Predstavitev
Koncept izgradnje »Digitalne postaje« v elektroenergetiki zahteva sinhronizacijo z natančnostjo 1 μs. Tudi finančne transakcije zahtevajo mikrosekundno natančnost. V teh aplikacijah časovna natančnost NTP ne zadostuje več.
Sinhronizacijski protokol PTPv2, ki ga opisuje standard IEEE 1588v2, omogoča natančnost sinhronizacije nekaj deset nanosekund. PTPv2 vam omogoča pošiljanje sinhronizacijskih paketov prek omrežij L2 in L3.
Glavna področja, kjer se uporablja PTPv2, so:
- energija;
- nadzorna in merilna oprema;
- vojaško-industrijski kompleks;
- telekomunikacije;
- finančni sektor.
Ta objava pojasnjuje, kako deluje sinhronizacijski protokol PTPv2.
Imamo več izkušenj v industriji in pogosto vidimo ta protokol v energetskih aplikacijah. Zato bomo pregled opravili previdno .
Zakaj je to potrebno?
Trenutno STO 34.01-21-004-2019 PJSC Rosseti in STO 56947007-29.240.10.302-2020 PJSC FGC UES vsebujeta zahteve za organizacijo procesnega vodila s časovno sinhronizacijo prek PTPv2.
To je posledica dejstva, da so na procesno vodilo priključeni relejni zaščitni terminali in merilne naprave, ki preko procesnega vodila prenašajo trenutne vrednosti toka in napetosti z uporabo tako imenovanih SV tokov (multicast stream).
Relejne zaščitne sponke uporabljajo te vrednosti za izvedbo zaščite zaliva. Če je natančnost meritev časa majhna, lahko nekatere zaščite delujejo napačno.
Na primer, obramba absolutne selektivnosti lahko postane žrtev "šibke" časovne sinhronizacije. Pogosto logika takšne obrambe temelji na primerjavi dveh količin. Če se vrednosti razlikujejo za dovolj veliko vrednost, se sproži zaščita. Če so te vrednosti izmerjene s časovno natančnostjo 1 ms, potem lahko dobite veliko razliko, kjer so vrednosti dejansko normalne, če jih merite z natančnostjo 1 μs.
PTP različice
Protokol PTP je bil prvotno opisan leta 2002 v standardu IEEE 1588-2002 in se je imenoval »Standard za protokol za natančno sinhronizacijo ure za omrežne merilne in krmilne sisteme«. Leta 2008 je bil izdan posodobljen standard IEEE 1588-2008, ki opisuje različico PTP 2. Ta različica protokola je izboljšala natančnost in stabilnost, vendar ni ohranila združljivosti za nazaj s prvo različico protokola. Leta 2019 je bila izdana tudi različica standarda IEEE 1588-2019, ki opisuje PTP v2.1. Ta različica dodaja manjše izboljšave PTPv2 in je nazaj združljiva s PTPv2.
Z drugimi besedami, imamo naslednjo sliko z različicami:
PTPv1
(IEEE 1588-2002)
PTPv2
(IEEE 1588-2008)
PTPv2.1
(IEEE 1588-2019)
PTPv1 (IEEE 1588-2002)
-
Nezdružljivo
Nezdružljivo
PTPv2 (IEEE 1588-2008)
Nezdružljivo
-
Združljiv
PTPv2.1 (IEEE 1588-2019)
Nezdružljivo
Združljiv
-
Toda, kot vedno, obstajajo nianse.
Nezdružljivost med PTPv1 in PTPv2 pomeni, da se naprava, ki podpira PTPv1, ne bo mogla sinhronizirati s točno uro, ki deluje na PTPv2. Za sinhronizacijo uporabljajo različne oblike sporočil.
Še vedno pa je mogoče združiti naprave s PTPv1 in naprave s PTPv2 v istem omrežju. Da bi to dosegli, vam nekateri proizvajalci omogočajo izbiro različice protokola na vratih robne ure. To pomeni, da se mejna ura lahko sinhronizira s PTPv2 in še vedno sinhronizira druge ure, povezane z njo, s PTPv1 in PTPv2.
naprave PTP. Kaj so in v čem se razlikujejo?
Standard IEEE 1588v2 opisuje več vrst naprav. Vsi so prikazani v tabeli.
Napravi med seboj komunicirata prek omrežja LAN z uporabo PTP.
Naprave PTP se imenujejo ure. Vse ure merijo točen čas z velemojstrske ure.
Obstaja 5 vrst ur:
Velemojstrska ura
Glavni vir točnega časa. Pogosto opremljen z vmesnikom za povezavo GPS.
Navadna ura
Naprava z enim vratom, ki je lahko glavna (glavna ura) ali podrejena (podrejena ura)
Glavna ura (master)
So vir točnega časa, s katerim so sinhronizirane druge ure
Suženjska ura
Končna naprava, ki je sinhronizirana z glavno uro
Mejna ura
Naprava z več vrati, ki je lahko glavna ali podrejena.
To pomeni, da se te ure lahko sinhronizirajo z nadrejeno glavno uro in sinhronizirajo nižje podrejene ure.
Prozorna ura od konca do konca
Naprava z več vrati, ki ni niti glavna niti pomožna ura. Prenaša podatke PTP med dvema urama.
Pri prenosu podatkov pregledna ura popravlja vsa sporočila PTP.
Do popravka pride tako, da se čas zakasnitve na tej napravi doda polju za popravke v glavi poslanega sporočila.
Peer-to-Peer pregledna ura
Naprava z več vrati, ki ni niti glavna niti pomožna ura.
Prenaša podatke PTP med dvema urama.
Pri prenosu podatkov pregledna ura popravlja vsa sporočila PTP Sync in Follow_Up (več o njih spodaj).
Popravek se doseže tako, da se v polje popravka poslanega paketa doda zakasnitev na oddajni napravi in zakasnitev na kanalu za prenos podatkov.
Upravljalno vozlišče
Naprava, ki konfigurira in diagnosticira druge ure
Glavna in podrejena ura sta sinhronizirani s časovnimi žigi v sporočilih PTP. V protokolu PTP obstajata dve vrsti sporočil:
- Sporočila o dogodkih so sinhronizirana sporočila, ki vključujejo ustvarjanje časovnega žiga v času, ko je sporočilo poslano, in v času, ko je prejeto.
- Splošna sporočila – ta sporočila ne zahtevajo časovnih žigov, lahko pa vsebujejo časovne žige za povezana sporočila
Sporočila o dogodkih
Splošna sporočila
Sinhronizacija
Delay_Req
Pdelay_Req
Pdelay_Resp
Objavi
Follow_Up
Delay_Resp
Pdelay_Resp_Follow_Up
upravljanje
Signalizacija
Vse vrste sporočil bodo podrobneje obravnavane v nadaljevanju.
Osnovne težave s sinhronizacijo
Ko se sinhronizacijski paket prenaša po lokalnem omrežju, je zakasnjen na stikalu in v podatkovni povezavi. Vsako preklop bo povzročil zakasnitev približno 10 mikrosekund, kar je nesprejemljivo za PTPv2. Konec koncev moramo na končni napravi doseči natančnost 1 μs. (To je, če govorimo o energiji. Druge aplikacije lahko zahtevajo večjo natančnost.)
IEEE 1588v2 opisuje več algoritmov delovanja, ki vam omogočajo, da zabeležite časovni zamik in ga popravite.
Algoritem dela
Med normalnim delovanjem protokol deluje v dveh fazah.
- Faza 1 - vzpostavitev hierarhije "Master Clock – Slave Clock".
- Faza 2 - sinhronizacija ure z uporabo mehanizma End-to-End ali Peer-to-Peer.
Faza 1 - Vzpostavitev hierarhije Master-Slave
Vsaka vrata navadne ali robne ure imajo določeno število stanj (podrejena ura in glavna ura). Standard opisuje algoritem prehoda med temi stanji. V programiranju se tak algoritem imenuje končni avtomat ali državni avtomat (podrobneje v Wikiju).
Ta stroj stanja uporablja najboljši glavni algoritem ure (BMCA) za nastavitev glavnega pri povezovanju dveh ur.
Ta algoritem omogoča, da ura prevzame odgovornosti glavne ure, ko glavna ura navzgor izgubi signal GPS, prekine povezavo itd.
Prehodi stanj po BMCA so povzeti v naslednjem diagramu:
Informacije o uri na drugi strani »žice« se pošljejo v posebnem sporočilu (napovedno sporočilo). Ko so te informacije prejete, se zažene algoritem državnega stroja in izvede se primerjava, da se ugotovi, katera ura je boljša. Vrata na najboljši uri postanejo glavna ura.
Preprosta hierarhija je prikazana v spodnjem diagramu. Poti 1, 2, 3, 4, 5 lahko vsebujejo prosojno uro, vendar ne sodelujejo pri vzpostavljanju hierarhije glavna ura – podrejena ura.
Faza 2 - Sinhronizirajte običajne in robne ure
Takoj po vzpostavitvi hierarhije »Master Clock – Slave Clock« se začne faza sinhronizacije običajnih in mejnih ur.
Za sinhronizacijo glavna ura pošlje sporočilo s časovnim žigom pomožnim uram.
Glavna ura je lahko:
- enostopenjski;
- dvostopenjski.
Enostopenjske ure pošljejo eno sinhronizacijsko sporočilo za sinhronizacijo.
Dvostopenjska ura za sinhronizacijo uporablja dve sporočili - Sync in Follow_Up.
Za fazo sinhronizacije se lahko uporabita dva mehanizma:
- Mehanizem za zakasnitev zahteve in odgovora.
- Mehanizem za merjenje zakasnitve vrstnikov.
Najprej si oglejmo te mehanizme v najpreprostejšem primeru - ko se ne uporabljajo prozorne ure.
Mehanizem za zakasnitev zahteve in odgovora
Mehanizem vključuje dva koraka:
- Merjenje zakasnitve pri prenosu sporočila med glavno in podrejeno uro. Izvedeno z uporabo mehanizma zahteva-odziv z zakasnitvijo.
- Izvede se popravek točnega časovnega zamika.
Merjenje latence
t1 – čas pošiljanja sporočila Sync s strani glavne ure; t2 – čas prejema sinhronizacijskega sporočila s pomožno uro; t3 – čas pošiljanja zahteve za zakasnitev (Delay_Req) s pomožno uro; t4 – čas sprejema Delay_Req z glavno uro.
Ko pomožna ura pozna čase t1, t2, t3 in t4, lahko izračuna povprečno zakasnitev pri prenosu sinhronizacijskega sporočila (tmpd). Izračuna se na naslednji način:
Pri prenosu sporočila Sync and Follow_Up se izračuna časovni zamik od nadrejenega do podrejenega - t-ms.
Pri prenosu sporočil Delay_Req in Delay_Resp se izračuna časovni zamik od podrejenega do nadrejenega - t-sm.
Če med tema dvema vrednostma pride do asimetrije, se pojavi napaka pri popravku odstopanja točnega časa. Napaka je posledica dejstva, da je izračunana zakasnitev povprečje zakasnitev t-ms in t-sm. Če zamiki med seboj niso enaki, potem časa ne bomo natančno prilagodili.
Popravek časovnega premika
Ko je znana zakasnitev med glavno in pomožno uro, pomožna ura izvede korekcijo časa.
Podrejene ure uporabljajo sporočilo Sync in izbirno sporočilo Follow_Up za izračun točnega časovnega zamika pri prenosu paketa od glavne do podrejene ure. Premik se izračuna po naslednji formuli:
Mehanizem za merjenje zakasnitve vrstnikov
Ta mehanizem uporablja tudi dva koraka za sinhronizacijo:
- Naprave merijo časovni zamik do vseh sosedov preko vseh vrat. Da bi to naredili, uporabljajo mehanizem peer delay.
- Popravek točnega časovnega premika.
Merjenje zakasnitve med napravami, ki podpirajo način Peer-to-Peer
Zakasnitev med vrati, ki podpirajo mehanizem enakovrednih, se meri z naslednjimi sporočili:
Ko vrata 1 poznajo čase t1, t2, t3 in t4, lahko izračunajo povprečno zakasnitev (tmld). Izračuna se po naslednji formuli:
Vrata nato to vrednost uporabijo pri izračunu prilagoditvenega polja za vsako sinhronizacijsko sporočilo ali izbirno sporočilo Follow_Up, ki gre skozi napravo.
Skupna zakasnitev bo enaka vsoti zakasnitve med prenosom prek te naprave, povprečne zakasnitve med prenosom po podatkovnem kanalu in zakasnitve, ki je že vsebovana v tem sporočilu, omogočenem na napravah navzgor.
Sporočila Pdelay_Req, Pdelay_Resp in izbirno Pdelay_Resp_Follow_Up vam omogočajo, da dobite zakasnitev od glavnega do podrejenega in od podrejenega do glavnega (krožno).
Vsaka asimetrija med tema dvema vrednostma bo povzročila napako popravka časovnega zamika.
Prilagoditev točnega časovnega premika
Podrejene ure uporabljajo sporočilo Sync in izbirno sporočilo Follow_Up za izračun natančnega časovnega zamika pri prenosu paketa od glavne do podrejene ure. Premik se izračuna po naslednji formuli:
Prednosti prilagoditev mehanizma peer-to-peer - časovni zamik vsakega sporočila Sync ali Follow_Up se izračuna, ko se prenaša v omrežju. Posledično sprememba prenosne poti na noben način ne bo vplivala na natančnost nastavitve.
Pri uporabi tega mehanizma časovna sinhronizacija ne zahteva izračuna časovnega zamika vzdolž poti, ki jo prehodi sinhronizacijski paket, kot je to storjeno pri osnovni izmenjavi. Tisti. Sporočila Delay_Req in Delay_Resp niso poslana. Pri tej metodi se zakasnitev med glavno in podrejeno uro preprosto sešteje v polju za prilagoditev vsakega sporočila Sync ali Follow_Up.
Druga prednost je, da je glavna ura razbremenjena potrebe po obdelavi sporočil Delay_Req.
Načini delovanja prozornih ur
V skladu s tem so bili to preprosti primeri. Zdaj pa predpostavimo, da se stikala pojavijo na sinhronizacijski poti.
Če uporabljate stikala brez podpore za PTPv2, bo sinhronizacijski paket na stikalu zakasnjen za približno 10 μs.
Stikala, ki podpirajo PTPv2, se v terminologiji IEEE 1588v2 imenujejo Transparentne ure. Transparentne ure niso sinhronizirane z glavno uro in ne sodelujejo v hierarhiji "Master Clock - Slave Clock", vendar si pri prenosu sinhronizacijskih sporočil zapomnijo, kako dolgo so sporočilo zakasnile. To vam omogoča prilagajanje časovnega zamika.
Transparentne ure lahko delujejo v dveh načinih:
- Konec koncev.
- Vrstnik z vrstnikom.
Od konca do konca (E2E)
Pregledna ura E2E oddaja sporočila Sync in spremljajoča sporočila Follow_Up na vseh vratih. Tudi tiste, ki jih blokirajo nekateri protokoli (na primer RSTP).
Stikalo si zapomni časovni žig, ko je bil sinhronizacijski paket (Follow_Up) prejet na vrata in ko je bil poslan iz vrat. Na podlagi teh dveh časovnih žigov se izračuna čas, potreben, da stikalo obdela sporočilo. V standardu se ta čas imenuje čas zadrževanja.
Čas obdelave je dodan v polje correctionField sporočila Sync (ura v enem koraku) ali Follow_Up (ura v dveh korakih).
Pregledna ura E2E meri čas obdelave za sporočila Sync in Delay_Req, ki gredo skozi stikalo. Vendar je pomembno razumeti, da se časovni zamik med glavno uro in pomožno uro izračuna z uporabo mehanizma za zakasnitev zahteva-odziv. Če se spremeni glavna ura ali se spremeni pot od glavne ure do pomožne ure, se zakasnitev znova izmeri. To podaljša prehodni čas v primeru sprememb omrežja.
Pregledna ura P2P poleg merjenja časa, ki je potreben, da stikalo obdela sporočilo, meri zakasnitev podatkovne povezave do najbližjega soseda z uporabo mehanizma zakasnitve soseda.
Zakasnitev se meri na vsaki povezavi v obe smeri, vključno s povezavami, ki jih blokira nek protokol (kot je RSTP). To vam omogoča, da takoj izračunate novo zakasnitev v sinhronizacijski poti, če se spremeni glavna ura ali topologija omrežja.
Čas obdelave sporočil s stikali in zakasnitev se zbereta pri pošiljanju sporočil Sync ali Follow_Up.
Vrste podpore PTPv2 s stikali
Stikala lahko podpirajo PTPv2:
- programsko;
- strojna oprema.
Pri implementaciji protokola PTPv2 v programsko opremo stikalo zahteva časovni žig od vdelane programske opreme. Težava je v tem, da vdelana programska oprema deluje ciklično in boste morali počakati, da konča trenutni cikel, sprejme zahtevo za obdelavo in izda časovni žig po naslednjem ciklu. Tudi to bo trajalo nekaj časa in dobili bomo zamudo, čeprav ne tako veliko kot brez programske podpore za PTPv2.
Samo strojna podpora za PTPv2 vam omogoča ohranjanje zahtevane natančnosti. V tem primeru časovni žig izda poseben ASIC, ki je nameščen na vratih.
Oblika sporočila
Vsa sporočila PTP so sestavljena iz naslednjih polj:
- Glava – 34 bajtov.
- Telo – velikost je odvisna od vrste sporočila.
- Pripona ni obvezna.
Glava
Polje Glava je enako za vsa sporočila PTP. Njegova velikost je 34 bajtov.
Oblika polja glave:
messageType – vsebuje vrsto sporočila, ki se prenaša, na primer Sync, Delay_Req, PDelay_Req itd.
messageLength – vsebuje celotno velikost sporočila PTP, vključno z glavo, telesom in pripono (vendar brez polnilnih bajtov).
domainNumber – določa, kateri domeni PTP sporočilo pripada.
Ime domene - to je več različnih ur, zbranih v eni logični skupini in sinhroniziranih iz ene glavne ure, vendar ni nujno sinhroniziranih z urami, ki pripadajo drugi domeni.
zastave – To polje vsebuje različne zastavice za identifikacijo statusa sporočila.
correctionField – vsebuje čas zakasnitve v nanosekundah. Čas zakasnitve vključuje zakasnitev pri oddajanju skozi transparentno uro, kot tudi zakasnitev pri oddajanju skozi kanal pri uporabi načina Peer-to-Peer.
sourcePortIdentity – to polje vsebuje informacije o tem, iz katerih vrat je bilo to sporočilo prvotno poslano.
zaporedje ID – vsebuje identifikacijsko številko za posamezna sporočila.
controlField – polje artefakta =) Ostaja iz prve različice standarda in vsebuje informacije o vrsti tega sporočila. V bistvu enako kot messageType, vendar z manj možnostmi.
logMessageInterval – to polje je odvisno od vrste sporočila.
Karoserija
Kot je navedeno zgoraj, obstaja več vrst sporočil. Te vrste so opisane spodaj:
Napovedno sporočilo
Sporočilo Announce se uporablja za »obveščanje« drugih ur znotraj iste domene o svojih parametrih. To sporočilo vam omogoča, da nastavite hierarhijo Master Clock – Slave Clock.
Sinhroniziraj sporočilo
Sporočilo sinhronizacije pošlje glavna ura in vsebuje čas glavne ure v času, ko je bilo sporočilo sinhronizacije ustvarjeno. Če je glavna ura dvostopenjska, bo časovni žig v sinhronizacijskem sporočilu nastavljen na 0, trenutni časovni žig pa bo poslan v povezanem sporočilu Follow_Up. Sporočilo Sync se uporablja za oba mehanizma merjenja zakasnitve.
Sporočilo se prenaša z uporabo Multicast. Po želji lahko uporabite Unicast.
Sporočilo Delay_Req
Oblika sporočila Delay_Req je enaka sporočilu Sync. Podrejena ura pošlje Delay_Req. Vsebuje čas, ki ga je Delay_Req poslala podrejena ura. To sporočilo se uporablja samo za mehanizem za zakasnitev zahteve in odgovora.
Sporočilo se prenaša z uporabo Multicast. Po želji lahko uporabite Unicast.
Nadaljnje sporočilo
Sporočilo Follow_Up po želji pošlje glavna ura in vsebuje čas pošiljanja Sinhronizacija sporočil gospodar. Samo dvostopenjske glavne ure pošljejo sporočilo Follow_Up.
Sporočilo Follow_Up se uporablja za oba mehanizma merjenja zakasnitve.
Sporočilo se prenaša z uporabo Multicast. Po želji lahko uporabite Unicast.
Sporočilo Delay_Resp
Sporočilo Delay_Resp pošlje glavna ura. Vsebuje čas, ko je glavna ura prejela Delay_Req. To sporočilo se uporablja samo za mehanizem za zakasnitev zahteve in odgovora.
Sporočilo se prenaša z uporabo Multicast. Po želji lahko uporabite Unicast.
Sporočilo Pdelay_Req
Sporočilo Pdelay_Req pošlje naprava, ki zahteva zakasnitev. Vsebuje čas, ko je bilo sporočilo poslano iz vrat te naprave. Pdelay_Req se uporablja samo za mehanizem merjenja zakasnitve soseda.
Sporočilo Pdelay_Resp
Sporočilo Pdelay_Resp pošlje naprava, ki je prejela zahtevo za zakasnitev. Vsebuje čas, ko je ta naprava prejela sporočilo Pdelay_Req. Sporočilo Pdelay_Resp se uporablja samo za mehanizem merjenja zakasnitve soseda.
Sporočilo Pdelay_Resp_Follow_Up
Sporočilo Pdelay_Resp_Follow_Up po želji pošlje naprava, ki je prejela zahtevo za zakasnitev. Vsebuje čas, ko je ta naprava prejela sporočilo Pdelay_Req. Sporočilo Pdelay_Resp_Follow_Up pošiljajo samo dvostopenjske glavne ure.
To sporočilo lahko uporabite tudi za čas izvajanja namesto časovnega žiga. Čas izvedbe je čas od trenutka prejema Pdelay-Req do pošiljanja Pdelay_Resp.
Pdelay_Resp_Follow_Up se uporabljajo samo za mehanizem merjenja zakasnitve soseda.
Sporočila upravljanja
Nadzorna sporočila PTP so potrebna za prenos informacij med eno ali več urami in krmilnim vozliščem.
Prestop v LV
Sporočilo PTP se lahko prenaša na dveh ravneh:
- Omrežje – kot del IP podatkov.
- Kanal – kot del Ethernet okvirja.
Prenos sporočil PTP prek UDP prek IP prek Etherneta
PTP prek UDP prek Etherneta
Profili
PTP ima precej prilagodljivih parametrov, ki jih je treba konfigurirati. Na primer:
- Možnosti BMCA.
- Mehanizem za merjenje latence.
- Intervali in začetne vrednosti vseh nastavljivih parametrov itd.
In kljub dejstvu, da smo prej rekli, da so naprave PTPv2 med seboj združljive, to ni res. Naprave morajo imeti enake nastavitve, da lahko komunicirajo.
Zato obstajajo tako imenovani profili PTPv2. Profili so skupine konfiguriranih nastavitev in definiranih omejitev protokola, tako da je mogoče izvesti časovno sinhronizacijo za določeno aplikacijo.
Sam standard IEEE 1588v2 opisuje samo en profil – “Default Profile”. Vse ostale profile izdelujejo in opisujejo različne organizacije in združenja.
Na primer, Power Profile ali PTPv2 Power Profile sta ustvarila Power Systems Relaying Committee in Substation Committee IEEE Power and Energy Society. Sam profil se imenuje IEEE C37.238-2011.
Profil opisuje, da je PTP mogoče prenesti:
- Samo prek omrežij L2 (tj. Ethernet, HSR, PRP, ne-IP).
- Sporočila se prenašajo samo z oddajanjem Multicast.
- Kot mehanizem za merjenje zakasnitve se uporablja enakovredni mehanizem za merjenje zakasnitve.
Privzeta domena je 0, priporočena domena je 93.
Filozofija oblikovanja C37.238-2011 je bila zmanjšati število izbirnih funkcij in ohraniti samo potrebne funkcije za zanesljivo interakcijo med napravami in večjo stabilnost sistema.
Določena je tudi frekvenca prenosa sporočil:
Pravzaprav je za izbiro na voljo samo en parameter - vrsta glavne ure (enostopenjska ali dvostopenjska).
Natančnost ne sme biti večja od 1 μs. Z drugimi besedami, ena sinhronizacijska pot lahko vsebuje največ 15 preglednih ur ali tri mejne ure.
Vir: www.habr.com