基于IEEE1588協(xié)議電力監(jiān)控系統(tǒng)的對時算法改進

劉　偉，彭　雷，張朕滔，周亞勛，龔俊名

(1.重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，重慶　400054；2.重慶市計量質(zhì)量檢測研究院，重慶　401121)

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基于IEEE1588協(xié)議電力監(jiān)控系統(tǒng)的對時算法改進

劉偉1，彭雷1，張朕滔2，周亞勛1，龔俊名1

(1.重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，重慶400054；2.重慶市計量質(zhì)量檢測研究院，重慶401121)

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，分布式電力監(jiān)控系統(tǒng)對時鐘同步精度的要求越來越高，已經(jīng)提出了微秒級的要求。為滿足此要求，對IEEE1588精確網(wǎng)絡(luò)時鐘同步協(xié)議進行了研究，對該協(xié)議實現(xiàn)高精度時鐘同步的原理進行了闡述，并針對時鐘同步過程中網(wǎng)絡(luò)延遲不對等的問題，使用移動平均算法對IEEE1588的同步過程進行了改進，并予以驗證。

IEEE1588；電力監(jiān)控系統(tǒng)；移動平均算法；網(wǎng)絡(luò)延遲量

隨著電力系統(tǒng)的日益擴大，分布式電力監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。電力監(jiān)控系統(tǒng)的各個節(jié)點的系統(tǒng)時鐘保持同步，才能對電力系統(tǒng)進行實時的調(diào)度和控制，這對電力系統(tǒng)的運行有著重要意義?，F(xiàn)今大多數(shù)電力監(jiān)控系統(tǒng)的時鐘同步系統(tǒng)，是基于GPS和NTP網(wǎng)絡(luò)對時協(xié)議搭建，能使系統(tǒng)達到毫秒級的對時精度。隨著系統(tǒng)的復(fù)雜程度增加，并且電子式電流、電壓互感器等，要求時間精度達到微秒級的設(shè)備的增加，使NTP網(wǎng)絡(luò)對時協(xié)議滿足不了當前的需求[1]。IEEE1588為網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精確時鐘同步協(xié)議(precise time protocol，PTP)。它可以通過以太網(wǎng)實現(xiàn)設(shè)備之間的同步，其同步精度可以達到亞微秒級，解決分布式電力監(jiān)控系統(tǒng)的時鐘同步精確度問題，滿足了電力監(jiān)控系統(tǒng)對同步對時的要求。

本文首先對IEEE1588的時鐘同步原理進行介紹，然后針對協(xié)議算法中主從時鐘網(wǎng)絡(luò)延遲量不對等的問題進行研究，基于移動平均算法對網(wǎng)絡(luò)延遲量的測量方法提出了改進，并在最后給出了驗證。

1　IEEE1588的時鐘同步原理

IEEE1588(precise time protocol，PTP)系統(tǒng)是多個節(jié)點構(gòu)成的一個網(wǎng)絡(luò),其中的每一個節(jié)點都代表了一個時鐘。系統(tǒng)自動根據(jù)最佳主時鐘算法(best master clock，BMC)選擇出子網(wǎng)內(nèi)的唯一的一個節(jié)點作為主時鐘。在系統(tǒng)運行時，主時鐘就是系統(tǒng)的基準時間，每隔一定的時間，就在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布自己的本地時鐘信息[2]。各個從時鐘在網(wǎng)絡(luò)上獲得此時鐘信息，完成本地時鐘與主時鐘的同步過程。

1.1IEEE1588的時鐘類型

IEEE1588時鐘同步網(wǎng)絡(luò)規(guī)定了3種時鐘類型。除了普通時鐘(OC)和邊界時鐘(BC)，在IEEE1588v2版本中又提出了透明時鐘(TC)。透明時鐘又分為點對點透明時鐘(P2P TC)和端到端透明時鐘(E2E TC)。

1.2IEEE1588的同步過程

從時鐘與主時鐘在PTP系統(tǒng)中的同步過程主要使用以下4類報文：Sync(同步報文)、Follow_Up(同步跟隨報文)、Delay_Req(延遲請求報文)、Delay_Resp(延遲應(yīng)答報文)[3]。其同步過程是分為兩個階段來完成：時鐘偏移量的計算和網(wǎng)絡(luò)延遲量的計算。

IEEE1588同步時鐘過程，是通過主-從時鐘互發(fā)同步報文，進行數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)精確對時的。同步過程如圖1所示[4]。

圖1　IEEE1588主從時鐘同步過程

具體同步過程如下：

1) 主時鐘向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)布同步報文Sync，同時在報文發(fā)出的同時，記錄本地時間的時間戳t1，這個時間就是發(fā)出Sync的時間。

2) 從時鐘在網(wǎng)絡(luò)中獲取同步報文Sync，同時在獲取報文的同時，記錄本地時間的時間戳t2，為獲取Sync的時間。

3) 主時鐘把上次記錄的Sync報文發(fā)送時間的時間戳t1寫入同步跟隨報文Follow_Up，發(fā)送給從時鐘。

4) 從時鐘發(fā)送延遲請求報文Delay_Req給主時鐘，同時在報文發(fā)出的同時記錄本地時間的時間戳t3，為從時鐘發(fā)送Delay_Req報文的時間。

5) 主時鐘接收Delay_Req報文，在獲取報文的同時，記錄本地時間的時間戳t4，為主時鐘獲取Delay_Req報文的時間。

6) 主時鐘把記錄的Delay_Req報文獲取時間的時間戳t4寫入延遲應(yīng)答報文Delay_Resp，發(fā)送給從時鐘。

以上過程為1個對時周期，從時鐘根據(jù)1個周期中產(chǎn)生的4個時間戳t1～t4來計算本地時鐘與主時鐘的時鐘偏移量[5]?，F(xiàn)假設(shè)從主時鐘發(fā)送報文到從時鐘的網(wǎng)絡(luò)延遲量為Delay1，從時鐘到主時鐘為Delay2，從時鐘與主時鐘的時鐘偏移量為Offset，那么根據(jù)得到的四個時間戳，可知：

t2-t1=Delay1+Offset

(1)

t4-t3=Delay2-Offset

(2)

然而在對時過程中，Delay1與Delay2幾乎相同，設(shè)為Delay，于是

(3)

(4)

至此，從時鐘根據(jù)得到的時鐘偏移量Offset和網(wǎng)絡(luò)延遲量Delay，可以完成對時。

2　網(wǎng)絡(luò)延遲對稱性的影響

在之前分析時鐘同步的過程中，時鐘偏移量和網(wǎng)絡(luò)延遲量的計算都是建立在兩個時鐘節(jié)點之間PTP報文往返的網(wǎng)絡(luò)延遲相等的基礎(chǔ)上的。在實際的對時網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，雖然大部分的情況下網(wǎng)絡(luò)延遲量都是近乎對稱的，但是由于系統(tǒng)信息量的繁雜，大量實時監(jiān)控數(shù)據(jù)隨機性收發(fā)，也總會出現(xiàn)對稱程度很差的情況[6]。如果網(wǎng)絡(luò)不對稱，那么在計算網(wǎng)絡(luò)延時量時就會產(chǎn)生誤差，影響對時的精度[7]。

以最典型的主從時鐘對時過程為例說明。在計算網(wǎng)絡(luò)延遲量和時鐘偏移量的時候，最先得出的是式(1)和式(2)。在后續(xù)的計算過程中，假定Delay1與Delay2幾乎相同，設(shè)為Delay。但是在實際的對時系統(tǒng)中，Delay1與Delay2很可能由于網(wǎng)絡(luò)的實時性堵塞存在一定的偏差。如圖2所示，同步報文Sync在發(fā)送到從時鐘設(shè)備的過程中遇到了網(wǎng)絡(luò)堵塞，而延遲請求報文Delay_Req在發(fā)送到主時鐘的過程中，網(wǎng)絡(luò)堵塞情況已經(jīng)好轉(zhuǎn)。

現(xiàn)在設(shè)實際網(wǎng)絡(luò)偏移量為Delay*，令

2Delay*=Delay1+Delay2+Δt

(5)

再根據(jù)式(1)、(2)和(4)，可以推導(dǎo)得到以下公式

Delay1+Delay2=Td1+Td2

(6)

(7)

(8)

由此可見，在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)延遲不對稱的情況下，再按照一般的算法計算網(wǎng)絡(luò)延遲量，計算得到的網(wǎng)絡(luò)延遲量和跟同步網(wǎng)絡(luò)在實際運行中存在的真實值是存在Δt/2偏差的。如果隨機突然出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)極端阻塞的情況下，Δt的值會變得很大，對主從時鐘設(shè)備精確對時會產(chǎn)生很大的影響，最終會導(dǎo)致同步不精確。

圖2　網(wǎng)絡(luò)延遲不對稱對時鐘同步的影響

3　IEEE1588時鐘同步改進算法

本文采用移動平均算法的方式，對測量得到的網(wǎng)絡(luò)延遲量經(jīng)行數(shù)據(jù)平滑處理。通過這種方法對偏差較大的數(shù)據(jù)經(jīng)行處理，可以有效減小網(wǎng)絡(luò)延遲量不對稱對對時精度造成的影響。

3.1移動平均算法原理

一般情況，對于測試到的動態(tài)數(shù)據(jù)y(t)，都是由確定性元素f(t)和隨機性元素x(t)兩部分組成[8]。確定性元素為測量的目的結(jié)果或者有效信號，隨機性元素為測試過程中隨機的誤差或者噪聲，即x(t)=e(t)。對動態(tài)數(shù)據(jù)離散化采樣后,數(shù)據(jù)可以寫成

(9)

為了使測量結(jié)果更精確的表示，減小隨機性誤差ej的影響，經(jīng)常會對動態(tài)測試數(shù)據(jù)yj執(zhí)行平滑和濾波的操作。具體就是對非平穩(wěn)數(shù)據(jù)yj選擇適當?shù)男^(qū)間[9]，把這一段數(shù)據(jù)視為接近平穩(wěn)的，對其進行某種局部平均操作，從而減小ej引起的隨機波動。沿著全長為N的非平穩(wěn)數(shù)據(jù)，每個小區(qū)間上不斷進行這種局部平均，就可以得到較為平滑的測量結(jié)果fj，從而減小頻繁起伏的隨機性誤差所帶來的影響[10]。

例如，測量得到N個非平穩(wěn)數(shù)據(jù)yj，把其中每m個連續(xù)數(shù)據(jù)的小區(qū)間之內(nèi)的數(shù)據(jù)看成是接近平穩(wěn)的，即每個小區(qū)間數(shù)據(jù)的均值接近于常量。于是，可以計算出每m個連續(xù)數(shù)據(jù)的平均值，以此來表示這m個連續(xù)數(shù)據(jù)中任一個的取值，并且可以把這個平均值作為減小了隨機誤差之后的測量目的結(jié)果或者抑制了噪聲之后的信號。根據(jù)不同的適用場合，該均值可以用來表示該區(qū)間內(nèi)的中點數(shù)據(jù)或者端點數(shù)據(jù)。假設(shè)取m等于5，并且用平均值代替這5個點中最后的數(shù)據(jù)，可以得到

(10)

然后可以認為f5=y5。同理，可以得到

(11)

同樣可以認為f6=y6。依此類推,就可以得到后端點移動平均算法的一般表達式：

(12)

經(jīng)過移動平均處理之后得到的fk=yk，與原來的數(shù)據(jù)yk相比，數(shù)據(jù)的隨機波動由于平均作用減小了，故移動平均算法是一種平滑數(shù)據(jù)的方法。

3.2移動平均算法的特點

移動平均算法最主要的特點是具有簡捷性和實時性。相比別的動態(tài)測試數(shù)據(jù)算法，移動平均算法簡便，計算量較小[11]，其通過遞推形式來處理離散數(shù)據(jù)的機制也可以起到節(jié)省存貯單元的作用。除此之外，還能在對非平穩(wěn)數(shù)據(jù)平滑處理抑制誤差的同時保證數(shù)據(jù)的實時性。另外，移動平均算法還具有可控制性。移動平均算法處理數(shù)據(jù)的效果跟移動參數(shù)的選則有很大關(guān)系，因此通?？梢跃唧w問題具體分析，針對動態(tài)測試目標本身變化的特點和動態(tài)測試數(shù)據(jù)的實際變化情況，依靠經(jīng)驗來選擇合適的移動平均參數(shù)[12]。

對于本文研究的網(wǎng)絡(luò)對時協(xié)議中主從時鐘網(wǎng)絡(luò)延遲不對稱問題，移動平均算法可以完全適用。由于對時精確度的要求，所以計算過程的簡便，使移動平均算法很適合應(yīng)用于此。在對時過程中，對于突然出現(xiàn)波動較大的網(wǎng)絡(luò)延遲量，直接做出丟棄處理顯然是不合適的。因為如果此時網(wǎng)絡(luò)只是在網(wǎng)絡(luò)延遲對稱情況下出現(xiàn)的正常堵塞，那么直接丟棄大波動的測量數(shù)據(jù)就會使時鐘偏移量測量結(jié)果誤差增大，影響對時精度。但是，對于突然出現(xiàn)較大的網(wǎng)絡(luò)延遲量，如果直接依據(jù)此數(shù)據(jù)來進行時鐘偏移量的計算，那么當此量是網(wǎng)絡(luò)延遲不對稱情況下的大誤差數(shù)據(jù)時，會使時鐘偏移量測量結(jié)果誤差增大，影響對時精度[13]。因此，最好的方法是用算法平滑突然出現(xiàn)波動較大的網(wǎng)絡(luò)延遲量，使其幅值降低，但又盡可能快速地向?qū)崟r數(shù)據(jù)進行靠攏。因此，移動平均法雖然會比一些高級算法簡單，但是卻適合于對時網(wǎng)絡(luò)主從時鐘網(wǎng)絡(luò)延遲量的處理。

3.3移動平均算法的一般方法

移動平均算法一般分為兩種：簡單移動平均算法和加權(quán)移動平均算法。

按式(3)～(14)的方法來計算移動平均，是沿總數(shù)為N的非平穩(wěn)數(shù)據(jù)不斷依次移動的取m個連續(xù)數(shù)據(jù)直接做算術(shù)平均計算。這就是簡單移動平均算法，在計算過程中相鄰的數(shù)據(jù)yk-m+1，yk-m+2，…，yk在進行計算時，對于計算結(jié)果fk=yk來說是等效的，是一種等權(quán)處理。而實際上，與yk距離較遠的數(shù)據(jù)相對于距離較近的數(shù)據(jù)對fk的作用可能小,應(yīng)該是不等權(quán)的，因而對實時性要求高的數(shù)據(jù)，選擇的m個相鄰數(shù)據(jù)應(yīng)該在設(shè)置成不同的權(quán)值之后再進行移動平均平滑數(shù)據(jù)，這就是加權(quán)移動平均算法[14]。

后端點加權(quán)移動平均算法一般公式為

(13)

其中ωi為權(quán)系數(shù)，滿足

(14)

在計算過程中，當式中m的取值偏大，則選取的連續(xù)數(shù)據(jù)就會偏多，經(jīng)過平均處理之后產(chǎn)生的平滑作用較大，這種情況下對頻繁隨機波動的誤差能更好地減小，但是會一起平均掉高頻變化的有效信號，引起結(jié)果的不準確[15]；而當式中m的取值偏小，則平滑作用較小，對頻繁隨機波動的誤差抑制程度偏小，達不到處理誤差的預(yù)計效果。因此，在實際應(yīng)用當中，需要先分析處理數(shù)據(jù)的目的和數(shù)據(jù)實際波動情況，或經(jīng)過對比試驗，再選取合適的移動平均參數(shù)m以及權(quán)系數(shù)ωi。一般在用移動平均算法處理動態(tài)測試數(shù)據(jù)的時候，應(yīng)用相對較多的是5～11點等權(quán)移動平均算法和2，3點加權(quán)移動平均算法[16]。

4　改進算法驗證

為了測試移動平均算法對IEEE1588協(xié)議的改進，本文采用自行設(shè)計的硬件平臺進行了驗證。平臺采用由意法半導(dǎo)體公司(STMicroelectronics,ST)生產(chǎn)的微控制器STM32F107VCT6實現(xiàn)協(xié)議，同時使用TI公司生產(chǎn)的物理層接口芯片DP83640記錄同步報文的硬件時間戳，如圖3所示。

圖3　測試硬件平臺結(jié)構(gòu)

在測試過程中，兩個硬件平臺分別作為主時鐘和從時鐘，通過以太網(wǎng)交換機相連，從時鐘通過串口與PC相連，用Matlab軟件完成主從時鐘偏移量的繪制。在選取移動平均算法的參數(shù)時，由于本文搭建的測試平臺規(guī)模較小，僅將主從時鐘電路板通過一臺交換機相連，因此進行主從時鐘同步過程中產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)抖動不大，如果選擇的參數(shù)m過大，那么較大的平均作用就會影響正常的高頻數(shù)據(jù)。所以，在本實驗中，選擇較小的移動平均參數(shù)m，這樣不會影響網(wǎng)絡(luò)延遲量變化的實時性。另外，在對于算法的選擇方面，由于時鐘同步作為實時性要求較高的過程，選擇了加權(quán)移動平均法。圖4為引入2點加權(quán)移動平均算法之后的測試結(jié)果。

圖4　改進算法前后主從時鐘偏移量對比

在圖4中：上方圖像中的時鐘偏移量是在網(wǎng)絡(luò)延遲量計算過程中沒有加入移動平均算法情況下測量得出的，而下方圖像中的時鐘偏移量波動情況明顯要改善很多，在40～45 ns小幅度波動，就是因為使用了移動平均算法對網(wǎng)絡(luò)延遲量進行處理。

上述測試結(jié)果可以證明：以上改進可以提高IEEE1588協(xié)議的對時精度和穩(wěn)定性，并且對時精度滿足電力監(jiān)控系統(tǒng)亞微秒級的要求。

5　結(jié)束語

電力監(jiān)控系統(tǒng)是一個復(fù)雜的實時系統(tǒng)，采用IEEE1588協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)精確時鐘同步技術(shù)，可以在不增加網(wǎng)絡(luò)負荷的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)亞微秒級的同步精度，可以有效地解決分布式電力監(jiān)控系統(tǒng)的實時性問題，具有很強的研究與應(yīng)用價值。本文IEEE1588協(xié)議的對時機制進行了研究，并且改進了對時算法。最后通過實驗證明了移動平均算法可以改進IEEE1588協(xié)議的對時精確度和穩(wěn)定性，并且完全滿足電力監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

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(責任編輯楊文青)

Synchronization Algorithm Modification of Power Supervisory System Based on IEEE1588 Protocol

LIU Wei1, PENG Lei1, ZHANG Zhen-tao2，ZHOU Ya-xun1, GONG Jun-ming1

(1.School of Electrical and Electronic Engineering, Chongqing University of Technology,Chongqing 400054, China; 2.Chongqing Institute of Measurement and Quality Inspection, Chongqing 401121, China)

With the development of the power system, the distributed power monitoring and control system of clock synchronization precision demand is higher and higher, and have put forward the requirements of microsecond. To satisfy this requirement, IEEE 1588 precise network clock synchronization protocols were studied in this article, and exposited the principle of high precision clock synchronization. In view of the clock synchronization network latency is dis-symmetry in the process of problems, that using moving average algorithm was proposed to improve the synchronization process of IEEE1588, and finally it was verified.

IEEE1588; power supervisory system; moving average algorithm; network delay

2016-05-17

重慶理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項目(YCX2013217)

劉偉(1963—)，男，副教授，主要從事電力系統(tǒng)自動化技術(shù)研究，E-mail:liuwei@cqut.edu.cn；彭雷(1992—)，男，河北廊坊人，碩士研究生，主要從事電氣測試技術(shù)研究，E-mail:475569812@qq.com。

format：LIU Wei, PENG Lei, ZHANG Zhen-tao,et al.Synchronization Algorithm Modification of Power Supervisory System Based on IEEE1588 Protocol[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(10):135-140.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.10.021

TN915

A

1674-8425(2016)10-0135-06

引用格式：劉偉，彭雷，張朕滔，等.基于IEEE1588協(xié)議電力監(jiān)控系統(tǒng)的對時算法改進[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2016(10):135-140.