《计算机软件论》word版

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1、3基于IEEE1588的变电站时钟同步技术研究3.1引言本文根据前文对IEC61850标准体系的介绍，国内外学者经过多年的研究与分析，最终提出了要构建数字化变电站的设想[21-23]，与常规的变电站相比，数字化变电站采取的是电子式电流/电压互感器，而没有选择传统的电流/电压互感器。数字化的变电站不仅显著地提高了数据的实时性，同时还实现了数据信息的实时共享。目前，按照功能的具体要求，在当前的IEC61850标准中，人们将智能电子设备的时钟精度分为了五个不同的等级，从低到高依次为T1-T5，其中，T5等级的精度已经高达1μs[2

2、4]。然而，在数字化的发展大趋势下，近年来，变电站的二次硬接线逐渐地被串行通信线索替代，基于此，IEC61850标准专门选择了最为简单的网络时间协议来作为网络的对时协议，其中，网络时间协议的英文缩写为SNTP。从本质上来说，SNTP是互联网网络时间协议的一个特殊类型，在网络结构不变的情况下，互联网网络时间协议也即NTP的对时精度可到达T1的等级也就是说，NTP的对时精度可达到1ms。除此之外，广域网的误差也可缩小至10~100ms[25-27]。尽管NTP/SNTP的网络应用体系已经较为完善，然而，当前该体系要想实现T3的精

3、度等级还不大可能。2002年，研究人员对外发布了IEEE1588的标准，该标准中明确提出了一种新型的紧密时间协议，即PTP，该协议主要应用于分布式的测量领域，网络的对时精度可高达亚μs级[28]，因此，该标准一经发布就受到了通信与自动化等领域的广泛关注。与此同时，国外的Altera等公司也开始致力于对IEEE1588标准硬件产品的开发研究，经过多年的研究与完善，目前，IEEE1588标准的体系已经趋向于成熟，据有关部门表现，该标准的第2版将于2008年正式对外公布。鉴于IEEE1588分布式网络的对时特征，IECTC57的第

4、10工作组打算在以太网芯片发展成熟之际，将IEEE1588引入到IEC61850中[29]。由此可见，IEEE1588的研究在数字化变电站中具有至关重要的作用。3.2IEEE1588精密时钟同步协议3.2.1时钟同步原理事实上，美国的Agilent实验室是最早提出IEEE1588标准体系的，该体系的建设最初是用来测量与控制分布式系统的，凡是能够支持多播报文传输的局域网都可以应用该协议，本文就以太网展开具体的分析。PTP系统主要通过主从层次式的结构来同步时钟，如图3-1所示，为PTP的实现机制：图3-1PTP原理由上图可知，T

5、1表示的是主端发送同步报文的时间，T2表示的是从端接收传输来的同步报文的时间，T3表示的是从端发送延迟请求报文的时间，T4表示的是主端接收延迟请求报文的时间。而关于主从时钟间的偏移量TOffset和传输延迟TDelay，其计算公式如下（3-1）式和（3-2）式：（3-1）（3-2）3.2.2PTP时钟模型从时钟结构的角度来看，我们将PTP系统的时钟分为了两类，其一为边界时钟，即BC，其二为普通时钟，即OC，从功能的角度来看，我们将PTP系统的时钟也分为了两类，其一为从时钟，其二为主时钟，其中，BC是有着若干个不同PTP端口的

6、智能设备，而OC是只有一个PTP端口的终端设备，时的对时源端或终端设备。图3-2PTP普通时钟模型由上图可知，该图中明确地给出了OC的模型，目前，PTP的普通时钟模型主要由两部分组成，其一为硬件电路，其二为应用软件，除此之外，如图3-2所示，为PTP的普通时钟模型，该图中的MACCore表示的是网络硬件的介质访问控制部分，MII表示的是网络硬件的介质独立接口，而PHYCore表示的是网络硬件的物理层部分。值得注意的是，本文不将硬件电路的组成列入标准讨论的范围，按照PTP纪元的时间，我们将时钟设计为32位整数s加32位分数s，

7、该时钟是由单一的振荡器来触发的，该系统在主从层次上的结构由最佳主时钟算法来决定，最佳主时钟算法是独立运行在不同的时钟中的，时钟与时钟之间不会事先协商，由此可见，时标的单元是实现PTP系统高精度对时的关键要素，PTP事件报文的时标点首先通过时钟的时标点，然后传输到报文的检测模块，最终触发时标的记录，系统自动存储精确的时标数据，以便之后应用程序的处理。值得注意的是，我们还可通过时钟所存储的信息或报文中的信息，利用数据集的比较算法来判断不同信息的质量。3.2.3对时误差分析从理论上来说，IEEE1588的对时精度可达到亚μs级，然

8、而，在实际的应用中，由于存在对时的误差，该体系的对时精度往往达不到理想的效果，因此，本文对影响IEEE1588对时误差的因素进行了详细的分析，并将其归为两类，其一为振荡器的频率误差，其二为网络延迟的误差，主要内容如下所示：（1）振荡器频率误差。一般而言，振荡器主要是由石英晶体组成的，而石英