IEEE1588在電力以太網(wǎng)交換機(jī)中的實(shí)現(xiàn)

馬曉軍 莫非

摘 要：該文介紹了電力以太網(wǎng)交換機(jī)的同步情況和IEEE 1588精密時(shí)間協(xié)議的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，闡述了IE1588的基本原理，詳細(xì)介紹了IEEE1588協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方式，對(duì)幾種時(shí)間同步的方式進(jìn)行了分析，比較了這幾種方式的精度，提出了IEEE1588在電力以太網(wǎng)交換機(jī)中的實(shí)現(xiàn)方法，并舉例說明了實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：IEEE1588 電力以太網(wǎng)交換機(jī) 時(shí)間同步

中圖分類號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）10（a）-0084-02

1 電力以太網(wǎng)交換機(jī)同步基本概況

電力以太網(wǎng)交換機(jī)是面向智能變電站應(yīng)用而開發(fā)的高性能、高可靠和高安全的工業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備。它充分考慮了變電站的嚴(yán)酷工作環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)通信需求，采用了電信級(jí)以太網(wǎng)、硬件時(shí)間戳、智能內(nèi)容識(shí)別等先進(jìn)技術(shù)，使得智能變電站通信系統(tǒng)更加可靠。2002年發(fā)布的IEEE 1588 定義了一種用于分布式測量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)間協(xié)議（precision timeprotocol，PTP），其網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)精度可達(dá)亞us級(jí)，引起了自動(dòng)化、通信等工業(yè)領(lǐng)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(guān)硬件產(chǎn)品開發(fā)和IEEE1588具體工業(yè)應(yīng)用的研究，進(jìn)一步完善的IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)第2版已經(jīng)于2008年發(fā)布。鑒于IEEE1588高精度的分布式網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)的電力以太網(wǎng)交換機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了IEEE 1588的功能，并且運(yùn)用到工程實(shí)踐中。

2 IEEE1588 的介紹和實(shí)現(xiàn)

通過網(wǎng)絡(luò)，將通信網(wǎng)上各種終端設(shè)備或計(jì)算機(jī)設(shè)備的時(shí)間信息（年月日時(shí)分秒）基于UTC（協(xié)調(diào)世界時(shí)）的時(shí)間偏差限定在足夠小的范圍內(nèi)（如100 ms），這種網(wǎng)絡(luò)同步過程叫做網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步。IEEE1588的基本功能是使分布式網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的最精確時(shí)鐘與其他時(shí)鐘保持同步，它定義了一種精確時(shí)間協(xié)議PTP（Precision Time Protocol），用于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)或其他采用多播技術(shù)的分布式總線系統(tǒng)中的傳感器、執(zhí)行器以及其他終端設(shè)備中的時(shí)鐘進(jìn)行亞微秒級(jí)同步。電力以太網(wǎng)交換機(jī)對(duì)時(shí)間同步要求十分嚴(yán)格。

IEEE1588時(shí)間同步協(xié)議的特點(diǎn)。

在物理層或盡量接近物理層的地方打時(shí)間戳，以保證精度；主從設(shè)備之間報(bào)文的傳輸延時(shí)要對(duì)稱，否則計(jì)算的結(jié)果會(huì)存在比較大的誤差；報(bào)文經(jīng)過普通交換機(jī)時(shí)有“存儲(chǔ)->轉(zhuǎn)發(fā)”的過程，因此其傳輸時(shí)延不可測且相差較大，對(duì)精度有較大影響，所以推薦使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸方式。

3 實(shí)現(xiàn)IEEE1588協(xié)議的方式

BC模式下交換機(jī)內(nèi)部PTP時(shí)鐘通過一個(gè)端口作為從端口與主設(shè)備同步。交換機(jī)的其余端口作為主端口，將交換機(jī)的PTP時(shí)鐘傳遞給終端設(shè)備或下一級(jí)交換機(jī)。

TC模式要求收發(fā)鏈路線路延時(shí)大致相等，其與BC不同在于：TC E2E模式下，交換機(jī)并不傳遞時(shí)鐘。該模式下，交換機(jī)分別記錄SYNC、Delay_Req報(bào)文進(jìn)出交換機(jī)的時(shí)間，從而得到其在交換機(jī)內(nèi)駐留時(shí)間。同時(shí)，在接收到Follow_up、Delay_Resp報(bào)文時(shí)，將此類報(bào)文中的時(shí)戳值分別加減上述駐留時(shí)間，再轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)端口。終端設(shè)備根據(jù)修正后的時(shí)戳值，可以準(zhǔn)確的計(jì)算出Delay和Offset。

ΔS是SYNC報(bào)文在交換機(jī)中的駐留時(shí)間；ΔR是Delay_Req報(bào)文在交換機(jī)中的駐留時(shí)間；E2E交換機(jī)將跟隨報(bào)文和響應(yīng)報(bào)文中的時(shí)間值分別加上ΔS或減去ΔR后發(fā)給從設(shè)備。

TC E2E 線路延時(shí)和時(shí)間差計(jì)算：

對(duì)終端設(shè)備而言，TC E2E模式線路延時(shí)和時(shí)差計(jì)算方法與BC模式相同。計(jì)算公式如下：

T2-（T1+ΔS ）=Delay+Offset

（T4-ΔR）-T3=Delay-Offset

兩式相減可求出Offset：

Offset=（（T2-T1）-（T4-T3）-（ΔS-ΔR））/2

Delay=（（T2-T1）+（T4-T3）-（ΔS+ΔR））/2

TC Peer to Peer：

P2P模式對(duì)同步報(bào)文和跟隨報(bào)文的處理方式與E2E模式大致相同，區(qū)別在于P2P交換機(jī)還需要事先測出主設(shè)備到交換機(jī)的線路時(shí)延，并將它加到Follow_up包的時(shí)間中。P2P交換機(jī)將延時(shí)請(qǐng)求和響應(yīng)報(bào)文當(dāng)作普通報(bào)文處理。從設(shè)備向交換機(jī)發(fā)PDelay_Req包，交換機(jī)記錄下收到該包的準(zhǔn)確時(shí)間TS1，并向從設(shè)備發(fā)出響應(yīng)報(bào)文PDelay_Resp，該報(bào)文帶有時(shí)間戳TS1；同時(shí)記錄延時(shí)響應(yīng)報(bào)文的實(shí)際發(fā)出時(shí)間TS2，隨后交換機(jī)再向從設(shè)備發(fā)出帶有時(shí)間戳TS2的PDelay_Follow_up報(bào)文。從設(shè)備需記錄PDelay_Req的準(zhǔn)確發(fā)出時(shí)間T3和PDelay_Resp報(bào)文的準(zhǔn)確到達(dá)時(shí)間T4。

主設(shè)備到交換機(jī)之間的線路延時(shí)定義為Delay_1；

交換機(jī)到從設(shè)備之間的線路延時(shí)定義為Delay_2；

從設(shè)備和交換機(jī)的時(shí)間差定義為Offset_2

ΔS為SYNC報(bào)文在交換機(jī)內(nèi)的駐留時(shí)間

TS1、TS2分別是延時(shí)請(qǐng)求報(bào)文的時(shí)間接收時(shí)間和延時(shí)響應(yīng)報(bào)文的實(shí)際發(fā)送時(shí)間

TC P2P 線路延時(shí)和時(shí)間差計(jì)算：

同步報(bào)文的處理與E2E模式相同，可得：

T2-（T1+ΔS+Delay_1）=Delay_2+ Offset

由PDelay_Req、PDelay_Resp、PDelay_Follow_up報(bào)文可得出下述公式：

TS1-T3=Delay_2-Offset_2

T4-TS2=Delay_2+Offset_2

可算出從設(shè)備的時(shí)差：

Delay_2=（T4-T3）-（TS2-TS1）

Offset=（T2-T1）-ΔS-Delay_1-（（ T4-T3）-（TS2-TS1））/2

4 時(shí)間同步精度分析

BC時(shí)間同步精度分析，為保證精度，需嚴(yán)格按IEEE1588協(xié)議規(guī)定的時(shí)戳采樣點(diǎn)取時(shí)間；交換機(jī)內(nèi)必須有一個(gè)高精度可調(diào)的時(shí)鐘源，用于將本地時(shí)鐘與上級(jí)時(shí)鐘同步；BC模式時(shí)鐘逐級(jí)傳遞，因此交換機(jī)級(jí)聯(lián)之后，時(shí)間誤差會(huì)發(fā)生積累。導(dǎo)致最后終端設(shè)備與主設(shè)備時(shí)間誤差較大。

TC E2E 時(shí)間同步精度分析，由于報(bào)文在交換機(jī)內(nèi)駐留時(shí)間較短（一般為幾十微秒），正常情況下兩報(bào)文駐留時(shí)間差值一般是微秒級(jí)。一個(gè)穩(wěn)定度50 ppm的晶振，每秒鐘最大可能跑偏50 μs，每微秒跑偏50ps，對(duì)最后精度影響不大。

TC P2P 時(shí)間同步精度分析，P2P模式要求交換機(jī)測量主設(shè)備到它的線路延時(shí)，并將延時(shí)值和SYNC包駐留時(shí)間一起加到Follow_up包中。P2P模式需計(jì)算和測量的時(shí)間量遠(yuǎn)多于E2E模式，因此其測量精度不如E2E。E2E模式下在局域網(wǎng)內(nèi)有很多終端設(shè)備時(shí)，所有的延時(shí)請(qǐng)求報(bào)文都會(huì)匯聚給GrandMaster，對(duì)其造成較大響應(yīng)負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致來不及響應(yīng)，影響終端設(shè)備時(shí)間同步精度。

E2E模式有著最好的精度，BC模式的誤差隨交換機(jī)級(jí)數(shù)的增加線性上升。

5 應(yīng)用實(shí)例

DP83640是一款基于IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)鐘同步芯片，采用硬件跟軟件相結(jié)合的方式提供最高的精確度實(shí)時(shí)工業(yè)的時(shí)鐘同步，可確保分布式的各個(gè)節(jié)點(diǎn)按照主時(shí)鐘的時(shí)間同步定時(shí)，并確保各節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間偏差不會(huì)超過固定值。一旦線路上有PTP包，就會(huì)被DP83640的精密PHYTER所讀取。

在同步以太網(wǎng)機(jī)的方案中，通過替換以太網(wǎng)層并增加IEEE 1588 PTP軟件實(shí)現(xiàn)，CPU、交換芯片和DP83640通過MII口連接起來組成一個(gè)系統(tǒng)。

6 結(jié)語

電力以太網(wǎng)交換機(jī)要求高精度的時(shí)鐘信號(hào)以便同步控制信號(hào)和捕捉數(shù)據(jù)，在交換機(jī)中應(yīng)用IEEE 1588精密時(shí)間協(xié)議（PTP）能夠滿足這一要求。

該文所介紹的使用DP83640實(shí)現(xiàn)IEEE1588V2的方案已經(jīng)在本公司的裝置實(shí)現(xiàn)6網(wǎng)口的主從時(shí)鐘同步。

參考文獻(xiàn)

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