混合时钟同步技术在船舶电力系统同步相量测量中的应用研究
2014-08-08王黎明闫晓玲卜乐平
王黎明+闫晓玲+卜乐平
收稿日期：2013-03-26
基金项目：国家自然科学基金项目（61101206）
作者简介：王黎明（1978—），男，山东莱阳人，副教授,博士，研究方向：智能控制，网络通信等相关。
文章编号：1003-6199(2014)02-0052-05
摘 要：针对船舶电力系统相对于陆地广域电力系统的不同特性，分析传统时钟同步方法对于船舶同步向量测量单元（SPMU）的局限性，采用一种基于IEEE1588协议的卫星时钟同步与局域网时钟同步相结合的混合时钟同步技术实现SPMU的时钟同步，通过实验对同步偏差性能进行测试，结果表明时钟同步偏差维持在±500ns以内，可以满足电力系统对电力参数测量的同步精度要求。
关键词：电力系统; 时钟同步; SPMU
中图分类号：U665文献标识码：A
Research on Hybrid Clock Synchronization Technology Used in Phasor Measurement of Ship Power System
WANG Liming, YAN Xiaoling, PU Leping
(Electric and Information College, Naval Engineering Univ., Wuhan,Hubei 430033,China)
Abstract:Contrast to terrestrial widearea power system, the ship has many different characteristic; as a result, traditional clock synchronization method is not fit for ships power system. According to the problem, the article proposed a method based on IEEE1588 protocol for the clock synchronization scheme of SPMU, this method mixes satellite clock synchronization and localarea network clock synchronization. By synchronization offset capability experiment using the new method, it has been confirmed that its offset is less than ±500n, which could meet the accuracy requirement of power system synchronization parameter measurement.
Key words:power system; clock synchronization;SPMU
1 引 言
随着船舶综合电力技术的不断发展，船舶电力系统稳定运行需要通过分布式系统来获得深层次的能量调度及动态监控。分布式系统实现统一调度和精确控制的核心是各个节点在统一的时间系统下同步运行，因此如何同步各个节点的时钟对于分布式系统的功能实现来说具有决定性的作用。船舶同步相量测量单元（SPMU）可为船舶的分布式系统的实时调度与动态管理提供精确、实时、同步的电力系统原始状态参数，完成各个节点的时钟同步。
2 混合同步方案在舰船电力系统同步相量
测量单元中应用分析
从时钟同步实现的机制上主要分为硬件时钟同步、软件时钟同步和混合时钟同步三种方式。硬件同步是借助卫星时间信号接收机（如GPS、北斗、GLONASS接收机）或各网络节点都联入专用的时钟信号线进行时钟同步，硬件同步精度很高，但成本很高、操作不便；软件时钟同步是指利用时钟同步协议和相关算法在同步域内进行的时钟同步，软件同步的程序复杂，而且同步报文在网络上的延迟时间受环境影响较大，而且软件同步的精度随着时间的增加逐渐降低; 混合时钟同步方式是指将软、硬件时钟同步的优点结合起来，形成一种综合方案。
船舶电力系统同步相量测量单元的应用对象舰船电力系统不同于陆地广域测量系统（WideArea Measurement System, WAMS）的应用对象陆地广域电力系统，船舶电力系统是小区域的独立系统。目前的广域测量电力系统为保证电力参数的同步测量给每个SPMU单独配置一个卫星时钟接收模块(如GPS、北斗、GLONASS)。但船舶电力系统的发电设备、配电设备、母线等布设在舰船的底层，而且由于舰船空间狭小、布线密集，每个SPMU测量点都配备卫星时钟接收模块是没有办法实现的。因此需要采用基于局域网的时钟同步方式，传统的基于广域网的时钟同步协议NTP、SNTP，所需的设备简单，精度较低只能达到毫秒级，难以满足IEC61580标准T5等级对计量精度达到±1μS的要求。而在局域网内应用IEEE1588协议可以达到亚微妙级的时钟同步精度。此外与针对广域网络时钟同步协议不同，PTP协议是针对小型的同构或异构网络而设计的，它特别适合于工控和测量环境。
计算技术与自动化2014年6月
第33卷第2期王黎明等:混合时钟同步技术在船舶电力系统同步相量测量中的应用研究
根据船舶电力系统的特点，可以将其抽象化为一个局域网拓扑结构模型，考虑到舰船电力系统的结构上的特性以及对时间精度的要求，本文采用基于IEEE1588协议的卫星时钟同步与局域网时钟同步相结合的混合时钟同步技术作为舰船同步相量测量系统的时钟同步方法。
3 基于局域网的时钟同步协议
IEEE1588(the Precision Time Protocol 简称为PTP)是精密网络时钟同步协议的国际标准，最初，PTP协议是被设计为专门针对基于工业以太网的传感器与作动器所组成的小规模局域网上采用的一种时钟同步协议，它的开发重点在高精度与高性能。由于PTP是针对相对稳定和安全的局域网环境设计的，所以更为简单，占用的网络和计算资源也更少，甚至可以在嵌入式计算机系统中使用。
PTP定义了一个在测量和控制系统中，与网络通信，本地计算和分配对象有关的精确时钟同步协议，该协议适用于任何满足多点通信的分布式控制系统，对于采用多播技术终端的时钟可实现亚微秒级同步。支持PTP协议的时钟同步域包括多个节点，每个节点代表一个时钟，时钟之间通过网络相连接，并由网络中最精确的时钟以基于报文的传输方式同步所有其他时钟。PTP协议的核心内容是如何在一个同步域内选择最佳的主时钟以及从时钟如何与主时钟保持同步。
3.1 IEEE1588时钟同步模型
IEEE1588协议采用了P/S (发布者/接收者)模式。主时钟作为时间信息发布者，从时钟作为接收者。PTP同步主要可以分成两个阶段：①主从时钟的确定；②从时钟依据主时钟调整本地时钟。在同步开始之后，由最佳主时钟算法(BMC)比较同步域中所有时钟的状态，从而确定同步域中的主时钟。同步过程是由时钟偏移测量和网络延迟测量2个阶段组成。在IEEE1588V1版本中，这两个测量阶段是一个整体过程，只是从逻辑上加以区分。
第一阶段：偏移测量阶段，修正主时钟和从时钟之间的时间偏差。如图1所示，主时钟周期性（一般为2S）地向从时钟发送Sync报文，主时钟记录报文的准确发送时间tm1。从时钟在收到Sync报文后记下报文的精确到达时间ts1。主时钟随后发送携带tm1的Follow_Up报文。
图1 PTP时钟同步模型
第二阶段：延迟测量阶段，测量主从时钟之间的链路延迟。从时钟向主时钟发送一个延迟请求Delay_Req报文，同时记录该报文的精确发送时间ts2。主时钟记录延迟请求报文到达的准确时间tm2，然后在延迟请求响应报文Delay_Resp中把ts2回发到从时钟。假定传输路径是均匀对称的，即TD1=TD2。根据ts1、ts2、tm1、tm2由下面公式计算出报文的传输延时TDelay和主从时钟偏差TOffset。
TD1=TD2=(Ts1－Tm1)－(Ts2－Tm2)2 (1)
TOffset=(Ts1－Tm1)+(Ts2－Tm2)2 (2)
在PTP协议中一个主时钟同步多个从时钟，因此主时钟需要处理大量的Delay_Req报文，如果Delay_Req报文都在集中在某一时刻到达主时钟，则势必造成丢包或者拥塞致使主时钟无法响应所有从时钟的报文，因此在接收Follow_Up报文后随即延时一短时间在发送Delay_Req报文，这样就可以避免所有从时钟的Delay_Req报文集中到达主时钟，使得主时钟可以分别处理不同从时钟的请求，这样可以大大提高主时钟的处理效率，最大程度的避免丢包和拥塞现象的出现。因此延迟测量是不规则进行的，其测量间隔时间为4~60S之间的随机值。
3.2 对IEEE1588时钟同步模型延迟测量方法的改进
由上文可知，基于IEEE1588时钟同步模型，其平均网路延迟时间的测量需要用到同步信息包Sync获得的时间信息，而且只能测量主时钟与从时钟之间的平均网路延迟时间。在网络状态发生改变致使主时钟发生改变时，就必须重新进行平均网路延迟时间的测量，在新的主时钟到达稳态之前会引入较大的误差。
图2 对等延迟测量机制
针对上述问题，文章增加了一种专门用于测量两个端口间平均网路延迟时间的独立消息模式，叫做点对点延迟请求。这种模式可以测量同步域中任意两点之间的平均网路延迟时间，而且可以在任意时刻进行任意次的测量。改进后的测量网络延迟的机制与之前相比，不需要与同步过程配合使用，是一个独立的测量过程。这种机制意味着链路的两个末端端口已知链路延时，它允许网络重新配置时立即校正路径长度。因此可以进行多次测量求平均值，以得到更精确的网络延迟时间。而且在同步域中的主时钟发生改变时不需要重新测量，可以直接使用预先测量的从时钟与新主时钟之间的点对点平均网路延迟时间。
对等延时机制只能在普通时钟、边界时钟或点对点透明时钟的两个固定的端口之间测量传播延时，因此与延迟—响应机制不同，对等延时机制的消息是不可以跨越端口传播的。
对等延时链路测量的测量过程如图2所示：首先由测量端口A向被测端口 B发送 Pdelay_Req报文，并记录发送的精确时刻t1，端口B记录接收到Pdelay_Req报文时的精确时刻t2。接下来端口B发送Pdelay_Resp报文到端口A，并记录精确发送时刻t3，端口A记录接收到Pdelay_Resp报文的精确时刻t4。端口B在发送完Pdelay_Resp报文后，紧接着将t2与t3的差值Δt (Δt = t 3 - t 2 )打包进Pdelay_Res p_Foll ow_Up报文并发送给端口A。
记从端口A到端口B的延迟时间为：
TAB=t2-t1 (3)
记从端口B到端口A的延迟时间为：
TBA=t2-t1 (4)
假设从端口A到端口B以及从端口B到端口A的平均网路延迟时间相等，即TAB =TBA,则端口 A与端口 B间的网路延迟时间 t为：
t=(TAB +TBA)/2(5)
将(3)和(4)带入(5)得：
t=(t4-t1-Δt)/2(6)
3.3 基于IEEE1588新增的时钟模型
传统的IEEE1588时钟同步模型仅仅是普通时钟和边界时钟，边界时钟是为了支持PTP协议在包含多个子网的的网络内应用而建立的。一个典型的边界时钟应该包含两个以上的端口，其中一个用做上游时钟的从时钟，另一个用作下游时钟的主时钟。
由于在同步域内多重私服时钟校正和多级边界时钟的级联的累积会极大的降低系统的同步精度。为了避免上述情况的发生，论文中引入了两种透明时钟模型，即点到点透明时钟和端到端透明时钟，透明时钟测量PTP消息经过设备的时间并将此信息提供给接收次PTP消息的时钟，因此，可以将透明时钟传播链路看做一条不会引入时间偏差的“传输线”。1）端到端透明时钟
端到端透明时钟（E2E TC）点到点透明时钟与端到端时钟不同，它不仅测量通过透明时钟的时间，但是不校正透明时钟到接收PTP消息的时钟之间路径的传播延迟，对普通网络信息包不做任何处理让其正常通过， 但对于 PTP事件信息包则将接收端口到发送端口的时间延迟累加到信息包中的时间修正域中，以补偿 PTP 信息包通过端对端透明时钟造成的延迟误差。端到端透明时钟使用延迟—响应机制而不使用对等延迟机制。校正模型如图4所示。
图3 延迟-响应链路延迟测量机制与对等
延迟测量链路延迟机制的对比
图4 端到端驻留时间校正模型
2）点到点透明时钟
点到点透明时钟与端到端时钟不同，它不仅测量通过透明时钟的时间，而且也校正透明时钟到接收PTP消息的时钟之间路径的传播延迟， 点对点透明时钟是专门针对采用对等延迟机制网络延迟测量方法建立的，它能够自动测量每个端口与所连接的端口间的网络延迟， 并在每次接收到 PTP事件信息包时将接收端口的路径延迟时间和端口间时间延迟累加到时间修正域，以补偿从数据源到点对点透明时钟出口的时间延迟。点到点透明时钟使用对等延迟机制来测量主从时钟之间的延迟，校正模型如图5所示。
图5 点到点驻留时间校正模型
3.4 SPMU同步方案总体结构设计
本文设计的船舶电力系统同步相量测量单元时钟同步方案总体结构如图6所示，方案采用了分布式体系结构，将舰船电力系统划分为若干个同步域，每个同步域由互为备份的两个NMC和若干SPMU构成。同步域在物理上以布设若干个SPMU的舰船供配电区域的形式存在。
图6 混合时钟同步模型总体结构图
时钟同步方案采用混合时钟同步方案。同步域内的时钟同步过程在逻辑上分为两个过程，首先由卫星时间信号接收设备同步每个同步域内的NMC，然后NMC通过PTP协议同步其所在同步域内的SPMU，但实际上两个过程是并行运行的。为保证系统稳定工作，每个子网还配有一个备用的NMC，两个NMC是互为备份的关系，正常工作时，处于备用的NMC作为一个伪从时钟不断接收NMC的时间信号，当备用NMC接收到的来自当前工作主时钟的同步信号发生异常时，可认为当前NMC出现了故障，备用NMC自动切换到工作模式。
3.5 基于混合时钟的SPMU实验
NMC和SPMU在其本地时钟的整秒时刻向偏差测量设备发送一个高电平脉冲，偏差测量设备在开机1min后启动捕获两个PPS脉冲的到达时刻的功能，并计算两个脉冲到达时刻之差ΔT，样本数据保存在一个长度为2000数组当中，当数组填满后，偏差测量设备停止捕获PPS和计算工作，将样本数据通过以太网发送到上位机，为防止数据丢失，测试结束后将样本数据备份到本地SD卡上。
图7 偏差样本随时间变化曲线
本文对测试开始1min后的2000个样本进行了统计，其中单个偏差样本的平均获取时间为1S，图7反映了偏差样本随时间的变化情况，从测试结果可以看出虽然测试过程中存在随机出现的偏移幅值较大的噪声点，但是总的偏差值可以维持在±500ns以内。偏差样本数据的分布直方图如图8所示，可以看出偏差值的分布基本上满足正态分布。说明偏移样本是可信的。
图8 偏差样本分布直方图
表1给出了对测试样本的详细统计，统计结果显示系统的平均偏差以96ns为基准上下波动。样本一阶矩的统计结果在500ns以内的性能满足电力系统对时钟同步达到亚微妙的要求［3，4］。说明本文提出的同步测量方法是合理且可行的，但是从样本方差的统计结果也可以看出样本的方差性能不够理想，说明样本的波动比较大，有待进一步改善。
表1 SPMU软件功能列表
统计内容
测试及统计结果
单位
样本的数量
2000
个
样本最大值
1330
ns
样本的均值
291.12
ns
样本的方差
100917.73
—
由于本文实现PTP精确时钟同步协议是RTOS平台的系统任务中实现的，且PTP任务在NMC和SPMU中均不是最高优先级响应的任务，因此RTOS任务调度必定引入了一个固定延迟量的系统响应误差。其次，PTP主从时钟之间的报文交互均要经过TCP/IP协议栈，因此，进出协议栈也将带来一定延迟。同时，NMC和SPMU晶振的精度和稳定度，以及主从时钟之间线路延时的波动，以及LM3S8938的主频限制也是造成同步偏差的原因。经过上述分析，可以粗略的得出如下提高同步精度的方法：
1)在NMC和SPMU上选用恒温晶振；
2)购买定制的RTOS和商用TCP/IP协议栈，以保证报文进出的延时；
3)采用双CPU系统实现，将PTP任务独立于其他系统应用；
4)换用更高主频的处理器；
5)需用带有硬件时钟频率补偿单元的处理器；
6)增加频率补偿单元。
参考文献
［1］ 马伟明．舰船动力发展的方向［J］．海军工程大学学报，2002， (6)：1-9．
［2］ 冯源．舰船电力系统同步相量测量技术研究［D］．武汉：海军工程大学，2007．
［3］ 陈丹丹．舰船电力系统监控网络性能研究［D］．武汉：海军工程大学，2010．
［4］ PHGDKE G G．Synchronized phase measurements in power system［J］．IEEE Computer Applications in Power，1993，6(2)：42-47．
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［6］ PHADKE A G．Synchronized phasor measurements in power systems［J］．IEEE Computer Applications in Power，1993，62(4)：10-15．
［7］ 许树楷，谢小荣，辛耀中．基于同步相量测量技术的广域测量系统应用现状及发展前景［J］．电网技术，2005，29(2)：44-49．
［8］ LIANG Z，ABUR A．Multi Area State Estimation Using Synchronized Phasor Measurements［J］.IEEE Transactions on Power System，2005，20(2)：611-617．
［9］ KAMWA I．Using MIMO system identification for modal analysis and global stabilization of large power systems．IEEE Power Engineering Society Summer Meeting［C］．2000，61(2)：817-822．
［10］阂勇．电力系统全网同步监测系统［J］．清华大学学报，1997，37(7)：86-88．
［11］许勇．QNX嵌入式操作系统在电力系统相量测量装置中的应用［D］．北京：中国电力科学研究院，2004．
3.5 基于混合时钟的SPMU实验
NMC和SPMU在其本地时钟的整秒时刻向偏差测量设备发送一个高电平脉冲，偏差测量设备在开机1min后启动捕获两个PPS脉冲的到达时刻的功能，并计算两个脉冲到达时刻之差ΔT，样本数据保存在一个长度为2000数组当中，当数组填满后，偏差测量设备停止捕获PPS和计算工作，将样本数据通过以太网发送到上位机，为防止数据丢失，测试结束后将样本数据备份到本地SD卡上。
图7 偏差样本随时间变化曲线
本文对测试开始1min后的2000个样本进行了统计，其中单个偏差样本的平均获取时间为1S，图7反映了偏差样本随时间的变化情况，从测试结果可以看出虽然测试过程中存在随机出现的偏移幅值较大的噪声点，但是总的偏差值可以维持在±500ns以内。偏差样本数据的分布直方图如图8所示，可以看出偏差值的分布基本上满足正态分布。说明偏移样本是可信的。
图8 偏差样本分布直方图
表1给出了对测试样本的详细统计，统计结果显示系统的平均偏差以96ns为基准上下波动。样本一阶矩的统计结果在500ns以内的性能满足电力系统对时钟同步达到亚微妙的要求［3，4］。说明本文提出的同步测量方法是合理且可行的，但是从样本方差的统计结果也可以看出样本的方差性能不够理想，说明样本的波动比较大，有待进一步改善。
表1 SPMU软件功能列表
统计内容
测试及统计结果
单位
样本的数量
2000
个
样本最大值
1330
ns
样本的均值
291.12
ns
样本的方差
100917.73
—
由于本文实现PTP精确时钟同步协议是RTOS平台的系统任务中实现的，且PTP任务在NMC和SPMU中均不是最高优先级响应的任务，因此RTOS任务调度必定引入了一个固定延迟量的系统响应误差。其次，PTP主从时钟之间的报文交互均要经过TCP/IP协议栈，因此，进出协议栈也将带来一定延迟。同时，NMC和SPMU晶振的精度和稳定度，以及主从时钟之间线路延时的波动，以及LM3S8938的主频限制也是造成同步偏差的原因。经过上述分析，可以粗略的得出如下提高同步精度的方法：
1)在NMC和SPMU上选用恒温晶振；
2)购买定制的RTOS和商用TCP/IP协议栈，以保证报文进出的延时；
3)采用双CPU系统实现，将PTP任务独立于其他系统应用；
4)换用更高主频的处理器；
5)需用带有硬件时钟频率补偿单元的处理器；
6)增加频率补偿单元。
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［11］许勇．QNX嵌入式操作系统在电力系统相量测量装置中的应用［D］．北京：中国电力科学研究院，2004．
3.5 基于混合时钟的SPMU实验
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图7 偏差样本随时间变化曲线
本文对测试开始1min后的2000个样本进行了统计，其中单个偏差样本的平均获取时间为1S，图7反映了偏差样本随时间的变化情况，从测试结果可以看出虽然测试过程中存在随机出现的偏移幅值较大的噪声点，但是总的偏差值可以维持在±500ns以内。偏差样本数据的分布直方图如图8所示，可以看出偏差值的分布基本上满足正态分布。说明偏移样本是可信的。
图8 偏差样本分布直方图
表1给出了对测试样本的详细统计，统计结果显示系统的平均偏差以96ns为基准上下波动。样本一阶矩的统计结果在500ns以内的性能满足电力系统对时钟同步达到亚微妙的要求［3，4］。说明本文提出的同步测量方法是合理且可行的，但是从样本方差的统计结果也可以看出样本的方差性能不够理想，说明样本的波动比较大，有待进一步改善。
表1 SPMU软件功能列表
统计内容
测试及统计结果
单位
样本的数量
2000
个
样本最大值
1330
ns
样本的均值
291.12
ns
样本的方差
100917.73
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由于本文实现PTP精确时钟同步协议是RTOS平台的系统任务中实现的，且PTP任务在NMC和SPMU中均不是最高优先级响应的任务，因此RTOS任务调度必定引入了一个固定延迟量的系统响应误差。其次，PTP主从时钟之间的报文交互均要经过TCP/IP协议栈，因此，进出协议栈也将带来一定延迟。同时，NMC和SPMU晶振的精度和稳定度，以及主从时钟之间线路延时的波动，以及LM3S8938的主频限制也是造成同步偏差的原因。经过上述分析，可以粗略的得出如下提高同步精度的方法：
1)在NMC和SPMU上选用恒温晶振；
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3)采用双CPU系统实现，将PTP任务独立于其他系统应用；
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