PTP时钟同步方案研究

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1、 制了I E E E 1 5 8 8 协议的应用范 围。 本文针对上述问题 ， 研究了I E E E 1 5 8 8 协议在对 同步精度要求不 同的分布式 电力系统 中的应用 根 据P r I 1P 和 电力系统 时钟同步特点 ，提 出了2 种P r r P 时 钟同步系统设计方案 ，分别应用于不同同步等级 的 P 系统 中，并利用0 MN e T + + 仿真软件分析 了它们 的可行性和适用范围。 1 l E E E 1 5 8 8 标 准 1 1 I E E E 1 5 8 8 协议简介 图1 为一个基本 的 P 通信 系统 ， I E E E 1 5 8 8 为 应用层协议，传输层和网络

2、层分别采用U D P 和I P 协 议 。时钟 同步精度主要受网络中的传输延迟与抖动 和协议栈与操作系统的传输延迟与抖动的影响。 I E E E 1 5 8 8 协议在如图1 所示 的MI I 接 口位置为同步 报文打上时间戳 使得其时钟同步精度只受P H Y 物 理层传输延迟抖动和网络中传输延时抖动的影响 而物理层延时只有纳秒级 ，对时钟同步的结果影响 不大 ，网络中传输延时可以采用该协议定义 的E 2 E ( E n d t o E n d ) 时钟 同步机制和P 2 P ( P e e r t o P e e r ) 时 钟 同步机制进行计算 。 最高主时钟 从时钟 L二 交换机 路 由

3、器 = _ _ J 。_ _。 ! 网络中的传输! 延 时和抖动 图1 P T P 通信结构 图2 为一个典型的采用E 2 E 机制 的P T P 时钟同步 过程 ， 它是基于延迟请求 、 响应这一原理实现的。 主 时钟时间 从时钟 时间 一矽 一 、 ， 一事件报文 一普通报文 一两步同步普通报文 图2 P T P 同步 过程 假设报文在网络 中的传输时间延迟是对称的 则P rr P 报文传输过程中的平均延迟为 ： D e l a y = ( T S 1 - T M1 ) + ( T M2 - T S 2 ) 2 ( 1 ) 从时钟与主时钟间的时间误差为 ： O ff s e t = ( T

4、 S 1 一 T M1 ) 一 ( T M2 一 T S 2 ) 1 2 ( 2 ) 式 中 ： T M1 为S y n c 报文的发送时 间戳 ： T S 1 为S y n c 报 文 的接收时间戳 ： T S 2 为D e l a y _ R e q 报文 的发送时间 戳 ； T M2 为D e l a y _ R e q 报文的接收时间戳。 1 2透明时钟 P T P 设备包括普通时钟( O r d i n a r y C l o c k ) 、 边界 时钟 ( B o u n d a ry C l o c k ) 、 E 2 E 透 明时钟 ( E n d t o E n d T r

5、a n s p a r e n t C l o c k ) 、 P 2 P透 明 时 钟( P e e r t o P e e r T r a n s p a r e n t C l o c k ) 和管理节点 ( Ma n a g e m e n t N o d e ) 。 P T P同步系统 中 ， 主从 节点均采 用普通 时钟 ， 网络 交换设备可 以采用具有 同步功能的边界时钟或透 明时钟。边界时钟是将系统构成主从级联拓扑 ， 通 过逐级 同步来 消除网络延 迟 ，但 传输路径越长造 成的误差就越大【 8 l 。透 明时钟则 是通过记 录P T P 报 文在设备 中的驻 留时间来修 正

6、网络延时 ，以此来 提高同步精度 。 以E 2 E 透明时钟为例 。图3 给出了E 2 E 透 明时钟 交换机对驻 留时问进行测量和记录的方法。当某一 P T P 事件报文进入端 口一 1 时 ， 记录接收时 间戳 ， 在 发送端 口一 Z 捕捉消息的发送时间戳 ， 得到报文的 驻 留时间 = T o u t T i ， 最后将其数据结果添加在此报 文 的C F ( C o r r e c t i o n F i e l d ) 区域 中。从时钟节点在计 算 同步结果时 。 利用C F 区域中累积的驻 留时间来消 除网络等待时间不对称带来 的计算误差。 头 l l 阡 P l 报 头 入 口

7、口 1 = = 广 堕 。 垄些堕 互 驻 留时间机制 出 口 端口 图3 E 2 E 透明时钟测量 、 记 录驻 留时间的方法 2智能电网中的时钟同步 2 1 时钟 同步要求 智能电网是一个复杂的分布式系统 ，对时钟 同 步精度有着不同层次 的需求。I E C 6 1 8 5 0 对不 同I E D 设备的时钟 同步精度做了明确规定 。根据不同的目 标分成5 个级别9 ， 具体如表1 所示。 6 7 电 力 信 息 与 通 信一 D I z L I X Iz X I 、，c _r。 z 。 X Iz 一 操起时 一 和引延 栈统输动 议系传抖 协作的和 - _ | 0 。 | 誊 68 表

8、1 智能电网时钟同步精度要求 2 2 P T P 时钟同步系统设计 电力 自动化 系统对 时间同步精度有不 同的要 求 ， 并不是精度越高越好 ， 同步精度的提高意味着投 资成本 的提高。因此 ， 在构建时钟同步系统时 ， 没有 必要盲目 追求高精度，对于同步等级要求不高的子 系统 ， 原则上满足时钟同步等级要求 即可。 目前对 同步等级要求不高的电力系统分布式子 网中常采用的是N T P S N T P 同步技术 对 同步等级要 求较高的则采用I E E E 1 5 8 8 同步技术 。 在同一个电力 自动化同步系统 中，如果各个I E D 设备所需 同步等 级不同， 应采用同一种时钟同步技

9、术 ， 以便降低系统 的复杂度 ， 避免影响其兼容性和互操作性 。 在这种情 况下应满足其最高同步要求 ，采用P T P 同步技术作 为全网同步方案。然而对于同步等级要求较低的各 个I E D 设备采用t r r p 同步则会增加其投入成本 。因 此 ， 在进行P T P 时钟同步设计时 ， 应尽量降低其经济 成本。 为了平衡时钟同步精度和经济成本 ， 提出了以 下2 种P T P 同步方案 ， 分别应用于对时钟 同步等级要 求不同的子系统中。 ( 1 ) 方案一。 应用于对时钟同步等级要求相对较 低的子系统 中，如保护及控制类I E D 对 同步要求只 需达 I T 1 、 T 2 等级 ，

10、在保证其 同步精度的前提下降 低经济成本 。一般 P 系统是 由 P 设备和非 P 设 备结合而成的分布式 网络系统 P T P 设备包括不 支持该协议的普通 网络交换机 、路 由器及打印机等 其他 网络终端设备 ， 而主从设备必须采用支持I E E E 1 5 8 8 协议的普通时钟。 为了节省投资成本 ， 只能更换 其网络交换设备 。 可以采用普通交换机 P 同步报 文经过普通交换机时不经过任何处理直接转发给其 他设备， 这会在一定程度上降低其时钟同步精度。 该 方案在与同步等级高的P T P 系统进行互联时具有明 显优势 而且若需对系统同步等级进行升级， 只需更 换 网络交换设备 ， 大

11、大减少了重建投入。 ( 2 ) 方案二。针对对于时钟同步要求较高的l E D 设备提出的同步方案 ， 如T 5 等级的互感类设备 以及 同步测量单元 、 线路行波故障测距装置等。 为了保证 I E E E 1 5 8 8 的高同步等级 ，采用支持I E E E 1 5 8 8 协议 的透 明时钟作为网络交换设备 ，形成一个完全的 P T P U , 钟同步系统。 3 仿真结果与分析 3 1 仿 真配 置 本文利用O MN e T + + 网络仿真软件 ，搭建 了图4 所示的 P 时钟同步仿真系统 ，采用 电力系统常用 的树形通信网络， G P S 作为同步系统主时钟的参考 时钟源。 从时钟则模

12、拟电力系统中智能电子设备 ， 采 用晶振时钟作为时间源 ， 晶振频率 1 2 5 MH z ， 抖 动8 n s 。 频率漂移D= l x l 0 U s 。由于智能电网的I E D 装置 频率误差 厂 。 不等， 黹 作为仿真参数用来分析频率 误差对2 种同步方案 的影响。 为了使其更加等效于电 力系统网络 ，令P r r P 从时钟节点有序或无序地向主 时钟发送 随机报文数据来模拟网络负载。 GPS 图4 P T P 时钟 同步 系统 3 2 仿真结果及分析 电网频率为5 0 H z ， 用相位误差表示时钟 同步精 度 ， 即1 Ix s 所对应的相位误差为0 3 1 4 mr a d 。

13、方案一 采用传输速率为1 0 0 Mb s 的普通交换机作为P T P 同 步系统交换设备 ，设置从时钟晶振的a f o 分别为1 0 x 1 0 和1 0 0 x l 0 ， 运行仿真可得方案一从节点 同步误 差结果 ， 如图5 图8 所示。 P 协议之所以可以达到理想 的同步精度 ， 其 中一个重要 的前提是P T P 报文在主 、从时钟两节点 问的传输延迟是对称的。 然而在该时钟 同步方案下， 从时钟向主时钟单方 向的发送报文数据 ，主从时钟 问的传输延迟显然不等， 对同步精度造成很大影响。 另外时钟同步结果受晶振频率误差影响较大 ，由相 位误差统计 图可看出同步不对称性非常突出。 P

14、同步方案二采用传输速率为 1 0 0 Mb s 的透 明时钟交换机做 同样的仿真，得 同一节点的仿真结 电力信息与通信一 D I z L l 芝 一 、 ，亡 1 _o z 。 芝 0 0 ll 0 _ _ 一 r l l _ 70 振稳定性的影响， 非常适用于时钟 同步精度不大于 1 s 的同步 向量测量装置 、 电子互感器 的合并单元等 智能 电网I E D 的 P 同步系统。 4 结语 由于智能电网的时钟同步网络只需满足其 同步 精度 即可 ， 考虑其经济成本及各子网的互操作性 ， 本 文分析了2 种P r r P 时钟同步方案 ， 方案一采用普通以 太网交换机作为网络交换设备 ， 在一

15、定程度上降低 了经济投入 ，时钟 同步精度虽然不能达到T 5 等级 ， 却可 以达到T 2 、 3 “ 3 等级 ，可以代替N T P S N T P 协议用 于时钟同步精度要求不高的子网当中 如变电站站 控层 同步网络 ： 方案二采用透明时钟虽然增加了成 本投入，但时钟同步精度完全可以达到T 5 等级 适 用于时钟 同步等级要求高 的肿时钟 同步拓扑结 构 如变电站过程层。 参考文献 【 1 于跃海， 张道农， 胡永辉， 等 电力系统时间同步l方案l J 】 电力系统 自动化 ， 2 0 0 8 ： 3 2 ( 7 ) ： 8 2 8 6 2 C H A N G C P ， K I N G C T ， C H A N C M O n R e f e r e n c e N o d e De p l o y me n t f o r P r e c i s e Cl o c k S y n c h r o n i z a t i o n i n S ma r t P o B r G r i d IC1 S y d n e y ： 2 0 1 1 N i n t h I E E E I n t e r n