IEEE 1588 Synchronizacja Czasu

Coraz większa liczba aplikacji zabezpieczeń i sterowania w stacjach elektroenergetycznych zaczyna wykorzystywać Ethernet jako kanał komunikacyjny. W związku z tym można założyć, że Ethernet stanie się głównym medium komunikacyjnym dla przyszłych stacji, szczególnie na poziomie transmisji.

Cyfrowe stacje wymagają optymalnej architektury sieciowej, która w pełni zintegruje wszystkie elementy systemu automatyki IEC 61850. Wymaga to, aby wszystkie urządzenia kontrolno-pomiarowe, dostępne od różnych dostawców, były typu plug-and-play. Wiele aplikacji IEC 61850 wymaga wysokiej dokładności synchronizacji czasu oraz szybkiej lub płynnej redundancji komunikacyjnej, aby działać poprawnie i osiągnąć poziom niezawodności wymagany w aplikacjach energetycznych.

Biorąc pod uwagę koszty i niezawodność systemów pomiaru czasu opartych na rozproszonych odbiornikach GPS, wskazane jest, aby zakłady dystrybucji stosowały mniej rozproszonych odbiorników GPS, a zaoszczędzony kapitał przeznaczyły na wdrożenie bardziej niezawodnych i solidnych scentralizowanych systemów pomiaru czasu z różnymi źródłami danych wejściowych i algorytmami walidacji, aby poradzić sobie z celowymi i naturalnymi zakłóceniami. Zakładając, że dostępne jest solidne scentralizowane źródło czasu, niezawodne i dokładne rozpowszechnianie czasu będzie kluczowe dla krytycznych aplikacji kontrolno-pomiarowych wymagających dokładności czasowej ±1 μs.

Pod względem kosztów, złożoności i niezawodności w porównaniu z różnymi metodami synchronizacji czasu, PTP IEEE 1588v2 jest dobrym kandydatem na rozwiązanie synchronizacji w stacjach elektroenergetycznych.

Niniejszy artykuł stanowi wprowadzenie do IEEE 1588v2 i dostarcza wystarczającej wiedzy ogólnej z kluczowego zagadnienia synchronizacji czasu.

Czym jest IEEE1588?

Standard IEEE 1588-2008 określa drugą generację PTP, znaną również jako PTPv2 lub 1588v2. Standard PTP daje możliwość uzyskania bardzo dokładnej synchronizacji czasu za pomocą urządzeń Ethernetowych, dzięki rejestrowaniu dokładnego czasu otrzymania komunikatu synchronizacji PTP. Informacja ta może kompensować niepewność wprowadzoną przez systemy operacyjne czasu rzeczywistego i inne opóźnienia powstałe w procesie synchronizacji w urządzeniu głównym, jak i w urządzeniach, które są synchronizowane. Ogromną zaletą PTPv2 jest brak wpływu na działanie innych protokołów pracujących w sieci Ethernet, dzięki czemu jest możliwe jego współistnienie na jednym porcie z dla 61850, 61850-8-1 GOOSE, DNP3, Sampled Values (SV) i innymi protokołami automatyzacji stacji. Ważne podczas budowy stacji jest wyposażenie przełączników Ethernetowych w natywne wsparcie dla PTP, dostępne tylko w najwyżej klasie przełączników.

PTP spiera obsługę wielu zegarów typu Master, które między sobą wybierają jeden zegar oznaczony jako Grandmaster. W przypadku obniżenia jakości zegara wybranego jako główny, w czasie rzeczywistym możliwe jest autonomincze wybranie zegara, który będzie pełnił funkcję nowego Grandmastera z lepszą dokładnością niż obecny.

Jedną z głównych cech PTP jest jego elastyczność, ponieważ może być wykorzystywany do wielu zastosowań związanych z synchronizacją czasu, z dokładnością poniżej 10 ns. Taką dokładność można było uzyskać, dzięki dodaniu w PTPv2 specjalnych profili dla przełączników Ethernetowych.

Założeniami PTP jest osiągnięcie:

• mikrosekundowej lub nawet nanosekundową dokładności pomiaru czasu,
• zminimalizowane zapotrzebowanie na zasoby w zakresie sieci, oprogramowania i sprzętu,
• wdrożenie synchronizacji w sieciach danych,
• obsługa zegarów o różnych możliwościach, takich jak precyzja, rozdzielczość i stabilność.

IEEE 1588 PTPv2 jest wykorzystywany w wielu obszarach, takich jak automatyka przemysłowa oraz sieci audio i wideo. Jedną z kluczowych zalet jest to, że IEEE 1588 może być dystrybuowany przez Ethernet: nie wymaga dodatkowej sieci dystrybucji czasu i pozwala uniknąć konieczności instalowania dziesiątek odbiorników GPS w stacjach elektroenergetycznych. Jednocześnie jest bardziej precyzyjny niż NTP/SNTP, ponieważ IEEE 1588 może zapewnić dokładność poniżej mikrosekundy za pomocą sprzętowego znakowania czasu. W tabeli 1 podsumowano charakterystykę różnych metod synchronizacji dostępnych obecnie w stacjach elektroenergetycznych.

Tabela 1: Porównanie różnych metod synchronizacji czasu na stacji

Rodzaje zegarów

Dla standardu PTP zdefiniowane są trzy rodzaje zegarów, mianowicie Ordinary Clock (OC), Transparent Clock (TC) i Boundary Clock (BC). Zegary te współpracują ze sobą w celu dystrybucji bardzo dokładnych komunikatów synchronizacyjnych w całej strukturze czasowej.

Ordinary clock (OC) to urządzenie z pojedynczym portem obsługującym PTP. Zachowuje on skalę czasu w domenie PTP. Może zostać skonfigurowany jako zegar nadrzędny lub tylko podrzędny.

Nadrzędna rola oznacza, że ​​zegar działa w roli Grandmastera, wysyłając wiadomości synchronizacyjne do sieci. Zgodnie z definicją w PTPv2, tylko jeden zegar nadrzędny może być ostatecznym źródłem czasu w domenie i jest nazywany zegarem nadrzędnym. Jednak PTP pozwala, aby wiele zegarów mogło pełnić rolę Grandmastera, jeśli jest to wymagane. Dlatego, nawet jeśli może być więcej niż jeden zegar skonfigurowany w trybie Master, tylko jeden może zostać Grandmasterem, a reszta pozostaje w stanie pasywnym. Zegar w stanie pasywnym nie wysyła żadnych wiadomości. Traktuje się go jedynie jako Mastera zapasowego, który nasłuchuje stanu obecnego Grandmastera, czekając na przejęcie jego roli, jeśli jego precyzja się pogorszy.

Zegar tylko podrzędny oznacza, że ​​może tylko odbierać wiadomości synchronizacyjne z sieci w celu zsynchronizowania własnego wewnętrznego oscylatora, aby dopasować częstotliwość i fazę do zegara głównego.

Transparent Clock (TC) Informacje w systemach komunikacyjnych przesyłane są poprzez przełączniki i routery z pewnym opóźnieniem. Rolą TC jest dokładne zmierzenie opóźnienia przełączania i dodanie tej informacji do komunikatu PTP.

Przełączniki TC można skonfigurować na dwa sposoby: TC End-to-End (E2E) lub TC Peer-to-Peer (P2P), w zależności od zastosowanego mechanizmu pomiaru opóźnienia. Jeśli zegar działa w trybie E2E, tylko czas przebywania jest dołączany do pola korekcji docelowego komunikatu PTP. Z kolei P2P komunikuje się również z urządzeniem, do którego wysyła wiadomość w celu uzyskania informacji o opóźnieniu równorzędnym, która dodawana jest do pól korekcyjnych wraz z opóźnieniem przebywania.

Boundary clock (BC) w zasadzie działania jest podobny do TC, który normalnie działa jako przełącznik sieciowy, ale jest wyposażony w lokalny oscylator. Różnica polega na tym, że TC transportuje tylko pakiety sieciowe i oznacza je znacznikami czasu, a BC działa jako zegar pośredniczący między Grandmasterem a Slave’m. Posiada on jeden port w stanie podrzędnym, zsynchronizowany z nadrzędnym zegarem, podczas gdy pozostałe porty działają jako nadrzędne dla zegarów poniżej.

W rezultacie BC dzielą cały region czasowy na różne segmenty lub subdomeny, a każda z nich może mieć inne ustawienia konfiguracyjne. Ogólną architekturę pokazano na rysunku 1. BC może być częścią sekcji zegara głównego, a port główny może stać się Grandmasterem całej sieci, jeśli wszystkie obecne zegary główne zawiodą. Daje to ogromną przewagę nad TC, zapewniając spójne źródło czasu podczas awarii Grandmastera w celu utrzymania wspólnego odniesienia czasu dla urządzeń sieciowych. Jedną z wad BC jest to, że chociaż można je łączyć kaskadowo podobnie jak TC, to ta topologia jest podatna na wyższe skumulowane błędów synchronizacji.

Zasada działania IEEE 1588v2

Ogólnie proces synchronizacji IEEE 1588v2 składa się z dwóch etapów.

– Ustanowienie hierarchii Master-Slave: decydowanie o roli i stanie każdego portu wszystkich Ordinary Clocks (OC) i Boundary Clocks (BC),

– Synchronizacja: zegar Grandmaster zaczyna synchronizować zegary podrzędne.

Aby ustanowić hierarchię Master-Slave, konieczne jest podjęcie decyzji, który węzeł jest zegarem Grandmaster dla całego systemu, który węzeł jest zegarem głównym, a który zegarem podrzędnym. Best Master Clock Algorythm może ustanowić hierarchię Master-Slave poprzez określenie stanu każdego portu (Master, Slave lub Passive) na zegarze OC lub BC. Następnie pośrednie TC IEEE 1588v2 (np. przełączniki obsługujące standard 1588v2) mierzą opóźnienie komunikatów 1588 przesyłanych z portu w stanie Master do portu w stanie Slave. To opóźnienie zostanie następnie wykorzystane przez port w stanie Slave do dostosowania czasu lokalnego zegara.

Best Master Clock Algorithm (BMCA)

BMCA jest algorytmem podejmowania decyzji stosowanym do wszystkich węzłów obsługujących funkcję Grandmaster w celu określenia stanu zegara. Port na zegarze ma trzy możliwe stany: Master, Slave i Passive, w zależności od ustawień konfiguracji i decyzji BMCA. Każdy port w danym momencie może być w jednym stanie na raz. Urządzenia TC przesyłają tylko wiadomości sieciowe i wykonują znaczniki czasu, więc nie stosuje się do nich BMCA. Przy zmianie Mastera na nowy, okresowo rozsyła on informacje o właściwościach zegara do sieci za pomocą komunikatów Announce.

Zmiana Mastera i zainicjowanie BMCA może zostać wywołane przez brak wiadomości Announce od istniejącego Grandmastera przez pewien czas. Proces ten może być również uruchamiany automatycznie, gdy aktywny Master ulegnie degradacji lub do sieci zostanie podłączony inny węzeł z lepszym zegarem. Węzeł Grandmastera jest wybierany na podstawie komunikatów ogłoszonych wysłanych ze wszystkich węzłów do Grandmastera. BMCA wykorzystuje zestaw danych z Announce, aby zdecydować, który Master ma najlepszą wydajność, aby mógł zostać wybrany jako Grandmaster. Dane do podejmowania decyzji są wymienione poniżej, w kolejności priorytetów:

1. Grandmaster Priority 1: jest to ustawienie zdefiniowane przez użytkownika, które można skonfigurować w zakresie od 0 do 255. Niższe wartości mają pierwszeństwo. Został zaprojektowany, aby ominąć resztę porównań BMCA, aby przyspieszyć wykonanie, a także dać użytkownikom swobodę w zakresie ustawień zegara. Standard PTP nie określa ograniczeń w ustawieniach priorytetów, ale jest zdefiniowany w konkretnych profilach PTP.
2. Tożsamość Grandmastera: jest to ustawienie dla clockClass, co oznacza możliwość śledzenia czasu lub częstotliwości, czyli innymi słowy stanu zegara. Niższa wartość oznacza lepszą dokładność zegara. clockClass 255 jest używany dla zegarów podrzędnych.
3. Dokładność zegara: jest to wartość wyliczeniowa szacowana przez zegar na podstawie atrybutu źródła czasu i zdolności samego zegara do przetrzymania.
4. Odchylenie zegara (stabilność częstotliwości): Jest to wartość statystyczna skali logarytmicznej reprezentująca dokładność znacznika czasu, gdy nie jest on zsynchronizowany przez PTP na podstawie algorytmu określonego w PTPv2.
5. Grandmaster Priority 2: jest to kolejne ustawienie zdefiniowane przez użytkownika, podobne do Grandmaster Priority 1. Jeśli istnieją dwa identyczne zegary z funkcją Grandmaster, to ustawienie może być użyte do wybrania preferowanego Mastera.
6. Identyfikacja zegara: wartość adresu MAC zegara, która jest unikalną wartością dla każdego zegara w sieci LAN.

Diagram stanu BMCA przedstawiony został na rysunku 2. Ilustruje on pełną procedurę i zmianę stanu dla BMCA. Pierwszym krokiem jest ustawienie przez lokalny zegar stanu portu i wygenerowanie własnego zestawu danych po włączeniu lub ponownym uruchomieniu. Następnie przechodzi w stan nasłuchiwania, w którym nasłuchuje komunikatu Announce od innych zegarów w sieci. W tym momencie istnieją trzy możliwe stany: Master, Slave i Passive, w które ten zegar może przejść. Decyzja o stanie zależy od dwóch ważnych aspektów:

1. Porównanie zestawu danych: lokalny zegar porównuje swój własny zestaw danych z zestawem osadzonym w komunikatach z innych zegarów.
2. clockClass lokalnego zegara: jest to ustawienie atrybutu lokalnego zegara, które ogranicza stany, do których może wejść. Mniejsza wartość oznacza, że zegar jest bardziej stabilny. clockClass określa, jaką rolę może pełnić zegar.

Po podjęciu decyzji BMCA zegar wejdzie w odpowiedni stan. Wiadomość Announce jest wysyłana okresowo z zegara Grandmaster, dzięki czemu BMCA jest stale wykonywane na wszystkich zegarach, a stan zegara będzie się dynamicznie zmieniał, zarówno w zależności od stanu sieci, jak i własnych ustawień. W przypadku błędnej konfiguracji lub awarii, która powoduje, że więcej niż jeden Master przesyła komunikaty PTP, zegar podrzędny może użyć reguły BMCA, aby zdecydować, który Master jest najlepszy i odrzucić informacje od gorszego Mastera.

Two step i One step

W PTP najistotniejszą kwestią jest określenie dokładnego czasu, w którym przesyłana jest wiadomość PTP Sync, która jest odbierana przez interfejsy Ethernet zegarów podrzędnych. Nie jest możliwe ustalenie czasu wysłania wiadomości, do czasu kiedy zostanie wysłana. Czas znakowany jest w interfejsie Ethernetowym, który wspiera PTP, a następnie udostępnia tę informację do Grandmastera. Kolejnym krokiem jest wysyłanie wiadomości Follow Up, która przekazuje ten dokładny czas do najbliższego urządzenia i urządzeń końcowych. Zegary podrzędne dla uzyskania maksymalnej dokładności dodają swoje oszacowane opóźnienie w wiadomości Follow Up. Połączenie wiadomości Sync i Follow Up jest nazywane operacją „Two Steps”.

Dzięki wykorzystaniu bardziej zaawanasowanych przełączników Ethernet, możliwe jest modyfikowanie komunikatów PTPv2 w czasie rzeczywistym, aktualizując dokładny znacznik czasu w trakcie transmisji. Unikamy dzięki temu konieczności wysyłania wiadomości Follow Up i jest to operacja zwana One Step. Grandmaster rozsyła znacznik czasu w wiadomości Sync, a przezroczyste zegary zapewniają oszacowanie opóźnienia sieci w korekcie wiadomości Sync, a nie w wiadomości Follow Up, co znacząco zmniejsza ruch sieciowy.

Architekturę systemów z precyzyjną synchronizacją PTPv2 można zbudować wykorzystując One step i Two step w jednej sieci. Wówczas przełączniki będą musiały wziąć pod uwagę informację o poprawkach, które zostały wprowadzone do wiadomości Sync przezroczystych zegarów jednoetapowych oraz zaktualizowane informacje wysłane w wiadomościach Follow Up przezroczystych zegarów dwuetapowych.

IEEE 1588 Power Profile

W standardzie PTPv2 wprowadzone profile, które pozwalają na szereg opcji, jeżeli chodzi o ich konfigurację. Profile definiują pewne funkcje, wskazując ich konkretne zastosowanie.

Dla przemysłu energetycznego powstał profil IEEE Std C37.238-2011/2017, który dzięki zoptymalizowanym parametrom i przy minimalnej konfiguracji po stronie użytkownika pozwala osiągać dokładność synchronizacji poniżej 1 µs przy topologiach sieciowych typowych dla systemów automatyki stacji.

Management Information Base (MIB) dla Simple Network Management Protocol (SNMP) jest również zdefiniowany w Power Profile i umożliwia monitorowanie kluczowych parametrów urządzeń za pomocą standardowych narzędzi do zarządzania siecią. Wydajność systemu synchronizacji czasu monitorowana jest w czasie rzeczywistym, a w przypadku wystąpienia problemów lub anomalii zgłaszane są alerty do administratora.

Power Profile definiuje wymagania dla przełączników Ethernetowych, które mogą wprowadzić niedokładność nie większą niż 50ns. Zgodnie z normą, niedokładność dla Power profile nie może przekraczać poziomu 1 µs, stąd ograniczenie do 16 przełączników Ethernet w topologii sieci ringu. W niedokładności musimy również uwzględnić opóźnienie wnoszone przez zegar z GPS do 200 ns (zgodnie z normą).

Profil wymaga, aby do przełączania wszystkich wiadomości PTPv2 w sieci Ethernet były używane przełączniki Peer-to-Peer, a wszystkie wiadomości przesyłane za pomocą ramek Ethernet layer 2. Peer-to-Peer oznacza, że każde urządzenie PTP wymienia wiadomości z sąsiednim urządzeniem w sieci, aby zmierzyć opóźnienie ścieżki pomiędzy nimi – w ten sposób unikamy komunikacji każdego Slave z Masterem. Całkowite opóźnienie sieci jest obliczane przez zsumowanie opóźnień ścieżek i czasów pobytu przełącznika pomiędzy zegarem Grandmaster a każdym zegarem Slave. Ma to dwie zalety:

• Ruch i obciążenie, które kierowane jest na główny zegar w sieci, nie zawiesza się wraz z dodawaniem kolejnych urządzeń. Grandmaster komunikuje się tylko z przełącznikiem Ethernet, do którego jest podłączony.
• System PTP automatycznie kompensuje, gdy zawiedzie połączenie sieciowe i zostanie użyta alternatywna ścieżka. Opóźnienia na ścieżce są mierzone na wszystkich łączach sieciowych, nawet tych, które są zablokowane do normalnego ruchu przez protokoły SpanningTree.

PTP Messages

Do przesyłania komunikatów przy wykorzystaniu Power Profile, zostały zdefiniowane cztery klasy do synchronizacji czasu:

• Wiadomość Follow Up, która zawiera dokładne oznaczenia czasu wysłania poprzedniej wiadomości Sync, dodając informację o opóźnieniu. Opóźnienie jest sumą czasów opóźnień zegara wynikających z przebytej drogi i opóźnień w propagacji, wynikających z pracy zegara podrzędnego.
• Sync Messages, która zawiera informację o czasie zegara głównego w postaci liczby nanosekund i sekund od północy 1 stycznia 1970r.
• Komunikaty Peer Delay, które wymieniane są między urządzeniami sąsiadującymi celem określenia opóźnienia każdej z ścieżek między urządzeniami.
• Wiadomości Announce to komunikat informacyjny wysyłany przez Grandmastera, który zawiera szczegóły dotyczące dokładności czasu np. z odbiornika GPS oraz inne informacje o protokole PTPv2.

Zalety PTP

• Ruch w sieci Ethernet nie ma wpływu na dokładność synchronizacji. Jedynie w przypadku przeciążenia sieci, wiadomości PTP zostaną utracone. Można uniknąć takiej sytuacji wykorzystując w budowie architektury przełączniki Ethernetowe wyposażone w interface 10Gbit/s. Oszczędzamy dzięki temu budżet, a sieć z precyzyjną synchronizacją możemy wykorzystać do transmisji danych z synchrofazorów, do transmisji danych z szyny procesowanej IEC 61850 (MMS, GOOSE).
• PTP daje możliwość zastosowania redundantnych zegarów Grandmaster z automatycznym przełączaniem awaryjnym, jeżeli aktywny Grandmaster utraci łączność z siecią lub jakość zegara ulegnie pogorszeniu.
• Sieć może być rozbudowywana bez zbędnego obciążania Grandmastera.
• Opóźnienia propagacyjne, wynikające z długich przebiegów kabli, są automatycznie kompensowane. Dostrajania jednostek łączących i jednostek pomiaru fazorów w terenie nie musi być wykonywane ręcznie.
• W PTP szybkość wysyłana komunikatów została zoptymalizowana tak, aby sprostać wymaganiom opóźnienia poniżej 1 µs, nie powodując też nadmiernego ruchu w sieci współdzielonej.
• Brak jest problemów konfiguracyjnych dotyczących czasu UTC lub czasu lokalnego. Używana jest pojedyncza referencja czasowa, dzięki czemu wszystkie urządzenia Power Profile używają międzynarodowego czasu atomowego TAI, co pozwala uniknąć między innymi problemów z zmianą czasu.
• Do transmisji PTPv2 można wykorzystać zarówno światłowodu i skrętki Ethernet.
• Power Profile transmituje lokalne przesunięcie czasowe, więc nie ma potrzeby konfigurowania lokalnej strefy czasowej na przekaźnikach zabezpieczających.
• Wszelkie zmiany w datach działania czasu letniego muszą być wprowadzane tylko do Grandmastera, a nie do każdego urządzenia w sieci. Zastosowany mechanizm jest zdefiniowany w standardzie IEEE C37.238-2011/2017.
• W celu zwiększenia niezawodności połączeń sieciowych pomiędzy urządzeniami PTP można wykorzystać protokoły umożliwiające nadmiarowe połączenia Ethernet, takie jak protokół RSTP, równoległy protokół redundancji PRP i ring bezstratny HSR.