面向交換式電力監(jiān)測(cè)網(wǎng)的NTP同步精度提高方法

侯重遠(yuǎn)，江漢紅，芮萬(wàn)智，劉 亮

（海軍工程大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

0 引言

基于網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步技術(shù)是電力監(jiān)測(cè)網(wǎng)的支撐技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于同步測(cè)量、同步保護(hù)、同步控制、合并單元等場(chǎng)合［1-4］，IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)也將該技術(shù)作為變電站監(jiān)測(cè)網(wǎng)中傳統(tǒng)同步手段的換代技術(shù)［5-6］。

網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步主要通過(guò)NTP（Network Time Protocol）和 PTP（Precision Time Protocol，即 IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)）2種技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)［7］。目前，電力監(jiān)測(cè)網(wǎng)一般使用交換式以太網(wǎng)消除碰撞，提高實(shí)時(shí)性。NTP技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不需要交換機(jī)中有特殊硬件支持，成本低；但NTP受交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)延遲不對(duì)稱性的影響，同步精度一般只能保證ms級(jí)［8-9］。PTP則通過(guò)在全網(wǎng)所有交換機(jī)中植入高精度自守時(shí)時(shí)鐘，以及在網(wǎng)卡物理（PHY）層植入支持PTP的專用集成電路（ASIC）或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA），使同步精度能夠達(dá)到1 μs以內(nèi)［10］，適用于相量測(cè)量等高精度同步場(chǎng)合。但PTP也存在以下缺點(diǎn)：PTP建立在對(duì)以太網(wǎng)ASIC硬件改造的基礎(chǔ)上，因此成本長(zhǎng)期居高不下，限制了其廣泛應(yīng)用；必須全網(wǎng)交換機(jī)都支持PTP才能保證同步精度，因此可靠性不及NTP，且時(shí)鐘溫度條件苛刻；由于全網(wǎng)交換機(jī)必須都支持PTP，因此在高精度測(cè)量需求不多的場(chǎng)合，其成本優(yōu)勢(shì)不及傳統(tǒng)的串口通信校時(shí)、脈沖中斷校時(shí)和綜合校時(shí)等點(diǎn)對(duì)點(diǎn)同步方式［7］。

本文提出了一種可將NTP同步精度提高到17倍的改進(jìn)協(xié)議 SN-NTP（Switch Networks-NTP），使得同步精度根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牟煌蛇_(dá)10～100 μs量級(jí)。該協(xié)議不需要增加硬件，只利用大部分工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)都已支持的IEEE802.1p優(yōu)先級(jí)排隊(duì)功能，因此，與IEEE1588相比具有很大成本優(yōu)勢(shì)，在電力監(jiān)測(cè)網(wǎng)中可以部分替代IEEE1588。未來(lái)隨著1 Gbit/s以及更高速以太網(wǎng)技術(shù)在電力監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，SN-NTP同步精度將進(jìn)一步提高到μs級(jí)，完全滿足IEC61850所規(guī)定的 5 種級(jí)別［7，11］的電氣信號(hào)同步需求，具有在電力監(jiān)測(cè)領(lǐng)域替代IEEE1588的技術(shù)潛力。

1 NTP時(shí)間同步協(xié)議原理

NTP一般采用“客戶端-服務(wù)器”方式。如圖1所示，先由客戶端向服務(wù)器發(fā)送時(shí)間同步請(qǐng)求包，包內(nèi)包含發(fā)送時(shí)的本地時(shí)間T1；請(qǐng)求包經(jīng)各級(jí)交換機(jī)傳輸，到達(dá)服務(wù)器后，服務(wù)器立即記錄到達(dá)時(shí)的本地時(shí)間T2；接著服務(wù)器再向客戶端發(fā)送回復(fù)包，包內(nèi)包含T2以及發(fā)送回復(fù)包時(shí)的本地時(shí)間T3；回復(fù)包到達(dá)客戶端后，客戶端記錄到達(dá)時(shí)的本地時(shí)間T4，至此完成一次網(wǎng)絡(luò)同步通信。

圖1 NTP網(wǎng)絡(luò)同步機(jī)制Fig.1 NTP synchronization mechanism

設(shè)請(qǐng)求包的網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲為treq，d，回復(fù)包的網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲為tcnf，d，客戶端與服務(wù)器的時(shí)鐘偏差為toffset，則客戶端計(jì)算自身的時(shí)間偏差并以此調(diào)整自身時(shí)鐘。

顯然，式（1）成立的前提是傳輸延遲的對(duì)稱性，即 treq，d與 tcnf，d相等，但交換式以太網(wǎng)無(wú)法保證這一點(diǎn)，因此式（1）會(huì)引入同步誤差terror：

即實(shí)際的時(shí)間同步關(guān)系為：

2 SN-NTP協(xié)議

2.1 NTP同步精度及其改善方法

2.1.1 NTP同步誤差的成因分析

NTP數(shù)據(jù)包在交換機(jī)中轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，必須等到發(fā)送隊(duì)列中正在發(fā)送的數(shù)據(jù)幀完全傳輸完才能發(fā)出，該等待時(shí)間的不確定性造成了同步誤差。具體如圖2所示，當(dāng)某時(shí)刻N(yùn)TP數(shù)據(jù)包進(jìn)入發(fā)送隊(duì)列時(shí)，盡管NTP數(shù)據(jù)包使用了優(yōu)先級(jí)機(jī)制（IEEE802.1p），但必須等待優(yōu)先級(jí)較低的幀“Frame 0”發(fā)送完。

圖2 NTP同步誤差成因Fig.2 Causes of NTP synchronization error

2.1.2 NTP同步精度計(jì)算

NTP同步精度可以表示為式（4）。

其中，n為轉(zhuǎn)發(fā)路徑上所經(jīng)過(guò)的交換機(jī)個(gè)數(shù)。

因以太網(wǎng)最長(zhǎng)數(shù)據(jù)包可達(dá)1 538 Byte（含幀間間隔 12 Byte），故 max｛twait｝等于發(fā)送 1 538 Byte 的時(shí)間（百兆以太網(wǎng)可達(dá) 123 μs，千兆以太網(wǎng)可達(dá) 12.3 μs），顯然必須減小max｛twait｝才能改善同步精度。

2.1.3 同步精度改善方法

本文通過(guò)先發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)端口搶占包，再發(fā)送NTP數(shù)據(jù)包的方式來(lái)減小max｛twait｝，從而提高同步精度。具體分以下2步。

a.在NTP數(shù)據(jù)包發(fā)送之前，先連續(xù)發(fā)送18n個(gè)長(zhǎng)度為88 Byte的轉(zhuǎn)發(fā)端口搶占包。所謂轉(zhuǎn)發(fā)端口搶占包是優(yōu)先級(jí)低于NTP數(shù)據(jù)包但高于其他數(shù)據(jù)包的以太網(wǎng)最短包，共88 Byte（包含幀間間隔12 Byte和優(yōu)先級(jí)標(biāo)記4 Byte）。顯然，轉(zhuǎn)發(fā)端口搶占包在交換機(jī)中會(huì)阻塞除NTP數(shù)據(jù)包之外的其他數(shù)據(jù)包在交換機(jī)中的轉(zhuǎn)發(fā)，從而使得NTP數(shù)據(jù)包即將通過(guò)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑完全被轉(zhuǎn)發(fā)端口搶占包所占據(jù)。

當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)端口搶占包的發(fā)送數(shù)量為18n（其中，18=［1 538/88］，n為轉(zhuǎn)發(fā)路徑上的交換機(jī)數(shù)量）時(shí)，可以在最壞的情況下（即轉(zhuǎn)發(fā)端口搶占包在每臺(tái)交換機(jī)中總是需要等待1 538 Byte傳輸完），確保NTP請(qǐng)求包在傳輸過(guò)程中前方總有轉(zhuǎn)發(fā)端口搶占包正在阻塞其他數(shù)據(jù)的傳輸。

b.以最高優(yōu)先級(jí)發(fā)送NTP數(shù)據(jù)包，并使其接在所有轉(zhuǎn)發(fā)端口搶占包之后。

由于其他長(zhǎng)數(shù)據(jù)包都已被之前發(fā)出的轉(zhuǎn)發(fā)端口搶占包所阻塞，因此NTP數(shù)據(jù)包只需等待正在占據(jù)端口的轉(zhuǎn)發(fā)端口搶占包（最長(zhǎng)88 Byte）被發(fā)送完即可獲得端口，如圖3所示。此時(shí)，max｛twait｝僅為發(fā)送88 Byte數(shù)據(jù)包的時(shí)間（百兆以太網(wǎng)僅需7.04μs，千兆以太網(wǎng)僅需 0.704μs），由式（4）可知，同步精度約提高到原來(lái)的 17倍（1538/88≈17）。

圖3 NTP同步精度改善方法Fig.3 Improvement of NTP synchronization accuracy

2.2 SN-NTP協(xié)議機(jī)制

根據(jù)2.1節(jié)原理設(shè)計(jì)SN-NTP協(xié)議。SN-NTP協(xié)議的時(shí)序如圖4所示，其中，為確保服務(wù)器每次只為一個(gè)客戶端授時(shí)，采用了“SN-NTP請(qǐng)求”、“SN-NTP允許”和“SN-NTP完成”的握手機(jī)制，以避免多個(gè)客戶端的并發(fā)。

圖4 SN-NTP協(xié)議時(shí)序Fig.4 Timing sequence of SN-NTP

SN-NTP客戶端和SN-NTP服務(wù)器的流程圖分別如圖5、6所示。

圖5 SN-NTP客戶端流程圖Fig.5 Flowchart of SN-NTP client code

圖6 SN-NTP服務(wù)器流程圖Fig.6 Flowchart of SN-NTP server code

2.3 SN-NTP同步精度的計(jì)算

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜娃D(zhuǎn)發(fā)路徑的不同，不同客戶端與服務(wù)器之間的同步精度不盡相同，可由式（5）計(jì)算：

其中，n1為轉(zhuǎn)發(fā)路徑上100 Mbit/s交換機(jī)的個(gè)數(shù)，n2為1 Gbit/s交換機(jī)的個(gè)數(shù)。

2.4 SN-NTP對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的影響

轉(zhuǎn)發(fā)端口搶占包會(huì)對(duì)所占端口的其他數(shù)據(jù)包產(chǎn)生阻塞，最大阻塞時(shí)間可由式（6）計(jì)算：

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)采集、控制、保護(hù)等應(yīng)用場(chǎng)合的不同要求，定義了 2～100 ms的網(wǎng)絡(luò)延遲要求［7］，這些延遲要求對(duì)電力監(jiān)測(cè)網(wǎng)具有參考意義，必須根據(jù)實(shí)際情況部署SN-NTP，以防止影響電力監(jiān)測(cè)網(wǎng)的實(shí)時(shí)性。

3 SN-NTP同步性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)環(huán)境

試驗(yàn)平臺(tái)為某船舶電站交流側(cè)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試床，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)環(huán)境Fig.7 Test environment

交流側(cè)A、B、C三相的監(jiān)測(cè)設(shè)備分別接入對(duì)應(yīng)的3臺(tái)交換機(jī)，網(wǎng)絡(luò)速率為100 Mbit/s，均支持IEEE 802.1p協(xié)議；3臺(tái)交換機(jī)之間以彈性分組環(huán)網(wǎng)模式連接，網(wǎng)絡(luò)速率為1Gbit/s，B相交換機(jī)與C相交換機(jī)之間為環(huán)網(wǎng)的冗備鏈路。

SN-NTP客戶端和SN-NTP服務(wù)器分別運(yùn)行于工控機(jī)A和工控機(jī)B上，2臺(tái)工控機(jī)分別連接到B相交換機(jī)和C相交換機(jī)的百兆端口上。由于冗備鏈路的存在，NTP請(qǐng)求包的轉(zhuǎn)發(fā)路徑為“工控機(jī)AB相交換機(jī)A相交換機(jī)C相交換機(jī)工控機(jī)B”，NTP回復(fù)包則反之。

為測(cè)量SN-NTP協(xié)議的同步誤差，本文使用獨(dú)立的串口時(shí)鐘源通過(guò)RS-232串口分別為2臺(tái)工控機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)。由于客戶端和服務(wù)器的本地時(shí)間都已與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步，故此時(shí)兩本地時(shí)鐘偏差為 0，即 toffset為 0，根據(jù)式（2）和式（3）得到同步誤差計(jì)算公式：

3.2 軟硬件配置

運(yùn)行SN-NTP客戶端和SN-NTP服務(wù)器的工控機(jī)均采用x86架構(gòu)，Intel Pentium M 1.6 GHz處理器；網(wǎng)卡芯片為支持IEEE802.1p優(yōu)先級(jí)功能的Intel 82575網(wǎng)絡(luò)控制器，在試驗(yàn)中工作于100 Mbit/s全雙工模式；采用Intel 82C54計(jì)時(shí)器作為同步性能試驗(yàn)用的本地時(shí)鐘。

采用VxWorks 6.6操作系統(tǒng)（評(píng)估版）作為客戶端和服務(wù)器的軟件平臺(tái)；TCP/IP協(xié)議棧采用VxWorks自帶的 WRNS（Wind River Network Stack）。使用 WRNS socket中的setsockopt（）函數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)包的IEEE802.1p優(yōu)先級(jí)標(biāo)簽，其中，轉(zhuǎn)發(fā)端口搶占包設(shè)定優(yōu)先級(jí)“6”，NTP 數(shù)據(jù)包設(shè)定優(yōu)先級(jí)“7”，其他數(shù)據(jù)包均不含優(yōu)先級(jí)標(biāo)簽（即最低優(yōu)先級(jí)）。

3.3 試驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

NTP與SN-NTP采用相同的試驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)處理方法：

a.由客戶端發(fā)起一次網(wǎng)絡(luò)同步，并根據(jù)式（7）計(jì)算同步誤差，同時(shí)記錄本地端口負(fù)荷；

b.重復(fù)測(cè)試10 000次，頻率為1 Hz；

c.將端口負(fù)荷率分為0～0.1%、0.1%～0.5%、0.5%～1.0%、1.0%～5.0%、5.0%～10.0% 共 5個(gè)區(qū)間，分別以 0、1、2、3、4 表示，把 10 000 組同步誤差數(shù)據(jù)按照此區(qū)間分為5組，并分別找出各組中同步誤差的最大值作為該組的同步精度。

NTP協(xié)議的同步精度如圖8所示，SN-NTP協(xié)議的同步精度如圖9所示。

圖8 NTP同步精度Fig.8 Synchronization accuracy of NTP

圖9 SN-NTP同步精度Fig.9 Synchronization accuracy of SN-NTP

分析如下：

a.由圖8可見，NTP同步精度隨網(wǎng)絡(luò)繁忙程度的增大而呈現(xiàn)惡化趨勢(shì)，但其精度仍在200 μs以內(nèi)，主要原因是由于使用了IEEE802.1p機(jī)制；

b.由圖9可見，SN-NTP同步精度為8 μs左右，隨網(wǎng)絡(luò)繁忙程度變化僅在5%以內(nèi)浮動(dòng)，離散性較好；

c.SN-NTP協(xié)議同步精度約為NTP協(xié)議的15～24倍，與理論值（17倍）基本吻合，實(shí)測(cè)值與理論值的差異主要來(lái)自測(cè)量誤差、測(cè)試時(shí)間的充分性、測(cè)試代碼執(zhí)行開銷以及模型誤差等因素。

4 結(jié)語(yǔ)

信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展與硬件成本大幅降低，是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的原動(dòng)力。在工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域，1Gbit/s甚至10Gbit/s以太網(wǎng)正在逐步取代目前100Mbit/s以太網(wǎng)的主流地位。因此，利用成熟通用的網(wǎng)絡(luò)硬件，通過(guò)軟件算法改進(jìn)，為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)需求服務(wù)，是本文SN-NTP協(xié)議的出發(fā)點(diǎn)。該方法目前可以達(dá)到10～100 μs同步精度，能夠在部分場(chǎng)合替代IEEE1588，在電力監(jiān)測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)中綜合運(yùn)用這2種技術(shù)將有效降低成本。