IEEE+1588时间精确同步协议PTP在电力系统应用的可行性.pdf

上海交通大学硕士学位论文IEEE 1588时间精确同步协议（PTP）在电力系统应用的可行性研究姓名：陈永标申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：方兴其20090101上海交通大学硕士学位论文 I IEEE 1588 时间精确同步协议时间精确同步协议(PTP)在电力系统应用的在电力系统应用的 可行性研究可行性研究 摘摘 要要 电力系统规模的扩大以及电力系统控制技术的发展，对各调度系统以及发电厂和变电站的时间基准都提出了新的要求。实际上，电力系统内部信息交换量大、状态改变快，只有满足一定的时钟同步精度，才能对相位比较、故障记录、事件顺序启动等功能给予保障。因此，为了进一步提高电力系统运行管理水平，满足电力系统快速发展的要求，并提高对系统的控制能力和故障分析能力，首先必须提供一个统一的系统时钟，使整个控制系统内部各个站点的时钟保持同步。2002 年出现的 IEEE 1588 精确时间同步协议，特别是它可能达到的高精度和较低的开销为人们实现特定场所的应用提供了现实可行的途径。本文首先概述了时间同步的基本概念以及时间同步技术的发展，其次对 PTP 协议中时钟同步的通信机制、最佳主时钟算法以及 PTP 报文的收发流程进行了全面系统地分析和研究。在此基础上，结合 PTP 协议本身时间同步精度高、操作简单、成本低的特点，以及目前所采用的时间同步技术在电力系统应用中的局限性和存在的问题，分析并指出采用IEEE 1588 时间同步标准作为电力系统的时间同步方案，不仅可以极大地提高系统内部各个电力设备之间的同步精度，确保线路故障测距和电上海交通大学硕士学位论文 II 网参数校验的准确性，改善电网的故障分析能力和稳定控制水平，而且可以降低整个时间同步系统的费用，同时也使得系统中时间基准的更换和升级变得相对简单和容易。关键词：关键词：时间同步，IEEE 1588，PTP，电力系统 上海交通大学硕士学位论文 III FEASIBILITY STUDY UPON THE APPLICATION OF IEEE 1588 PRECISION TIME SYNCHRONIZATION PROTOCOL(PTP)IN ELECTRIC POWER SYSTEM ABSTRACT The expansion scale of power system and development of control technologies in power system put forward new requirements on time base in power dispatching system as well as power plants and substations.In fact,due to huge information exchange inside power system and rapid state change,only to meet certain precision degree of clock synchronization can we make sure different functions work well in power system,such as the phase comparison,failure track recording,start sequence of different events and so on.Therefore,in order to further improve power system operation management level and to meet the rapid development requirements of power system as well as to improve the systems ability to control and failure analysis capabilities,we must first provide a unified system clock in order to synchronize the clocks distributed in all sites of the internal control system.The occurrence of IEEE 1588 precision time synchronization protocol in 2002 and its high accuracy and low cost provide a practical and feasible way to meet high precision time synchronization applications in certain fields.上海交通大学硕士学位论文 IV This paper firstly outlines the basic concepts of time synchronization and development of time synchronization technology,then analyzes and researches the PTP clock synchronization communication mechanism,best master clock algorithm,as well as the PTP messaging and internal events in a comprehensive systematic way.On this basis,taking the PTP time synchronization itself characteristics,such as high precision,simple operation and low cost as well as the current time synchronization technology in the power system applications and the limitations of existing problems into consideration,we analyze and point out that the adoption of IEEE 1588 time synchronization standard as the power system time synchronization scheme can not only greatly improve the time synchronization precision between various electrical equipment within the power system,ensure the accuracy of line fault locating and power parameters checking,improve the fault analysis ability of power grid and stability control level,but also reduce the establishment cost of time synchronization system,as well as make the replacement and upgrading of system time base become relatively simple and easy.Keywords:Time Synchronization,IEEE 1588,PTP,Power System 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：陈永标 日期：2009 年 2 月 2 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在_年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：陈永标 指导教师签名：方兴其 日期：2009 年 2 月 2 日 日期：2009 年 2 月 2 日上海交通大学硕士学位论文 第 1 页 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言引言 目前，许多系统都离不开时间同步的概念，比如测试与测量系统、电力系统1、工业自动化以及分布式系统，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，特别是在分布式网络化的控制系统中，考虑到调度和控制的实时性，对时间同步的精度要求就更为严格。根据分析得出，影响分布式测控系统实时性差的主要根源在于各个测控设备之间的时钟差异和测控数据在网络中的传输延迟。由于这些问题是分布式系统的固有问题，因此，很难用现有技术加以解决或抑制。为此，必须寻求一种更加有效的时间同步技术用于解决在分布式系统中存在的问题，提高系统中各个站点之间的时间同步精度。1.2 课题研究背景课题研究背景 电力系统信息化的完善以及电网调度自动化的实现，使得工程人员可以通过计算机和各种仪器设备，采用时间同步技术，对系统中的各个站点和设备进行集中控制与管理，从而提高电力系统的运行效率和可靠性。然而，电力系统的现场设备由于温度变化、电磁干扰、振荡器老化，甚至还包括计算机负载等多种原因，多数设备的时钟是不精确的，而且时间误差是累积的，随着时间的推移，设备之间的时间同步问题也凸现出来，特别是在一些对时间精度要求比较严格的领域，如变电站、电力监控系统等，使得这一问题更加突出。因此，目前电力系统采用的时钟同步技术，由于其特定的应用环境以及系统中其他各方面的影响，使其同步精度达不到很高的要求。另外，电力系统中的某些子系统，比如变电站工业现场的机械、气候（包括温度、湿度）、尘埃等条件非常恶劣，对设备的可靠性也提出了更高的要求。因此，为了进一步提高电力系统运行管理水平，满足系统快速发展的要求，并提高对系统的控制能力和故障分析能力，采用统一的技术方案建设一个完善的时间同步网络，就成为电力系统的一个选择和努力的方向，而建成的时间同步网络也将成为电网中一个支撑网络的重要基础。要做到这一点，首先必须提供一个统一的系统时钟，使整个控制系统内部各个站点的时钟保持同步。上海交通大学硕士学位论文 第 2 页 目前，现有电力系统的时钟大多由 GPS 精密时钟系统提供，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，但是网络时钟协议（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2。2002 年出现的 IEEE 1588 协议，特别是它可能达到的高精度和较低的开销为人们实现特定场所的应用提供了现实可行的途径。实现 1588 协议只需在原有网络上添加时间同步报文，这些报文占用少量的网络资源，它们只是和控制数据包或其他信息包共享网络。与前两种对时方式相比，该协议不仅成本低，而且独立于操作系统之外，适应性强，安装简单，无需做复杂的配置工作，理论上其同步精度可以达到纳秒级，使整个网络的定时同步指标有显著的改善，因此具有广泛的应用前景。1.3 国内外研究现状国内外研究现状 IEEE 1588（网络测控系统精确时钟同步协议）最初由 Agilent Laboratories（安捷伦实验室）的 John Eidson 以及来自其它公司和组织的 12 名成员开发，后来得到IEEE 的赞助，并于 2002 年 11 月得到 IEEE 批准。IEEE 1588 设计初期是用于测量和控制系统，后来受到自动化领域尤其是分布式运动控制领域的关注，而且其军事应用的初始计划也已经起步，远程通信和电力系统等相关组织也对其表现出浓厚的兴趣。1.3.1 应用领域应用领域 IEEE 1588 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。而国内还未发现有相关应用。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）中加入时间同步服务，称之为 CIP Sync，作为对 Ethernet/IP-CIP 的实时扩展。测试表明，如果采用 100Mbps 交换式以太网系统，CIP Sync 可以在设备间传递小于 500ns 的时间同步精度，符合最严格的实时应用的要求。上海交通大学硕士学位论文 第 3 页 EPSG（Ethernet Powerlink 标准联盟）已经计划将该协议作为 EPL（Ethernet Powerlink）第三版本规范的固定内容。在第三版本中，IEEE 1588 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。EPL 只需要标准以太网硬件，不需要专用的 ASICs，但必须通过网桥或路由器将实时通信与非实时通信分离。西门子公司也致力于用 IEEE 1588 修改其 PROFInet；V3Beckhoff 和 Jetter 的实时工业以太网解决方案 EtherCAT 也研究采用该协议或类似的方法来保证时间同步。这两种方案都需要专用的 ASIC。1.3.2 应用实例应用实例 Hirschmann 公司提出了一种 IEEE 1588 同步元件模型（如图 1-1 所示），硬件部分包括一个高精度的实时时钟和一个时间戳单元，来产生时间戳，软件部分与实时时钟和硬件时间戳单元绑定实现 IEEE 1588 协议。Hirschmann 已经在它的 Mice 模块化以太网交换机上测试了 IEEE 1588 增强插件模块，并发现其同步精度在最大抖动时为100 纳秒，且主、从时钟之间偏移量的频率分布总计为 23.95 纳秒，平均为4.248 纳秒。IEEE1588PTP协议IEEE1588PTP协议端口接口端口接口时钟接口时钟接口时间戳接口时间戳接口同步元件同步元件网络协议堆栈网络协议堆栈硬件实时时钟硬件实时时钟时间戳单元时间戳单元同步报文和延迟请求报文发送和接收时间设置/获取时间同步报文和延迟请求报文发送和接收时间设置/获取时间MACMACPHYMII软件硬件PHYMII软件硬件RXTXRXTX 图 1-1 Hirschmann 同步元件模型 Fig.1-1 Model of Hirschmann Synchronous Component 上海交通大学硕士学位论文 第 4 页 Rockwell Automation 也在其开发的分布式控制系统样机中使用了 IEEE 1588，这种控制系统包括三个运动控制器（如图 1-2 所示），每个控制器都利用一块 SERCOS 卡并通过 SERCOS 与一个驱动器相连，且每个驱动器都连接一个运动轴，但其中一个被指定为主轴，而另两个则被指定为从轴。由于主轴控制器周期性地向每一个从轴控制器发送位置参考信息，因而使每一从轴都能与主轴以一比一的比率相咬合。所有节点上的时钟（运行于 50 MHz PowerPC CPU 上）通过 IEEE 1588 并借助以太网而被同步。以太网交换机以太网适配器SERCOS适配器控制器以太网适配器SERCOS适配器控制器主轴驱动器驱动器驱动器以太网适配器SERCOS适配器控制器时间主时间从 图 1-2 Rockwell 运动控制器模块图 Fig.1-2 Module diagram of Rockwell Controller 从目前的原型实验和应用来看，IEEE 1588 中标准化的精确时间协议可以达到亚微秒级的同步精度，并且有可能达到更高的精度。IEEE 1588 为基于多播技术的标准以太网的实时应用提供了有效的解决方案，但同时也存在一些尚待进一步研究的问题，如主时钟的容错性能，振荡器的稳定性对时钟的影响等。2004 年 9 月 NIST（国际标准技术协会）已经举行了关于 IEEE 1588 的第二次专题研讨会，相信今后该标上海交通大学硕士学位论文 第 5 页 准会更加完善，也会有更多的具体应用可以参考。1.4 论文的主要内容介绍论文的主要内容介绍 本论文的结构安排如下：第一章首先介绍了本文的研究背景，指出目前电力系统中采用的时间同步技术存在的问题和局限性，并在此基础上提出需要采用一种更为可靠、精度更高的时间同步技术。最后，介绍了 IEEE 1588 精确时间同步协议的主要特点，以及目前该协议在国内外的研究现状。第二章介绍时间同步技术的基本概况以及发展，并对传统的时间同步系统进行了分析，然后介绍了目前在以太网中广泛应用的 NTP 时间同步协议，并对该协议的工作模式、体系架构和工作原理进行了分析，最后阐述了 IEEE 1588 标准产生的背景、特点和工作原理，分析了该协议和 NTP 时间同步协议相比所具有的特殊性。第三章重点研究了 IEEE 1588 标准中精确时间同步协议（PTP）的关键技术，包括 PTP 系统的体系结构、最佳主时钟算法以及 PTP 报文的收发流程。第四章对 PTP 时间同步的算法进行了描述，然后详细分析并研究了各类 PTP 报文的定时机制，最后对时钟协议模型中内部堆栈的时间延迟问题进行了探讨并给了解决方案。第五章首先介绍了电力系统的基本概况，提出目前电力系统中所采用的时间同步技术的局限性以及存在的问题，并结合 IEEE 1588协议本身的特点，指出在电力系统中采用 IEEE 1588 时间同步标准作为时间同步方案是可行也是可取的。第六章对全文工作进行了总结，在此基础上，提出了一些需要完善和深入研究的问题。上海交通大学硕士学位论文 第 6 页 第二章第二章 时间同步技术及其发展时间同步技术及其发展 2.1 时间同步技术概述时间同步技术概述 随着计算机在人们的生活和工作中发挥着越来越重要的作用，信息技术和网络技术也得到越来越广泛的应用。其中许多关系国计民生的重要应用领域需要依靠计算机系统的高可靠性和高效率来精确控制关键性的工作与任务，例如卫星发射与测控系统、航空管理系统、社会联动系统以及核能发电系统等等。这些应用对分布式系统内时钟的一致性和精确性要求很高，任何错误的发生都可能会导致非常严重甚至是灾难性的后果4。然而，实际上，计算机的时钟工作往往不太稳定，容易受到温度、电源等环境的影响。这样以往传统的设计与要求，已不适合在一些严格的环境下运作。因此，首先有必要对时间同步的一些基本概念以及原理作一下分析和介绍。从时钟同步的实现机制来看，可将时钟同步分为硬件时钟同步、软件时钟同步和混合时钟同步。1)硬件时钟同步。硬件时钟同步是指利用一定的硬件设施（如GPS接收机、UTC接收机、专用的时钟信号线路等）对各个局部时钟进行同步，操作对象往往是计算机的硬件时钟。硬件时钟同步可以获得很高的同步精度（一般为910秒至610秒），但需引入专用的硬件时钟同步设备，成本较高且不易安装。硬件同步方法适用于小规模的网络系统，在一个大规模分布式网络中完全采用硬件同步方法是不现实的。2)软件时钟同步。软件时钟同步是利用时钟同步算法进行的节点局部时钟之间的同步。软件时钟同步工作量很大，且节点间的同步偏差容易积累。更重要的是，同步信息在广域网上传输时的延迟大且有很大的不确定性，这使得软件同步可以达到的精度比较低，通常为610秒至310秒。但是，由于软件同步的操作对象通常是各节点的逻辑时钟，一般并不需要对结点的硬件时钟进行操作，所以软件同步更加灵活，成本也比硬件同步低。3)混合时钟同步。混合时钟同步是把硬件时钟同步和软件时钟同步的优点结合起来。混合时钟同步主要有两种：一种是基于软件时钟同步的。这种同步方法是在原有的软件同步方法中引入专用的硬件设施，实现原来由软件时钟同步算法完成的功能。另外一种是分层式混合同步。该方案将大规模分布式系统的节点网络划分为多个网段。在每个网段设置一个结点为时间服务节点，在该节点上引入GPS和UTC上海交通大学硕士学位论文 第 7 页 接收机及其相应的时钟接口设备，实现不同网段的时钟同步。然后，在每个网段内部通过软件同步方法使本网段中其它结点的时钟与本网段内时间服务结点的时钟同步，从而实现整个分布式网络的时钟同步。混合同步方案的同步精度一般要比硬件时钟同步低，但却比软件时钟同步高，且实现成本可以接受。实际中常采用混合时间同步，把硬件时间同步和软件时间同步的优点结合起来。2.2 传统的时间同步传统的时间同步 传统的时间同步系统的拓扑结构可以用图2-1所示。图中的时间服务器一般集成有GPS等标准时间源，相应的配置也较高；现场设备一般情况下通过l0M/l00M以太网与时间服务器保持时间同步，其精度为10毫秒到秒级不等，部分应用（如快速响应系统）可能要求达到1毫秒的级别甚至更高5。时间服务器时间服务器现场设备1现场设备1现场设备2现场设备2现场设备4现场设备4现场设备3现场设备3.图 2-1 典型的传统时间同步系统 Fig.2-1 Typical system of conventional time synchronization 为了解决时间同步问题，同时也充分利用网络性能，传统采用的方法为：整秒时由时间服务器在以太网上发送时码信息，网络上的各个时间客户接收该时码信息，再校正各自机器的系统时间。经过测算，设备采用这种方法对准时间后，与标准时间进行比对，误差在1100毫秒之间。网络流量越大时间误差也越大，发送报文的节点越多，冲突的机会也越多，延时也越大。网络流量的差异是造成这种延时的主要原因，但这类延时又是不定的，因此，无法对这种延时差异进行补偿。综上所述，传统的同步方法对时间精度要求较高的控制网络来说，无法满足其时间同步的需要。2.3 NTP 时间同步技术时间同步技术 NTP协议全称为网络时间协议（Network Time Protocol），它的目的是在国际互联网上传递统一、标准的时间，具体的实现方案是在网络上指定若干时钟源网站，上海交通大学硕士学位论文 第 8 页 为用户提供授时服务，并且这些网站间应该能够相互比对，提高准确度6。NTP最早是由美国Delaware大学的Mills教授设计实现的，从1982年最初提出到现在已发展了将近20年，2001年最新的NTPv4精确度已经达到了200毫秒。在实际的应用过程中，可以采用NTP的简化版本-SNTP（简单的网络时间协议），该协议具有秒级的精度但实现起来比较简单。NTP协议除了可以估算报文包在网络上的往返延迟外，还可独立地估算计算机之间时钟偏差，用于在无序的Internet环境中提供精确和健壮的时间服务，把计算机的时间同步到某些时间标准。当前几乎所有的授时网站都是基于NTPv3的，它提供的时间精确度在广域网上为数十毫秒，在局域网上则为亚毫秒级或者更高，在专用的时间服务器上，则能达到更高的精确度。2.3.1 NTP 的工作模式的工作模式 NTP有三种工作模式：客户机/服务器模式、对称模式和广播/多播模式，用户可根据需要分别进行选择。在客户机/服务器模式中，采用一对一连接，客户机可以被服务器同步，但是服务器不能被客户机同步。在对称模式中，与客户机/服务器模式基本相同，但双方均可同步对方或被对方同步，先发出申请建立连接的一方工作在主动模式下，另一方工作在被动模式下。广播/多播模式是一对多的连接，服务器主动发出时间信息，客户由此信息调整自己的时间，由于忽略网络时延，精度较低，适合用于高速局域网上。在实际应用中，可根据需要选择不同的工作模式，其中最常用的工作方式是客户机/服务器模式。2.3.2 NTP 的网络体系结构的网络体系结构 NTP 协议以UTC 作为时间标准，根据需求可采用不同的网络结构来实现。对于大型通信网络，一般采用分层的类树型结构，时间按NTP服务器的等级传播。距离UTC 源近的时间服务器有较高的时间准确度，将时间服务器的准确度用一个称为Stratum的数值来表示，根据每个时间服务器距离UTC时间源的远近将其归入到不同层（Stratum）中，可以采用如图2-2所示的网络结构实现NTP服务。上海交通大学硕士学位论文 第 9 页 GPS时间源GPS时间源时间服务器时间服务器时间服务器时间服务器时间服务器时间服务器时间服务器时间服务器时间服务器时间服务器时间服务器时间服务器时间服务器时间服务器Stratum0Stratum0Stratum3Stratum3Stratum2Stratum2Stratum1Stratum1 图 2-2 NTP 的网络结构 Fig.2-2 Architecture of NTP network 其中，箭头表示校时服务。箭头的发出方为校时服务的提供方，箭头的指向方为校时服务的请求方。层1上机器的时间来自外部时间源，比如GPS时间源。由于时间是向下传递的，因而可以看到层间的箭头都是发自较低层，指向较高层。图中有些箭头是双向的，这样的箭头表示连接双方可相互校时，并且只存在于同层的机器之间，具体要看双方时间质量的好坏，由好的一方向差的一方提供校时服务。可以看到，NTP按照离外部UTC源的远近将所有服务器归入不同的层（Stratum）中。位于第一层的服务器为主服务器，通过精确的外部时钟源如GPS时间信号获取时间信息，并使本身的时间与UTC同步，是整个系统的基础。而第二层则从第一层获取时间，第三层从第二层获取时间，以此类推。另外，出于对精确度和可靠性的考虑，下层设备同时引用若干个上层设备作为参考源，而且也可以引用同层设备作为参考源。网络中的设备可以扮演多重角色。例如一个第二层的设备，对于第一层来说是客户机，对于第三层可能是服务器，对于同层的设备则可以是对等机（相互用NTP进行同步）。2.3.3 NTP 协议的工作原理协议的工作原理 NTP以客户机/服务器模式进行通信。假设客户机要向服务器请求时间服务，客户机首先要生成一个标准的NTP查询信息包，通过网络发送到时间服务器。服务器收到查询信息包后，根据自己的本地时问，生成一个标准的NTP时间信息包，然后通过网络发回给客户机。两个信息包都带有发送和接收的时间戳，根据这四个时间戳来确定客户机和服务器之间的时间偏差和网络时延。NTP协议的工作原理如图2-3上海交通大学硕士学位论文 第 10 页 所示。客户机服务器客户机服务器、客户机发送、接收NTP消息的时间、时间服务器发送、接收NTP消息的时间、客户机发送、接收NTP消息的时间、时间服务器发送、接收NTP消息的时间1T+1T3T3T2T4T1T4T2T3T 图 2-3 NTP 协议的工作原理 Fig.2-3 Principle of NTP operation 在图2-3中，1T为客户机发送查询请求包的时刻，2T为服务器收到查询请求包的时刻，3T 为服务器回复时间信息包的时刻，4T为客户机收到时间信息包的时刻（1T、4T以客户机的时间系统为参照，2T、3T 以服务器的时间系统为参照）。根据上述过程，可得客户机与服务器之间的时间关系：()()+=+=3412TTTT 当请求信息包和回复信息包在网络上的传输时间相等时，可求解得到服务器和客户端之间的时间偏差以及两者之间单程的网络传输时间：()()()()=+=2234123412TTTTTTTT 可以看到，、只与2T和1T的差值、3T 和4T的差值相关，而与3T 和2T的差值无关，即最终的结果与服务器处理请求所需的时问无关。据此，客户机即可通过这4个时间戳计算出时间偏差和网络时延去调整本地时钟。2.4 IEEE 1588 同步协议概述同步协议概述 IEEE 1588定义了一个能够在测量和控制系统中实现高精度时钟同步的协议-精确时间协议（Precision Time Protocol）。PTP协议集成了网络通信、局部计算和分布上海交通大学硕士学位论文 第 11 页 式对象等多项技术，适用于所有通过支持多播的局域网进行通信的分布式系统，特别适合于以太网，但不局限于以太网。该协议能够将异质系统中各类不同精确度、分辨率和稳定性的时钟同步起来，并且能够达到亚微级的同步精度，而只需占用少量的网络和本地计算资源7。2.4.1 IEEE 1588 产生的背景产生的背景 随着工业现场控制的规模越来越大，自动化程度越来越高，对监控和控制的同步性和实时性提出了越来越高的要求。此时，一些研究机构和商业组织开始研究设备之间，尤其是测量和控制设备之间的时钟同步技术。在此背景下，美国的一些研究机构和商业组织发起成立了一个特别委员会，专门针对设备之间，尤其是测控设备之间的时钟同步问题进行研究。经过长时间的不断探索和试验，取得了一些成果。2001年6月18日，这个委员会正式向美国电气与电子工程师协会（IEEE）提交一份研究方案，并通过该组织一年多时间的核准和论证，于2002年12月得到批复，并正式形成IEEE 1588标准8。IEEE 1588为消除或削弱分布式网络测控系统各个测控设备的时钟误差和测控数据在网络中的传输延迟提供了有效途径。按照这个规范去策划和设计的网络测控系统，其同步精度可以达到微秒级的范围，从而可以有效地解决分布式网络系统的实时性问题。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。该协议为小型同构或异构局域网设计，设计者特别注意降低资源使用，使其可以在低成本终端设备上应用。2.4.2 IEEE 1588 协议特点协议特点 IEEE 1588定义了一个在测量和控制网络中，与网络交流、本地计算和分布式对象有有关的精确时钟同步协议（PTP-Precision Time Protocol），该协议具有以下特点：1)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。2)与针对分布广泛且各自独立的时间同步协议（如NTP，GPS）不同，IEEE 1588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，故其特别适合于工业自动化和测量环境。当然，对于实现广域范围内的测量和控制同步，单纯依赖IEEE 1588并不可行，此时还需借助GPS。上海交通大学硕士学位论文 第 12 页 3)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。4)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IEEE 1588，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，目前已开展的大量工作力将IEEE 1588整合到一些基于以太网的自动化协议中，如Powerlink和EtherCat。5)占用的网络资源和计算资源较少，故实现成本较低，适于在低端设备中完成。6)具有良好的开放性和互操作性。2.4.3 PTP 协议的基本原理协议的基本原理 IEEE 1588系统包括多个节点，每个节点代表一个IEEE 1588时钟，时钟之间通过网络相连，并由网络中最精确的时钟以基于报文（Message-based）传输的方式同步所有其它时钟，这是IEEE 1588的核心思想9。按照工作原理可将IEEE 1588的时钟分为两类：普通时钟（Ordinary Clock）和边界时钟（Boundary Clock）。普通时钟只有一个PTP端口，边界时钟包含一个或者多个PTP端口。每个PTP端口的状态主要有三种：主状态（PTP_MASTER）、从状态（PTP_SLAVE）和被动状态（PTP_PASSIVE）。PTP端口处于主状态或从状态的时钟，分别称为主时钟（MASTER CLOCK）和从时钟（SLAVE CLOCK）。一个简单的PTP系统包括一个主时钟和多个从时钟，主时钟负责同步系统中所有从时钟。如果PTP端口处于被动状态，则意味着对应的时钟不参与PTP时间同步。PTP采用分层的主从式（Master-Slave）模式进行时间同步。IEEE 1588主要定义了四种多点传送的时钟报文类型：同步报文Sync、跟随报文Follow_Up、延迟请求报文Delay_Req和延迟请求响应报文Delay_Resp。同步过程分两步执行：1)主从时钟之间的差异纠正，即时钟偏移量测量。在图2-4中，主时钟周期性（一般每隔2秒）地给从时钟发送Sync报文，此报文所包含的信息有：报文在网络传输时刻的估计值和事件序列标识值（sequence Id）等。在主时钟的介质独立接口（MII）处连接有报文时标生成器，它可精确测量Sync报文的发送时刻（1T），主时钟随后发送Follow_Up报文，该报文中携带1T信息以及相关事件序列标识值（Associate Sequence Id），此标识值必须与同一个时钟发送的最新的Sync报文中的sequence Id相对应。在PTP时钟同步的过程中，一般情况下，每一个同步报文上海交通大学硕士学位论文 第 13 页 都有一个相应的跟随报文紧随其后。从时钟通过内部的报文时标生成器，精确测量Sync报文到达时刻（2T），确认所收到的Sync报文和Follow_Up报文里的序列标识值相等后，比较1T和2T，纠正从时钟与主时钟之间的时间差异。2)主从时钟之间通信路径传输延迟的测量。从时钟发送Delay_Req报文给主时钟，后者回应Delay_Resp报文。报文的双向传输中都包含了精确的传输时刻，从时钟利用此时间差异可以计算传输延迟。此测量方法要求传输路径对称，即发送延迟和接收延迟相等。典型的PTP主从时钟之间的时间同步模型，如下图所示：IEEE1588编码1）发送Sync报文2）获取发送Sync报文发送时间信息3）发送包含Sync报文发送时间信息的Follow_Up报文4）接收Delay_Req报文5）回应Delay_Resp报文网络协议堆栈报文时间戳生成器物理层（PHY）MII主（MASTER）IEEE1588编码1）接收Sync报文2）获取Sync报文接收时间信息3）接收Follow_Up报文4）发送Delay_Req报文5）接收Delay_Resp报文6）校准同步本地时钟网络协议堆栈报文时间戳生成器物理层（PHY）MII从（SLAVE）以太网 图 2-4 PTP 时钟同步模型 Fig.2-4 Model of PTP clock synchronization 2.5 高精度实现同步精度分析高精度实现同步精度分析 PTP协议通过在主从时钟之间相互传输包含时间标记的报文，从而计算出两个关键的定时参数：时钟偏差和网络延时。这种实现机制在一定程度上借鉴了NTP的客户机/服务器时间同步的往返时延的（round-trip）计算模式。NTP是工作在IP协议和UDP协议之上的应用层标准协议，该协议通过往返程思想上海交通大学硕士学位论文 第 14 页 来估计传递时间信息的报文在网络传输中花费的时间，继而估计出本地时钟和参考源时钟的时间偏移量，从而使客户端时钟获得了当前时间的估计值。另外，NTP还采用了统计学技术提高时间估计的有效性，通过多个时间参考源来保证时间同步应用的可靠性，它使用层次式时间分步模型，所能取得的准确度