Современные системы, такие как системы мониторинга переходных режимов (СМПР), а также релейной защиты и автоматики (РЗА) с применением шины процесса, требуют высокой точности синхронизации времени в пределах 1 мкс. Эти требования являются более жесткими по отношению к требованиям других систем автоматизации подстанций (1-2 мс). Одновременно с этим cегодня в рамках систем автоматизации энергообъектов широкое распространение получают сети Ethernet, по которым осуществляется информационный обмен между SCADA-системами и устройствами РЗА, а также между отдельными устройствами РЗА. Протокол Precision Time Protocol (PTP) является протоколом синхронизации времени, функционирующим по сети Ethernet, не используя выделенные линии связи, и может обеспечить требуемую точность синхронизации времени для устройств РЗА, регистраторов переходных режимов, устройств сопряжения с шиной процесса и других устройств, требующих высокой точности временной синхронизации.

Проблемы существующих протоколов синхронизации времени

На энергообъектах синхронизация устройств по времени осуществляется уже достаточно много лет. В частности, она необходима для обеспечения возможности соотнесения событий, регистрируемых различными устройствами. При этом наибольшее число способов синхронизации времени обеспечивает точность в пределах 1 мс. С началом внедрения СМПР и систем РЗА с использованием шины процесса возникает необходимость в обеспечении более высокой точности синхронизации устройств по времени – в пределах 1 мкс.

Различают два подхода к выполнению временной синхронизации вторичных устройств:

• Используя независимую систему, включающую в себя выделенные каналы передачи информации и ретрансляторы.
• Используя сеть Ethernet, по которой также производится обмен прикладной информацией между устройствами энергообъекта.

Последующие разделы рассматривают наиболее широко используемые способы синхронизации времени с указанием их достоинств и недостатков.

Использование независимых систем синхронизации времени

Исторически системы синхронизации времени на энергообъектах опирались на использование выделенных линий связи (коаксиальных, витой пары, волоконно-оптических линий связи (ВОЛС)). При этом использовались два протокола:

• IRIG-B, предоставляющий информацию о времени и дате наряду с импульсами синхронизации.
• 1-PPS, предоставляющий точный импульс синхронизации времени без информации о времени и дате.

При использовании данных протоколов обмен данными между устройствами РЗА и SCADA-системой, а также между отдельными устройствами РЗА не оказывает влияние на точность синхронизации. Однако стоит отметить, что независимые системы требуют больших затрат при реализации за счет необходимости использования дополнительной кабельной продукции, клеммников, ретрансляторов и др. Также требуется разработка набора соответствующей технической документации. Затраты могут оказаться значительными, в особенности при реализации систем синхронизации времени на объектах высокого напряжения.

Рис. 1 иллюстрирует использование протокола IRIG-B для синхронизации устройств по времени и сети Ethernet для организации информационного обмена между устройствами. Вместо сети Ethernet может быть предусмотрено использование линий связи RS-485, что характерно для более старых энергообъектов.

Рис. 1. Иллюстрация разделения систем синхронизации времени и обмена данными в рамках системы автоматизации подстанции.

Протокол IRIG – B

Наиболее распространённый протокол синхронизации времени, используемый на энергообъектах, – протокол IRIG-B. При реализации систем синхронизации на основе данного протокола требуется использование выделенных линий связи. Протокол может работать в одном из следующих форматов: с передачей информацией в виде импульсов по электрическим связям (коаксиальный кабель или витая пара) или ВОЛС, или с передачей модулированного сигнала с несущей частотой 1 кГц по коаксиальному кабелю. С течением времени протокол IRIG-B расширялся, преимущественно благодаря появлению стандартов IEEE, относящихся к реализации СМПР (IEEE Std 1344-1995, IEEE Std C37.118-2005 и IEEE Std C37.118.1-2011). Данные расширения обеспечивают возможность передачи информации о годе, временном смещении относительно всемирного скоординированного времени (UTC), переходе на летнее время и качестве информации. Вся эта информация используется устройствами систем автоматизации подстанций. Немодулированный сигнал IRIG-B позволяет достичь точности временной синхронизации в микросекундном диапазоне, однако большинство устройств-клиентов не могут обеспечить точность более 1-2 мс в силу своих технических характеристик.

IRIG-B описывает несколько вариантов форматов передачи информации. Однако характеристики интерфейсов синхронизации времени устройств РЗА различных фирм-производителей отличаются, что не позволяет на сервере времени использовать лишь один формат передачи временного кода IRIG-B. Среди наиболее распространенных отличий – использование модулированного/немодулированного сигнала, использование в качестве опорного местного или всемирно скоординированного времени (UTC) и др.

Различные варианты реализации протокола IRIG-B идентифицируются временным кодом. Например:

• B003: немодулированный, без расширений на передачу информации о годе/расширений согласно стандартам IEEE.
• B004: немодулированный, с расширениями на передачу информации о годе/расширениями согласно стандартам IEEE.
• B124: с амплитудной модуляцией, с расширениями на передачу информацию о годе/с расширениями согласно стандарту IEEE.

Рис. 2 демонстрирует сравнение немодулированного и модулированного сигналов, используемых форматами временных кодов (в соответствии со стандартом IRIG Standard 200-04).

Рис. 2. Форма модулированного и немодулированного сигнала IRIG-B.

Настройки устройств-клиентов, таких как устройств РЗА, должны быть согласованы с настройками ведущих часов: в части всемирно скоординированного времени (UTC)/локального времени, часового пояса и др. Гибкость настройки устройств РЗА значительно различается – даже при использовании устройств одного производителя. Некоторые из устройств РЗА могут быть настроены для приема почти всех форматов временного кода IRIG-B, многие имеют достаточно сильные ограничения в части параметрирования.

Другие проблемы, которые влечет за собой применение протокола IRIG-B, включают в себя: необходимость учета нагрузки на сеть распространения сигналов синхронизации времени, обеспечение защиты от электромагнитных помех, гальваническую развязку цепей и необходимость обслуживания линий связи. Допустимая нагрузка на ведущие часы различается в диапазоне от 18 до 150 мА, при этом устройства РЗА различных фирм-производителей имеют различное потребление (от 5 мА до 10 мА). Указанное усложняет проектирование систем синхронизации времени для большого количества устройств РЗА – например, на распределительных подстанциях (6,6 – 33 кВ).

1- PPS (один импульс в секунду)

1-PPS (один импульс в секунду) может использоваться для обеспечения достаточно точной временной синхронизации, однако не предоставляет информацию об астрономическом времени. На сегодняшний день этого достаточно для реализации комплексов РЗА с использованием шины процесса, однако информация о времени, вероятно, потребуется в будущем для проставления меток времени событиям или криптографической аутентификации сообщений.

Использование данного способа синхронизации времени предусмотрено стандартом МЭК 60044-8 и также введено в технических требованиях по реализации цифрового интерфейса для измерительных трансформаторов (известных как МЭК 61850-9-2LE). Разрабатываемый в настоящее время стандарт МЭК 61869-9 также допускает возможность использования данного метода синхронизации устройств по времени по выделенной волоконно-оптической линии связи.

Рис. 3 иллюстрирует требования к импульсу 1PPS. Время изменения сигнала с уровня 10% до уровня 90% мощности (и наоборот) (t f ) сигнала не должно превышать 200 нс. Время существования сигнала на уровне более 50% мощности (t h ) должно находиться в диапазоне от 10 мкс до 500 мс.

Рис. 3. Графическое представление сигнала 1-PPS.

1-PPS требует наличие выделенной сети для распространения сигнала. В качестве физической среды передачи данных может использоваться либо электрическая линия связи (коаксиальная/витая пара), либо ВОЛС (многомод/одномод).

Задержка передачи сигналов синхронизации

Распространение сигналов IRIG-B и 1-PPS организуется значительно проще по электрическим связям, нежели по ВОЛС, поскольку могут предусматриваться многоточечные соединения с учетом допустимой нагрузки на ведущие часы, однако это может приводить к возрастанию потенциала между шкафами. Использование ВОЛС обеспечивает гальваническую развязку и исключает влияние помех, однако в этом случае требуется использование специальных ретрансляторов для распространения сигнала на каждое из устройств РЗА энергообъекта. В частности, МЭК 61850-9-2LE требует использования ВОЛС для передачи сигнала 1-PPS. Указанное, в свою очередь, требует использования либо часов с несколькими выходами, либо разветвителя для передачи сигнала более чем одному устройству сопряжения с шиной процесса.

Задержка распространения сигнала по электрическим связям и ВОЛС составляет приблизительно 5 нс на метр. Результирующее значение может оказаться достаточно большим при протяженных связях и может, в свою очередь, потребовать необходимости компенсации задержки на устройствах-клиентах. МЭК 61850-9-2LE в качестве предельной задержки распространения сигнала устанавливает значение в 2 мкс – при превышении данного значения требуется компенсация. К такой задержке приведет наличие связи около 400 м, и на многих подстанциях высокого напряжения такие расстояния не предел. Компенсация – процесс ручной настройки, при выполнении которой нужно точно учитывать задержку распространения сигнала не только по линии связи, но и через используемые ретрансляторы. Более подробное исследование о задержках распространения сигналов синхронизации по протоколам 1-PPS, IRIG-B и PTP приведены в .

Синхронизация времени по сети Ethernet

Сети Ethernet, которые сегодня все более широко используются в рамках систем автоматизации подстанций, могут также применяться для передачи сигналов синхронизации времени. Указанное позволяет исключить необходимость в прокладке выделенных линий связи, однако требует от устройств РЗА, приборов учета электроэнергии и других вторичных устройств поддержки специальных протоколов.

Наиболее широко распространены два протокола синхронизации времени: Network Time Protocol (NTP) и Precision Time Protocol (PTP). Оба протокола, когда применяются на подстанциях, функционируют, обмениваясь сообщениями по сети Ethernet. Протоколы NTP и PTP обеспечивают компенсацию временных задержек передачи сообщений синхронизации путем двухстороннего информационного обмена. Протокол NTP является более распространённым решением, чем протокол PTP, однако более высокая точность обеспечивается именно при применении последнего за счет использования специального аппаратного обеспечения. На рис. 4 проиллюстрирована топология сети, в рамках которой может применяться как протокол резервирования NTP, так и протокол резервирования PTP.

Механизм функционирования обоих протоколов допускает наличие нескольких ведущих часов, что повышает надежность функционирования системы синхронизации времени на энергообъекте. Кроме этого, наличие нескольких ведущих часов позволяет производить обслуживание одного из них без вывода всей системы из работы.

Протокол NTP

В течение последних лет протокол NTP широко применяется в рамках энергообъектов. При применении доступных на рынке серверов времени и клиентов (например, устройств РЗА), обладающих поддержкой данного коммуникационного протокола, достижима точность синхронизации времени в диапазоне от 1 до 4 мс. Однако одним из условий обеспечения такой точности является разработка правильной топологии локальной вычислительной сети Ethernet, в которой обеспечивается соответствие и постоянство времен распространения сообщений синхронизации времени от клиента к мастеру и в обратном направлении.

Значительным преимуществом протокола NTP над IRIG-B является то, что передача времени производится в формате UTC. Это удовлетворяет требованиям таких стандартов как МЭК 61850 и IEEE 1815 (DNP), которые требует передачу меток времени событий в формате UTC. При необходимости отображения местного времени на дисплее устройства РЗА требуется ручная установка часового пояса с учетом соответствующего перехода на летнее время. Протокол NTP обеспечивает возможность одновременного использования нескольких серверов времени одним и тем же клиентом для более точной и надежной временной синхронизации. Однако данный протокол не позволяет обеспечить микросекундную точность синхронизации, которая требуется для СМПР и устройств сопряжения с шиной процесса МЭК 61850-9-2.

Протокол PTP

Стандарт IEEE Std 1588-2008 определяет вторую версию протокола PTP, известную как PTPv2 или 1588v2. Данный протокол обеспечивает высокую точность синхронизации времени, которая достигается путем фиксации меток времени сообщений синхронизации PTP на интерфейсах Ethernet на аппаратном уровне. Использование этих данных позволяет учитывать времена распространения сообщений синхронизации по сети и их обработки серверами времени и клиентами. Процедура проставления меток времени на аппаратном уровне не оказывает влияния на функционирование других коммуникационных протоколов, существующих в рассматриваемой сети Ethernet, поэтому этот же порт может использоваться для трансляции данных согласно протоколам стандарта МЭК 61850, DNP3, МЭК 60870-5-104, Modbus/IP и другим коммуникационным протоколам. Наличие возможности проставлять метки времени на аппаратном уровне приводит к значительному удорожанию коммутаторов Ethernet. Что касается поддержки протокола PTP в устройствах РЗА, то лишь последние модификации устройств некоторых фирм-производителей поддерживают данный протокол, иногда это доступно лишь только в качестве опции.

Протокол PTP обеспечивает возможность наличия в сети нескольких устройств, способных выступать в качестве серверов времени; при этом предполагается, что все они участвуют в голосовании между собой на выбор самых точных часов – гроссмейстерских. Если вдруг гроссмейстерские часы отказывают или же ухудшаются показатели их функционирования, роль гроссмейстерских часов на себя могут взять другие часы, претендующие на эту роль. Количество времени, которое уходит на данную процедуру, может быть различным, однако если настройки протокола PTP (также именуемые профилем) оптимизированы для его применения на объектах электроэнергетики, то на это уходит не более 5 секунд.

Введение в PTP

Протокол PTP является чрезвычайно гибким и может быть использован в различных областях, где требуется временная синхронизация, обеспечивая точность до 10 нс.

Более высокая точность стала достижимой с появлением второй версии протокола, в которой было введено понятие прозрачных часов, роль которых выполняют коммутаторы Ethernet. Прозрачные часы осуществляют измерение времени прохождения сообщений синхронизации через коммутаторы, которое может изменяться в зависимости от информационной загрузки сети. Информация об измеренном времени передается другим устройствам на пути распространения сообщения синхронизации. Указанный механизм позволяет достичь высокой точности синхронизации времени в рамках локальной сети Ethernet. Использование прозрачных часов означает, что сообщения протокола синхронизации PTP не требуют приоритезации относительно другого трафика, имеющегося в сети, что упрощает процесс проектирования сети и настройки сетевого оборудования.

Терминология

Стандарт IEEE Std 1588-2008 определяет несколько терминов, применимых для систем, функционирующих по условиям протокола PTP. Основными являются следующие термины:

• Гроссмейстерские часы – часы, являющиеся основным источником данных о времени при синхронизации согласно протоколу PTP, которые, как правило, оснащаются встроенным приемником сигналов GPS (или другой системы).
• Ведущие часы – часы, являющиеся источником данных о времени, по которым синхронизируются другие часы в сети.
• Ведомые часы – конечное устройство, которое синхронизируется по протоколу PTP; это может быть устройство РЗА с нативной поддержкой протокола PTP или преобразователь, который с одной стороны получает информацию в формате протокола PTP, а с другой – формирует данные в формате протоколов IRIG-B или 1-PPS.
• Прозрачные часы – коммутатор Ethernet, который измеряет время прохождения сообщения синхронизации через себя и предоставляет измеренное значение часам, получающим сообщение синхронизации далее.
• Граничные часы – часы, которые оснащаются несколькими портами PTP и могут выступать ведущими часами; например, могут быть ведомыми по отношению к вышестоящим источникам сигналов времени и выступать в качестве ведущих по отношению к нижестоящим устройствам.

В сети должны присутствовать, как минимум, одни гроссмейстерские и одни ведомые часы. Однако во многих случаях, учитывая необходимость объединения многих устройств в одну сеть, понадобится использование коммутаторов, которые, в простейшем случае, будут выполнять роль прозрачных часов. Они могут также выполнять роль граничных часов, что в некоторых случаях позволяет достичь более высокой точности синхронизации времени (так это или нет, зависит от конкретного производителя). Рис. 5 иллюстрирует комплекс, в котором реализуется временная синхронизация согласно протоколу PTP. В данном примере гроссмейстерские часы способны получать информацию о точном времени не только от системы глобального позиционирования, но и из внешней сети по протоколу PTP. Указанное решение реализовано для резервирования отказа приемника сигналов точного времени или соответствующих внешних соединительных цепей. В случае перехода на использование сигналов точного времени из внешней сети часы перестают быть гроссмейстерскими и принимают на себя роль граничных часов. В изображенном комплексе также используются два вида ведомых часов: устройства РЗА с нативной поддержкой PTP и преобразователи в формат IRIG-B и 1-PPS, предоставляющие информацию о точном времени для конечных устройств, не поддерживающих протокол PTP.

Функционирование в одно- и двухстадийном режиме

Принцип функционирования протокола PTP опирается на то, что точно известны время передачи сообщения синхронизации типа Sync (как раз это сообщение передает информацию о времени) и время получения этого сообщения на интерфейсе Ethernet ведомых часов. Точное время передачи данного сообщения неизвестно до тех пор, пока оно не было отправлено. В интерфейсах Ethernet с поддержкой протокола PTP обеспечивается проставление меток времени сообщениям на аппаратном уровне, а затем эта информация передается в центральный процессор гроссмейстерских часов. После этого производится формирование сообщения типа Follow Up, которое и передает эту точную метку времени передачи сообщения типа Sync всем ведомым устройствам. При этом прозрачные часы дополняют это сообщение информацией о задержке передачи данного сообщения по сети (сумма канальной задержки и времени перенаправления сообщения). Использование комбинации сообщений типа Sync и Follow Up и называют двухстадийным режимом работы протокола PTP.

Во второй версии протокола PTP (PTPv2) была введена возможность изменения содержимого сообщения PTP в процессе его передачи на аппаратном уровне. При реализации данного метода исключается необходимость в сообщениях типа Follow Up, данный режим функционирования протокола PTP называется одностадийным. Гроссмейстерские часы с поддержкой данного режима выполняют передачу сообщений типа Sync с информацией о точном времени их формирования, прозрачные часы производят оценку задержек передачи сообщений данного типа (по сети и через себя) и включают данные об измеренных задержках в эти же сообщения типа Sync вместо того, чтобы включать эти данные в сообщения типа Follow Up. Указанный режим работы предполагает меньшую информационную нагрузку на сеть, однако требует использования более сложных и дорогостоящих устройств.

Комплексы, функционирующие по условиям протокола PTP, могут включать в себя гроссмейстерские часы, способные работать в одно- и в двухстадийном режиме. В таких комплексах ведомые часы должны быть способны учитывать информацию о возникающих задержках передачи сообщений синхронизации непосредственно из этих сообщений, формируемых одностадийными прозрачными часами, а также из сообщений типа Follow Up, формируемых двухстадийными прозрачными часами.

Профиль PTP для электроэнергетики (Power Profile )

Стандарт на протокол PTP предполагает несколько его модификаций, которые являются взаимоисключающими. Вторая версия протокола PTP (PTPv2) предполагает концепцию профилей, которые ограничивают значения ряда параметров и требуют использования отдельных аспектов протокола для различных областей применения.

Профиль для электроэнергетики (Power Profile) описан в документе IEEE Std C37.238-2011, который закрепляет ряд параметров для обеспечения точности синхронизации времени в пределах 1 мкс для топологий, наиболее распространенных в рамках комплексов автоматизации подстанций. Данный профиль также определяет базу управляющей информации (MIB – Management Information Base) для протокола SNMP, которая обеспечивает возможность контроля ключевых параметров устройств при использовании стандартных программ мониторинга. Благодаря этому становится возможным выполнять контроль за функционированием системы синхронизации времени в режиме реального времени с формированием сигнализации в случае возникновения нештатных ситуаций.

Профиль для электроэнергетики требует, чтобы погрешности, вносимые каждыми отдельными прозрачными часами, не превышали 50 нс. Указанное требуется для обеспечения точности синхронизации не более 1 мкс при организации топологии локальной сети, включающей в себя 16 коммутаторов Ethernet (например, в составе кольцевой топологии). При этом допустимая погрешность для GPS часов устанавливается на уровне 200 нс.

Профиль PTP требует использования прозрачных часов, поддерживающих пиринговый механизм определения канальных задержек, и того, чтобы передача всех сообщений протокола PTP производилась на канальном уровне в режиме групповой рассылки (мультикаст). Пиринговый механизм определения задержек подразумевает, что каждое устройство с поддержкой PTP обменивается сообщениями со смежными устройствами для измерения канальных задержек передачи сообщений между ними. Полная временная задержка передачи сообщений синхронизации определяется как сумма канальных задержек и задержек обработки сообщений прозрачными часами, возникающими по маршруту распространения сообщений от гроссмейстерских до ведомых часов. Указанный режим работы имеет два достоинства:

1. Сетевой трафик, видимый гроссмейстерскими часами, не увеличивается с расширением сети. Гроссмейстерские часы обмениваются сообщениями только со смежным Ethernet коммутатором (прозрачными или граничными часами).
2. Производится автоматическая компенсация задержек передачи сообщений, в случае если отказывает основной коммуникационный маршрут и включается резервный. Измерение канальных задержек производится по каждой линии связи, включая те, которые могут быть заблокированы протоколами семейства STP.

Не все производители оборудования с поддержкой протокола PTP поддерживают профиль для электроэнергетики, однако стоит отметить, что и стандартный профиль, описанный в Приложении J.4 стандарта или в документе IEEE Std 1588-2008, может обеспечивать требуемую точность при корректной конфигурации системы. При использовании профиля, отличного от профиля для электроэнергетики, не гарантируется, что информация, необходимая для устройств систем автоматизации подстанций, такая как временная погрешность и применимый часовой пояс, могут быть доступны клиентам. Также не гарантируется соответствие требуемым характеристиками в части производительности функционирования протокола (Приложение J.4 не определяет требования к производительности).

Для преобразования между различными профилями могут использоваться граничные часы. Например, граничные часы могут обеспечивать преобразование между телекоммуникационным профилем (ITU-T Rec. G.82651.1 Telecommunications Profile) и профилем для электроэнергетики (IEEE Std C37.238 Power Profile). Получение информации о точном времени из внешней сети по телекоммуникационному профилю может обеспечивать резервирование отказа приемника сигналов GPS на гроссмейстерских часах. В этом случае, как уже было указано ранее, они будут принимать на себя роль граничных часов.

Типы сообщений протокола PTP

Профиль протокола PTP для электроэнергетики предусматривает использование 4 классов сообщений:

1. Сообщения типа Sync . Данные сообщения включает информацию о времени, передаваемую от ведущих часов в формате числа секунд и наносекунд с полуночи 1 января 1970 года.
2. Сообщения типа Peer Delay . Обмен этими сообщениями производится между смежными устройствами для оценки задержки распространения сообщений синхронизации по линии связи между ними. Используются два или три отличных типа сообщений для измерения задержки, в зависимости от того, используется ли одно- или двухстадийный режим работы.
3. Сообщения типа Follow Up . Данные сообщения включают точную метку времени отправки предыдущего сообщения типа Sync, а также корректирующее значение. Корректирующее значение – сумма времен обработки сообщений прозрачными часами и канальных задержек на пути распространения сообщений между гроссмейстерскими часами и данной точкой сети. Представляется в формате наносекунд и долей наносекунд.
4. Сообщения типа Announce . Передача данных сообщений производится гроссмейстерскими часами, которые предоставляют данные о погрешности функционирования источника (например, GPS приемника) и другую служебную информацию протокола PTP.

Рис. 6-8 иллюстрируют, как производится обмен сообщениями в небольшой сети при использовании часов, работающих в двухстадийном режиме (поскольку наибольшее число устройств не поддерживает работу в одностадийном режиме). Сообщения типа Sync передаются прозрачными часами в неизменном виде. t a – показание времени на гроссмейстерских часах. Таким же образом производится передача и сообщений типа Announce.

Обмен сообщениями типа Peer Delay (Peer Delay Request , Peer Delay Response and Peer Delay Follow Up ) производится только между соседними устройствами.

Рис. 7. Обмен сообщениями типа Peer Delay производится только между соседними устройствами.

Каждые прозрачные часы определяют канальную задержку передачи сообщений между собой и смежными устройствами. При прохождении сообщений типа Sync через прозрачные часы они выполняют расчет локального корректирующего значения путем суммирования канальной задержки по маршруту поступления сообщения и времени прохождения сообщения типа Sync через них. Затем данное локально вычисленное корректирующее значение добавляется к корректирующему значению соответствующего входящего сообщения типа Follow Up. Когда сообщение типа Follow Up поступает на ведомые часы к корректирующему значению, добавляется определенное ими значение канальной задержки. Результирующее корректирующее значение будет представлять собой суммарное время передачи сообщения типа Sync по сети от ведущего до ведомого устройства.

Поскольку в это суммарное время делает вклад каждый элемент сети на пути распространении сообщения типа Sync, пиринговый механизм измерения канальных задержек профиля Power Profile, описанный выше, обеспечивает корректное функционирование протокола в условиях изменения топологии сети.

Важно отметить, что несмотря на то, что сообщения типа Follow Up могут выглядеть идентично, они будут отличаться в каждой точке сети. Прозрачные часы изменяют содержимое этих сообщений, сохраняя неизменным адрес гроссмейстерских часов.

На рис. 8 t b – фактическое время формирования гроссмейстерскими часами сообщения синхронизации, которое по значению близко, но не идентично времени t a . Каждые ведомые часы фиксируют момент получения сообщений типа Sync и благодаря фиксации времени прохождения сообщений через прозрачные часы и канальных задержек, сумма которых представляет собой корректирующее значение, могут учитывать переменные задержки передачи сообщения Sync.

Рис. 8. Сообщения типа Follow Up содержат корректирующее значение, которое обновляется каждыми прозрачными часами на пути его распространения.

Достоинства и недостатки использования профиля PTP для электроэнергетики

Использование профиля PTP для электроэнергетики (Power Profile) предоставляет ряд преимуществ:

• Точность синхронизации времени не зависит от объема сетевого трафика. При возникновении перегрузок сетевого оборудования потери сообщений PTP не происходит. Указанное позволяет использовать одну и ту же инфраструктуру локальной сети при реализации СМПР и комплексов РЗА как с использованием шины процесса в соответствии с МЭК 61850-9-2, так и с использованием шины станции в соответствии с МЭК 61850-8-1 (с трафиком GOOSE и/или MMS), а также комплексов, функционирующих на основе других коммуникационных протоколов (DNP3 и др.).
• Частота передачи сообщений PTP была оптимизирована для того, чтобы обеспечить микросекундную точность синхронизации без чрезмерной нагрузки на сеть и без необходимости использования сложных ведомых часов.
• В качестве физической среды передачи данных могут использоваться как оптические, так и электрические (витая пара) линии связи – все зависит от конфигурации выбранных коммутаторов.
• Используется единая система отсчета времени, поэтому отсутствуют сложности настройки устройств относительно всемирного скоординированного времени (UTC)/местного времени. Все устройства с поддержкой профиля для электроэнергетики используют международное атомное время (TAI), для которого не применимы проблемы использования корректировочных секунд и перехода на летнее время.
• Профиль для электроэнергетики обеспечивает передачу местного временного смещения, поэтому отсутствует необходимость настройки местного времени на устройствах РЗА. Помимо этого, любые изменения в части перехода на летнее время достаточно выполнять на гроссмейстерских часах, не изменяя настроек устройств РЗА. Данный механизм определен стандартом IEEE 1588, поэтому обеспечивается совместимость и с устройствами, не поддерживающими профиль PTP для электроэнергетики.
• Может быть предусмотрено использование резервных гроссмейстерских часов c автоматическим переключением на них в случае нарушения связи с действующими гроссмейстерскими часами или при ухудшении показателей их функционирования.
• Для повышения надежности информационного обмена между устройствами с поддержкой протокола PTP могут использоваться такие протоколы как Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP), Parallel Redundancy Protocol (PRP) и High-availability Seamless Ring (HSR).
• Может производиться масштабирование сетей без дополнительной нагрузки на гроссмейстерские часы.
• Задержки распространения сообщений синхронизации времени по протяженным линиям связи автоматически компенсируются, что исключает необходимость подстройки устройств сопряжения с шиной процесса и регистраторов переходных режимов.

Более подробная информация о проверках быстродействия переключения на использование резервных гроссмейстерских часов приведена в . Материал рассматривает такие сценарии как потеря сегмента сети Ethernet с действующими гроссмейстерскими часами и потеря ими сигнала GPS.

Протокол PTP является достаточно сложным протоколом, и для того чтобы обеспечить требуемую точность синхронизации времени, должен быть учтен ряд моментов. Кроме этого, в рамках системы автоматизации энергообъекта возникают новые риски. Следует отметить следующие аспекты применения протокола PTP:

• Коммутаторы Ethernet должны поддерживать профиль PTP для электроэнергетики с возможностью сигнализации недопустимой погрешности функционирования. Не все прозрачные часы с поддержкой PTP (и в частности, с поддержкой пирингового механизма определения канальных задержек) способны обеспечивать погрешность менее 50 нс. Также не все прозрачные часы способны производить оценку возникающих погрешностей.
• На рынке существует ограниченное число устройств РЗА с поддержкой профиля PTP для электроэнергетики, однако ситуация улучшается. Ряд производителей выпускает устройства РЗА с поддержкой PTP с 2013 года, но поддержка протокола может являться опциональной, и необходимость в ней определяется при заказе.
• Не каждые гроссмейстерские или ведомые часы (включая преобразователи в формат других протоколов синхронизации времени) предназначены для использования на высоковольтных подстанциях, хотя они и могут поддерживать профиль PTP для электроэнергетики. Оборудование должно быть испытано на устойчивость к электромагнитным помехам в соответствии с определенными степенями жесткости.
• Синхронизация времени имеет большое значение для СМПР и шины процесса МЭК 61850-9-2. Важно, чтобы только специально обученный персонал обладал возможностью изменения конфигурации устройств с поддержкой PTP (либо при использовании специальных конфигураторов, либо при использовании веб-сервера, либо посредством протокола SNMP). Если устройства с поддержкой PTP допускают конфигурирование через лицевую панель, тогда доступ должен быть ограничен паролем.
• Существуют различные профили протокола PTP, каждый из которых оптимизирован для определенных областей применения. Наиболее полно требованиям систем автоматизации энергообъектов удовлетворяет профиль PTP для электроэнергетики (Power Profile), однако может применяться и профиль по умолчанию (Default Profile). При этом не гарантируется обеспечение достаточной точности временной синхронизации для всех систем. Другие специфические профили, такие как телекоммуникационный профиль или профиль для аудио-видео приложений (IEEE 802.1AS), скорее всего не обеспечат требуемых показателей функционирования.

Примеры использования протокола PTP на объектах электроэнергетики

В настоящем разделе рассматриваются два примера использования протокола PTP в рамках систем автоматизации высоковольтных электрических подстанций. Первый пример описывает применение протокола PTP в рамках системы автоматизации подстанции нового строительства, второй – при модернизации существующей подстанции. В рамках примеров также рассматривается структура информационной сети Ethernet. Предполагается, что структура сети не только обеспечивает возможность применения протокола PTP, но также удовлетворяет требованию по сохранению функций при единичном отказе (оборудования или линии связи).

Применение протокола PTP на энергообъектах нового строительства

Многие устройства РЗА обладают функцией регистрации переходных режимов в соответствии с IEEE C37.118.1 (или предшествующими стандартами). Практическая реализация данной функциональности требует обеспечения синхронизации устройств по времени с микросекундной точностью. Исторически использовалась синхронизация времени по протоколу IRIG-B, поскольку протокол NTP не удовлетворял требованиям в части точности. Сегодня ряд производителей предлагает решения с поддержкой протокола PTP, что позволяет удовлетворить требованиям в части точности. При этом протокол NTP может также использоваться для синхронизации остальных устройств РЗА энергообъекта, выполняющих функции регистрации аварийных событий.

В настоящем примере рассматривается средняя по величине подстанция 330/132 кВ для демонстрации простоты использования протокола PTP. При этом рассматривается реализация функций регистрации переходных режимов, хотя протокол PTP также может использоваться для синхронизации устройств сопряжения с шиной процесса в рамках того же энергообъекта. Однолинейная схема объекта приведена на рис. 9.

Рис. 9. Однолинейная схема ПС 330/132 кВ c полуторной схемой РУ 330 кВ и одиночной секционированной системой шин РУ 132 кВ.

Обычно электросетевые компании принимают один из двух вариантов размещения оборудования: устройства РЗА размещаются в рамках единого помещения или же в рамках нескольких модульных зданий (высокой заводской готовности), которые располагаются на территории объекта. Используемый подход определяет топологию локальной сети Ethernet и требуемый уровень надежности. В настоящем примере топология сети разрабатывается исходя из того, что устройства РЗА элементов 330 кВ и 132 кВ устанавливаются в отдельных зданиях. Для упрощения на рис. 10 показаны лишь некоторые из устройств. Резервные соединения не используются, и изображено только по одному комплекту защит.

Для применения на объекте были выбраны устройства General Electric серии UR, в состав функций которых включена функция регистрации переходных режимов. При этом устройства РЗА поддерживают протокол PTP (вместо наиболее широко распространенного интерфейса IRIG-B). На объекте также предусмотрено использование устройства РЗА батареи конденсаторов ABB серии REV615, которое обладает поддержкой протокола PTP.

Основным источником времени являются гроссмейстерские часы, оснащенные приемником спутникового сигнала. Рекомендуется, чтобы гроссмейстерские PTP также являлись ведущими часами NTP, поскольку протокол NTP может использоваться коммуникационными контроллерами, шлюзами, приборами учета электроэнергии и устройствами РЗА, которые требуют миллисекундной точности синхронизации времени.

Коммутаторы Ethernet используются для распределения сообщений протокола PTP наряду с другим трафиком, таким как МЭК 61850, DNP3, HTTP, SNMP и др. Объем трафика PTP чрезвычайно мал, он составляет приблизительно 420 байт/с и не оказывает влияние на функционирование сети. Рис. 11 иллюстрирует трафик PTP, формируемый гроссмейстерскими часами производства компании Tekron. Из рисунка видно, что гроссмейстерские часы формируют сообщения типа Sync (красное), Follow Up (малиновое), Announce (голубое) и Peer Delay Request (зеленое) один раз в секунду, а также формируют ответы типа Peer Delay Response (желтое) и Peer Delay Response Follow Up (коричневый). Проиллюстрированный режим двухстадийной работы создает наибольший трафик – это наихудший случай.

Рис. 11. Трафик PTP, формируемый двухстадийными гроссмейстерскими часами.

Корневой коммутатор находится в центре топологии локальной сети Ethernet энергообъекта. К данному коммутатору выполняется подключение коммуникационного сервера и АРМ диспетчера. В приведенной схеме также предусмотрено использование двух других коммутаторов: одного в ОПУ 330 кВ, второго – в ОПУ 132 кВ. Указанное решение позволяет сократить количество кабеля, необходимого для подключения устройств РЗА. Коммутаторы, установленные в каждом из ОПУ, обеспечивают возможность информационного обмена между устройствами РЗА (например, GOOSE-сообщениями с сигналам пуска УРОВ, запрета АПВ и др.). Указанное обеспечивает работоспособность распределенных функций при отказе связи с центральным коммутатором.

Количество используемых коммутаторов обусловлено балансом между следующими аспектами:

• Гибкостью: большее количество коммутаторов означает большее количество портов.
• Надежностью: чем больше в системе коммутаторов, тем больше вероятность отказа единичного коммутатора.
• Эксплуатационная надежность: если коммутатор отказывает, управление сколькими элементами вы потеряете?

Применение PTP хорошо вписывается в традиционные решения по применению локальных сетей электросетевыми компаниями. Профиль PTP для электроэнергетики (Power Profile) допускает функционирование в условиях наличия избыточных каналов связи при использовании протокола резервирования протокола RSTP, поскольку оценка канальных задержек производится, в том числе, по логически заблокированным линиям связи. При распространении сообщений PTP по альтернативным маршрутами сети корректирующее значение в сообщениях PTP типа Follow Up будет определять задержку по новому маршруту.

Одно из решений, которое должно быть принято при создании системы синхронизации времени, – должны ли коммутаторы работать в режиме прозрачных или граничных часов. Наиболее простой режим –прозрачных часов. При использовании данного режима поиск неисправностей в сети при использовании анализаторов трафика (например, приложения Wireshark) значительно проще. Достоинством применения граничных часов является то, что они разделяют действующие гроссмейстерские часы от ведомых часов. Это обеспечивается благодаря тому, что в граничных часах поддерживается актуальное показание часов вместо того, чтобы просто производить оценку времен прохождения сообщений синхронизации.

Рассмотрим сценарий отказа линии связи между корневым коммутатором и коммутатором, установленным в ОПУ 132 кВ, который выполняет роль прозрачных часов. В этом случае будет иметь место отклонение показаний каждых ведомых часов (устройств РЗА) от истинного времени и друг от друга в связи с различием характеристик встроенных генераторов колебаний. Скорость увеличения расхождения показаний будет зависеть от нескольких факторов, включая качество генератора колебаний и изменения температуры. Если нарушение связи будет продолжаться достаточно долго, то отличие показаний времени устройств РЗА элементов уровня напряжения 132 кВ может стать значительным. Указанная ситуация идентична ситуации, когда производится обрыв линии связи, обеспечивающей синхронизацию по IRIG-B при традиционном решении.

Если же коммутатор в ОПУ 132 кВ выполняет роль граничных часов, то ведомые устройства будут синхронизироваться с граничными часами. В нормальном режиме работы граничные часы будут синхронизированы с гроссмейстерскими часами. Если же связь с гроссмейстерскими часами нарушается, тогда устройства РЗА остаются синхронизированными с граничными часами. Локальное время на граничных часах будет медленного отклоняться от показаний времени гроссмейстерских часов – это также будет происходить с ведомыми часами, с той же скоростью. При этом все устройства РЗА будут синхронизированы друг с другом. В этой ситуации качество исполнения внутренних часов в устройствах РЗА не имеет значения.

Замена системы синхронизации времени: IRIG – B на PTP

Могут возникать ситуации, когда требуется выполнение замены существующей системы синхронизации времени, например, при внедрении новых по функциональности комплексов на энергообъекте. Приведенный пример рассматривает сценарий расширения подстанции, при котором возникает требование по возведению отдельного ОПУ. На существующей подстанции сеть Ethernet используется для реализации обмена данными между устройствами РЗА, а для синхронизации устройств по времени используется протокол IRIG-B. В качестве среды передачи данных как для ЛВС Ethernet, так и для системы синхронизации времени используются волоконно-оптические линии связи, поскольку данная среда обеспечивает высокую помехозащищённость и гальваническую развязку. Ретрансляторы используются для преобразования сигналов IRIG-B, передаваемых по оптической линии связи, в электрические сигналы IRIG-B, которые подаются непосредственно на интерфейсы устройств РЗА.

Рис. 12 иллюстрирует однолинейную схему ПС 330/132 кВ, имеющиеся здания ОПУ и коммуникационные связи между зданиями до расширения.

Рис. 12. Однолинейная схема ПС 330/132 кВ с отображением количества зданий ОПУ, связей между ними и структуры системы синхронизации времени.

Электросетевая компания реализует проект расширения распределительного устройства 330 кВ с установкой еще одного силового трансформатора 330/132 кВ. Предусматривается сооружение еще одного здания ОПУ, в котором будут установлены устройства РЗА и другое оборудование. Несмотря на то, что представляется возможным провести сигнал IRIG-B из ОПУ 132 кВ, указанное будет сопровождаться дополнительными погрешностями синхронизации времени из-за большой протяженности линии связи. Указанное расширение подстанции предоставляет хорошую возможность получить опыт использования протокола PTP.

При этом количество оборудования, замену которого необходимо произвести, оказывается достаточно мало. Если ведущие часы, подключенные к GPS, не реализуют поддержку протокола PTP, тогда требуется их замена. В данном проекте было выбрано оборудование компании Tekron – модель TCG 01-G, которая поддерживает как протокол PTP, так и протокол NTP. Если корневой коммутатор Ethernet не поддерживает профиль PTP для электроэнергетики (Power Profle), тогда он должен быть заменен на тот, который эту поддержку реализует (в данном проекте была выполнена замена на коммутатор GE Multilink ML3000). При этом должна быть задокументирована конфигурация прежнего коммутатора в части виртуальных локальных сетей, многоадресной фильтрации, конфигурации портов и протокола SNMP для того, чтобы повторить их на новом коммутаторе.

На заключительном этапе предусматривается использование в рамках нового ОПУ преобразователя из формата протокола PTP в формат IRIG-B. Указанный преобразователь обеспечивает возможность подключения устройств РЗА с интерфейсом IRIG-B. Любые коммутаторы Ethernet, установка которых предусматривается в новом ОПУ, должны поддерживать либо роль прозрачных, либо роль граничных часов в соответствии с профилем PTP для электроэнергетики. Рис. 13 иллюстрирует схему подстанции после расширения. При расширении объекта также стоит узнать, могут ли устанавливаемые устройства РЗА поддерживать протокол PTP. Если да, то указанное может исключить необходимость использования преобразователей, а также получить дополнительный опыт использования протокола PTP в конечных устройствах.

Рис. 13. Схема подстанции после расширения (установки дополнительного силового трансформатора, расширения распределительного устройства 330 кВ и строительства нового ОПУ).

В предложенной архитектуре построения системы синхронизации времени не требуется выполнять компенсацию времени распространения сигналов синхронизации для устройств, размещаемых в новом ОПУ, поскольку указанное обеспечивается пиринговым механизмом определения временных задержек профиля PTP для электроэнергетики (Power Profile). Указанное упрощает задачу наладки СМПР и других систем, требующих микросекундной точности синхронизации времени.

В части конструкции шкафов может возникнуть только одно изменение, связанное с необходимостью установки преобразователей PTP (по одному – на каждый шкаф), назначение которых – исключить необходимость прокладки выделенных линий связи для передачи сигналов IRIG-B. Уже сегодня многие электросетевые компании уходят от использования медных кабельных связей между шкафами РЗА, объединяя устройства шкафов в единую сеть Ethernet. В такой ситуации может быть использовано еще одно преимущество данного подхода – использование протокола PTP, сообщения которого передаются по той же сети Ethernet, что и сигналы устройств РЗА.

Рис. 14 иллюстрирует традиционную систему синхронизации времени с использованием IRIG-B (с моделированным/немодулированным сигналом). Все устройства РЗА подключаются к системе АСУ ТП через интерфейсы Ethernet, однако на более старых энергообъектах устройства могут подключаться и через интерфейс RS-485 (при использовании протоколов DNP3 или МЭК 60870-5-101).

Рис. 14. Традиционная система синхронизации времени и коммуникационные связи между устройствами.

При использовании протокола PTP коммуникации между шкафами целесообразно организовывать по волоконно-оптическим линиям связи. Ведомые часы PTP, такие как преобразователь из протокола PTP, используются для преобразования в формат одного из стандартных протоколов синхронизации времени (в приведенном примере – IRIG-B). Формирование сигналов IRIG-B данными преобразователями в каждом отдельном шкафу дает возможность иметь различный формат времени и отличные временные зоны по сравнению со сценарием использования единого сервера времени, транслирующего данные в формате протокола IRIG-B. Рис. 15 иллюстрирует пример того, как протокол PTP может быть использован для синхронизации по времени существующих устройств РЗА с использованием преобразователя из формата PTP в формат одного из стандартных протоколов и одновременной синхронизации по времени современных устройств РЗА с поддержкой PTP.

Применение протокола PTP при расширении и модернизации существующих энергообъектов предоставляет возможность электросетевым компаниям и интеграторам получить опыт использования протокола PTP. В дальнейшем также может быть получен опыт использования устройств РЗА с нативной поддержкой протокола PTP.

Если электросетевая компания только переходит к внедрению коммуникации по локальной сети Ethernet между устройствами РЗА, то следует обратить внимание на возможность поддержки используемыми коммутаторами протокола PTP. Необходимо убедиться, что коммутаторы поддерживает протокол на аппаратном уровне – поддержка отдельных профилей PTP может быть реализована и на последующих этапах путем изменения базового программного обеспечения коммутаторов Ethernet.

Построение резервированных сетей с использованием протокола PTP

Выше были рассмотрены аспекты использования PTP в рамках нового энергообъекта. В данном разделе рассматриваются основные принципы использования протокола PTP в резервируемых сетях Ethernet. При этом необходимо отметить фундаментальные принципы:

• Отказ любого устройства сети или линии связи не должен приводить к отказу функции защиты и управления более чем одним присоединением распределительного устройства.
• Применяются основные и резервные комплекты РЗА, которые часто называют основной защитой №1/основной защитой №2, комплектами А/Б или X/Y.
• Управляющие воздействия на коммутационное оборудование формируются непосредственно от устройств РЗА, минуя контроллеры/устройства управления.

Обеспечить резервирования можно одним из следующих способов, каждому из которых свойственны свои достоинства и недостатки:

• Протокол Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP), обеспечивающий возможность создания кольцевых сетей. Данный протокол поддерживается многими, если не всеми, коммутаторами Ethernet. Время, которое требуется для восстановления связи между устройствами, не постоянно и зависит от ряда факторов.
• Протокол Parallel Redundancy Protocol (PRP). При использовании данного протокола обеспечивается непрерывность информационного обмена в случае нарушения исправности либо отдельной линии связи, либо отдельного коммутатора. Требуется специальная поддержка данного протокола или использование устройств резервирования, а также дублирование инфраструктуры сети Ethernet.
• Протокол High-reliability Seamless Redundancy (HSR). Обеспечивается непрерывность информационного обмена в случае нарушения исправности либо отдельной линии связи, либо отдельного коммутатора. При этом не требуется использование дополнительных коммутаторов. Область применения протокола ограничена кольцевыми топологиями сети Ethernet, и специальная поддержка протокола подключаемыми устройствами (например, часами PTP или устройствами РЗА) или их подключение осуществляются через специальные устройства резервирования.

Пример, приведенный в настоящем разделе, опирается на использование протокола PRP, и при этом исключается необходимость использования отдельного коммутатора на каждое присоединение или на диаметр полуторной схемы распределительного устройства, которые часто используются для целей сохранения возможности защиты и управления после единичного отказа коммуникационного оборудования. В некоторых сценариях использование протокола PRP позволяет сократить число используемых коммутаторов Ethernet по сравнению со случаем применения протокола RSTP.

Защита X (или основная защита №1) реализуется при использовании устройств РЗА General Electric серии UR, поскольку данное устройство поддерживает протоколы PTP и PRP. Защита X обеспечивает функции управления и регистрации переходных режимов в дополнение к функциям РЗА. Защита Y (или основная защита №2) реализуются при использовании устройств РЗА другого производителя, которые поддерживают протокол PTP или NTP для временной синхронизации.

Рис. 16 иллюстрирует топологию сети Ethernet. Реализуются две локальные сети, обозначенные как A и В, обе из которых активны в один и тот же момент времени. Протокол RSTP функционирует таким образом, что блокирует избыточные линии связи, которые на рисунке показаны пунктирными линиями. В частности, это связь между корневым коммутатором №2 и коммутатором Y. Некоторые коммуникационные серверы работают в режиме, когда второй их порт Ethernet отключен до тех пор, пока не произошел отказ основной линии связи. Данные связи также показаны пунктирными линиями.

Рис. 16. Локальная сеть Ethernet, реализованная с использованием протокола PRP.

Ожидается, что в ближайшем будущем станут доступны коммуникационные сервера АСУ ТП с нативной поддержкой PRP, что позволит сохранять активными одновременно две линии связи. Коммутатор Y может обеспечивать функциональность устройства резервирования для устройств РЗА Y, обеспечивая обработку дубликатов сообщений.

Коммутаторы Ethernet сегодня доступны с большим количеством портов, что исключает необходимость применения коммутаторов в каждом из шкафов для подключения устройств РЗА. На небольших подстанциях применение коммутаторов X1, X2 и Y для подключения устройств РЗА может не понадобиться и, наоборот, – на подстанциях высокого напряжения может быть целесообразным применение коммутаторов X1, X2 и Y для каждого уровня напряжения. В независимости от топологии сети Ethernet, применение коммутатора Ethernet с поддержкой роли прозрачных или граничных часов позволит обеспечить возможность подключения клиентов в любой точке сети.

Выводы

Применение протоколов синхронизации времени, функционирующих по сети Ethernet, сокращает затраты на проектирование систем, их реализацию и обслуживание. Протокол PTP, а именно профиль данного протокола для электроэнергетики (Power Profile), решает целый ряд проблем, связанных с системами синхронизации времени для систем автоматизации подстанций, и его применение оптимально вписывается в идеологию построения обмена данными между вторичными устройствами энергообъекта по сети Ethernet.

Список литературы

1. D.M.E. Ingram, P. Schaub, D.A. Campbell & R.R. Taylor, “Evaluation of precision time synchronisation methods for substation applications”, 2012 International IEEE Symposium on Precision Clock Synchronization for Measurement, Control and Communication (ISPCS 2012) , San Francisco, USA, 23-28 September 2012. Available from http://eprints.qut.edu.au/53218/ .
2. D.M.E. Ingram, P. Schaub, D.A. Campbell & R.R. Taylor, “Quantitative assessment of fault tolerant precision timing for electricity substations”, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement , October 2013. Volume 62, Issue 10, pp 2694-2703. Available from

T. Schossig; B. Baumgartner, C. Riesch, M. Rudigier, OMICRON electronics, для сайт

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются общие вопросы, касающиеся Протокола точного времени, описанного в стандарте IEEE 1588-2008 , а также представлена последняя информация по вопросам синхронизации и передачи сигнала времени, которые актуальны в настоящее время в электроэнергетике. В статье также даётся обзор основных вопросов стандарта IEEE C37.238-2011 , задачей которого является интеграция синхронизации по Протоколу точного времени в современных энергоустановках. Один из разделов посвящён проблемам реализации и перехода на новый стандарт синхронизации на энергообъектах, включая требования по сетевой инфраструктуре, которые необходимо выполнить для успешного применения синхронизации по Протоколу точного времени. В конце даётся обобщение всех вопросов и рассматриваются перспективы реализации синхронизации времени в электроэнергетике.

ВВЕДЕНИЕ

Реализация стандарта МЭК 61850 осуществляется в настоящее время на многих объектах электроэнергетики; в связи с этим сетевая инфраструктура на подстанциях претерпевает значительную модернизацию. В большинстве случаев связь между многофункциональными устройствами (МФУ) на подстанции или между МФУ и главным контроллером осуществляется по сетям Ethernet. Таким образом, логично утверждать, что синхронизация всех этих устройств должна выполняться по одной и той же сетевой инфраструктуре, тем самым позволяя избежать создания дополнительных каналов для сигналов синхронизации времени. Первым шагом в данном направлении послужило создание Сетевого протокола времени (NTP) в рамках стандарта МЭК 61850, который использует сеть Ethernet для передачи сигналов времени. Известно, что протокол NTP позволяет реализовать синхронизацию с точностью до миллисекунды, но зачастую на практике требуется более точная синхронизация, поэтому приходится применять параллельное использование более точных методов (например, IRIG-B). В результате возникает необходимость в дополнительных каналах синхронизации.

Протокол точного времени - первый метод, позволяющий использовать сигнал синхронизации по сети Ethernet на подстанциях с требуемой точностью в безопасном режиме. Данный протокол обеспечивает точность выше 1 мкс и может применяться для любых устройств автоматики энергообъектов.

СИНХРОНИЗАЦИЯ ВРЕМЕНИ НА СОВРЕМЕННЫХ ПОДСТАНЦИЯХ

Перед тем, как начать рассматривать основные функции и преимущества протокола IEEE 1588-2008, следует определить технические требования, предъявляемые к методам синхронизации и передачи времени на современных энергообъектах. В данном разделе также даётся краткий обзор основных методов синхронизации, используемых в настоящее время.

Требования по точности измерения времени

Ввиду того что все процессы и события на энергообъектах (напр., на подстанциях) контролируются из одного главного центра, абсолютная точность системного времени энергообъекта не является столь важной. Однако большую важность приобретает синхронное время каждого объекта (подстанции), так как в системе происходят отключения и включения энергооборудования на разных объектах, которые должны быть синхронизированы .

Каскадное отключение электроэнергии на севере США в августе 2003 года - яркий пример того, каким сложным может быть анализ послеаварийной ситуации при наличии неточных данных по времени событий. В результате после данной аварии экспертный комитет, занимавшийся расследованием ситуации, потребовал введения директив, определяющих минимальную абсолютную точность осциллографируемых аварийных событий на объектах. С принятием стандарта NERC (North American Electric Reliability Cooperation) PRC‑018‑1 в 2006 году в США обязательным является требование обеспечивать точность фиксации времени для всех осциллографируемых данных от 2 мс и выше относительно всемирного координированного времени UTC (Universal Coordinated Time Scale) .

В настоящее время многие измерения и контрольные данные в энергосистемах должны обеспечивать абсолютную точность фиксации времени порядка 1 мс:

• данные систем SCADA (Supervisory Control & Data Acqusition)
• данные регистраторов событий и осциллографов
• метки времени от МФУ и терминалов защит
• измерения грозовых разрядов

Точность порядка 1 мс достигается сравнительно легко. Однако для целого ряда данных в современных устройствах требуется более высокая точность. Для следующих функций требуется абсолютная точность от 1 мкс и выше:

• Выборочные значения
• Измерения синхрофазоров (Синхронизированные измерения векторов синусоидальных величин)
• Измерения ОМП волновым методом

Для синхронизации измерений устройств, использующих данные функции, как правило, используется время GPS c помощью подстанционного оборудования синхронизации (substation clocks) .

В МЭК 61850-90-5 требования по измерениям времени событий и синхронизации измерений представлены в виде пяти классов времени в диапазонах от 1 мс до 1 мкс (см. ТАБЛИЦУ 1 и ТАБЛИЦУ 2).

Таблица 1: Классы времени для измерения событий по МЭК6185090‑5

Класс времени	Точность	Измерение
	± 1 мс	Метки времени событий
	± 100 мкс	Метки перехода через нуль и данных для контроля синхронизма. Коммутация оборудования с контролем синхронизма

Таблица 2: Классы времени для синхронизации данных от измерительных трансформаторов по МЭК6185090‑5

Класс времени	Точность
	± 25 мкс
	± 4 мкс
	± 1 мкс

Традиционные методы синхронизации

В зависимости от предъявляемых требований и выполняемых измерений используется несколько методов передачи сигналов синхронизации от подстанционного оборудования синхронизации к задействованным устройствам. Наиболее традиционные методы требует наличия отдельной схемы передачи сигнала времени, как показано на РИСУНКЕ 1.

Рис. 1: Функциональная схема передачи сигнала синхронизации через отдельный канал распределения

Для передачи сигнала синхронизации на подстанциях используются следующие основные методы , :

IRIG -B . Шифрование методом IRIG (Inter Range Instrumentation Group) Time Codes было разработано военным ведомством США с целью стандартизации измерений, получаемых от источников, имеющих различное местоположение. В настоящее время шифрование IRIG-B имеет в основном гражданское применение, включая объекты электроэнергетики. IRIG-B передает сигнал синхронизации со скоростью 100 бит/с; при этом в зависимости от метода передачи (Немодулированный код (сдвиг 0/+5 В) или модулированный код (несущая 1 кГц)) возможна точность синхронизации от 1 мс до 10 мкс. IRIG-B использует витую пару или коаксиальный кабель для передачи сигнала.

1 импульс в секунду (1 PPS ). Цифровой сигнал 1 PPS имеет широкое применение в качестве сигнала синхронизации и используется на многих подстанциях. Сигнал представляет собой обычный прямоугольный импульс частотой 1 Гц, в котором передний либо задний фронт означает начало секунды. Точность синхронизации при применении такого импульса составляет порядка нескольких наносекунд. С учётом задержки пропускания сигнала в физическом канале передачи достигаемая точность при таком методе может составлять 1 мкс. Сам по себе сигнал 1 PPS не содержит дополнительной информации по времени, поэтому фронт импульса может быть привязан к конкретному абсолютному времени. В результате дополнительная информация по времени должна быть передана к МФУ с помощью отдельной вспомогательной системы синхронизации (например, NTP). В связи с этим метод 1 PPS в последнее время теряет свою актуальность для целей синхронизации на энергообъектах.

Передача сигнала по последовательному каналу в ASCII . Данный метод синхронизации приведён с целью полноты изложения материала. В связи с наличием лучших альтернатив данный метод очень редко используется в электроэнергетике. В таких схемах сигнал синхронизации передаётся по последовательному каналу передачи в формате ASCII. Точность синхронизации при этом очень сильно зависит от скорости передачи и качества оборудования и программного обеспечения. На скоростях 19200 бод и выше обычно достигается точность до 1 мс.

Рис. 2: Функциональная схема передачи сигнала синхронизации по станционной сети

Как было сказано выше, число применений сетей Ethernet на подстанциях неуклонно растёт. В связи с этим повышается актуальность использования систем синхронизации на основе таких сетей (см. примеры на РИСУНКАХ 1 и 2). До разработки стандарта IEEE 1588-2008 протокол NTP был единственным широко применяемым методом синхронизации, который не требовал наличия отдельной системы передачи сигналов времени по сети.

NTP . Сетевой протокол времени (NTP) используется для синхронизации времени в компьютерных сетях и в первую очередь предназначен для надёжной синхронизации при различных скоростях обмена пакетами данных в таких сетях, как Интернет. Точность синхронизации при этом напрямую зависит от сетевого трафика и задержек в операционных системах. Для оценки средних задержек при передаче по NTP от сервера к отдельному клиенту сети используются специальные расчетные алгоритмы. В среде Интернет точность обычно достигает 10 мс. В сетях, применяемых на энергообъектах, может быть достигнута точность порядка нескольких миллисекунд. Такая точность достаточна для того, чтобы задать определённое абсолютное время для переднего фронта сигнала 1 PPS. Однако подобная схема редко применяется в связи с тем, что требуется два отдельных канала передачи опорного времени (например, NTP и 1 PPS).

Таблица 3: Основные характеристики традиционных методов синхронизации

Система	Точность передачи	Отдельный канал передачи	Неопределенность
IRIG-B	от 10 мкс до 1 мс		1 год
1PPS	1 мкс		1 секунда
Послед. ASCII	1 мс		отсутств.
	от 1 мс до 10 мс		отсутств.

В ТАБЛИЦЕ 3 приведены основные характеристики традиционных методов синхронизации времени. Из опыта применения данных типов систем можно вывести следующие требования, которыми должна обладать усовершенствованная система синхронизации времени:

• Высокая точность синхронизации
• (1 мкс или выше)
• Возможность применения существующей сети Ethernet в системе smart grid
• Автоматическая компенсация задержек распространения сигнала
• Отсутствие неопределённости
• Возможность резервирования систем

ПРОТОКОЛ ТОЧНОГО ВРЕМЕНИ (PTP)

Протокол точного времени стандарта IEEE 1588-2008 обеспечивает синхронизацию в информационных сетях, например, с использованием Ethernet. Как и в случае с NTP для передачи основных данных и для передачи сигнала синхронизации используется общий кабель, что позволяет применять уже существующую информационную сеть. В отличие от систем с отдельными каналами для передачи времени задержки в данном случае не могут быть рассчитаны, исходя из длины кабеля. Скорость прохождения пакетов данных в информационной сети может меняться динамически, при этом инфраструктура сети может видоизменяться, поэтому задержка передачи каждого пакета данных должна также корректироваться динамически. Сетевые коммутаторы также могут вносить дополнительную задержку при передаче пакетов, и эта задержка может намного превосходить задержки из-за длины кабеля. Протокол точного времени учитывает динамический характер изменения задержек при передаче сигнала и позволяет автоматически внести необходимые корректировки .

Синхронизация по протоколу PTP

Принцип работы метода показан на РИСУНКЕ 3. Ведущее устройство синхронизации Master (например, синхронизатор GPS) и подчинённое устройство Slave (например, устройство РЗА) соединены по информационной сети. Задача состоит в том, чтобы синхронизировать устройства Slave и Master таким образом, чтобы оба они синхронно обеспечивали одинаковое время .

Отклонение во времени между устройствами выражено величиной Δ t ms . На РИСУНКЕ 3 это отклонение также показано в виде сдвинутых нулей на оси времени. Цель состоит в том, чтобы измерить значение Δ t ms . Для этого пакет данных A посылается от устройства Master по сети Ethernet устройству Slave. При этом устройство M определяет момент времени t 1 , когда был отправлен пакет. Т.о., время t 1 это абсолютное значение времени, когда пакет данных был отправлен от ведущего устройства синхронизации. Пакет данных доходит до устройства Slave по сети через определённое время. Данная задержка обозначена как Δ t p на РИСУНКЕ 3 и является суммой всех задержек сигнала в кабеле и сетевых коммутаторах. Через данную задержку пакет данных доходит до устройства Slave, в котором генерируется следующая отметка времени, обозначенная как t 2 " .

Рис. 3: Определение времени прохождения сигнала между устройствами при передаче 2 пакетов данных в противоположных направлениях

Т.о., устройство Slave определяет время, когда до него доходит пакет данных A. При этом соотношение между временами t 1 и t 2 " определяется по формуле:

t 2 " = t 1 + Δ t p - Δ t ms (1)

Вслед за этим устройство Slave посылает пакет данных B устройству Master. Время отправки пакета устройством Slave (t 3 " ) и время приёма пакета устройством Master (t 4 ) запоминается для дальнейшего расчёта. Если физический канал прохождения пакетов тот же самый, можно предположить, что задержка Δ t p будет точно такой же и конечное время будет равно:

t 4 = t 3 " + Δ t p + Δ t ms (2)

Значения времени присутствуют в обоих устройствах: t 1 и t 4 в устройстве Master, t 2 " и t 3 " в устройстве Slave. Как только устройство Master передаст свои значения (t 1 и t 4 ) устройству Slave в пакете данных, устройство Slave может решить систему из уравнений (1) и (2) и, таким образом, найти значение времени Δ t ms по формуле:

Δ t ms = (t 1 - t 2 " - t 3 " + t 4 ) / 2 (3)

В результате устройство Slave может использовать эту информацию для корректировки своего времени . Постоянное повторение данного измерения (обычно 1 раз в секунду) и последующая коррекция времени прохождения сигнала между устройствами позволяет снизить величину отклонения времени до 100 нс .

Для рассмотренного измерения задержки чрезвычайно важно, чтобы времена прохождения пакетов А и В были одинаковыми, т.е. не зависели от направления передачи пакета. Данное требование не выполняется в стандартных сетевых топологиях, ввиду того, что Ethernet коммутаторы хранят входящие пакеты какое-то время перед отправкой. Такое время пребывания (время, в течение которого пакет хранится в коммутаторе перед отправкой) пакета в коммутаторе зависит от ряда факторов (например, загрузка траффика) и может привести к погрешностям. Для решения этой проблемы в стандарте IEEE 1588-2008 используется метод открытых синхронизаторов (ТС). Такой синхронизатор представляет собой коммутатор, измеряющий время, которое необходимо для прохождения PTP сообщения, и передающий эту информацию устройствам, принимающим соответствующие PTP сообщения.

Механизмы измерения задержек

На основе изложенного выше принципа в стандарте IEEE 1588-2008 предложено два механизма измерения задержек: сквозной (end-to-end, E2E) и пиринговый (peer-to-peer, P2P). Для безопасной синхронизации все устройства в составе одной сети должны использовать один и тот же механизм измерения.

Сквозной механизм измерения задержек. При использовании механизма E2E открытый синхронизатор системы измеряет время пребывания PTP сообщения и записывает эту информацию в поле коррекции события. Если PTP сообщение проходит через несколько открытых синхронизаторов, все времена пребывания данного сообщения в синхронизаторах аккумулируются в поле коррекции.

Пиринговый механизм измерения задержек. Если в механизме E2E открытые синхронизаторы измеряют только время пребывания сообщения, то в механизме P2P открытые синхронизаторы также измеряют задержку между портами приёма и передачи сообщения. В результате поле коррекции PTP сообщения будет содержать время пребывания во всех открытых синхронизаторах и время задержки между звеньями в канале передачи.

В конфигурации E2E измерение задержек происходит по отдельности между устройством Master и каждым подключенным к нему устройством Slave, как показано на РИСУНКЕ 4 . В результате траффик по направлению к устройству Master будет повышенным, потому, что Master видит все подключенные к нему устройства.

Рис. 4: Кольцевая топология при сквозном измерении задержек

В конфигурации P 2 P открытые синхронизаторы измеряют задержки прохождения сигнала между соседними синхронизаторами, как показано на РИСУНКЕ 5.

Рис. 5: Кольцевая топология при пиринговом измерении задержек

Измерение задержки также выполняется на отрезках передачи, которые заблокированы по протоколам резервирования (напр., Rapid spanning tree). Таким образом, возможно безопасное с точки зрения синхронизации переконфигурирование, т.к. при изменении сети синхронизации не потребуется пересчёт задержек времени .

Алгоритм лучшего синхронизатора

Ещё одной особенностью протокола, описанного в стандарте IEEE 1588-2008, является алгоритм лучшего синхронизатора Best Master Clock Algorithm (BMCA). Данный алгоритм автоматически позволяет определять наиболее эффективный синхронизатор, который в дальнейшем используется в качестве основного для всей сети. Данный синхронизатор становится ведущим и все остальные синхронизаторы подстраивают своё время под него. Таким образом, не требуется вручную выбирать ведущий синхронизатор сети. Best Master Clock Algorithm также подразумевает наличие функции резервирования. Если ведущий синхронизатор не функционирует, следующий по эффективности синхронизатор становится ведущим автоматически. Для сложных сетевых инфраструктур протокол обеспечивает функцию определения ведущего синхронизатора, который будет использоваться для дальнейшей синхронизации .

Рис. 6: Best Master Clock Algorithm (BMCA ) в системе из двух подсистем с шестью синхронизаторами (C 1… C 6).

На РИСУНКЕ 6 показана сеть, состоящая из 6 синхронизаторов (C1…C6), соединённых через 2 коммутатора (S1 и S2). Синхронизатор C4 является наилучшим по характеристикам, т.к. имеет GPS-приёмник и, следовательно, может принимать сигнал высокой точности от спутника. В связи с тем, что данный синхронизатор обеспечивает самую большую точность, алгоритм BMCA задаёт синхронизатор С4 в качестве ведущего для всей сети. Все другие устройства в сети (C1, C2 … которые могут быть в составе терминалов защит и т.п.) синхронизируются относительно времени устройства С4 .

C3 работает в особом режиме. У данного устройства 2 порта, поэтому оно может объединять две сети между собой через коммутаторы S1 и S2. По алгоритму BMCA сетевой порт устройства C3 со стороны коммутатора S1 конфигурируется под slave (на РИСУНКЕ 6 обозначен буквой S) и подстраивается под время ведущего устройства C4. Для системы, работающей через коммутатор S2, синхронизатор C3 становится ведущим и передаёт время, полученное от С4, устройствам C5 и C6. По терминологии IEEE 1588-2008 устройство C3 называется граничным синхронизатором (Boundary Clock). Такое устройство позволяет синхронизировать время двух изолированных сетей относительно общего задающего времени . Данная конфигурация автоматически обеспечивается алгоритмом BMCA. При отключении устройства или добавлении нового устройства система будет переконфигурирована автоматически .

Профили PTP

IEEE 1588-2008 - довольно сложный стандарт, позволяющий задавать пользовательские настройки для различных приложений, где может применяться протокол PTP. Для обеспечения гибкой работы и быстрой настройки оборудования, работающего через PTP, в стандарте существуют задаваемые профили настроек. В профилях задаются параметры по умолчанию, а также типы синхронизации в зависимости от области применения. В приложении J стандарта IEEE 1588-2008 описаны два профиля по умолчанию: Профиль Request-Response Default PTP (или профиль E2E) и пиринговый профиль Peer-to-Peer Default PTP. Заинтересованные организации (стандартизационные, промышленные комитеты и т.п.) имеют возможность создавать дополнительные профили , .

ПРОФИЛЬ PTP POWER PROFILE

Для безопасной работы оборудования по протоколу PTP в области электроэнергетики стандарт IEEE C 37.238-2011 определяет так называемый Power Profile . Данный профиль был создан рабочими группами WG H 7 комитета IEEE Power Systems Relaying Committee и WG C 7 комитета Power Systems Substation Committee . Обе группы работают под эгидой сообщества IEEE Power and Energy Society .

Данный профиль, определяемый в IEEE 1588-2008, создан для обеспечения синхронизации времени в ответственных узлах энергосистемы, работающих 24 часа в сутки. Для этой цели в дополнение к выбранным параметрам IEEE 1588-2008 были определены особые системные параметры профиля.

Параметры IEEE 1588-2008 профиля PTP Power Profile

В данном разделе описаны основные параметры IEEE 1588-2008, которые используются в профиле PTP power profile . Полное описание параметров даётся в стандарте .

Тип синхронизатора. В профиле PTP power profile можно выбрать одношаговый (Одношаговый синхронизатор помещает метку времени непосредственно в PTP сообщение (напр., Sync). Двухшаговый синхронизатор посылает метку времени в отдельном Follow_Up сообщении) или двухшаговый синхронизатор. Рекомендуется использовать одношаговый тип синхронизатора, который является более современным. Двухшаговые синхронизаторы были включены в профиль только из-за их наличия в промышленности. Также имеется возможность выбрать все типы синхронизаторов, описанные в IEEE -1588-2008 (простые, открытые, граничные).

Алгоритм лучшего синхронизатора (Best Master Clock Algorithm ). Профиль PTP power profile использует алгоритм BMCA. Основная особенность настройки BMCA состоит в том, что только потенциально ведущие синхронизаторы (Потенциально ведущий синхронизатор имеет опорный сигнал высокой точности (например, система GPS)) имеют возможность выступать в качестве возможных ведущих устройств. Все остальные простые синхронизаторы работают в режиме slave-only. Таким образом, только потенциально ведущий синхронизатор, связанный с внешним опорным сигналом, может быть ведущим устройством подстанции.

Пиринговый механизм задержек. В профиле PTP power profile задан пиринговый механизм задержек передачи. Преимущество такой настройки состоит в том, что предварительное измерение всех задержек между узлами позволяет быстро откорректировать передачу при измерении конфигурации сети, а также существенно снижается загрузка ведущего устройства синхронизации.

TLV -тег местного времени. В профиле PTP power profile потенциально ведущие синхронизаторы должны добавлять временной индикатор TLV к своим идентификационным сообщениям (Идентификационные сообщения определены в IEEE 1588‑2008 и содержат информацию о синхронизаторе (напр., теги качества синхронизатора, теги идентификации и т.п.). Индикатор TLV содержит данные о часовых поясах и другую информацию, которая необходима для того, чтобы устройство преобразовало время UTC в местное время.

Особые параметры профиля PTP Power Profile

В данном разделе описаны дополнительные параметры, которые необходимо задать для интеграции устройств по стандарту IEEE 1588-2008 на подстанциях, применяющих МЭК 61850 , :

Обеспечение устойчивой работы. Для обеспечения требуемой точности по времени даже в самых сложных применениях (синхрофазоры, выборочные значения) задаются параметры по устойчивой передаче сигналов синхронизации времени к устройствам slave (напр., терминалы защит).

Величина суммарной погрешности на входе ведомого синхронизатора (slave) не должна превышать 1 мкс после 16 ретрансляций. Как показано на РИСУНКЕ 7, ведущий синхронизатор допускает максимальную погрешность не более 200 нс, а открытые синхронизаторы могут вносить дополнительную погрешность величиной не более 50 нс. Такая устойчивость работы определяется для 80-процентной загрузки сети. Для достижения устойчивой работы в таких пределах открытые синхронизаторы должны быть по меньшей мере синтонизированы (Устройства синтонизированы, если длительность секунды в них одинаковая. Периоды дискретизации устройств могут отличаться ).

Рис. 7: Условия по обеспечению устойчивой работы по IEEE C 37.238-2011

Время передачи функции ведущего синхронизатора другому устройству. В стандарте IEEE 1588-2008 не определён сдвиг времени при передаче функции ведущего синхронизатора от одного устройства к другому; в профиле PTP power profile задаётся максимальный сдвиг величиной 2 мкс в течение 5 с при постоянной температуре. Это означает, что при потере синхронизации ведущий синхронизатор не должен сдвигаться на величину более 2 мкс за 5 с. Такой период считается необходимым для того, чтобы другое устройство в системе имело достаточное время для перехода в режим ведущего.

Теги IEEE 802.1Q . В профиле PTP power profile соблюдается требование, по которому все PTP сообщения соответствуют определениям IEEE 802.1Q . Каждый фрейм содержит тег, который указывает на приоритет фрейма и статус фрейма в виртуальной сети VLAN (Виртуальная сеть) . Поле приоритета обеспечивает высший приоритет у наиболее важных сообщений (напр., сообщения подстанционных защит). Поля VLAN позволяют поделить физическую сеть таким образом, чтобы сообщения, предназначенные для конкретного устройства передавались именно этому конкретному устройству. Использование VLAN позволяет повысить безопасность системы благодаря блокированию угроз безопасности и обеспечению конфиденциальности сообщений. В итоге также снижается суммарный трафик сети.

База управления IEEE C 37.238. В профиле PTP power profile задается база управления Management Information Base (MIB) для протокола Simple Network Management Protocol (SNMP). Прерывания SNMP включены в базу MIB для указания на изменения событий (напр., изменение ведущего синхронизатора).

Теги TLV IEEE C 37.238. В профиле PTP power profile определены теги TLV , которые содержат информацию о ведущем синхронизаторе, временной погрешности ведущего синхронизатора, временную погрешность сети. Данные параметры могут использоваться МФУ для определения наибольшей вероятной ошибки по времени и, следовательно, дают возможность оценивать качество выдаваемых меток времени.

РЕАЛИЗАЦИЯ И СЦЕНАРИИ ПЕРЕХОДА НА СТАНДАРТ НА НОВЫХ ПОДСТАНЦИЯХ

Комплексная структура стандарта IEEE 1588-2008 позволяет выполнить разработку различных концепций синхронизации времени под конкретный энергообъект, в зависимости от пожеланий заказчика.

Реализация PTP на строящихся подстанциях

Если подстанция строится, имеется возможность выполнить начальную разработку сети синхронизации по IEEE 1588-2008, т.к. вся сетевая инфраструктура может заранее учитывать требования по МЭК 61850 и протоколу PTP .

Инфраструктура сети. Разработка сетевой инфраструктуры может быть принята как для стандартной подстанции с МЭК 61850. Все соображения по безопасности или резервированию сети (напр., кольцевая топология) могут быть учтены. Единственное требование по оборудованию синхронизации состоит в том, чтобы сеть строилась на устройствах, которые поддерживают PTP (=открытые синхронизаторы). Для обеспечения взаимодействия все устройства в сети должны иметь возможность работать в профиле PTP power profile .

Резервирование. Для обеспечения надежной работы PTP рекомендуется, чтобы в сети было 2 или 3 потенциально ведущих синхронизатора. GPS -антенны этих устройств должны быть установлены в разных местах с целью минимизации риска потери сигнала из-за проблем с приёмом.

Безопасность сети. В общем случае должны применяться те же требования и рекомендации, что и для МЭК 61850. Кроме этого рекомендуется использовать функцию виртуальной сети VLAN тегов IEEE 802.1 Q профиля PTP power profile . Для этого используемые коммутаторы должны поддерживать приём и выдачу трафика с тегами IEEE 802.1 Q .

Структурирование временных параметров системы. Некоторые функции (напр., синхрофазоры, sampled values ) требуют наличия точной информации по качеству временных параметров и синхронизации. Синхронизаторы в профиле PTP power profile обеспечивают такую информацию (см. Теги TLV IEEE C 37.238). Информационное приложение C профиля PTP power profile описывает, каким образом временные параметры могут быть занесены в функции МЭК61850, такие как метки времени устройств или sampled values .

Ввиду того что существует большое число вариантов инфраструктур, не существует единого способа задания всех параметров.

Рис. 8: Пример реализации PTP на современной подстанции

На РИСУНКЕ 8 показан пример реализации для подстанции с МЭК 61850. С целью упрощения станционная шина МЭК 61850 и процессная шина МЭК 61850 показаны с помощью открытых синхронизаторов S1 и S2 (В реальности инфраструктура выполняется с использованием нескольких коммутаторов). Вопрос о том, как реализовывать процессную и станционную шины (и нужно ли это делать вообще) неоднократно обсуждался. Решения могут быть различными: от двух совершенно независимых сетей до одной общей сетевой инфраструктуры. С точки зрения IEEE 1588-2008 все устройства на энергообъекте должны быть синхронизированы под один ведущий синхронизатор. Это означает, что станционная шина и процессная шина должны быть связаны каким-либо образом. Для этой цели может служить открытый коммутатор, маршрутизатор с поддержкой PTP или граничный синхронизатор, как показано на РИСУНКЕ 8. Граничный синхронизатор позволяет избежать прямого соединения между станционной шиной МЭК 61850 и процессной шиной МЭК 61850, если требуется такая архитектура. Изображенная схема также обеспечивает полное резервирование. Если синхронизатор C1 выходит за пределы требуемой точности, следующее устройство в системе - скорее всего C2 - становится ведущим синхронизатором для всей системы.

Переход на стандарт на существующих подстанциях

При реализации IEEE 1588-2008 на недавно построенных подстанциях с МЭК 61850 могут возникнуть определённые трудности. Если кабельные связи существующей сети можно использовать, то сетевые устройства должны быть заменены на поддерживающие протокол PTP коммутаторы (=открытые синхронизаторы). Однако положительным можно считать тот факт, что не все сетевые устройства необходимо заменить сразу. Реализация PTP может быть ограничена участками, где требуется высокая точность синхронизации. Современные синхронизаторы PTP могут работать параллельно по протоколам NTP и PTP по одной и той же сети. Поэтому участки, где допускается меньшая точность по времени, могут работать по протоколу NTP .

Интеграция устройств, не поддерживающих PTP , может выполняться разными способами. Один из способов состоит в локальном обеспечении сигналов синхронизации, как показано на РИСУНКЕ 8. Устройство C 3 синхронизируется с ведущим синхронизатором и на локальном уровне передает сигналы синхронизации (напр., IRIG -B или 1 PPS ) устройствам, не поддерживающим PTP . Эти устройства (обозначены серым цветом на РИСУНКЕ 8) связаны с процессной шиной МЭК61850 и получают сигнал синхронизации времени от устройства C 3 по отдельному каналу связи. Открытые синхронизаторы с дополнительными выходами IRIG -B для подключения более старых типов устройств уже выпускаются в настоящее время.

Устройства, не поддерживающие PTP , не имеют интерфейса Ethernet , обеспечивающего аппаратную синхронизацию, которая необходима для точной работы по PTP . Но, в принципе, в некоторых современных устройствах имеется возможность обновить программно-аппаратное обеспечение, что позволит выполнить синхронизацию по PTP . При использовании программных меток времени суммарная точность может достигать от 20 мкс до 100 мкс . Этого достаточно по общим требованиям, как это определено в МЭК 61850-90-5 (см. ТАБЛИЦУ 1), но недостаточно для классов точности T 3… T 5 (см. ТАБЛИЦУ 2). Таким образом, для устройств, которые должны обеспечивать классы точности от T 3 до T 5, необходимо иметь возможность обновления до использования аппаратной синхронизации или их необходимо заменить новыми устройствами. В связи с тем, что многие подстанции, где требуется синхронизация времени, в настоящее время используют IRIG - B , в стандарте IEEE C 37.238-2011 (Приложения С и D ) даются руководящие указания по модернизации для применения PTP power profile на таких объектах .

Задержка в антенном кабеле

Выше было показано, что при реализации PTP все задержки, вносимые сетью и сетевым оборудованием, могут быть скомпенсированы автоматически. Остаётся лишь необходимость скомпенсировать вручную задержку, вносимую кабелем между GPS -антенной и ведущим синхронизатором. При этом даже специальные высокочастотные кабели имеют достаточно высокое затухание на частоте приёма GPS (1,57542 ГГц), что ограничивает максимальную длину кабеля до величины от 50 до 100м. Если при затруднённом приёме сигнала или особых условиях работы (напр., станция расположена в шахте) требуется покрыть большое расстояние для передачи, необходимо принять дополнительные меры (усилители сигнала, использование промежуточной частоты).

Рис. 9: Ведущий синхронизатор, встроенный в антенну

Если ведущий синхронизатор PTP встроить в антенну (см. РИСУНОК 9), коаксиальный кабель между синхронизатором и антенной не будет требоваться. Связь между устройствами и ведущим синхронизатором реализуется по сети Ethernet . Питание ведущего синхронизатора также может осуществляться по Ethernet -кабелю через технологию Power over Ethernet (PoE ). При использовании стандартного Ethernet -кабеля возможна передача сигнала на расстояние до 100м. Если применяется оптический канал Ethernet , расстояние между внешней антенной с встроенным ведущим синхронизатором и синхронизируемыми устройствами в сети может быть увеличено до 2 километров. В таком случае отпадает необходимость компенсировать задержку в антенном кабеле, ввиду его отсутствия.

АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Стандарт IEEE 1588-2008 с профилем PTP power profile по IEEE C 37.238 предлагает комплексное решение по реализации точной синхронизации времени по сети Ethernet . При этом возникающие вопросы, как правило, касаются общих проблем, которые не имеют прямого отношения к IEEE 1588-2008 или имеют косвенное отношение к стандарту.

Одной из таких проблем общего характера в рамках вопроса о синхронизации времени является вопрос надёжности системы GPS . В настоящее время GPS - единственный использующийся стандарт для энергосистем, обеспечивающий точность в диапазоне менее микросекунды. Возможным решением является использование резервных систем по другим стандартам и технологиям (GLONASS или высокостабильных осцилляторов для компенсации потерь сигнала GPS ) .

Другим вопросом является безопасность информационной сети вообще. В этой связи, рекомендуется использовать процедуру выбора пути передачи (развязка цепи) с помощью тегов IEEE 802.1Q в соответствии с профилем PTP power profile . Данное положение также соответствует стандарту по безопасности МЭК 62351-6 (часть 4.1), в котором для критических с точки зрения синхронизации процессов рекомендуется использовать процедуру выбора пути передачи вместо шифрования .

В связи с растущим интересом к стандарту IEEE 1588-2008 в сетях, использующих Ethernet , в настоящее время существует большое разнообразие сетевых устройств и синхронизаторов, которые могут применяться в этой среде. Интеграция PTP уже выполнена для многих существующих устройств или запланирована ведущими производителями. Таким образом, можно рекомендовать рассмотрение IEEE 1588‑2008 для применения на новых подстанциях или при строительстве планирующихся объектов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В стандарте IEEE 1588 последовательно определены все этапы обеспечения надёжной, безопасной и простой в применении системы синхронизации времени. При этом не требуется отдельный канал связи по кабелю, т.е. сокращаются расходы и не требуется организация отдельной сети синхронизации времени. Профиль PTP power profile по стандарту IEEE C 37.238‑2011 обеспечивает полную интеграцию IEEE 1588-2008 в систему, использующую МЭК61850. Таким образом, имеются все основания полагать, что протокол точного времени является оптимальным и гибким методом обеспечения синхронизации времени на современных объектах электроэнергетики.

ЛИТЕРАТУРА

1. IEEE 1588-2008, “IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems”, IEEE, 2008

2. IEEE C37.238-2011, “IEEE Standard Profile for Use of IEEE 1588 Precision Time Protocol in Power System Applications”, IEEE, 2011

3. IEC 61850 Ed.2, “Communication networks and systems in substations”, IEC

4. RFC 5905, “Network Time Protocol Version 4: Protocol and Algorithms Specification”, Internet Engineering Task Force (IETF), 2010

5. IRIG Standard 200-04, “IRIG Serial Time Code Formats.” Range Commanders Council, 2004

6. Baumgartner B, Riesch C, Rudigier M, “IEEE 1588/PTP: The Future of Time Synchronization in the Electric Power Industry”, PAC World Conference 2012, Budapest, Hungary, 2012

7. PRC-018-1, “Disturbance Monitoring Equipment Installation and Data Reporting” NERC, 2006

8. Dickson B,”Substation time Synchronisation” PAC World Magazine, Summer 2007 Issue, 2007

9. Weibel H, “Technology Update on IEEE 1588 - The Second Edition of the High Precision Clock Synchronization Protocol”, Embedded World 2009, Nürnberg, Germany, 2009

10. Antonova G, “Standard Profile for Use of IEEE Std 1588-2008 Precision Time Protocol (PTP) in Power System Applications”, PAC World Conference 2012, Budapest, Hungary, 2012

11. IEEE 802.1Q-2011, “Media Access Control (MAC) Bridges and Virtual Bridge Local Area Networks”, IEEE, 2011

12. Eidson J C, “Measurement, Control and Communication Using IEEE 1588.”, Springer-Verlag, London, 2006

13. Steinhauser F, Riesch C, Rudigier M: “IEEE 1588 for time synchronization of devices in the electric power industry”, ISPCS 2010; Portsmouth, NH, USA, 2010

14. IEC 62531-6, “Power systems management and associated information exchange -Data and communications security -Part 6: Security for IEC 61850”, IEC, 2012

65 нанометров - следующая цель зеленоградского завода «Ангстрем-Т», которая будет стоить 300-350 миллионов евро. Заявку на получение льготного кредита под модернизацию технологий производства предприятие уже подало во Внешэкономбанк (ВЭБ), сообщили на этой неделе «Ведомости» со ссылкой на председателя совета директоров завода Леонида Реймана. Сейчас «Ангстрем-Т» готовится запустить линию производства микросхем с топологией 90нм. Выплаты по прошлому кредиту ВЭБа, на который она приобреталась, начнутся в середине 2017 года.

Пекин обвалил Уолл-стрит

Ключевые американские индексы отметили первые дни Нового года рекордным падением, миллиардер Джордж Сорос уже предупредил о том, что мир ждет повторение кризиса 2008 года.

Первый российский потребительский процесор Baikal-T1 ценой $60 запускают в массовое производство

Компания «Байкал Электроникс» в начале 2016 года обещает запустить в промышленное производство российский процессор Baikal-T1 стоимостью около $60. Устройства будут пользоваться спросом, если этот спрос создаст государство, говорят участники рынка.

МТС и Ericsson будут вместе разрабатывать и внедрять 5G в России

ПАО "Мобильные ТелеСистемы" и компания Ericsson заключили соглашения о сотрудничестве в области разработки и внедрения технологии 5G в России. В пилотных проектах, в том числе во время ЧМ-2018, МТС намерен протестировать разработки шведского вендора. В начале следующего года оператор начнет диалог с Минкомсвязи по вопросам сформирования технических требований к пятому поколению мобильной связи.

Сергей Чемезов: Ростех уже входит в десятку крупнейших машиностроительных корпораций мира

Глава Ростеха Сергей Чемезов в интервью РБК ответил на острые вопросы: о системе «Платон», проблемах и перспективах АВТОВАЗа, интересах Госкорпорации в фармбизнесе, рассказал о международном сотрудничестве в условиях санкционного давления, импортозамещении, реорганизации, стратегии развития и новых возможностях в сложное время.

Ростех "огражданивается" и покушается на лавры Samsung и General Electric

Набсовет Ростеха утвердил "Стратегию развития до 2025 года". Основные задачи – увеличить долю высокотехнологичной гражданской продукции и догнать General Electric и Samsung по ключевым финансовым показателям.

Network Time Protocol — сетевой протокол для синхронизации внутренних часов компьютера с использованием сетей с переменной латентностью, основанных на коммутации пакетов.

Хотя традиционно NTP использует для своей работы протокол UDP, он также способен работать и поверх TCP. Система NTP чрезвычайно устойчива к изменениям латентности среды передачи.

Время, представляется в системе NTP 64-битным числом, состоящим из 32-битного счетчика секунд и 32-битного счетчика долей секунды, позволяя передавать время в диапазоне 2 32 секунд, с теоретической точностью 2 -32 секунды. Поскольку шкала времени в NTP повторяется каждые 2 32 секунды (136 лет), получатель должен хотя бы примерно знать текущее время (с точностью 68 лет). Также следует учитывать, что время отсчитывается с полуночи 1 января 1900 года, а не с 1970, поэтому из времени NTP нужно вычитать почти 70 лет (с учетом високосных лет), чтобы корректно совместить время с Windows или Unix-системами.

Как это работает

NTP-серверы работают в иерархической сети, каждый уровень иерархии называется ярусом (stratum). Ярус 0 представлен эталонными часами. За эталон берется сигнал GPS (Global Positioning System) или службы ACTS (Automated Computer Time Service). На нулевом ярусе NTP-серверы не работают.

NTP-серверы яруса 1 получают данные о времени от эталонных часов. NTP-серверы яруса 2 синхронизируются с серверами яруса 1. Всего может быть до 15 ярусов.

NTP-серверы и NTP-клиенты получают данные о времени от серверов яруса 1, хотя на практике NTP-клиентам лучше не делать этого, поскольку тысячи индивидуальных клиентских запросов окажутся слишком большой нагрузкой для серверов яруса 1. Лучше настроить локальный NTP-сервер, который ваши клиенты будут использовать для получения информации о времени.

Иерархическая структура протокола NTP является отказоустойчивой и избыточной. Рассмотрим пример его работы. Два NTP-сервера яруса 2 синхронизируются с шестью различными серверами яруса 1, каждый — по независимому каналу. Внутренние узлы синхронизируются с внутренними NTP-серверами. Два NTP-сервера яруса 2 координируют время друг с другом. В случае отказа линии связи с сервером яруса 1 или с одним из серверов уровня 2 избыточный сервер уровня 2 берет на себя процесс синхронизации.

Аналогично узлы и устройства яруса 3 могут использовать любой из серверов яруса 2. Что еще более важно, так это то, что наличие избыточной сети серверов NTP гарантирует постоянную доступность серверов времени. Синхронизируясь с несколькими серверами точного времени, NTP использует данные всех источников, чтобы высчитать наиболее точное временя.

Стоит отметить, что протокол NTP не устанавливает время в чистом виде. Он корректирует локальные часы с использованием временного смещения, разницы между временем на NTP-сервере и локальных часах. Серверы и клиенты NTP настраивают свои часы, синхронизируясь с текущим временем постепенно либо единовременно.

Много статей написано про всем известный Network Time Protocol (NTP), в некоторых из них упоминается про Precision Time Protocol, который якобы позволяет добиться точности синхронизации времени порядка наносекунд (например, и ). Давайте разберемся, что этот протокол собой представляет и как достигается такая точность. А также посмотрим результаты моей работы с данным протоколом.

Введение

«Протокол точного времени» описан стандартом IEEE 1588 . Существует 2 версии стандарта. Первая версия вышла в 2002 году, затем стандарт был пересмотрен в 2008 и на свет вышел протокол PTPv2. Обратная совместимость не была сохранена.
Я работаю со второй версией протокола, в ней множество улучшений по сравнению с первой (точность, стабильность, как нам сообщает wiki). Не буду приводить сравнения с NTP, одно только упоминание о точности синхронизации, а точность PTP достигает действительно десятков наносекунд при «железной» поддержке, говорит о преимуществе перед NTP.
«Железная» поддержка протокола в разных устройствах может быть реализована по-разному. На самом деле минимум, требующийся для реализации PTP – умение «железки» проставлять таймштамп момента получения сообщения на порт. Проставленное время будет использовано для вычисления ошибки.

Почему часы расстраиваются?

Ошибки могут появиться отовсюду. Начнем с того, что генераторы частоты в устройствах разные и очень мала вероятность того, что два разных устройства будут работать идеально такт в такт. Тут же можно приписать постоянно меняющиеся условия окружающей среды, влияющие на генерируемую частоту.

Чего мы добиваемся?

Допустим, у нас есть устройство, работающее в идеальных условиях, какие-нибудь атомные часы, которые вообще не разойдутся до конца света (конечно же, до реального, а не предначертанного календарём Майя) и дана задача заполучить хотя бы примерно (с точностью до 10 -9 сек) такие же часы. Нам нужно эти часы синхронизировать. Для этого можно реализовать протокол PTP.

Разница чисто программной реализации и реализации с «железной поддержкой»

Чисто программная реализация не позволит добиться обещаемой точности. Время, прошедшее с момента получения сообщения (точнее получения сигнала на прием сообщения в устройстве) до перехода на точку входа в прерывание или на callback не может быть строго определенным. «Умные железки» с поддержкой PTP умеют проставлять эти таймштампы самостоятельно (например, чипы от Micrel , как раз для KSZ8463MLI я пишу драйвер).
Помимо таймштампов к «железной» поддержке также можно отнести умение настраивать кварцевый генератор (чтобы выровнять частоту с мастером), либо возможность подстройки часов (каждый такт увеличивать значение часов на X нс). Об этом ниже.

Перейдём к стандарту IEEE 1588

Стандарт описан аж на 289 страницах. Рассмотрим минимум, необходимый для реализации протокола. PTP является клиент-серверным протоколом синхронизации, т.е. для реализации протокола требуется как минимум 2 устройства. Итак, Master-устройство - атомные часы, а Slave устройство – часы, которые необходимо заставить работать точно.

Язык обмена

Announce message – сообщение анонса, содержит информацию, отправляемую мастером всем Slave устройствам. Slave устройство с помощью этого сообщения может выбрать лучшего мастера (для этого существует BMC (Best Master Clock)) алгоритм. BMC не так интересен. Этот алгоритм можно легко найти в стандарте. Выбор идет по таким полям сообщения как точность, дисперсия, класс, приоритет и т.п. Перейдём к другим сообщениям.

Sync/Follow Up, DelayResp, PDelayResp/PDelayFollowUp – отправляются мастером, ниже рассмотрим их поподробнее.

DelayReq, PDelayReq – запросы Slave устройств.

Как видим, Slave устройство не многословно, Master предоставляет всю практически всю информацию сам. Отправка осуществляется на Multicast (при желании можно использовать Unicast режим) адреса, строго определенные в стандарте. Для PDelay сообщений имеется отдельный адрес (01-80-C2-00-00-0E для Ethernet и 224.0.0.107 для UDP). Остальные сообщения отсылаются на 01-1B-19-00-00-00 или 224.0.1.129. Пакеты отличаются полями ClockIdentity (идентификатор часов) и SequenceId (идентификатор пакета).

Сеанс работы

Допустим, мастер был выбран с помощью алгоритма BMC, либо мастер в сети единственный. На картинке показана процедура общения главного устройства и синхронизируемого.

1. Всё начинается с того, что Master отправляет сообщение Sync и одновременно записывает время отправки t1. Существует одно- и двухэтапные режимы работы. Отличить их очень легко: если присутствует сообщение FollowUp – то мы имеем дело с двухэтапной реализацией, пунктирной стрелкой показаны необязательные сообщения
2. FollowUp сообщение отправляется вслед за Sync и содержит время t1. Если осуществляется передача в один этап, то Sync содержит t1 в теле сообщения. В любом случае t1 будет получено нашим устройством. В момент получения сообщения Sync на Slave генерируется таймпштамп t2. Таким образом мы получаем t1, t2
3. Slave генерирует сообщение DelayReq одновременно с генерацией t3
4. Master получает DelayReq сообщение, одновременно генерируя t4
5. t4 отправляется Salve устройству в DelayResp сообщении

Сообщения в сети

С помощью такого сеанса обмена, который показан выше, можно добиться успеха только в случае, если кварц генерирует идеально одинаковые частоты для синхронизируемых устройств. На деле же получается что частота часов разная, т.е. на одном устройстве за 1 секунду значение часов увеличится на 1 секунду, а на другом, например, на 1.000001 секунду. Отсюда появляется расхождение часов.
В стандарте описан пример вычисления отношения времени, прошедшего на Master и на Slave за определенный интервал. Это отношение будет являться коэффициентом для частоты Slave устройства. Но при этом есть указание, что подстройка может осуществляться различными способами. Рассмотрим два из них:

1. Изменить тактовую частоту Slave устройства (пример в стандарте)
2. Не менять тактовую частоту, но за каждый такт длительностью T значение часов будет увеличиваться не на T, а на T+∆t (используется в моей реализации)

В обоих способах потребуется вычислить разницу в значениях времени на Master устройстве за определенный интервал, а также разницу во времени, за этот же интервал на Slave устройстве. Коэффициент в первом способе:

Для второго способа требуется вычисление ∆t. ∆t – величина, которая будет складываться со значением времени каждый определенный интервал. На рисунке можно заметить, что в то время как на мастере прошло 22 – 15 = 7 секунд, на Slave прошло 75+(87-75)/2 –(30+ (37-30)/2) = 47.5

Частота – частота процессора, например, 25МГц - цикл процессора длится 1/(25*10 6) = 40нс.
В зависимости от возможностей устройства выбирается наиболее подходящий способ.
Чтобы перейти к следующему разделу, выразим смещение немного по-другому:

Режимы работы PTP

Заглянув в стандарт, можно обнаружить не единственный способ вычисления времени доставки. Существуют 2 режима работы PTPv2. Это E2E (End-to-End) , он был рассмотрен выше, также описан режим P2P (Peer-to-Peer) . Давайте разберемся, где какой способ применять и в чем их различие.
В принципе можно использовать любой из режимов по желанию, но их нельзя совмещать в одной сети.

• В режиме E2E время доставки вычисляется по сообщениям, пришедшим через множество устройств, каждый из которых проставляет в поле коррекции сообщения Sync либо FollowUP (если двухэтапная передача) время, на которое пакет задержался на этом устройстве (если устройства подключены напрямую, коррекция не проставляется, поэтому их детально рассматривать не будем). Используются сообщения: Sync/FollowUp, DelayReq/DelayResp
• В режиме P2P в поле коррекции заносится не только время, на которое задержался пакет, к нему прибавляется (t2-t1) (можно почитать в стандарте). Используются сообщения Sync/FollowUp, PDelayReq/PDelayResp/PDelayRespFollowUp

Согласно стандарту, часы, сквозь которые PTP сообщения проходят с изменением поля коррекции, называются Transparent Clock (TC) . Посмотрим на рисунках, как передаются сообщения в этих двух режимах. Синими стрелочками указаны сообщения Sync и FollowUp .


Режим End-to-End


Режим Peer-to-Peer
Видим, что в P2P режиме появились какие-то красные стрелочки. Это оставшиеся сообщения, которые мы не рассмотрели, а именно PDelayReq , PDelayResp и PDelayFollowUp . Вот сеанс обмена этими сообщениями:

Ошибка времени доставки

Стандарт описывает реализацию протокола в различных типах сетей. Я использовал Ethernet сеть, и получал сообщения на Ethernet уровне. В таких сетях время доставки пакета постоянно меняется (особенно заметно, когда работаешь с наносекундной точностью). Для того чтобы отфильтровать эти значения применяются различные фильтры.

Что требуется фильтровать:

1. Время доставки
2. Смещение

В моем драйвере используется примерно такая же система фильтрации, как и в Linux демоне PTPd , исходники которого можно найти еще есть немного информации . Приведу лишь схему:

LP IIR (Infinite Impulse Response low-pass) фильтр (Фильтр с бесконечной импульсной характеристикой), описываемый формулой:

, где s – коэффициент, позволяющий регулировать срез фильтра.

Вычисление подстройки

Перейдём к подстройке, к той дельте, которая должна будет добавляться к значению секунды. Схема вычисления, используемая в моей системе:

Я использовал фильтр Калмана, чтобы отфильтровать сильное дрожание подстройки из-за помех в сети, уж больно понравилась мне . А вообще, можно использовать любой фильтр, который нравится, главное чтобы сглаживал график. В PTPd , например, фильтрация попроще - вычисляется среднее от текущего и предыдущего значения. На графике можно посмотреть результаты работы фильтра Калмана в моем драйвере (показана ошибка подстройки, выражена в субнаносекундах на 25МГц чипе):

Переходим к регулированию подстройки, подстройка должна стремиться к константе, используется ПИ-регулятор. В PTPd регулируется смещения часов (настройка идёт по смещению), но я использую его для регулирования подстройки (особенность KSZ8463MLI). Видим, что контроллер настроен не идеально, но в моем случае такая регулировка достаточна:

Результат работы

Результат показан на графике. Смещение часов в пределах -50нс до 50нс. Следовательно, я добился той точности, о которой говорится в многочисленных статьях. Конечно, множество мелких особенностей реализации осталось за кадром, но необходимый минимум был продемонстрирован.