基于IEC61588的智能配用電同步對時網(wǎng)關(guān)

李 彬，祁 兵，孫 毅，唐良瑞

（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

目前應(yīng)用較多的無線授時系統(tǒng)有美國的GPS、俄羅斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、歐洲Galileo導(dǎo)航系統(tǒng)以及日趨完善的中國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)[1]。隨著智能電網(wǎng)的快速建設(shè)及分組傳送技術(shù)的迅猛發(fā)展，綜合考慮設(shè)備成本、編解碼復(fù)雜度以及配置靈活性等方面的問題，網(wǎng)絡(luò)對時方式逐漸獲得眾多設(shè)備廠商的青睞[2-3]。在電力通信系統(tǒng)中，IEC61850最初考慮的時間同步方案為簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（SNTP），其時間同步精度相對較低[4]。隨著電網(wǎng)運行水平的不斷提高，電網(wǎng)的智能化改造過程中，采用自動化技術(shù)是未來電網(wǎng)發(fā)展的趨勢。

隨著分布式控制系統(tǒng)對時間同步要求逐漸提高，傳統(tǒng)的時間同步協(xié)議如網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）、SNTP由于同步精度有限，已無法滿足現(xiàn)階段電力自動化設(shè)備的同步要求。為解決分布式網(wǎng)絡(luò)校時問題，IEC將IEEE所制定的1588精確定時協(xié)議轉(zhuǎn)化為IEC61588標(biāo)準(zhǔn)[5]，同時該標(biāo)準(zhǔn)已被我國采標(biāo)為《用于網(wǎng)絡(luò)化測量和控制系統(tǒng)的精確時鐘同步協(xié)議》。在該協(xié)議中明確定義了通過中繼網(wǎng)絡(luò)鏈接的多點分布式實時時鐘同步的方法和步驟，同時將過程控制協(xié)議從數(shù)據(jù)傳送協(xié)議中分離。原則上任何其他支持組播地址的中繼協(xié)議均可使用，并可通過任意底層網(wǎng)絡(luò)啟動執(zhí)行，根據(jù)應(yīng)用的需求定制對時的方法，進行完全自動化的智能對時。

1 配用電側(cè)的分布式定時需求分析

在配用電側(cè)的信息采集系統(tǒng)是一個覆蓋面很廣的通信網(wǎng)絡(luò)，采集點具有較強的分散性。目前分布式信息采集應(yīng)用較多的通信協(xié)議主要有ZigBee[6]以及中國科學(xué)院沈陽自動化研究所推出的無線工業(yè)自動化（WIA）技術(shù)[7]。 電能計量、電費核算及收繳的及時性和準(zhǔn)確性已成為用電企業(yè)的重要課題，系統(tǒng)中任何一個具有無線通信功能的節(jié)點均可作為轉(zhuǎn)發(fā)其他電表數(shù)據(jù)的中繼，分布式信息采集網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍可以根據(jù)需要靈活調(diào)整。為實現(xiàn)低功耗全Mesh路由協(xié)議，需要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的同步。配電側(cè)的時間同步需求主要體現(xiàn)在電網(wǎng)故障分析判斷及實時數(shù)據(jù)采集時間一致性要求方面，同時隨著未來分布式能源的接入及數(shù)字電力技術(shù)的推廣應(yīng)用，對時間同步的要求會更高。表1給出了目前電力系統(tǒng)中典型同步應(yīng)用的時間精度需求。

表1 時間同步精度需求Tab.1 Accuracy demand of synchronization

電力自動化設(shè)備對時間同步精度要求的等級有所不同，對時精度的提高需要付出相應(yīng)的代價，并非精度越高越好。在進行系統(tǒng)設(shè)計時沒有必要盲目追求高精度，滿足被授時設(shè)備本身的同步精度要求即可。以WIA電力信息采集網(wǎng)絡(luò)為例，WIA-PA通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)與其他網(wǎng)絡(luò)的互連。WIA-PA網(wǎng)關(guān)除了與其他WIA-PA設(shè)備進行通信、交換設(shè)備間的信息，還負(fù)責(zé)整個WIA-PA網(wǎng)絡(luò)管理和安全管理工作[7]。每個WIA節(jié)點周期性地從休眠模式轉(zhuǎn)為工作模式，并通過射頻模塊廣播自身的標(biāo)識信息及連通性信息。為實現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)，通常希望系統(tǒng)處于工作模式的時間越短越好，因此必須在系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)一定精度的時鐘同步，通常毫秒級的同步已經(jīng)能夠基本滿足WIA網(wǎng)絡(luò)的要求。精確定時協(xié)議（PTP）可以支持鏈?zhǔn)骄W(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時PTP也并未明確指定其傳輸層面的協(xié)議。目前已經(jīng)定義的傳輸技術(shù)有 UDP ／IPv4、UDP ／IPv6、IEEE802.3、DeviceNet、ControlNet、ProfiNet等，在IEC61588協(xié)議中的協(xié)議編號0x0007～0xEFFF為后續(xù)其他傳輸協(xié)議預(yù)留了相應(yīng)的標(biāo)識[5]。本文在PTP的基礎(chǔ)架構(gòu)上，利用該擴展接口，提出一種基于傳感網(wǎng)的PTP分布式定時應(yīng)用模式，所設(shè)計的網(wǎng)關(guān)可用于配用電側(cè)的信息采集，同時提供符合相應(yīng)時間精度要求的同步信息。

2 基于IEC61588的同步校時網(wǎng)關(guān)

2.1 面向分組的分布式定時協(xié)議

在配用電側(cè)采集終端同時被多個網(wǎng)關(guān)覆蓋時，可通過最佳主時鐘（BMC）算法進行選擇，并同時確定備選最佳主時鐘。類似于時間同步數(shù)字系統(tǒng)的同步狀態(tài)信息（SSM）時鐘選源協(xié)議，IEEE1588v2也有獨立的時間選源算法，即BMC算法。與SSM協(xié)議不同的是，除比較SSM時鐘等級，BMC算法需要比較的屬性參數(shù)較多，如時鐘源的優(yōu)先級、時鐘源等級、精度、端口ID、時鐘源在網(wǎng)絡(luò)中所經(jīng)過的跳數(shù)等。對于從時鐘，則將接收到的時間消息、通告消息、時間戳以及內(nèi)部的滯留時間傳送給PTP引擎，協(xié)議引擎計算出正確的時間并控制本地時鐘。對于主時鐘，協(xié)議引擎將產(chǎn)生Sync和Follow_Up消息，消息中發(fā)送時間戳由本地時鐘基于內(nèi)部停留時間和輸出時間戳產(chǎn)生。在實現(xiàn)中，透傳時鐘（TC）和普通時鐘通常使用相同的本地時鐘。PTP流程見a—d，其示意圖參見圖 1。 圖 1 中 t′2m、t′3m和 t2m、t3m分別為對應(yīng)右側(cè)（從節(jié)點）的 t′2、t′3和 t2、t3在左側(cè)（主節(jié)點）的時間。

圖1 PTP流程Fig.1 Flowchart of PTP

a.主時鐘采用組播方式向從時鐘發(fā)送Sync報文，并在報文發(fā)送過程中記錄Sync報文的發(fā)送時間戳t1，從時鐘收到該報文后記錄下接收時間戳t2。

b.主時鐘發(fā)送Sync報文后，立即采用組播方式發(fā)送一個攜帶有時間戳t1的Follow_Up報文；從時鐘接收Follow_Up報文后，獲取時間戳t1的值。

c.從時鐘收到主時鐘發(fā)送的消息后采用單播方式向主時鐘發(fā)送Delay_Req報文，用于發(fā)起反向傳輸延時的計算，并記錄發(fā)送時間戳t3；主時鐘收到該報文后，記錄接收時間戳t4。

d.主時鐘收到Delay_Req報文后，立即回復(fù)Delay_Resp報文，同時攜帶接收時間戳t4；從時鐘接收Delay_Resp報文，從中獲得時間戳t4的值。

時鐘偏移量可通過主時鐘和從時鐘設(shè)備雙向通信延時差的平均值估算，然而對于未采用媒質(zhì)無關(guān)接口（MII）擴展的定時設(shè)備，通常其時間差統(tǒng)計的是主時鐘和從時鐘PTP的協(xié)議棧之間的對端延時，采用PTP和MII協(xié)議均會造成一定程度的誤差：

其中，δdev=[（δm1-δm4）+（δs2-δs3）]／2，即為PTP協(xié)議棧定時與MII時間戳的誤差；

對于P2P透傳時鐘，每個端口有一個模塊用于測量該端口與對端端口的鏈路延時，對端端口也必須支持P2P模式。鏈路的延時通過交換Pdelay_Req、Pdelay_Resp以及Pdelay_Resp_Follow_Up消息進行測量，P2P透傳時鐘僅修正并轉(zhuǎn)發(fā)Sync和Follow_Up消息。在傳感網(wǎng)中，本地的停留時間和收到消息的端口的鏈路延時均記入修正值。P2P的修正包括了鏈路延時和停留時間，從而反映了整個路徑的延時。從時鐘可以根據(jù)Sync消息計算出正確的時間，而不需再發(fā)送Delay測量消息[8]。在發(fā)生時鐘路徑倒換時，P2P方式基本不受影響，而E2E方式則需要進行新的延時測量之后，才能計算出正確的時間。

通過網(wǎng)絡(luò)收集PTP域內(nèi)各節(jié)點上的時鐘精度和級別，利用BMC算法計算出祖父（GM）時鐘作為整個區(qū)域的參考時鐘。各時鐘節(jié)點之間通過交互的Announce報文中所攜帶的最優(yōu)時鐘優(yōu)先級、時間等級、時間精度等信息，最終選出1個節(jié)點作為PTP域的最優(yōu)時鐘，同時，各節(jié)點之間的主從關(guān)系以及各節(jié)點上的主從端口也已經(jīng)確定。通過該過程，整個PTP域中建立起了一棵無環(huán)路、全連通，并以最優(yōu)時鐘為根的生成樹。此后，主節(jié)點定期發(fā)送Announce報文給從節(jié)點，如果在一段時間內(nèi)，從節(jié)點沒有收到主節(jié)點發(fā)來的Announce報文，便假定該主節(jié)點失效，重新進行最優(yōu)時鐘的選擇。

2.2 PTP軟件處理

普通時鐘通常具有一個PTP物理通信端口與網(wǎng)絡(luò)相連，根據(jù)所實現(xiàn)的功能，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧上包含2類邏輯接口，即事件接口和通用接口[8-10]。事件接口接收和發(fā)送需要時間標(biāo)簽的事件消息，而通用接口則接收和發(fā)送其他消息并封裝成標(biāo)準(zhǔn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議報文進行傳輸。在網(wǎng)絡(luò)中，普通時鐘可以作為GM時鐘或從時鐘[11-12]。當(dāng)作為GM時鐘時其PTP端口處于主狀態(tài)，作為從時鐘時其PTP端口則處于從狀態(tài)。PTP節(jié)點內(nèi)部功能模型框圖如圖2所示。

圖2 面向無線傳感網(wǎng)的PTP定時模型Fig.2 PTP timing model for WSN

當(dāng)普通時鐘的端口為從狀態(tài)時，由時鐘控制環(huán)路控制本地時鐘與父時鐘同步。當(dāng)普通時鐘作為GM時鐘時，本地時鐘可選擇自由振蕩模式或者同步于外部時鐘源（如 GPS 等）[13-14]。

端到端透傳時鐘自動轉(zhuǎn)發(fā)所有的PTP消息，但對于事件消息，同時計算消息報文經(jīng)過本節(jié)點所耗費的時間，并累加到消息報文中的Correction字段中。通過抖動轉(zhuǎn)移特性反映系統(tǒng)對輸入抖動擴展或抑制的程度，指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計和改進定時設(shè)備的性能。圖3描述了PTP時鐘跨越定時鏈路時的抖動累積模型。

圖3 PTP的抖動累積模型Fig.3 Jitter accumulation model of PTP

hi（nT）為第i個PTP設(shè)備在第n個采樣周期內(nèi)的系統(tǒng)傳遞函數(shù)，PTP 節(jié)點內(nèi)部的抖動 ei，k（nT）由隨機分量和系統(tǒng)分量兩部分組成。隨機分量是指與PTP中繼鏈路上其他PTP節(jié)點抖動完全不相關(guān)的抖動，而與其他中繼節(jié)點抖動相關(guān)的抖動稱為系統(tǒng)抖動。每個PTP節(jié)點隨機抖動相互之間完全不相關(guān)，并且是均值為零的白色隨機過程，則在第k個PTP節(jié)點輸出端的累積隨機抖動功率譜函數(shù)為：

其中，Hi（f）為 hi（nT）的頻域形式，ΦRik為第 k 級隨機抖動功率譜密度常數(shù)。

PTP節(jié)點的系統(tǒng)抖動與隨機抖動不同，其相互之間是相關(guān)的，并且均值為零，則在第k個PTP節(jié)點的輸出端累積系統(tǒng)抖動的功率譜函數(shù)為：

若系統(tǒng)設(shè)備滿足相同特性或者差別不大，則可用平均抖動轉(zhuǎn)移特性來描述定時鏈路的抖動特性，假定各PTP傳輸設(shè)備的再定時電路的變化對抖動累積的影響是隨機的，則上式可簡化為：

其中，Ha（f）為任意PTP節(jié)點的抖動轉(zhuǎn)移特性，ΦRk和ΦSk分別為第k級PTP節(jié)點所累積的隨機抖動和系統(tǒng)抖動的功率譜密度常數(shù)。

2.3 自動校時網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

為實現(xiàn)智能電網(wǎng)建設(shè)“全覆蓋、全采集、全預(yù)付費”的總體目標(biāo)，保證智能電網(wǎng)建設(shè)規(guī)范有序推進，按照堅強智能電網(wǎng)建設(shè)的總體要求，必須實現(xiàn)配用電信息采集系統(tǒng)及主站、采集終端之間的同步。在目前國家電網(wǎng)所發(fā)布的《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)》系列標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)明確規(guī)定相關(guān)設(shè)備的外形接口、通信接口以及材料和工藝要求等。集中器應(yīng)能夠提供可靠的時鐘信號，從而保障采集網(wǎng)絡(luò)的同步性和一致性。在配用電側(cè)，集中器可作為校時網(wǎng)關(guān)的首選設(shè)備，所研制的多模校時網(wǎng)關(guān)通信接口采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，滿足采用不同通信方式的通信模塊可互換的要求，且其外形尺寸符合Q／GDW375.2的規(guī)范要求。處理單元采用S3C6410高性能處理器ARM11，具有256 MByte RAM以及2 GByte MLC2 Nand Flash，核心板采用高密度6層板設(shè)計。上行方向同時支持TD-LTE以及McWiLL，可進行自動測量并靈活選網(wǎng)，并獲取可靠的時鐘源；下行方向采用WIA微功率無線通信技術(shù)，并嵌入電力信息采集協(xié)議棧，完成對所轄區(qū)域內(nèi)設(shè)備的信息采集。

3 測試結(jié)果

搭建測試平臺，采用1臺校時網(wǎng)關(guān)、6個WIA采集終端隨機組網(wǎng)；選用Si4432射頻芯片，配置8位前導(dǎo)碼，最大發(fā)射功率20 dBm；上行工作頻段位于1785～1805 MHz，采用RS碼編碼方式。為進行極限網(wǎng)絡(luò)測試，主時鐘配置為每10 ms發(fā)送一次Sync同步報文，采集網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采用IP承載方式，業(yè)務(wù)包含加速轉(zhuǎn)發(fā)（EF）、確保轉(zhuǎn)發(fā)（AF）2 類，PTP 符合標(biāo)準(zhǔn)的 IEC61588格式并通過 IEEE802.15.4承載[12]。雖然在IEEE1588的v2版本中已明確建議在MII增加硬件時間戳[5]，但是由于涉及到底層的操作不易擴展，目前仍有大量的應(yīng)用在應(yīng)用接口和驅(qū)動接口打時間戳，從而不能忽略協(xié)議棧所引起的非對稱時延。

根據(jù)ITU-TG.810所定義的同步準(zhǔn)確性的說明[11]，本文采用時間偏差 TDEV（Time DEViation）衡量時鐘同步的準(zhǔn)確度，該參數(shù)定義如下：

其中，n為抽樣點編號，xi為第i個采樣周期的時延差值，〈·〉表示取均值運算。

雙模校時網(wǎng)關(guān)采用一階低通濾波器，其通帶系數(shù)為0.1，阻帶系數(shù)為0.15，抽樣頻率為100 Hz，相當(dāng)于2.5 Hz的下降邊沿，其頻率響應(yīng)曲線如圖4所示，頻率已作歸一化處理。

圖4 濾波器頻率響應(yīng)曲線Fig.4 Frequency response curve of filter

圖5給出了引入PTP的傳感網(wǎng)絡(luò)中采用不同排隊策略的延時統(tǒng)計。從PTP的運行原理可知，端到端的延時上限滿足如下關(guān)系：

其中，σ為漏桶模型中網(wǎng)絡(luò)邊緣處漏桶的深度，相當(dāng)于邊緣節(jié)點處端口緩存的大??；r為業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)速率；Ci為數(shù)據(jù)包在第i個節(jié)點的延時。

圖5 不同隊列下定時信息傳輸性能Fig.5 Performance of timing transmission under different queuing strategies

從測試結(jié)果可以看出，先入先出（FIFO）隊列的端到端延遲通常不超過80 ms。FIFO隊列根據(jù)數(shù)據(jù)到達(dá)的先后順序分配轉(zhuǎn)發(fā)所需帶寬，所有報文共享網(wǎng)絡(luò)和路由器的資源，即Best-Effort服務(wù)，對分組投遞的延遲、延遲抖動、丟包率和可靠性等需求不提供任何承諾和保證。優(yōu)先級隊列（PQ）算法建立優(yōu)先隊列，在調(diào)度時嚴(yán)格按照優(yōu)先級從高到低的次序，優(yōu)先發(fā)送較高優(yōu)先級隊列中的分組，當(dāng)較高優(yōu)先級隊列為空時，再發(fā)送較低優(yōu)先級隊列中的分組，其延時小于50 ms。通常將關(guān)鍵業(yè)務(wù)分組（如PTP控制消息）放入較高優(yōu)先級的隊列，將非關(guān)鍵業(yè)務(wù)分組放入較低優(yōu)先級的隊列，從而保證優(yōu)先傳送關(guān)鍵業(yè)務(wù)分組。PQ方法的缺點在于非關(guān)鍵業(yè)務(wù)的分組僅能在處理關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的空閑間隙被傳送，如果較高優(yōu)先級隊列中長時間有分組存在，則低優(yōu)先級隊列中的數(shù)據(jù)將一直無法處理。加權(quán)隊列（WFQ）算法對公平隊列進行了改進，在計算報文調(diào)度次序時考慮了優(yōu)先權(quán)，使高優(yōu)先權(quán)的報文獲得優(yōu)先調(diào)度的機會多于低優(yōu)先權(quán)的報文。WFQ根據(jù)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級高低動態(tài)分配每個流應(yīng)占有出口的帶寬，通過輪詢各個隊列，按照帶寬比例從隊列中取出相應(yīng)數(shù)量的報文進行發(fā)送，進而保障網(wǎng)絡(luò)資源享用的公平性，因此其延時特性最好。無論采用何種隊列算法，每一級透傳時鐘節(jié)點會引入新的時鐘抖動，從而造成隨機抖動的累積，通常第k級透傳時鐘節(jié)點的隨機抖動可表示為：

因此，在接收端的隨機抖動可表示為：

為說明抖動的累積效應(yīng)，圖6給出了WFQ方法下同步對時網(wǎng)關(guān)在不同層次實現(xiàn)解碼的時鐘偏移量。傳統(tǒng)PTP的協(xié)議棧模型的偏差波動最大，且具有較高的偏移量[9]；透傳時鐘模式下時鐘信息采用端到端的定時方式，定時鏈上的所有其他節(jié)點對定時信息僅進行簡單的轉(zhuǎn)發(fā)，不進行高層編解碼，運行偏差最低；MII解碼則在與物理傳輸媒質(zhì)網(wǎng)關(guān)的最底層進行信息的編解碼，具有效率高、性能穩(wěn)定等特點，在不經(jīng)補償?shù)那闆r下存在固定范圍大小的偏差，相比透傳時鐘模式其偏差為0.02～0.03 ms。

圖6 不同定時模式下的時鐘偏差Fig.6 Clock error under different synchronization modes

圖7分別給出了不同定時模式下的TDEV性能曲線，TDEV通常用于規(guī)定相位噪聲，即描述定時信號的漂動，用于評估漂動容限和漂動傳遞特性。時間間隔誤差經(jīng)帶通濾波器以及均方根檢測器后可得出TDEV值?？梢钥闯?，透傳時鐘模式的性能介于MII和傳統(tǒng)PTP模式之間，平均TDEV在4 μs左右，但由于透傳時鐘模式下系統(tǒng)通常采用端到端的模式，其開銷較大，只有引入定時信息匯聚技術(shù)后才能提升網(wǎng)絡(luò)運行效率。采用MII模式后，傳統(tǒng)PTP的TDEV值下降了50%左右，具有較好的輸出漂擺特性。

圖7 不同模式下的TDEV比較Fig.7 Comparison of TDEV under different synchronization modes

4 結(jié)語

PTP目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)自動化方向，在未來配用電側(cè)的同步應(yīng)用中，需要將客戶層的時間同步和傳送層的時間同步嚴(yán)格分開。在進行信息融合處理后，對于客戶層的時間同步，傳送層全部采用透傳時鐘，這樣傳送設(shè)備只需負(fù)責(zé)打時間戳和計算修正項，而不用參與處理客戶層的時鐘協(xié)議。PTP功能僅在接口板實現(xiàn)，而不用時鐘板的參與。如果能在進傳送網(wǎng)時打輸入時間戳，而在出傳送網(wǎng)時增加輸出時間戳并計算修正項，則只需要邊界端口處理即可。對于傳送層的時間同步，與客戶層完全獨立，可以使用任何方便的形式。