CN103001721A

CN103001721A - 1588网络时间同步协议在智能变电站的应用

Info

Publication number: CN103001721A
Application number: CN2012105318191A
Authority: CN
Inventors: 赵海生; 周健; 沈冰; 蔡霖; 庄黎明
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Shanghai Municipal Electric Power Co; East China Power Test and Research Institute Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Shanghai Municipal Electric Power Co; East China Power Test and Research Institute Co Ltd
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2013-03-27

Abstract

本发明涉及网络技术，具体涉及通信网络时间同步技术。1588网络时间同步协议在智能变电站的应用，包括一运行于智能变电站系统中的1588网络时间同步协议，包括普通时钟、边界时钟和管理节点，普通时钟是只有一个1588网络时间同步协议通信端口的时钟，而边界时钟具有两个以上1588网络时间同步协议通信端口，每个1588网络时间同步协议端口提供独立的1588网络时间同步协议通信。定义了一个在测量和控制网络中的与网络交流、本地计算和分布式对象有关的精确时钟同步协议，该协议具有以下特点：能够实现亚微秒级的高精度同步，这是NTP无法比拟的，后者同步精度一股只能达到毫秒级。

Description

1588网络时间同步协议在智能变电站的应用

技术领域

本发明涉及网络技术，具体涉及通信网络时间同步技术。

背景技术

时间同步问题是控制系统中普遍存在的问题，随着系统的日益增大，通过同步来控制各个子系统之间的相互作用变得越来越重要了。系统中时间的使用一般分为两种：时间标记性应用和基于频率的应用。时间标记应用主要依靠绝对时间。因为特定事件的时间不仅需要与本系统内的其他事件的时间作比较，而且由于电力系统的连贯性，经常可能需要与外部相关系统的事件的时间作比较。例如，电网跳闸先后及相隔时间，在实际应用中这些事件可能发生在不同的地理区域。由于特定的事件和告警是被打上时间标记的，只有这些时间标记具有相同的基准，才可以在事后进行这些事件的时间顺序的分析。

解决上述问题的关键是时间同步。时间同步的目的就是要将时间基准准确地传递到各控制点。现有的时钟同步技术包括传统的GPS，SDH／PDH技术，还有同步以太网、电路仿真等。然而随着系统范围的扩大以及分散控制的发展，使得各个控制节点之间的时间同步变得越来越重要。特别地，在电力系统中由于温度变化、电磁干扰、振荡器老化等多种原因，多数设备的时钟是不精确的，而且随着时间误差的累积，设备之间的时间同步问题也凸现出来，在一些对时间精度要求比较严格的领域，如变电站、电力调度中心等，这一问题更加突出。目前，现有电力系统的时钟大多由GPS时钟系统提供，这种方式不仅存在一定的安全隐患，而且大量使用GPS装置和设备，也使得时间基准的更换或升级变得困难和昂贵。而网络时间协议（NTP，Network Time Protocol）虽然通过一定的硬件配合和算法优化，可以尝试应用到电力系统之中，但是网络时间协议（NTP）只能达到毫秒级的同步精度要求，对于那些要求微秒级或更高同步精度要求的场合并不适合。

IEEE1588标准全名为网络测量和控制系统精确时钟同步协议，也称之为1588网络时间同步协议（Precision Time Protocol），由安捷伦实验室开发并于2002年11月正式成为IEEE标准(版本1．0)。该标准占用的网络和计算资源少，实现时只需在原有网络上添加时间同步报文。与NTP协议和GPS针对于广泛分散、各自独立的系统不同，1588网络时间同步协议主要针对于相对本地化、网络化、子网较好、内部组件相对稳定的系统，特别适合于工业自动化和测量环境。而且1588网络时间同步协议定义的时间戳更容易在硬件上实现，并且不局限于应用层，这使得1588网络时间同步协议可以达到微秒以内的精度。IEEE1588标准可以改善整个网络的时间同步指标，具有广泛的应用前景。IEEE1588V2标准于2008年6月公布，增加了1588网络时间同步协议在电信、网络、航空以及电力系统中的应用。

IEEE1588的典型应用领域是实验室或产品测量和控制系统、工业自动化、电力系统或远程通信系统以及包含多个传感器、执行器、仪器仪表和控制器的分布式运动控制系统。国外方面，许多组织都已决定将该协议用于其基于现场总线的以太网络。2003年ODVA（开放式网络设备供应商协会）计划在其实时控制应用的通用工业协议CIP（Common industrial Protocol)，（Ethernet Powerlink标准联盟）已经计划将该协议作为EPL（EthernetPowerlink）第三版本规范的固定内容。在第三版本中，IEEE1588将用在跨越多个实时段的同步通信上，提供分布式的EPL应用。

以太网技术已越来越多地应用于分布式控制系统，但它本身难以直接满足控制系统的实时要求，一直被视为非确定性网络。

电力系统是应用以太网技术的典型，是分布广阔、需要统一调度和运行的复杂大系统。在电力系统自动化和信息化的发展过程中，有大量的数字型电子设备应用到系统，以保证供电能质量和系统运行的安全可靠。目前，在智能变电站中，往往需要通过非传统电流／电压互感器和智能型断路器来同步采样三相电流和电压值并馈送给现场的保护测控设备。当一些保护需要多组的采样电流和电压值时，就必须要求采样的高度同步性，因此电力系统中一定要有一个统一、准确的时钟来同步各个子设备。另外，由于晶振老化、温度变化等因素影响，各个子设备的时钟会产生偏差，随着时间的推移，时钟的偏差也会累积。对于绝对时间很重要的电力系统，这种累积的时钟偏差是不允许存在的。

要维护一个全局一致的物理或逻辑时钟，使得系统中的信息、事件及各节点与时间有关的行为有一个全局一致的解释就必须实现时钟同步。传统的时间同步技术难以满足需求。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种1588网络时间同步协议在智能变电站的应用，以解决上述技术问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

1588网络时间同步协议在智能变电站的应用，包括一运行于智能变电站系统中的1588网络时间同步协议，包括普通时钟（ordinary clock，OC）、边界时钟(boundary clock，BC)和管理节点，其特征在于：普通时钟是只有一个1588网络时间同步协议通信端口的时钟，而边界时钟具有两个以上1588网络时间同步协议通信端口，每个1588网络时间同步协议端口提供独立的1588网络时间同步协议通信。

边界时钟通常用在确定性较差的网络设备，如交换机和路由器上。所有普通时钟在协议的各个方面都是一样的，而且，边界时钟的每一个1588网络时间同步协议端口在表面看来都是协议的一个普通时钟。管理节点不需要执行1588网络时间同步协议协议的同步方面，除非它也是一个时钟节点。1588网络时间同步协议系统就是包含有普通时钟、可能的边界时钟、可能的管理节点的一个分布式控制网络系统。

附图说明

图1为典型的时钟同步系统图；

图2为禁止的拓扑结构图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。

1588网络时间同步协议在智能变电站的应用，包括一运行于智能变电站系统中的1588网络时间同步协议，包括普通时钟（ordinary clock，OC）、边界时钟(boundary clock，BC)和管理节点。普通时钟是只有一个1588网络时间同步协议通信端口的时钟，而边界时钟具有两个以上1588网络时间同步协议通信端口，每个1588网络时间同步协议端口提供独立的1588网络时间同步协议通信。

一个典型的IEEE1588精确时钟1588网络时间同步协议系统，如图1所示。每一个矩形代表一个包含普通时钟的节点，椭圆形代表一个包含边界时钟（有一个或数个1588网络时间同步协议端口）的节点，直线所代表的是1588网络时间同步协议通信链路。可以看出，在该系统中含有两类时钟：普通时钟和边界时钟。普通时钟与同处于一条通信路径上的其它时钟进行联系。在图1中，节点1到节点4上的时钟通过一条单一的1588网络时间同步协议通信路径A交互信息。边界时钟，图1中的节点13可以和多个时钟集合相互通信，例如，通过路径A与节点1到节点4之间的时钟进行通信，通过路径B与节点5到节点8之间的时钟以及节点14通信，通过路径D与节点15通信。每个时钟集合都可能包含普通时钟和边界时钟。边界时钟使用不同的通信路径与每个集合交互信息。这些不相交的时钟集合之间的通信只能由边界时钟来实现。边界时钟与边界时钟之间的通信路径，如图1所示，包括节点13与节点14之间的路径B以及节点13与节点15之间的路径D。时钟对1588网络时间同步协议通信路径的逻辑访问点称为1588网络时间同步协议端口。普通时钟只含有一个1588网络时间同步协议端口，而边界时钟至少包含两个1588网络时间同步协议端口。1588网络时间同步协议协议的运行会生成1588网络时间同步协议通信路径的拓扑结构，它是一个没有环路的图。任意两个1588网络时间同步协议时钟之间只有唯一的通信路径。一种不允许的通信路径拓扑结构如错误！未找到引用源。所示。节点13、节点14和节点15构成了一个环路。1588网络时间同步协议协议能够检测出这类循环通信路径的存在，并改变环路中边界时钟的相应端口的运行状态，使得整个拓扑结构变为一个没有环路的图。在错误！未找到引用源。中，1588网络时间同步协议协议禁止节点14和节点15之间的通信以达到这个目的。端口运行状态的改变使得实际的通信路径成为一个没有环路的图，尽管实际的物理连接可能仍然包含有环路。

1588网络时间同步协议协议并不要求所有的1588网络时间同步协议通信路径都采用相同的底层通信介质和技术。如果采用了不同的底层通信介质和技术，则使用同一种底层通信介质和技术相互通信的时钟集合应该用边界时钟将其与使用另一种底层通信介质和技术进行相互通信的时钟集合相互隔离开，实际上边界时钟将1588网络时间同步协议子域分割成不同的1588网络时间同步协议通信路径。包含边界时钟的1588网络时间同步协议通信具有以下限制：类型为Sync、Follow_Up、Delay_Req以及Delay_Resp的1588网络时间同步协议报文不能通过边界时钟，从一条通信路径传播到另一条通信路径上。而1588网络时间同步协议管理报文可以穿过边界时钟，从而实现报文在不同的1588网络时间同步协议通信路径上的传递。1588网络时间同步协议管理报文中boundaryHops域的绝对值在边界时钟将其转发出去之前减1。如果boundaryHops域的值为零，则该管理报文不会被边界时钟转发；如果boundaryHops域的值为正，则管理报文从边界时钟上处于非1588网络时间同步协议_INITILIZING，1588网络时间同步协议_FAULTY和1588网络时间同步协议_DISABLED状态的端口转发出去；如果boundaryHops域的值为负，则管理报文从边界时钟上处于非1588网络时间同步协议_INTIALIZING状态的端口转发出去。在任何情况下，从某个端口接收到的管理报文都不会由接收此报文的同一个端口进行转发。普通时钟不转发管理报文。

所有1588网络时间同步协议的非管理报文都应采用多播（Multicast）通信方式进行传送。多播通信使得发出的每一个1588网络时间同步协议非管理报文都能够被同一条1588网络时间同步协议通信路径上的所有时钟接收，而且也只有在同一条1588网络时间同步协议通信路径上的时钟才能收到。管理报文可以采用多播方式，也可以用P2P的方式进行通信。所有时钟都要具备接收多播管理报文的能力。在实际的1588网络时间同步协议协议实现过程中，建议使用真正的底层多播通信技术来实现1588网络时间同步协议的多播通信，如果使用单播来模拟多播则会造成时钟数量增加时系统扩展极不方便，同时在时钟的实现上需要更加复杂的逻辑。

另外，在1588网络时间同步协议通信系统中，不管采用何种通信技术或通信媒介，所有的1588网络时间同步协议通信路径均被建模成一条包含有“时钟时间戳点”的特征点的通信路径，同时一些特定的1588网络时间同步协议报文（实际上，只有Sync报文和Delay_Req报文两种事件报文）被建模成包含有“报文时间戳点”的事件报文。所有的1588网络时间同步协议时间戳均被定义为Sync报文或者Delay_Req报文的报文时间戳点经过时钟时间戳点的时刻，并且此处产生的时间戳必须用相应的协议堆栈内部的latency值进行校正。

1588网络时间同步协议在智能变电站的应用成立了三个工作组并明确了分工：

使用者需求工作组。主要负责使用者对于IEEE 1588协议的需求，使用者的构成，与其他标准的关系等。

技术拓展工作组。主要负责IEEE 1588的技术拓展和改进，如标记帧和IPV6的影响，非UDP应用，冗余和错误容差，以及IEEE 1588的简化等。

一致性与解释工作组。主要负责IEEE 1588标准的解释，认证过程、测试装置和范例实现等。

为网络度量和控制系统定义了一个精确时钟同步协议，即1588网络时间同步协议协议，这个协议应用在包含一个或多个时钟节点、通过一系列通信媒体进行通信的控制网络系统中。IEEE 1588的基本功能是使分布式网络内的最精确时钟与其他时钟保持同步，用于对标准以太网或其他采用多播技术的分布式总线系统中的传感器、执行器以及其他终端设备中的时钟进行亚微秒级同步。网络中每个节点包含一个实时时钟的模型，该实时时钟可用于节点内不同的应用目的，比如为数据产生时间戳、对节点管理的事件进行排序等。1588网络时间同步协议协议为分布式网络中实现多节点之间的高精度同步提供了一种机制，并能以低成本实现亚微秒级的精度。

IEEE1588定义了一个在测量和控制网络中的与网络交流、本地计算和分布式对象有关的精确时钟同步协议，该协议具有以下特点：

能够实现亚微秒级的高精度同步，这是NTP无法比拟的，后者同步精度一股只能达到毫秒级。

与针对分布广泛且各自独立的时间同步协议（如NTP，GPS）不同，IEEE1588是针对相对本地化、网络化的系统而设计的。它要求子网较好、内部组件相对稳定，特别适合于工业自动化和测量环境。对于广域范围内的测量和控制同步，单纯依赖IEEE1588并不可行，还需借助GPS。

实现了网络中的高精度同步，使得在分配控制工作时无需再进行专门的同步通信，从而达到了通信时间模式与应用程序执行时间模式分开的效果。

适合于在局域网中支持组播报文发送的网络通信技术，故其应用范围十分广泛，尤其适合于在以太网中实现。通过采用IEEE1588，基于以太网和TCP/IP协议的网络技术不需要大的改动就可以运行在高精度的网络控制系统中。

占用的网络资源和计算资源较少，实现成本较低，适于在低端设备中完成。

具有良好的开放性和互操作性。

传统的同步技术，如NTP、TTP、SECORE、GPS相比与IEEE-1588的技术特点比较如下：

同步技术比较

总的来说，IEEE1588协议针对一组相对稳定、通常链接成网络的单元，NTP协议针对分布在Internet上的自主系统；GPS针对自主的，广泛分布的系统；TTP，SERCOS是针对集成的总线或TDMA闭合网络系统。

1588网络时间同步协议域，简称为域，由一个或多个1588网络时间同步协议子域组成。1588网络时间同步协议子域，由一个或者相互通信的多个时钟组成，其目的是使这些时钟得到同步。除了特定的1588网络时间同步协议管理报文，子域中的节点不会为了与1588网络时间同步协议相关联的目的同另一个子域中的节点进行通信。可以使用多个子域创建相互独立的同步时钟集，处于同一个同步时钟集内的时钟共享公共的1588网络时间同步协议通信路径。同一个子域内的时钟之间会进行相互同步，但是并不要求一个子域内的时钟与另一个子域内的时钟相互同步。子域的目的是使得用户能够创建一个本地化的时钟集合，典型的情况是这些时钟都共享一条单一通信路径，从而可以维护一个与其他1588网络时间同步协议子域相互独立的时基。

1588网络时间同步协议在智能变电站的应用，也可以成为1588网络时间同步协议，定义了四个子域，分别是：

1）Default1588网络时间同步协议domain：如果一个域仅由一个子域组成，那么该域就是默认的子域。该类型的子域也有可能是由多个子域组成的域中的某个子域。

2）Alternate1588网络时间同步协议domain1：包含一个或多个子域的域中的某个子域。

3）Alternate1588网络时间同步协议domain2：包含一个或多个子域的域中的某个子域。

4）Alternate1588网络时间同步协议domain3：包含一个或多个子域的域中的某个子域。

如错误！未找到引用源。所示，如果去除边界时钟14和它的连接，那么就会出现两个1588网络时间同步协议域，一个包含节点9，10，11，12，而另一个包含节点1，2，3，4，5，6，7，8，13和15；如果节点14，15都存在，那么就只有包含所有节点的一个1588网络时间同步协议域；如果节点14，15都存在，且指定节点1，2，3属于Alternate1588网络时间同步协议domain1，而剩下的节点属于Default1588网络时间同步协议domain，那么系统就包括两个子域。因此，可以看出1588网络时间同步协议子域只是逻辑上的概念，同一个子域中的所有时钟使用1588网络时间同步协议协议进行通信从而达到同步，但是并不要求该子域中的时钟与另一个1588网络时间同步协议子域中的时钟达到同步。

1588网络时间同步协议，协议并没有要求子域必须在一种通信介质或通信技术中来实现。然而，如果构成该子域的多种通信介质或通信技术同时存在，那么该子域中的时钟必须由两个或两个以上不相邻的集合组成，每个集合都有自身的1588网络时间同步协议通信路径，这些集合可以通过一个或多个边界时钟相互通信。每一个稳定的子域形成父-子层次的时钟端口。这种层次的根基称为最佳主时钟。在每一个分支点（对于边界时钟这是必然的），必定存在一个时钟端口成为该分支上除去根基之外的所有时钟端口的父端口和主端口，并且存在一个从端口同步到靠近根基的某个时钟。在这种层次结构中，任何一个分支的端部的非根基端口，必定是从端口或者被动端口。分支端口必是边界时钟。一个稳定的子域是指，在该子域内所有参与到1588网络时间同步协议协议通信中的端口要么是主端口，要么是被动端口或者是从端口，并且由协议指定一个唯一的最佳主时钟。

对于包含若干一级或二级时钟的子域，协议将子域分为若干互不相邻的父子层次，每一层次包含一个一级或二级时钟。1588网络时间同步协议协议决定系统中的哪个端口是主端口、从端口、未校准端口和被动端口，以及系统中哪个时钟是最佳主时钟。协议管理系统从一种稳定的配置到另一种配置的转换。这种转换可能是由于引入或者删除了某个时钟所导致，也可能是某个时钟的时钟标志符等特性发生了改变。增加或删除一条边界时钟的链接可能会造成两个子域的合并或者单一子域的分割，由此造成两个稳定配置之间的转换。对于所有1588网络时间同步协议域中的1588网络时间同步协议通信而言，该通信以子域名称和端口类别来表征。每一条报文中都包含这些信息，而且每个时钟都保存着这些变量的值。只有时钟接收到的报文中的子域名称和端口类别与时钟自身保存的子域名称和端口类别完全相同时，时钟才会接收并处理该报文，而且必须接收并处理该报文。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.1588网络时间同步协议在智能变电站的应用，包括一运行于智能变电站系统中的1588网络时间同步协议，包括普通时钟、边界时钟和管理节点，其特征在于：普通时钟是只有一个1588网络时间同步协议通信端口的时钟，而边界时钟具有两个以上1588网络时间同步协议通信端口，每个1588网络时间同步协议端口提供独立的1588网络时间同步协议通信。

2.根据权利要求1所述的1588网络时间同步协议在智能变电站的应用，其特征在于：588网络时间同步协议域，简称为域，由一个或多个1588网络时间同步协议子域组成；1588网络时间同步协议子域，由一个或者相互通信的多个时钟组成，其目的是使这些时钟得到同步；除了特定的1588网络时间同步协议管理报文，子域中的节点不会为了与1588网络时间同步协议相关联的目的同另一个子域中的节点进行通信；使用多个子域创建相互独立的同步时钟集，处于同一个同步时钟集内的时钟共享公共的1588网络时间同步协议通信路径；同一个子域内的时钟之间会进行相互同步，但是并不要求一个子域内的时钟与另一个子域内的时钟相互同步；子域的目的是使得用户能够创建一个本地化的时钟集合，典型的情况是这些时钟都共享一条单一通信路径，从而维护一个与其他1588网络时间同步协议子域相互独立的时基。