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

1、IEEE1588在電力以太網(wǎng)交換機(jī)中的實(shí)現(xiàn)作者：馬曉軍莫非來(lái)源：科技資訊2014年第28期馬曉軍莫非(南京南瑞集團(tuán)公司江蘇南京210003)摘要:該文介紹了電力以太網(wǎng)交換機(jī)的同步情況和IEEE1588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(shuō)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)-0084-021電力以太網(wǎng)交換

2、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(kāi)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IEEE1588定義了一種用于分布式測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)間協(xié)議(precisiontimeprotocol,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(guó)外一些公司(如Altera、Rockwell等)相繼開(kāi)始了支持IEEE1588的相關(guān)硬件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和IEEE1588具體工業(yè)應(yīng)用的研究,進(jìn)一步完善的IEEE

3、1588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IEEE1588的功能,并且運(yùn)用到工程實(shí)踐中。2IEEE1588的介紹和實(shí)現(xiàn)通過(guò)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100ms),這種網(wǎng)絡(luò)同步過(guò)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(PrecisionTimeProtocol),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

4、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(guò)普通交換機(jī)時(shí)有“存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)”的過(guò)程,因此其傳輸時(shí)延不可測(cè)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(guò)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:TCE2E

5、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。S是SYNC報(bào)文在交換機(jī)中的駐留時(shí)間;R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S或減去R后發(fā)給從設(shè)備。TCE2E線路延時(shí)和時(shí)間差計(jì)算:對(duì)終端設(shè)備而言,TCE2E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:T

6、2(T1S)DelayOffset(T4R)T3DelayOffset兩式相減可求出Offset:Offset(T2T1)(T4T3)(SR)/2Delay(T2T1)(T4T3)(SR)/2TCPeertoPeer: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(cè)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

7、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_2S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TCP2P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(T1SDelay_1)Delay_2Offset由PDelay_Req、

8、PDelay_Resp、PDelay_Follow_up報(bào)文可得出下述公式:TS1T3Delay_2Offset_2T4TS2Delay_2Offset_2可算出從設(shè)備的時(shí)差:Delay_2(T4T3)(TS2TS1)Offset(T2T1)SDelay_1(T4T3)(TS2TS1)/24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。TCE2E時(shí)間同步精度分析,由于報(bào)文在

9、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50ppm的晶振,每秒鐘最大可能跑偏50s,每微秒跑偏50ps,對(duì)最后精度影響不大。TCP2P時(shí)間同步精度分析,P2P模式要求交換機(jī)測(cè)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(cè)量的時(shí)間量遠(yuǎn)多于E2E模式,因此其測(cè)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(lái)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

10、線性上升。5應(yīng)用實(shí)例DP83640是一款基于IEEE1588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(guò)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(guò)替換以太網(wǎng)層并增加IEEE1588PTP軟件實(shí)現(xiàn),CPU、交換芯片和DP83640通過(guò)MII口連接起來(lái)組成一個(gè)系統(tǒng)。6結(jié)語(yǔ)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IEEE1588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

11、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)1TechnicalCommitteeonSensorTechnology,IEEEStandardforaPrecisionClockSynchronizationProtocolforNetworkedMeasurementandControlSystems,24July2008.2NationalSemiconductorCorporation,DP83640PrecisionPHYTERIEEE1588PrecisionTimeProtocolTransceiver,January7,2009.3NationalSemiconductorCorporation,NationalSemic