IEEE1588精确时钟同步协议实施方案的比较

2016-01-25章立宗张道农刘永新杜奇伟汪彦胡永春

电力科学与工程 2015年3期

章立宗, 张道农, 刘永新, 杜奇伟, 汪彦, 胡永春

(1.国网浙江省电力公司绍兴供电公司,浙江绍兴312000；2.华北电力设计院工程有限公司,北京100120；3.国网浙江省电力公司, 浙江杭州310007；4.南京拓为电力科技发展有限公司，江苏南京210000；5.南京荣桓电力自动化有限公司，江苏南京210000)

章立宗1, 张道农2, 刘永新1, 杜奇伟3, 汪彦4, 胡永春5

摘要：由于IEEE1588具有的高精度和优点，其必将在电力系统内广泛使用。为提升IEEE1588精确时钟同步协议的应用水平，总结了IEEE1588精确时钟同步协议的组网特性和在智能变电站中实际使用的几种实施方案，并比较了各种实施方案的差别以及对同步精度的影响，指出各种实施方案中的关键节点和注意事项，为IEEE1588精确时钟同步协议在智能变电站中进行大面积使用提供一些参考性意见。

关键词：IEEE1588；实施方案；同步精度

中图分类号：TP23

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.03.012

收稿日期：2014-11-30。

作者简介：章立宗(1976-)，男，高级工程师，从事电力调度自动化和变电站计算机监控技术的研究，E-mail:zlz951@163.com。

Abstract：Because of the high accuracy and the advantage of the IEEE1588, it will be widely used in the power system. To enhance the IEEE1588 precision clock synchronization protocol application level,this paper summarizes characteristics of IEEE1588 precision clock synchronization protocol in the network and several plans of IEEE1588 precision clock synchronization protocol for practical use in the intelligent, compares the various plans of the difference and influence on synchronization accuracy, and points out the key nodes of plans and the matters needing attention. The results indicate that IEEE1588 precision clock synchronization protocol for the use of large area provides some reference value in the intelligent substation.

Keywords：IEEE1588; plans; accuracy

0引言

IEEE1588精确时钟同步协议的同步精度高，具备诸多优点[1]，完全能够满足IEC61850标准[2]中定义的不同级别的时间同步精度的要求[3，4]，因此其推广应用势在必行[5，6]。

IEEE1588时钟同步系统是由多个不同类型的时钟共同组成的复杂系统，IEEE1588时钟按设备类型可分为三种：(1)普通(ordinary)时钟：其按角色可分为主(master)时钟和从(slave)时钟，只包含一个PTP端口(port)；(2)边界(boundary)时钟：其包含多个PTP端口；(3)透明(transparent)时钟：其按报文处理方式的不同分为点到点(peer-to-peer)透明时钟和端到端(end-to-end)透明时钟[7]。根据提供时间信息的方式不同，时钟又分为一步法时钟和两步法时钟。一步法(one-step)时钟通过一帧报文传输必要的时间信息，无跟随报文出现；两步法(two-step)时钟通过跟随报文传输必要的时间信息。其不同的组网方式，是否具有不同的关键影响因数；不同的变电站通信网络架构，是否具有优化的IEEE1588组网方式；这两个问题一直没有得到很好解决。

本文在讨论了各种类型时钟的工作方式的基础上，对在不同的网络架构模式下使用何种组网方案进行了讨论，并提出了一些影响同步精度的因素，以及如何通过改变组网模式来规避这些风险，以提升对时同步系统的稳定性。

1IEEE1588对时同步系统的组成

1.1　基本组网方式

一个简单的、包含了各种时钟的主-从同步层次关系如图1所示。图中的虚线框表示3个不同的域，每个域内独立执行同步过程。所有普通时钟的PTP端口通过Announce报文和最佳主时钟算法(Best Master Clock Algorithm，BMC)来建立主-从同步层次，处于从状态的PTP端口与处于主状态的PTP端口进行同步(Synchronization)。

对时同步系统时钟和组网模式中域2和域3中的透明时钟可以不配置，即普通时钟的PTP端口(从)(也即从钟)可以直接与边界时钟的PTP端口(主)相连。

图1　IEEE1588主-从层次关系示意图

域内存在透明时钟时，其工作方式必须相同，可配置为点到点透明时钟或端到端透明时钟方式，但两种方式不能同时存在。

1.2　站内设备与时钟同步系统的角色对应方式

在智能变电站内，为了获取统一的时间和同步性能，需要配置能提供精确时间和同步性能的对时同步装置，为了保证可靠性，一般都采取冗余配置。这些装置的PTP端口处于“主”或“从”状态，其定期发送Announce报文，使用最佳主时钟算法来决定哪一个处于“主”状态，哪个处于“从”状态。PTP端口处于“主”状态的即为对时同步系统的主钟，PTP端口处于“从”状态的成为对时同步系统的从钟，但其与下文所述的从钟不同，因其依然发送Announce报文，随时可能变为主钟。

所有IED设备需要被对时同步，因此这些IED设备在对时同步系统中处于PTP端口“从”状态，即为从钟。这些从钟不需要发送Announce报文，即永远不可能成为主钟。

该患者虽然已确诊为卵巢黏液性囊腺瘤，但如此巨大的黏液性卵巢囊腺瘤少见且容易误诊，并存在一定程度的恶变率，一旦发现必须尽早手术，术后仍需随访观察。对于盆腔巨大包块的女性患者，我们必须高度警惕，仔细地全面检查，以免误诊[4]。同时需做好科普宣传工作，宣讲定期进行妇科检查的重要性。另外通过此病例，我们认为在施行复杂的盆腔手术时，在输尿管置入双 J 管是防止输尿管损伤的有效方法。

在智能变电站中的网络交换单元，即交换机(也可能是其他起交换功能的设备，如PTN等等)，其承担着报文交换的功能，也包括对时同步报文(如Sync、Announce、Follow_Up等)，其在对时同步系统中的角色为透明时钟。当然交换机也可以作为边界时钟存在于对时同步系统中，但这增加了交换机的设计复杂度和工作强度，而且目前变电站内并无这样的运行案例。

2透明时钟的工作方式

透明时钟在对时同步系统中有着非常重要的作用，其承载着同步报文传送和桥接链路延迟测量的功能，而且必须要完全无损的传送这些报文。透明时钟有两个重要的特征，一是滞留时间，二是链路延迟测量机制。

2.1　滞留时间

滞留时间指的是报文通过透明时钟的时间，即报文进入透明时钟产生的时间戳和离开透明时钟时产生的时间戳之间的差。上述的“无损”即滞留时间必须准确，这就要求透明时钟也必须与主钟进行同步。

用来计算滞留时间的时间戳是基于本地时钟产生的时间戳，时间戳的位置如图2所示。为通信介质和IEEE1588协议栈的底部之间，即时间戳参考平面(reference plane for and )，也就是在帧开始(SOF)定界符之后的第一个字符的开始处[8]。在其他任何地方加入时间戳都会带来误差，这一点必须注意。

图2　时间戳产生示意图

2.2　端到端透明时钟

端到端透明时钟像一个标准的网桥、路由器或交换机一样向前传送所有的消息[9]，并对PTP事件消息(Sync和Delay_Req)产生滞留时间。端到端透明时钟只能使用延迟请求响应机制，如图3所示。延迟请求响应机制利用最近一次Sync报文的发出时间T1(由主时钟提供)和接收时间T2(由从时钟提供)，以及Delay_Req报文的发送时间T3(由从时钟提供并经过调谐修正)和接收时间T4(由主时钟提供)，并使用[(T2-T3)+(T4-T1)]/2来计算得到延迟时间。

图3　延时请求响应机制示意图

图3中的R1和R2分别为Sync和Delay_Req报文在透明时钟内的滞留时间，T1和T4需使用R1和R2进行修正。在这种机制下，透明时钟只是透明转发延迟测量报文，并不参与延迟测量。

2.3　点到点透明时钟

点到点透明时钟与端到端透明时钟的不同之处在于其修正和处理实时消息的方式，所有其他方面都与端到端透明时钟相同。

点到点透明时钟对每个端口有一个额外的块。这个块是用来计算在每个端口和其共享同一个链路(也就是通过物理连接线连接的另一个设备，也称之为对等连接)的另一个节点上一个相似配置的端口之间的链路延迟。点到点透明时钟只能使用对等延时机制，如图4所示。对等延迟机制利用Pdelay_Req报文的发送时间T1(由从钟或透明时钟左部提供)和接收时间T2(由主钟或透明时钟右部提供)，以及Pdelay_Resp报文的发送时间T3(由主钟或透明时钟右部提供)和接收时间T4(由从钟或透明时钟左部提供)，并使用[(T2-T3)+(T4-T1)]/2来计算得到延迟时间。

图4中，透明时钟和主钟之间，以及从钟与透明时钟之间都使用对等延时机制进行链路延迟测量。透明时钟在接收到Sync报文的端口上(Sync报文进入透明时钟)与主钟之间进行链路延迟测量，在透明时钟的其他端口上，各个从钟与透明时钟之间进行链路延迟测量。当然，透明时钟也可主动测量其与从钟之间的链路延时，这与图4并不矛盾。

图4　对等延时机制示意图

2.4　两种类型的透明时钟之间的差别

Sync数据包路由通过点到点透明时钟系统的改变可能导致Sync数据包经过不同的连接进入点到点透明时钟。由于点到点透明时钟基于每个Sync数据包通过的实际连接和内部路径来修正滞留和路径时间，出口实时信息在测量精度范围内总是正确的。因此，提供给从时钟的实时信息总是可以反映通过点到点透明时钟网络的实际路径。通过对比，在端到端修正这种情况下，从时钟等待一个基于Sync和Delay_Resp消息相结合的新路径延迟值，需要更多的时间，因为在正确的值出现在从时钟面前之前，这些消息需要完整的穿过新路径[7]。

在端到端透明时钟系统内，链路延迟为Sync报文从主钟发出，到从钟接收到Sync报文之间的延时。在Sync报文的传输路径完全保持不变的情况下，延时也相对固定；如果Sync报文的路径改变，从钟又无从知晓，会造成同步精度下降。而在点到点透明时钟系统中，链路延迟被分割为两个直接相连的PTP端口之间的链路延迟，从钟只需要关心其与透明时钟之间的链路延迟即可，而无需关心Sync报文的整个通信路径，Sync报文路径的改变对从钟不产生任何影响。

3智能变电站网络架构方式及同步方案

3.1　星形架构

在星形架构中，以间隔为基本网络单元(虚拟局域网，VLAN，可跨交换机)，并将这些基本网络单元通过级联口(一个物理交换机上可能存在几个基本网络单元，他们共用同一个级联口)接入到上一级交换机的普通端口上，上一级交换再通过级联口连接到更上一级交换机的普通端口上，依次类推，直到顶层交换机，其逻辑架构如图5所示。

图5　星形逻辑拓扑图

在星形网络架构中，任何报文的通信路径都是固定的，并且不可能构成闭合回路(从节点A到节点B存在两个独立的通道，此即为闭合回路)。其优点是易于扩展，结构简单；缺点是顶层交换机的负担较大，其出现故障会造成全网瘫痪。

在星形网络架构中，主钟可位于任意一个交换机上，交换机的角色可以是端到端透明时钟，也可以是点到点透明时钟。如果全网只有一个主钟(不存在主备切换)，则Sync报文的路径永远不会改变。因此无论使用何种透明时钟，因为链路延迟不会改变，所以对同步对时系统而言都没有差别。如果全网主钟存在主备切换的可能，由于主备两个主钟不可能连接在同一个交换机的同一个端口上，也就是说Sync报文的路径在主备机切换时，会发生改变，由上述2.3节的分析可知，此时交换机作为点到点透明时钟会有效防范Sync报文路径改变引起链路延时变化对同步精度产生的影响。

3.2　环形架构

在环形架构中，以间隔为基本网络单元，并将这些基本网络单元通过级联口互联，形成一个环状，所有交换机处于同一级别。由于环形在物理上存在闭合，因此在环形拓扑中，所有的交换机必须参与生成树协议规则，用以产生逻辑断点，使闭合回路断开，其逻辑架构如图6所示。

在环形网络架构中，任何报文的通信路径都是可变的(当逻辑断点改变时，虽然不是很频繁)，而且存在闭合回路的可能性(逻辑断点失效，到下一个逻辑断点产生之间，目前绝大部分交换机都支持快速生成树协议，以减小逻辑断点产生的时间，使得闭合回路不会产生风暴，但在理论上的确存在短暂的闭合回路)。其优点是网络健壮性增强，单台交换机故障影响范围较小；缺点是逻辑断点一旦失效，可能产生网络风暴。

图6　环形逻辑拓扑图

在环形网络架构中，主钟可位于任意一个交换机上，无论是否存在主备机切换，当逻辑断点的位置发生改变时，Sync报文的路径都可能会改变，由上述分析可知，此时只能使用点到点透明时钟。

3.3　星环形架构

星环形架构结合了星形架构和环形架构的特点，将星形架构中较高级别的交换机使用环形方式级联，降低了单纯星形架构中顶层交换机的负担，但增加了网络风暴的风险。

由于在此种网络架构中，无论主钟存在何处，以及是否具有主备切换，其Sync报文的路径都可能会改变，由上述分析可知，此时只能使用点到点透明时钟。

3.4　网络架构汇总

表1是在单主钟条件下，以“Sync路径是否改变”为基础来对比三种网络架构的表现形式。

表1　三种网络架构对Sync路径的影响

当各个时钟自身良好工作时，对同步对时系统精度影响最大的因素就是通信路径不对称[12，13]，而Sync路径的改变对通信路径不对称影响最大。由上可知，端到端透明时钟只在星形网络架构以及单主钟的条件下，才能满足工程要求。而点到点透明时钟则满足任意网络架构，单主钟或主备钟同时存在等情况，因此强烈建议在任何网络架构下都是点到点透明时钟。

4结论

为了适应智能变电站对网络通信的特殊需求，开始出现一些新型的网络架构拓扑模式，例如基于EPON的PTN模式、基于PRP协议的HSR环等，但依然处于试点状态，并未大面积推广，IEEE1588在这些网络架构内的运行模式也无相关定论，因此本文并未讨论这些网络架构。

本文并未涉及在上述的网络架构内存在边界时钟的情况，一是因为智能变电站的网络规模相对较小，不需要使用边界时钟来扩充；二是如果把交换机当做边界时钟来使用，会增加交换机的设计成本和复杂度，降低了预期稳定性。

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