PTP精确时钟在智能电网中的同步应用
PTP精确时钟概念
伴随着网络技术的不断增加和发展，尤其是以太网在测量和控制系统中应用越来越广泛，计算机和网络业界也在致力于解决以太网的定时同步能力不足的问题，以减少采用其它技术，例如IRIG-B等带来的额外布线开销。于是开发出一种软件方式的网络时间协议（NTP），来提高各网络设备之间的定时同步能力。1992年NTP版本的同步准确度可以达到200μs，但是仍然不能满足测量仪器和工业控制所需的准确度。为了解决这个问题，同时还要满足其它方面需求。网络精密时钟同步委员会于2001年中获得IEEE仪器和测量委员会美国标准技术研究所（NIST）的支持，该委员会起草的规范在2002年底获得IEEE标准委员会通过，作为IEEE1588标准。该标准定义的就是PTP协议（Precision Time Protocol）。并以PTP精确时钟进行系统校时。
PTP精确时钟适合用于支持多播消息的分布式网络通信系统，例如EtherNet。同时提供单播消息的支持。协议支持多种传输协议，例如UPD/IPv4，UDP/IPv6，Layer-2 EtherNet，DeviceNet。协议采用短帧传输，且数据帧少，算法简单，对网络资源使用少，对计算性能要求低，适合于在低端设备上应用。
无需时钟专线传输时钟同步信号，利用数据网络传输时钟同步消息。降低组建同步系统的费用。
在提供和GPS相同的精度情况下，不需要为每个设备安装GPS那样昂贵的组件，只需要一个高精度的本地时钟和提供高精度时钟戳的部件，相对成本低。
采用硬件与软件结合设计，并对各种影响同步精度的部分进行有效矫正，以提供亚微秒级的同步精度。
独立于具体的网络技术，可采用多种传输协议。
PTP 是一种主从同步系统，采用主从时钟方式，对时间信息进行编码，利用网络的对称性和延时测量技术，实现主从时间的同步。
在系统的同步过程中，主时钟周期性发布PTP时间同步协议及时间信息，从时钟端口接收主时钟端口发来的时间戳信息，系统据此计算出主从线路时间延迟及主从时间差，并利用该时间差调整本地时间，使从设备时间保持与主设备时间一致的频率与相位。
IEEE 1588标准有version1和version 2两个版本，Version 1于2002年底发布，Version 2目前最新版本为IEEE1588－2008，它提供Version1的所有功能，并针对Version 1的不足，做出了改善。
PTP协议实现时钟同步主要分为两个步骤：
1.建立同步体系，通过最佳主时钟算法，在整个同步系统中建立主从同步体系；
2.同步过程，通过交换PTP协议报文，计算并同步本地时钟。
PTP精确时钟时钟同步要求
智能电网是一个复杂的分布式系统，对时钟同步精度有着不同层次的要求。PTP精确时钟同步系统设计电力自动化系统对时间同步精度有不同的要求，并不是精度越高越好，同步精度的提高意味着投资成本的提高。因此，在构建时钟同步系统时，没有必要盲目追求高精度，对于同步等级要求不高的子系统，原则上满足时钟同步等级要求即可。
目前对同步等级要求不高的电力系统分布式子网中常采用的是NTP/SNTP同步技术，对要求较高的则采用IEEE1588同步技术。在同一个电力自动化同步系统中，如果各个LED设备所需同步等级不同，应采用同一种时钟同步技术，以便降低系统的复杂度，避免影响其兼容性和互操作性。在这种悄况F应满足其最高同步要求，采用Irmlol步技术作为全网同步方案。然而对于同步等级要求较低的各个IED设备采用PTP同步则会增加其投人成本。因此.在进行PTP时钟同步设计时，应尽量降低其经济成本。
PTP精确时钟同步原理
理论上，为每个系统节点配备GPS模块可得到精确的时间，这样系统中所有节点的时钟就和标准时间一致。从而达到同步；但分布式系统中节点数量大，GPS设备成本高、能耗大，且结构复杂，抗屏蔽性差，且出于安全性考虑排除大规模使用GPS的时钟同步方式。而基于以太网的IEEE 1588是通过在分布式系统各节点间交换时间报文的方法达到整个系统的时间同步。IEEE1588通过交换报文来确定主时钟（Master）和从时钟（Slave）之间的时间偏移及报文传输的网络延迟。图1为IEEE 1588原理图。
由图1可知，主时钟的节点按照定义的间隔时间（缺省是2 s）周期性地向网络上所有从时钟节点发送“同步报文”（Sync），同时主时钟节点记录同步报文实际发送的时间戳，并在随后的“跟进报文”（Follow-up）中传送该精确时间戳TM1。这样，对传递和接收的测量与标准时间戳的传播可以分开。网络上所有其他从时钟节点收到上述报文后，记录同步报文的接收时间戳TS1，TS1和TM1的偏差中不但包含主从时钟的时间偏差，还包含未知的报文传输延迟，分布式系统中每个节点在网络中所处位置、布线方式、布线长度以及目前网络技术中的固有问题，也将造成测控数据在传输过程中的不同延迟。因此需要进一步测量并消除该传输延迟。与偏移测量不同，延迟测量是不规则进行的，从时钟节点按照定义的间隔时间（缺省值是4～60 s之间的随机值）向主时钟节点发送一个“延迟请求”（Dclay RequeST）报文，同时记录该报文的实际发送时间，作为精确的发送时间戳TS2，而主时钟接收到该报文时也记下接收时刻的精确时间戳TM2，并将该时间戳在随后的“延迟响应”（Delay Response）报文中发送给相应的从时钟节点。
PTP精确时钟（IEEE1588）协议简介
图2为一个基本的FTP通信系统,IEEE 1588为应用层协议，传输层和网络层分别采用UDP和IP协议。时钟同步精度主要受网络中的传输延迟与抖动和协议栈与操作系统的传输延迟与抖动的影响。IEEE 1588协议在如图1所示的MI一接口位置为同步报文打上时间戳，使得其时钟同步精度只受PHY物理层传输延迟抖动和网络中传输延时抖动的影响，而物理层延时只有纳秒级，对时钟同步的结果影响不大，网络中传输延时可以采用该协议定义的E2E(End-to-End)时钟同步机制和P2P(Peer-to-Peer)时钟同步机制进行计算。
图2 PTP通信结构
图3为一个典型的采用E2E机制的PIP时钟同步过程，它是基于延迟请求、响应这一原理实现的。
图3 PTP同步过程
假设报文在网络中的传输时间延迟是对称的，则PTP报文传输过程中的平均延迟为:
Delay=[(TSl-TVI)+(TM2-TS2)J/2(1)
从时钟与主时钟间的时间误差为:
O,(jset=[(TSI-TMI)一(TM2-TS2)]12 (2)
式中:TMI为Sync报文的发送时间戳;TSI为Sync报文的接收时间戳;TS2为Delay_Req报文的发送时间戳;TM2为Delay_Req报文的接收时间戳。
透明时钟
PTl，设备包括普通时钟(OrdinaryClock)、边界时钟(Boundary Clock),E2E透明时钟(End-to-EndTransparent Clock),P2P透明时钟(Peer-to -PeerTransparent Clock)和管理节点(Management Node),PTP同步系统中，主从节点均采用普通时钟，网络交换设备可以采用具有同步功能的边界时钟或透明时钟。边界时钟是将系统构成主从级联拓扑，通过逐级同步来消除网络延迟，但传输路径越长造成的误差就越大U,。透明时钟则是通过记录PTP报文在设备中的驻留时间来修正网络延时.以此来提高同步精度。以E2E透明时钟为例，图4给出了E2E透明时钟交换机对驻留时间进行测量和记录的方法。当某一PTP事件报文进人端口一1时，记录接收时问截几.在发送端口一n捕捉消息的发送时间戳T}‑得到报文的驻留时间Tp-=T.-T.,最后将其数据结果添加在此报文的CF(CorrectionField)区域中。从时钟节点在计算同步结果时，利用CF区域中累积的驻留时间来消除网络等待时间不对称带来的计算误差。
图4 E2E透明时钟测量、记录
举例产品
西安同步电子科技有限公司专注生产PTP精确（主从）时钟，下面简单给大家介绍一下本公司生产的PTP时钟特点及参数：
1、PTP精密主时钟
SYN2401型PTP精密主时钟是由西安同步电子科技有限公司精心设计、自行研发生产的一款支持IEEE1588-2008，PTP V2的主时钟（Grandmaster Clock），使用GPS作为时钟参考源，拥有纳秒级的时间传输精度，支持数千台PTP从时钟。同时自身也可以作为从时钟，输出IRIG-B，1PPS,10MHZ,串口等多种时间信号，为用户提供精确、标准、安全、可靠和多功能的时间服务，是一款实现时间同步的实用时钟设备。
产品特点：
l 以GPS定时信号建立时间参考；
l 支持标准的PTP V2,IEEE1588-2008等网络对时协议；
l 串口授时，秒发送一次时、分、秒、年、月、日北京时间信息；
l 提供1路PTP授时网口,支持1 step 或 2 steps ；
l 提供1路IRIG-B(DC)码；
l 输出定时同步信号（1PPS），TTL接口输出；
l LCD钟面（年月日、时分秒）显示；
l 性价比高，应用广泛；
l 授时精度高；
l 整体功耗小，采用无风扇设计，运行可靠稳定；
l 可运行为主时钟源或从时钟源；
l 支持端到端(end to end)或点对点(peer to peer)模式；
l 支持Pre-Master模式，主时钟热备份，热切换功能。
2、PTP精密从时钟
SYN2403型PTP精密从时钟是由西安同步电子科技有限公司精心设计、自行研发生产的一款支持IEEE1588-2008，PTP V2的从时钟，通过主时钟获得标准时间，拥有纳秒级的时间传输精度。输出IRIG-B，1PPS,10MHZ,串口等多种时间信号，为用户提供精确、标准、安全、可靠和多功能的时间服务，是一款实现时间同步的实用时钟设备。
产品特点：
l 通过主时钟获得标准时间或者以GPS定时信号建立时间参考；
l 支持标准的PTPV2,IEEE1588-2008,NTP,SNTP,IP,TCP,UDP,Telent,DHCP,Syslog等网络对时协议；
l 串口授时，秒发送一次时、分、秒、年、月、日北京时间信息；
l 提供1路IRIG-B(DC)码和1路RS485时间信息；
l 输出定时同步信号（1PPS），TTL接口输出；
l LCD钟面（年月日、时分秒）显示；
l 性价比高，应用广泛；
l 授时精度高；
l 整体功耗小，采用无风扇设计，运行可靠稳定；
l 可运行为主时钟源或从时钟源；
l 支持端到端(end toend)或点对点(peer to peer)模式；
l 支持Pre-Master模式，主时钟热备份，热切换功能。
PTP精确时钟是一种主从同步系统，采用主从时钟方式，对时间信息进行编码，利用网络的对称性和延时测量技术，实现主从时间的同步。在系统的同步过程中，主时钟周期性发布PTP时间同步协议及时间信息，从时钟端口接收主时钟端口发来的时间戳信息，系统据此计算出主从线路时间延迟及主从时间差，并利用该时间差调整本地时间，使从设备时间保持与主设备时间一致的频率与相位。由西安同步电子科技有限公司生产的PTP精确时钟可应用在工业自动化系统，航天航空系统；2.5G/3G/4G基站数字化变电站，CMMB基站； 数字电视数字广播，电信机房等。
结束语
随着网络技术的发展，分布式控制系统中对时间同步的要求越来越高。例如在机电控制、通信等领域中已经对时间同步提出了微秒级的要求。例如在机电控制、通信等领域中已经对时间同步提出了微秒级的要求。在分布式数据采集系统中，考虑到实时性的调度和控制，对时间统一的要求就更为严格。所以建立一个时间统一的分布式系统是分布式网络的基本要求。IEEE1588（简称PTP，Precision Time Protocol）定义了一个在测量和控制系统中，PTP精确时钟与网络通信，本地计算和分配对象有关的精确时钟同步协议，该协议适用于任何满足多点通信的分布式控制系统，对于采用多播技术终端的时钟可实现压微秒级同步。