基于Bfin60x架構(gòu)的時(shí)間同步監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)

周艷英 顧宗良 朱亞?wèn)| 上海遠(yuǎn)景數(shù)字信息技術(shù)有限公司

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基于Bfin60x架構(gòu)的時(shí)間同步監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)

周艷英 顧宗良 朱亞?wèn)| 上海遠(yuǎn)景數(shù)字信息技術(shù)有限公司

摘要：就利用ADI發(fā)布的ADSP-Bfin60x系列處理器平臺(tái)實(shí)施的時(shí)間同步管理系統(tǒng)（TMS）項(xiàng)目的目標(biāo)、機(jī)制做完整的闡述，包括如何利用處理器架構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)功能開(kāi)發(fā)、相應(yīng)的原理、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法等。

關(guān)鍵詞：IEC 61850 MMS；IEEE 1588；TMS；實(shí)時(shí)GOOSE；SOE

Analog Device最新推出雙核，1 GHz處理能力的Bfin60x系列處理器，以應(yīng)對(duì)迅速發(fā)展的中、低壓電力系統(tǒng)內(nèi)智能設(shè)備應(yīng)用市場(chǎng)需求?？傮w而言，Bfin60x系列是在其原有單核Bfin518系列的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)上做了較大的調(diào)整，采用雙核結(jié)構(gòu)，增加了L2級(jí)共享存儲(chǔ)單元，增強(qiáng)了DMA并行處理能力，提升了單核處理能力，提供更多的可編程硬件資源和全新的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。

ADSP-Bfin60x系列共分為ADSP-BF 606/607/608/609 4個(gè)型號(hào)，這4個(gè)型號(hào)完全Pin2Pin兼容，僅僅是在地址空間的范圍及音、視頻引擎功能模塊（PVP）上略有不同，本文的原理適用于上述所有型號(hào)的芯片。

ADSP-BF60x旨在支持更經(jīng)濟(jì)的新型IED設(shè)計(jì)解決方案，尤其是為智能電網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)滿(mǎn)足IEC 61850［1］、IEEE 1588相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［2］的IED設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供必要的軟、硬件保障，具備雙核雙系統(tǒng)（例如uCLinux/uCOS、uCLinux/裸核、uCOS/裸核）運(yùn)行能力。作為典型的基于雙核系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，將實(shí)時(shí)任務(wù)與非實(shí)時(shí)任務(wù)分別在各自的核上運(yùn)行，通過(guò)共享的數(shù)據(jù)總線(xiàn)進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)交互。

本文重點(diǎn)關(guān)注基于Bfin60x體系的處理器開(kāi)發(fā)時(shí)間同步管理系統(tǒng)（TMS）核心功能的方法及原理，并以實(shí)際iCore-K0產(chǎn)品開(kāi)發(fā)作為示例介紹了相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)方法。

1　時(shí)間同步管理系統(tǒng)（TMS）目標(biāo)和原理

當(dāng)前，典型站內(nèi)自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)間同步原理如圖1所示，首先，站內(nèi)具有時(shí)間同步源，時(shí)間同步源的基準(zhǔn)信號(hào)來(lái)自BDS（中國(guó)北斗系統(tǒng)）、GPS（美國(guó)全球定位系統(tǒng)）或上級(jí)信號(hào)基準(zhǔn)源，依據(jù)對(duì)時(shí)間精度的要求不同，站內(nèi)非時(shí)間基準(zhǔn)源設(shè)備時(shí)間同步實(shí)現(xiàn)主要涉及以下接口及方法。

圖1　站內(nèi)時(shí)間同步系統(tǒng)

（1）網(wǎng)絡(luò)接口，納秒級(jí)精度，IEEE 1588v2［3］ ［4］；

（2）網(wǎng)絡(luò)接口，毫秒級(jí)精度，SNTP/NTP［5］ ［6］；

（3）IRIG-B/PPS/串行接口，微秒級(jí)精度［7］ ［8］；

（4）協(xié)議接口，秒級(jí)精度［9］；

上述除了（3）是基于模擬同步信號(hào)，其余均基于數(shù)字同步信號(hào)。另一方面，由于時(shí)間同步的單方向性，缺乏有效的反饋機(jī)制，因此，無(wú)論是作為守時(shí)設(shè)備（基準(zhǔn)源）或被授時(shí)設(shè)備，均無(wú)法判斷或預(yù)測(cè)實(shí)際當(dāng)前的同步狀態(tài)及同步精度。

假定在基于對(duì)稱(chēng)均衡網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膱?chǎng)景下，PTP是基于數(shù)據(jù)包傳輸延遲計(jì)算得出網(wǎng)絡(luò)上主（授時(shí)側(cè)）、從（被授時(shí)側(cè)）節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間偏差（Offset）值，然后再利用此偏差值進(jìn)過(guò)系列算法進(jìn)行本地時(shí)間值補(bǔ)償達(dá)到同步目的［10］ ［11］。但是，一方面，現(xiàn)場(chǎng)裝置支持PTP的比重不高；另一方面，從關(guān)注設(shè)備本身實(shí)際的同步狀況出發(fā)，進(jìn)過(guò)系列計(jì)算誤差和補(bǔ)償誤差后，PTP計(jì)算偏差值與實(shí)際裝置自身時(shí)鐘值仍然有偏差，因此，嚴(yán)格意義上說(shuō)，并不能反映實(shí)際裝置時(shí)間同步狀況。那么，如何才能真正評(píng)估實(shí)際被授時(shí)裝置的時(shí)間同步狀況及同步精度？只有通過(guò)該裝置實(shí)際對(duì)事件發(fā)生反映的時(shí)間戳來(lái)體現(xiàn)。

時(shí)間同步管理系統(tǒng)（TMS）的目標(biāo)即是通過(guò)利用現(xiàn)有的自動(dòng)化系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)和時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建基于設(shè)備事件時(shí)間戳的反饋評(píng)估系統(tǒng)，從而達(dá)到對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備同步授時(shí)狀態(tài)趨勢(shì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及實(shí)時(shí)評(píng)估。

TMS原理基于近20年研制的智能型終端設(shè)備（如微機(jī)繼保、測(cè)控、智能表計(jì)等）均能夠支持網(wǎng)絡(luò)、串行、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通訊接口，并能夠支持SOE（順序事件記錄）和通過(guò)通訊的方式進(jìn)行SOE傳輸［12］。

從實(shí)現(xiàn)基本原理上看，TMS實(shí)際是依靠產(chǎn)生精確的外部觸發(fā)事件，造成被測(cè)設(shè)備的內(nèi)部連鎖反饋，并同時(shí)將結(jié)果以SOE的形式傳輸至TMS管理端進(jìn)行分析。外部觸發(fā)主要采用以下兩種形式（iCore-K0為T(mén)MS系統(tǒng)側(cè)）。

（1）TMS產(chǎn)生IEC 61850-8-1 GOOSE發(fā)布，如圖2所示。

假定IED與目前同步基準(zhǔn)時(shí)間有偏差O，在T0時(shí)刻，TMS產(chǎn)生GOOSE觸發(fā)信號(hào)，IED側(cè)訂閱聯(lián)鎖后產(chǎn)生事件，并以MMS報(bào)告塊或SOE方式上報(bào)至TMS系統(tǒng)，則有：T1 = T0 + D + O；

其中，T1為IED時(shí)刻，D為T(mén)MS與IED間的數(shù)據(jù)包傳輸延遲，D小于4 ms，且對(duì)于特定系統(tǒng)可視作常量，由此得出IED當(dāng)前的時(shí)間偏差量為：O = T1-T0-D；這里，將TMS系統(tǒng)時(shí)間作為基準(zhǔn)時(shí)間，為了便于計(jì)算，假定IED與基準(zhǔn)時(shí)間偏差控制在1 s以?xún)?nèi)，選擇T0為整秒時(shí)刻，則O必然是該整秒時(shí)刻的IED時(shí)間偏差值；

圖2　GOOSE信號(hào)觸發(fā)

（2）TMS產(chǎn)生狀態(tài)ON/OFF信號(hào)輸出，如圖3所示。

假定IED與目前同步基準(zhǔn)時(shí)間有偏差O，在T0時(shí)刻，TMS產(chǎn)生狀態(tài)觸發(fā)信號(hào)，IED狀態(tài)輸入后產(chǎn)生事件，并以SOE方式上報(bào)至TMS系統(tǒng)，則有：T1 = T0 + D + O；其中，T1為IED時(shí)刻，D為T(mén)MS狀態(tài)輸出信號(hào)傳輸延遲，一般D可視作常量，由此得出IED當(dāng)前的時(shí)間偏差量為：O = T1-T0-D；這里，將TMS系統(tǒng)時(shí)間作為基準(zhǔn)時(shí)間，為了便于計(jì)算，假定IED與基準(zhǔn)時(shí)間偏差控制在1 s以?xún)?nèi)，選擇T0為整秒時(shí)刻，則O必然是該整秒時(shí)刻的IED時(shí)間偏差值。

上述方式（1）與方式（2）具有相同的原理，區(qū)別在于（1）在IED側(cè)無(wú)需增加額外設(shè)施，僅需配置；（2）需要在IED側(cè)增加額外的狀態(tài)接入及配置，但在方式（2）下的D值一致性更好，容易取得更精確的結(jié)果。

TMS實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)是選擇精確的T0觸發(fā)時(shí)刻及保證TMS與基準(zhǔn)時(shí)鐘源精確同步。

2　基于Bfin60x的TMS模塊實(shí)現(xiàn)原理

由于Bfin60x雙核在結(jié)構(gòu)上是對(duì)稱(chēng)的，Core0作為主核，運(yùn)行uCLinux或uCOS操作系統(tǒng)，通常在上電時(shí)先啟動(dòng)，然后加載程序至Core1上運(yùn)行。如圖4所示。

圖3　狀態(tài)信號(hào)觸發(fā)

該TMS觸發(fā)部件（圖中iCore-K0子卡）實(shí)現(xiàn)為特定交換機(jī)配套的即插即用型智能模塊，利用Bfin60x原生的兩個(gè)支持IEEE 1588v2以太網(wǎng)接口，通過(guò)交換機(jī)的背板網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)PTP信號(hào)同步和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換，同時(shí)，在iCore-K0子卡上實(shí)現(xiàn)光耦輸入/輸出，滿(mǎn)足狀態(tài)觸發(fā)的需求。

Core0、Core1分別運(yùn)行各自的軟件任務(wù)，其執(zhí)行流程示意圖如圖5所示。

iCore-K0實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)是首先要保證自身與時(shí)間基準(zhǔn)源的時(shí)間偏差小于預(yù)設(shè)的閾值（這通常取決于TMS的精度要求），iCore-K0由于內(nèi)嵌于支持PTP同步的交換機(jī)，因而可以直接通過(guò)PTP進(jìn)行同步，達(dá)到納秒級(jí)精度；其次，Core0與Core1必須共享內(nèi)部統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)源，由于Bf60x雙核具有共享地址結(jié)構(gòu)，將時(shí)間計(jì)數(shù)器定義在該地址空間即可實(shí)現(xiàn)；最后，受限于Linux任務(wù)調(diào)度特性，非實(shí)時(shí)性的uCLinux OS（相對(duì)于進(jìn)行了特殊內(nèi)核改造的實(shí)時(shí)Linux），GOOSE在Core0上的時(shí)間指標(biāo)無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)定義的4 ms以?xún)?nèi)的傳輸要求，實(shí)測(cè)結(jié)果大致在30 ms～50 ms區(qū)間，偏差較大。由于GOOSE的實(shí)現(xiàn)不依賴(lài)于TCP/IP層，并且Core1支持網(wǎng)絡(luò)物理層和Link鏈路層，通過(guò)在Core1環(huán)境下實(shí)現(xiàn)GOOSE的表現(xiàn)層接口，并將GOOSE任務(wù)作為Core1任務(wù)的子過(guò)程實(shí)現(xiàn)，不做任何任務(wù)優(yōu)化，在Bf60x平臺(tái)上實(shí)測(cè)結(jié)果顯示在ETH1上的GOOSE性能指標(biāo)可以達(dá)到微秒級(jí)的時(shí)間特性，完全滿(mǎn)足用作設(shè)備間虛端子連鎖觸發(fā)的性能要求。

3　TMS模塊驗(yàn)證測(cè)試

作為實(shí)際商用項(xiàng)目，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室模擬了TMS的運(yùn)行效果。

圖4　TMS觸發(fā)模塊內(nèi)嵌于交換機(jī)

圖5　軟件執(zhí)行流程圖示意圖

該實(shí)驗(yàn)環(huán)境分別選擇了兩臺(tái)常規(guī)IED作為被測(cè)對(duì)象，分別通過(guò)其各自的IRIG-B時(shí)間同步接口與時(shí)間基準(zhǔn)源同步，同時(shí)，選用了兩臺(tái)帶TMS模塊（iCore-K0子卡）的交換機(jī)級(jí)聯(lián)，模擬站端與間隔層兩級(jí)數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)交換機(jī)采用PTP與時(shí)鐘源同步。同時(shí)，設(shè)置一臺(tái)時(shí)間測(cè)試分析儀用于捕捉iCore-K0子卡GOOSE觸發(fā)與狀態(tài)觸發(fā)信號(hào)，以分析TMS系統(tǒng)整體性能指標(biāo)。

3.1TMS卡時(shí)間精度

分別采用外部IRIG-B-DC基準(zhǔn)時(shí)間源和EPT-100提供 的PTP Master同步給TMS卡，測(cè)試TMS卡的IRIG-B-DC輸出信號(hào)與基準(zhǔn)時(shí)間的偏差Offset，如圖6所示。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

圖6　TMS時(shí)間精度測(cè)試用例

表1　TMS時(shí)間精度測(cè)試結(jié)果

3.2GOOSE訂閱、發(fā)布測(cè)試

根據(jù)GOOSE特性要求，通過(guò)EPT-100時(shí)間測(cè)試分析儀驗(yàn)證TMS卡在外部DI/FDI（光DI）輸入時(shí)觸發(fā)GOOSE發(fā)布是否滿(mǎn)足GOOSE發(fā)布時(shí)間特性（＜ 4 ms）和測(cè)量訂閱外部GOOSE發(fā)布做內(nèi)部連鎖后的再次發(fā)布或DO輸出時(shí)間延時(shí)，如圖7所示。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

圖7　GOOSE訂閱、發(fā)布測(cè)試用例

表2　GOOSE訂閱、發(fā)布測(cè)試結(jié)果

3.3GOOSE PPS觸發(fā)測(cè)試

根據(jù)TMS應(yīng)用，TMS卡需提供精準(zhǔn)時(shí)刻（整點(diǎn)0 ms）GOOSE定周期自主發(fā)布，本測(cè)試用例驗(yàn)證TMS卡是否滿(mǎn)足整點(diǎn)觸發(fā)GOOSE特性，如圖8所示。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

圖8　GOOSE PPS觸發(fā)測(cè)試用例

表3　GOOSE PPS觸發(fā)測(cè)試結(jié)果

3.4DO/FDO PPS觸發(fā)測(cè)試

根據(jù)TMS應(yīng)用，TMS卡需提供精準(zhǔn)時(shí)刻（通常為整點(diǎn)毫秒）DO/FDO輸出，本測(cè)試用例驗(yàn)證定周期時(shí)刻接點(diǎn)輸出時(shí)間特性，如圖9所示。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

圖9　DO/FDO PPS觸發(fā)測(cè)試用例

表4　DO/FDO PPS觸發(fā)測(cè)試結(jié)果

4　結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了Bfin60x平臺(tái)特點(diǎn)與TMS原理，并就具體的Bfin60x平臺(tái)實(shí)現(xiàn)TMS關(guān)鍵技術(shù)做了分析；同時(shí)，本文就具體的iCore-K0子卡（TMS核心部件）實(shí)現(xiàn)做了描述。事實(shí)上，雖然iCore-K0子卡是針對(duì)本公司內(nèi)特定產(chǎn)品設(shè)計(jì)，但其原理完全適用于獨(dú)立裝置的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

［1］中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DL/T860—2006 變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng).

［2］魏豐，孫文杰.IEEE-1588協(xié)議時(shí)鐘同步報(bào)文的精確時(shí)間標(biāo)記方法研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2009，30（1）：162-169.

［3］崔全勝，魏勇，何永吉，史宏光.PTP1588協(xié)議的分析［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（10）：148-154.

［4］李澤文，楊京渝，彭曙蓉，馮科.智能電網(wǎng)高精度時(shí)間同步方法［J］.電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26（3）：35-39.

［5］蔣志營(yíng).一中NTP系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］ .科技信息，2011，23：108-109.

［6］溫東旭，馬國(guó)強(qiáng)，王俊峰.SNTP協(xié)議的協(xié)議分析［J］ .電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2008，36（11）：19-21.

［7］馮勝民，陳娟花，王國(guó)林，陳思兵.基于FPGA的IRIG-B碼產(chǎn)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］ .電子測(cè)量技術(shù)，2015，38（5）：67-71.

［8］龐吉耀.基于FPGA的IRIG-B編碼器實(shí)現(xiàn)［J］ .現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，39（24）：113-117.

［9］馮煥霞，楊俊華，鄭儉華，吳捷.IEC60870-5-104協(xié)議的實(shí)時(shí)性能分析［J］.華東電力，2009，37（4）：577-581.

［10］A Vallat，D Schneuwly.Clock Synchronization in Telecommunications via PTP （IEEE 1588） ［J］.IEEE International Frequency Control Symposium，2007，334-341.

［11］S Lee.An Enhanced IEEE 1588 Time Synchronization Algorithm for Asymmetric Communication Link using Block Burst Transmission［J］.IEEE Communications Letters，2008，12（9）：687-689.

［12］C Wester，M Adamiak，J Vico.IEC61850 protocol-practical applications in industrial facilities［J］.Conference Record-ias Meeting，2011，1-7.

Implementation of Time Synchronization Monitoring Based on Bfin60x Architecture

Zhou Yanyin，Gu Zongliang，Zhu Yadong
Shanghai Digigrid Digital Information Technology Co.，Ltd

Abstract：The article introduces project target and mechanism of using ADI publishing ADSPBfin60x series processor platform implementing time synchronization management system.It includes how to use processor architecture characteristics to develop relevant functions，relevant working principles and design realization methods.

Key words：IEC 61850 MMS，IEEE 1588，TMS，Real-Time GOOSE，SOE

［作者簡(jiǎn)介］

周艷英：碩士，主要從事嵌入式應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)。

DOI：10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.04.009