息 经 过编码!利用专用的 传 输 媒 体 将 其 传 送 至 各 个 时 钟 信息 的 接 收 端#5$+ 报 文 同 步!例 如 网 络 时 间 协 议 'WSQ()简单网络时间协 议'0WSQ(!就 是 将 时 钟 源 的时间信息以以太网包的形式传送至各个时钟信息 的接收端"
以上几种方式都存在缺陷"第!种方式虽然标 称 精 度 可 以 达 到!9!但 受 环 境 天 气 的 影 响 较 大 !很 难时刻保持很高的精度"第5种方式要占用专门的 传输通道!传 输 距 离 有 限!传 输 距 离 越 长 则 精 度 越 差"第3种报文同步方式是目前时间同步系统的发 展 趋 势 !不 存 在 前 5 种 方 式 的 局 限 !但 是 由 于 以 太 网 传输过程中存在延 时 的 不 确 定 性 '例 如 交 换 机 交 换 延时)设备响应时间 同 步 报 文 延 时 等(!精 度 不 能 满 足电力系统所 有 的 业 务 需 求!据 调 研!目 前 的 WSQ 和 0WSQ 在 局 域 网 中 可 以 达 到 ! 29的 精 度!在 广 域网中只能达到几十毫秒的精度"