CN105530697B - 一种支持工业物联网业务时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是物联网领域，特别是指工业物联网，如智能电网工业控制业务时间同步方案设计。在工业物联网应用环境下，本专利针对业务终端没有与信息主站时间同步功能，提出了一种支持业务报文时间同步方案。经过分析可知该方案在网络没有拥塞情况下可以保证业务报文在终端设备、信息主站之间的时间同步；在网络有拥塞情况下可以保证业务报文到达终端设备的时序逻辑要求，是一种弱同步技术。同时本专利使用该时间同步方案并结合电网的现状，提出了适用于智能电网建设的三级时间同步架构。三级时间同步架构可以支持电力系统的全网时间同步，保证电力业务报文的时间同步、时序要求和满足电力系统主站多业务接入、多业务协议类型转换的需求。

Description

一种支持工业物联网业务时间同步方法

技术领域

本发明涉及的是物联网领域，特别是指工业物联网，如智能电网工业控制业务时间同步方案设计。

背景技术

在工业物联网实际应用场景中信息化主站与业务终端设备之间有大量的工业控制业务的采集和下发，并且业务终端设备之间对业务报文的时序逻辑有要求。在不同的工业物联网中不同的应用校时间同步的精度要求各异，精度要求并非越高越好，实现高精度的同时会带来设备成本的增加和实现更加复杂，原则上满足应用需求的最小精度即可。比如，有弱时间同步，物联网控制应用中的开关动作命令，只要求开关动作按序到达终端执行即可；也有高精度的严格时间同步，如电网中要求雷电定位系统的时间精度误差不得大于1μs。下面以电网的“设备故障在线监测”和“配网线路负载均衡”为例分析业务报文校时间同步的要求：

1)电网的设备故障在线监测：

目前电网设备故障在线监测方式主要有2种：a)主站侧主动招测；b)终端侧上报。无论采用哪种方式都希望得到的各个设备同一时刻的故障信息。若在终端设备无校时功能或者时钟不一致情况下，因终端离主站的距离不同产生的通信传播时间及抖动，使得理论上主站应该得到同一时刻终端的告警、故障信息产生了时序逻辑错误，这给主站故障诊断系统判别故障、控制终端方面带来严重的影响。如图1所示，终端1发生故障，导致终端2、3发生了连锁的故障告警。在终端上报故障告警信息时应该按照终端1、2、3的先后顺序上报，在没有保障故障告警信息时间同步的情况下，到达主站侧的故障告警信息顺序可能是2、3在1的前面，这就使得主站侧的故障诊断判别系统判别故障出错。

2)电网的配网线路负载均衡：

智能电网新能源接入包括：a)上行送电，如风能、太阳能等新能源接入；b)下行输电，如用电量大的大型工厂、用电量小但是节点很多充电桩等。配网线路负载均衡希望做到能源的接入是一个平缓的过程，在同一时刻接入的设备不能太多，对现有网络不会产生很大的冲击。若同一时刻请求接入的设备过多，但在上报时各个请求时间不同步，接入控制端误以为是不同时刻的请求则允许接入，这样就会造成同一时刻负载很重。如图2所示，终端1、2、3在t₁时刻请求接入，终端4、5、6在t₂时刻请求接入。在没有时间同步的情况下，若每个请求同时到达接入控制端，接入控制端误以为是同一时刻设备的接入则允许接入会导致配网同一时刻负载过重。

在业务终端设备与信息化主站有时间同步的条件下可以满足业务报文在业务终端设备之间的时序逻辑要求，然而在实际情况中存在很多的应用不满足此条件。如物联网应用中的一些传感器节点，它们的功能简单没有与主站校时的能力，且其业务层协议不统一。现阶段主要解决的方案是在终端上添加GPS模块，GPS带来了很高的校时精度，然而这种方式的成本很高并且应用场景受限。同样以电网为例分析，现阶段电网中有许多设备不支持与主站侧时间同步，如线路放电检测设备，线路覆冰、舞动感知设备，线路故障指示器，Zigbee无线采集传输模块，电表和开关等。该类设备按分布的方式不同分为集中式和随布式，其中集中式是指这类设备集中分布在线路的一侧(多数情况下是指0.4kv线路)。在这类设备的前端一般有一个集中采集传输装置(如一个小区有一个这样的集中采集传输装置负责下面几十块老式电表的数据采集传输)，为了方便描述后文中称这类设备为A类设备。随布式是指这类设备分散在电网各个线路上(多数情况下是指10kv、110kv或更高电压的线路)，这种情况下前端没有集中采集传输装置。这是因为在高电压线路中给集中采集传输装置供电困难(将高电压变为低电压的电压互感器PT，电流互感器CT成本很高，并且在高电压线路中部署集中采集传输装置工程实现困难)，为了方便描述后文中称这类设备为B类设备。针对以上分析的情况，现阶段电力系统保障业务报文时间同步和时序逻辑要求采取的措施包括：a)针对智能设备、A类设备在终端添加GPS模块时钟模块，保证时间同步和时序逻辑。这样做的结果是电力企业、小区、电厂等楼顶天线林立。由于各个接口、处理方式不同使得这些时间信息不通用，更不用说同步时间互为备份。同时这种方式成本很高，应用场景也受到很大的限制；b)不采取任何其它措施，只是在主站建设选址时考虑离终端设备较近的地方。这种方式是在假定业务报文的传输时延远小于发送时延的情况下保障业务报文的时间同步和时序逻辑，但这种方法是没有可靠保障的，不能从根本解决问题；c)针对大部分B类设备现阶段没有采取任何措施保障业务报文的时间同步和时序逻辑。

发明内容

根据以上的背景技术分析，在工业物联网应用环境下，本专利针对业务终端没有与信息主站时间同步功能，提出了一种支持业务报文时间同步方案。经过后面的分析可知该方案在网络没有拥塞情况下可以保证业务报文在终端设备、信息主站之间的时间同步；在网络有拥塞情况下可以保证业务报文到达终端设备的时序逻辑要求，是一种弱同步技术。

本专利提出的支持业务报文时间同步方案的实现步骤：

1)信息主站收集到达各个网络节点、业务终端的时延信息；

2)信息主站针对不同业务报文对到达不同终端的时延要求，指定业务报文到达不同终端的时延路径，业务报文按照指定的路径传播；

3)信息主站和路径中的各个网络节点按照传输时网络拥塞等具体情况实时调整业务报文的发送等待时延，保证业务报文在规定的时延内到达终端，以满足业务报文时间同步和时序逻辑要求。

该时间同步方案的示意图如3所示，假设有业务报文p(#1)和p(#2)，要求在同一时刻到达终端1和终端3。首先主站侧收集到达不同网络节点、终端的时延信息；然后主站侧根据业务报文的时延要求指定各个报文的时延路径；最后在传输的过程中主站侧、中间网络节点根据网络拥塞情况实时动态的调整业务报文的发送等待时间。以上的分析是在网络没有拥塞的情况下，当有拥塞发生、考虑业务报文有优先级区分时、业务单播或多播等情况会有所不同，针对这几种情况和专利方案的其它具体的解决方案会在专利下文中的具体实施方式中讨论。本专利所提出的技术主要用于构建工业物联网多级时间同步架构，其组网形态是虚拟时间管道、虚拟时间信道、虚拟达到队列结合关口设备表现的多级结构，专利中提出各项技术会在具体实施方式中介绍。根据以上提出的支持业务报文时间方案并结合电网的现状，本专利下面将会给出适用于智能电网建设的三级时间同步架构。

为了支持电力系统的全网时间同步，保证电力业务报文的时间同步、时序要求和满足电力系统主站多业务接入、多业务协议类型转换的需求。依据本专利提出的支持业务报文时间同步方案可以构建电力物联网中支持广域网的业务时间同步和时序保障的三级时间同步架构。如图4所示，三级时间同步架构是指通过主站侧主站前置机、变电站侧接入前置机、A类设备前端的集中采集装置(终端关口)相互之间维持与各个主站的时间同步信息。当需要将数据报文发给不同主站或发生协议转换时，根据时间同步信息完成业务报文中的时间戳的替换，具体包括：a)针对封装IEC101、104、1376.1电力协议的智能终端业务报文可以在主站前置机、变电站接入前置机上完成电力协议的转换。协议转换时根据各级设备维持的与各个主站的时间同步差值信息，修正同步时间后封装在完成转换后的业务报文时间戳字段中。这样可以真正做到满足主站多业务接入，多业务协议类型转换的时间同步和时序需求，是建设电力专网统一接入平台的重要技术前提。b)针对A类设备可以在终端关口或变电站侧接入前置机上完成对数据报文的电力协议封装或剥离，针对上行，A类设备数据报文在终端关口处或接入前置机上封装电力协议再上传到相应的主站侧。其中的区别是，若在终端关口处封装电力协议，可以更好的保障同步时间信息的准确性。由于需要在终端关口处增加封装电力协议的模块，终端关口数量通常较多会使得成本增加和工程实现难道增大。若在接入前置机上封装电力协议，会大大减少添加协议封装模块所带来的成本。但是由于经过了较长距离的传输，时间同步精度会比在终端关口处封装电力协议方式低。针对下行，由于A类设备不识别电力协议，所以考虑在尽可能靠近终端侧的终端关口处剥离下发业务报文中的电力协议信息。c)B类设备的业务报文处理方式和A类设备的类似。不同的是B类设备只能在接入前置机上完成电力协议的封装和剥离，没有在终端关口处处理的情况。

附图说明

图1电网设备故障在线监测中错误的故障判断示意图

图2配网线路负载均衡中错误的业务报文请求应答示意图

图3业务报文时间同步方案示意图

图4构建电力物联网中支持广域网的业务时间同步和时序保障的三级时间同步架构示意图

图5 1588同步测距报文执行LCS算法示意图

图6 VTP与VTC关系示意图

图7业务报文在主站侧前置机入口缓存中建立VRQ示意图

具体实施方式

根据本专利发明内容的描述，专利中提出的方案具体实施方式包括：

1)针对方案实现步骤1)，具体的实施方式：

关于信息主站收集到达各个网络节点设备、终端的时延信息。考虑到终端设备、网络节点设备较为简单不能封装、处理相关的应用协议，本专利考虑使用两种方式：a)通过物联网本身具有的传输网络功能大致计算传播路径时延。如通过网络同步报文测距方式，ICMP请求、响应报文计算时间差等方式。此种计算方式受网络拥塞和报文往返路径不一致影响，然而在实际情况中这些因素对计算结果的影响会非常小。以电网传输为例，在电网传输中多采用PTN、EPON方式，带宽大且做了流量限制(以大量的现有电力传输网络为例，其流量限制在小于带宽的30％左右)。有实验测试表明在100Mbit/s的交换机局域网中，当流量小于带宽的35％时，交换机转发报文发生冲突的概率非常小。所以实际情况中阻塞的概率会更小，并且EPON的树形拓扑也保证了往返路径一致性。b)使用SDN Software DefinedNetworking,软件定义网络)技术，SDN实现了控制平面与转发平面的分离，可以精确的控制每条流的动作，当然SDN Controller可以收集到信息主站到达任何节点的时延信息。

2)针对方案实现步骤2)，具体的实施方式：

指定业务报文到达不同终端的时延路径实施方式采用VTC(Virtual TimeChannel,虚拟时间信道)技术。VTC包括了确定的路由和转发处理时间固定的路径，具体是指：a)发送端在发送业务报文之前为其指定一个时间固定的传播路径，业务报文按照这条路径转发；b)业务报文在每个网络节点都等待一个确定的“发送等待时间”，在每个节点发送等待时间都确定的情况下，保证了整个传播路径时间的确定。其中“发送等待时间”是指业务报文插入到网络节点交换队列头部至交换发送成功所经历的时间；“虚拟”是指这个时间管道是在业务报文发送之前通过指定其应该经过哪些网络节点使时间固定的路径。其建立过程类似于MPLS建立的LSP，所以称为“虚拟时间信道”。通过路由和转发处理时间固定的路径可以指定业务报文往返为传播时间相同的等价路径。虚拟时间信道的核心思想是让业务报文在每一个网络节点处时延都增大到一个固定的值，保证调度队列的首部在业务报文进入时刻一定是空闲的，业务报文立刻能得到调度，是一种牺牲时延值长度保证时延值固定的方式。以PTP IEEE1588协议为例分析VTC对该协议执行LCS(Local ClockSynchronization,本地时钟同步)算法带来的影响。如图5所示，通过指定同步测距报文所经过的虚拟时间信道可以消除主从时钟设备执行LCS算法由于节点时延不确定、往返路径不一致所带来的时延及时延抖动。VTC可以采用SDN技术实现，SDN Controller首先根据具体实施方式1)中得到的主站到达各个节点的时延信息，然后根据业务报文校时延的要求为其指定一条合理的传播路径，业务报文根据流表信息给出的执行动作在传播路径上传输。

在实际的网络中每个业务报文不可能独占一条传输管道，多个业务报文的VTC其实是复用一个管道，称这个管道为VTP(Virtual Time Path，虚拟时间路径)。VTC与VTP的对应关系如图6所示，图中业务源到达终端1、2的业务报文所指定的VTC如图所示，在VTP之间的关口设备主要负责VTC路径替换、测量VTP路径时延和缓存业务报文队列，比如在构建智能电网的三级时间同步架构中就包含了主站前置机、接入侧和终端侧的关口设备。多级的时间同步架构也主要体现在通过关口设备连通多级VTP，构建VTC，完成业务报文时间同步。

3)针对方案实现步骤3)，具体的实施方式：

动态调整业务报文在发送源和其余各个网络节点的发送等待时间可以采用：a)VRQ(Virtual Reach Queueing虚拟到达队列)技术，VRQ是指业务报文按照“入口等待时间”在入口缓存中按顺序排列的缓存队列，入口等待时间是指业务报文要求到达输出端的时刻减去传播路径时延。以电网为例，针对背景分析中的A、B类设备具体是指：a)上行：在变电站接入侧或主站前置机上按照收到报文的时刻减去网络层计算得到的传播路径时延值，估算收到数据报文的发送时间。b)下行：数据报文按照时间同步和时序要求先后顺序在发送端入口缓存中按照虚拟到达队列VRQ算法排队，然后执行公平调度算法，保证数据报文到达终端后还能满足时间和时序的要求。如图7所示，在图中业务报文按照到达不同终端的时间要求(图7)，在主站侧前置机入口缓存中建立的VRQ如图7所示。关于传播路径时延的值可根据实现步骤1)计算得到。方案实现步骤1)方式计算时延受网络拥塞情况影响较大，根据具体实施方式1)中的分析，实际情况中网络拥塞的概率较小。但是网络拥塞是不可避免的，当网络发生拥塞时仅仅通过通信层来完整的保障业务报文的时间同步和时序要求是不能做到的。虚拟到达队列算法在网络拥塞时也不能保证时间同步要求，但能保证业务报文的时序要求，但是一种弱同步技术，能满足一些工业物联网中的特定场景需求。以电网为例，可以满足电力设备故障在线监测、配网线路负载均衡等应用场景，在构建输电线路以及配网中的主干线路改造中有很大的应用前景。b)SDN实现方式，由于SDN可以控制每个流的动作，所以可以完成动态的调整每个业务报文在传播路径节点上的时延。

4)针对方案中提到的业务报文自由选择路由问题，具体的实施方式：

如上具体实施方式1)中的分析，若物联网的传输采用的是EPON技术或类似的树状拓扑则无需考虑此问题，一般情况下可以考虑使用SDN技术实现指定传播路径，避免业务报文的自由选择路由。

5)针对方案中提到的网络拥塞问题，具体的实施方式：

如上具体实施方式1)中的分析，在实际的情况中拥塞的概率比较小。然而拥塞始终是不可避免的，当网络发生拥塞时可以考虑使用SDN补偿算法。SDN补偿算法是指，SDNController全局控制每个业务报文在网络节点处的发送等待时间，若某个网络节点的发送等待时间超出了规定的时间，则Controller记录下超出的时间。在业务报文到达下一跳网络节点时，Controller尝试减小业务报文在该节点处的发送等到时间。若在后续的几个网络节点中能将超出的时间补偿为0，则照常可以满足业务报文的时间同步要求；若超出的时间不能补偿为0，则此时该业务报文将不会满足时间同步要求，但是通过调整其它相关业务报文的时延值可以做到业务报文在终端节点处的时序逻辑要求，是一种弱同步技术。

6)针对方案中提到的业务报文优先级问题，具体的实施方式：

业务报文在交换节点处若被高优先级的业务抢占了调度机会，则启动时间补偿机制，修正在后续节点处的发送等待时间，详细参见具体实施方式3)、5)。

7)针对方案中提到的业务单播、多播问题，具体的实施方式：

针对业务单播、多播情况，专利中考虑使用将多播转换为单播的设计思路，具体是指在VTP、VTC关口设备处将多播业务转换为单播业务，然后分别按照指定VTC传播。

Claims (7)

1.一种支持工业物联网业务时间同步方法，其特征在于：

A.支持业务报文时间同步方案的实现步骤为：步骤a，信息主站收集到达各个网络节点、业务终端的时延信息；步骤b，信息主站针对不同业务报文对到达不同终端的时延要求，指定业务报文到达不同终端的时延路径，业务报文按照指定的路径传播；步骤c，信息主站和路径中的各个网络节点按照传输时网络拥塞实时调整业务报文的发送等待时延，保证业务报文在规定的时延内到达终端，以满足业务报文时间同步和时序逻辑要求；

B.用于构建工业物联网多级时间同步架构，其组网形态是虚拟时间管道、虚拟时间信道、虚拟达到队列结合关口设备表现的多级结构；

C.针对网络拥塞、业务报文优先级抢占情况，使用SDN补偿算法，SDN补偿算法是指，SDNController全局控制每个业务报文在网络节点处的发送等待时间，若某个网络节点的发送等待时间超出了规定的时间，则Controller记录下超出的时间；在业务报文到达下一跳网络节点时，Controller尝试减小业务报文在该节点处的发送等到时间；若在后续的几个网络节点中能将超出的时间补偿为0，则照常可以满足业务报文的时间同步要求；若超出的时间不能补偿为0，则此时该业务报文将不会满足时间同步要求，但是通过调整其它相关业务报文的时延值可以做到业务报文在终端节点处的时序逻辑要求，是一种弱同步技术。

2.根据权利要求1所述的一种支持工业物联网业务时间同步方法，其特征在于：所述多级时间同步架构在电力物联网的实现方法为，电力物联网中构成三级时间同步架构，三级时间同步架构是指通过主站侧主站前置机、变电站侧接入前置机、A类设备前端的集中采集装置相互之间维持与各个主站的时间同步信息；当需要将数据报文发给不同主站或发生协议转换时，根据时间同步信息完成业务报文中的时间戳的替换；三级时间同步架构可以支持电力系统的全网时间同步，保证业务报文的时间同步、时序要求和满足电力系统主站多业务接入、多业务协议类型转换的需求。

3.根据权利要求1所述的一种支持工业物联网业务时间同步方法，其特征在于：所述步骤a的实现方法，通过物联网本身具有的传输网络功能计算传播路径时延，此种计算方式受网络拥塞和报文往返路径不一致影响，然而在实际情况中这些因素对计算结果的影响非常小。

4.根据权利要求1所述的一种支持工业物联网业务时间同步方法，其特征在于：所述步骤a的实现方法，使用SDN技术，利用SDN Controller收集信息主站到达任何节点的时延信息。

5.根据权利要求1所述的一种支持工业物联网业务时间同步方法，其特征在于：所述步骤b的实现方法：虚拟时间信道技术(VTC)，VTC包括了确定的路由和转发处理时间固定的路径，具体是指：a)发送端在发送业务报文之前为其指定一个时间固定的传播路径，业务报文按照这条路径转发；b)业务报文在每个网络节点都等待一个确定的“发送等待时间”，在每个节点“发送等待时间”都确定的情况下，保证了整个传播路径时间的确定；VTC采用SDN技术实现，SDNController首先得到的主站到达各个节点的时延信息，然后根据业务报文对时延的要求为其指定一条合理的传播路径，业务报文根据流表信息给出的执行动作在传播路径上传输。

6.根据权利要求1所述的一种支持工业物联网业务时间同步方法，其特征在于：所述的步骤c是指：一种虚拟到达队列技术(VRQ)，VRQ是指业务报文按照“入口等待时间”在入口缓存中按顺序排列的缓存队列，“入口等待时间”是指业务报文要求到达输出端的时刻减去传播路径时延。

7.根据权利要求1所述的一种支持工业物联网业务时间同步方法，其特征在于：所述的步骤c是指：SDN实现方式，由于SDN可以控制每个流的动作，所以可以完成动态的调整每个业务报文在传播路径节点上的时延。