Sincronización horaria IEEE 1588

Cada vez son más las aplicaciones de protección y control en las subestaciones que empiezan a utilizar Ethernet como canal de comunicación. Por consiguiente, cabe suponer que Ethernet se convertirá en el principal medio de comunicación de las futuras subestaciones, especialmente en el nivel de transmisión.

Las subestaciones digitales requieren una arquitectura de red optimizada que integre plenamente todos los componentes del sistema de automatización IEC 61850. Para ello es necesario que todos los equipos de control y medición, disponibles en varios proveedores, sean plug-and-play. Muchas aplicaciones IEC 61850 requieren una alta precisión de temporización y una redundancia de comunicación rápida o sin fisuras para funcionar correctamente y alcanzar el nivel de fiabilidad requerido en las aplicaciones de energía.

Teniendo en cuenta el coste y la fiabilidad de los sistemas de cronometraje basados en receptores GPS distribuidos, es aconsejable que las empresas de distribución utilicen menos receptores GPS distribuidos y utilicen el capital ahorrado para implantar sistemas de cronometraje centralizados más fiables y robustos con diferentes fuentes de datos de entrada y algoritmos de validación para hacer frente a las perturbaciones intencionadas y naturales. Suponiendo que se disponga de una sólida fuente de temporización centralizada, la difusión fiable y precisa de la temporización será crucial para las aplicaciones críticas de control y medición que requieran una precisión de temporización de ±1 μs.

En términos de coste, complejidad y fiabilidad en comparación con diferentes métodos de sincronización horaria, el PTP IEEE 1588v2 es un buen candidato para una solución de sincronización en subestaciones.

Este artículo ofrece una introducción a la norma IEEE 1588v2 y proporciona conocimientos suficientes sobre la cuestión clave de la sincronización horaria.

¿Qué es IEEE1588?

La norma IEEE 1588-2008 define la segunda generación de PTP, también conocida como PTPv2 o 1588v2. El estándar PTP ofrece la posibilidad de lograr una sincronización horaria muy precisa con los dispositivos Ethernet mediante el registro de la hora exacta en que se recibió el mensaje de sincronización PTP. Esta información puede compensar la incertidumbre introducida por los sistemas operativos en tiempo real y otros retrasos creados durante el proceso de sincronización en el dispositivo maestro, así como en los dispositivos que se sincronizan. La gran ventaja de PTPv2 es que no afecta al funcionamiento de otros protocolos que se ejecutan en la red Ethernet, por lo que es posible que coexista en un mismo puerto con para 61850, 61850-8-1 GOOSE, DNP3, Sampled Values (SV) y otros protocolos de automatización de estaciones. Cuando se construyen estaciones, es importante equipar los conmutadores Ethernet con soporte PTP nativo, disponible sólo en los conmutadores de gama alta.

PTP soporta múltiples relojes maestros, que entre ellos seleccionan un único reloj designado como Gran Maestro. En caso de que el reloj seleccionado como maestro baje de categoría, es posible seleccionar autónomamente un reloj que actúe como nuevo Gran Maestro con mejor precisión que el actual.

Una de las principales características del PTP es su flexibilidad, ya que puede utilizarse para muchas aplicaciones de sincronización horaria con una precisión inferior a 10 ns. Esta precisión podría lograrse añadiendo perfiles especiales para los conmutadores Ethernet en PTPv2.

Los objetivos del PTP son lograr:

• • precisión de microsegundos o incluso de nanosegundos,
  • minimizar las necesidades de recursos en términos de red, software y hardware,
  • implementación de la sincronización en las redes de datos,
  • soporte para relojes con diferentes capacidades como la precisión, la resolución y la estabilidad.

IEEE 1588 PTPv2se utiliza en muchos ámbitos, como la automatización industrial y las redes de audio y vídeo. Una ventaja clave es que IEEE 1588 puede distribuirse a través de Ethernet: no requiere una red de distribución horaria adicional y evita la necesidad de instalar decenas de receptores GPS en las subestaciones. Al mismo tiempo, es más preciso que NTP/SNTP, ya que IEEE 1588 puede proporcionar una precisión de sub-microsegundos mediante el sellado de tiempo por hardware. El cuadro 1 resume las características de los diferentes métodos de sincronización disponibles actualmente en las subestaciones.

Tabela 1: Comparación de diferentes métodos de sincronización horaria en la estación

Tipos de relojes

Para el estándar PTP se definen tres tipos de relojes, a saber, Reloj Ordinario (OC), Reloj Transparente (TC) y Reloj de Límite (BC). Estos relojes trabajan juntos para distribuir mensajes de sincronización de alta precisión en toda la estructura de sincronización.

Ordinary clock (OC)

es un dispositivo con un solo puerto que soporta PTP. Mantiene la escala de tiempo en el dominio PTP. Puede configurarse como reloj maestro o sólo como reloj esclavo.

El papel de maestro significa que el reloj actúa como Gran Maestro, enviando mensajes de sincronización a la red. Tal y como se define en PTPv2, sólo un reloj maestro puede ser la fuente de tiempo definitiva en un dominio y se denomina reloj maestro. Sin embargo, PTP permite que varios relojes actúen como Gran Maestro si es necesario. Por lo tanto, aunque haya más de un reloj configurado en modo maestro, sólo uno puede convertirse en Gran Maestro y el resto permanece en estado pasivo. Un reloj en estado pasivo no envía ningún mensaje. Sólo se trata de un Maestro de reserva, que escucha el estado del Gran Maestro actual, a la espera de asumir su papel si su precisión se deteriora.

Un reloj sólo esclavo significa que sólo puede recibir mensajes de sincronización de la red para sincronizar su propio oscilador interno para hacer coincidir la frecuencia y la fase con el reloj maestro.

Transparent Clock (TC)

La información en los sistemas de comunicación se envía a través de conmutadores y routers con cierto retraso. La función del TC es medir con precisión el retardo de conmutación y añadir esta información al mensaje PTP.

Los interruptores TC pueden configurarse de dos maneras: TC End-to-End (E2E) o TC Peer-to-Peer (P2P), dependiendo del mecanismo de medición de retardo utilizado. Si el reloj funciona en modo E2E, sólo se incluye el tiempo de permanencia en el campo de corrección del mensaje PTP de destino. El P2P, por su parte, también se comunica con el dispositivo al que envía el mensaje para obtener información sobre el retardo de los pares, que se añade a los campos de corrección junto con el retardo de la estancia.

Boundary clock (BC)

en principio de funcionamiento es similar al TC, que normalmente actúa como conmutador de red, pero está equipado con un oscilador local. La diferencia es que el TC sólo transporta paquetes de red y los marca con marcas de tiempo, mientras que el BC actúa como reloj intermediario entre el Gran Maestro y el esclavo. Tiene un puerto en estado esclavo, sincronizado con el reloj maestro, mientras que los otros puertos actúan como maestros para los relojes inferiores.

Como resultado, las BCs dividen toda la región temporal en diferentes segmentos o subdominios, cada uno de los cuales puede tener diferentes ajustes de configuración. La arquitectura general se muestra en la Figura 1. Un BC puede formar parte de una sección de reloj maestro, y el puerto maestro puede convertirse en el Gran Maestro de toda la red si todos los relojes maestros actuales fallan. Esto da una gran ventaja sobre el TC, proporcionando una fuente de tiempo consistente durante el fallo del Grandmaster para mantener una referencia de tiempo común para los dispositivos de la red. Una de las desventajas de los BC es que, aunque pueden conectarse en cascada de forma similar a los TC, esta topología es susceptible de sufrir mayores errores de sincronización acumulados.

Principio de funcionamiento IEEE 1588v2

En general, el proceso de sincronización IEEE 1588v2 consta de dos etapas.

-Establecer una jerarquía maestro-esclavo: decidir el papel y el estado de cada puerto de todos los relojes ordinarios (OC) y Boundary Clocks (BC),

–

Sincronización: el reloj Gran Maestro comienza a sincronizar los relojes esclavos.

Para establecer una jerarquía Maestro-Esclavo, es necesario decidir qué nodo es el reloj Gran Maestro de todo el sistema, qué nodo es el reloj maestro y cuál es el reloj esclavo. El Algoritmo de Mejor Reloj Maestro puede establecer una jerarquía Maestro-Esclavo determinando el estado de cada puerto (Maestro, Esclavo o Pasivo) en el reloj OC o BC. Los TCs intermedios IEEE 1588v2 (por ejemplo, los switches que soportan el estándar 1588v2) miden entonces la latencia de los mensajes 1588 enviados desde un puerto en estado Maestro a un puerto en estado Esclavo. Este retraso será utilizado por el puerto en estado esclavo para ajustar la hora del reloj local.

Best Master Clock Algorithm (BMCA)

El BMCA es un algoritmo de toma de decisiones que se aplica a todos los nodos con capacidad de Grandmaster para determinar el estado del reloj. Un puerto del reloj tiene tres estados posibles: Maestro, Esclavo y Pasivo, según los ajustes de configuración y las decisiones del BMCA. Cada puerto puede estar en un estado a la vez. Los dispositivos TC sólo envían mensajes de red y realizan marcas de tiempo, por lo que la BMCA no se aplica a ellos. Cuando el maestro cambia a uno nuevo, distribuye periódicamente información sobre las propiedades del reloj a la red mediante mensajes de anuncio.

El cambio de maestro y la iniciación de un BMCA pueden ser activados por la ausencia de mensajes de anuncio del gran maestro existente durante un período de tiempo. Este proceso también puede activarse automáticamente cuando el maestro activo se degrada o se conecta a la red otro nodo con un reloj mejor. El nodo Grandmaster se selecciona en función de los mensajes de anuncio enviados por todos los nodos al Grandmaster. El BMCA utiliza el conjunto de datos de Announce para decidir qué Maestro tiene el mejor rendimiento para ser seleccionado como Gran Maestro. Los datos para la toma de decisiones se enumeran a continuación, por orden de prioridad:

1. Grandmaster Priority 1:es un ajuste definido por el usuario que puede configurarse de 0 a 255. Los valores más bajos tienen prioridad. Está diseñado para eludir el resto de las comparaciones del BMCA para acelerar la ejecución, y para dar a los usuarios libertad en cuanto a la configuración del reloj. El estándar PTP no especifica restricciones en la configuración de la prioridad, sino que se define en perfiles PTP específicos.
2. Identidad de gran maestro: es la configuración de clockClass, que significa la capacidad de seguir el tiempo o la frecuencia, es decir, el estado del reloj. Un valor más bajo significa una mayor precisión del reloj. clockClass 255 se utiliza para los relojes esclavos.
3. Precisión del reloj: se trata de un valor calculado por el reloj en función del atributo de la fuente de tiempo y de la capacidad de retención del propio reloj.
4. Desviación del reloj (estabilidad de la frecuencia): Se trata de un valor estadístico de la escala logarítmica que representa la precisión de la marca de tiempo cuando no está sincronizada por el PTP en base al algoritmo especificado en el PTPv2.
5. Grandmaster Priority 2:es otro ajuste definido por el usuario, similar a la Prioridad Grandmaster 1. Si hay dos relojes Grandmaster idénticos, este ajuste se puede utilizar para seleccionar el Master preferido.
6. Identificación del reloj: el valor de la dirección MAC del reloj, que es un valor único para cada reloj en la LAN.

El diagrama de estado del BMCA se muestra en la figura 2, que ilustra el procedimiento completo y el cambio de estado del BMCA. El primer paso es que el reloj local establezca el estado del puerto y genere su propio conjunto de datos cuando se encienda o reinicie. A continuación, entra en un estado de escucha en el que espera un mensaje de anuncio de otros relojes de la red. En este punto hay tres estados posibles: Maestro, Esclavo y Pasivo, en los que este reloj puede transitar. La decisión del Estado depende de dos aspectos importantes:

1. Comparación del conjunto de datos: el reloj local compara su propio conjunto de datos con el conjunto incluido en los mensajes de otros relojes.
2. clockClass localclock: es la configuración del atributo de reloj local que limita los estados en los que puede entrar. Un valor menor significa que el reloj es más estable. clockClass especifica qué función puede desempeñar el reloj.

Una vez tomada la decisión de la BMCA, el reloj entrará en el estado adecuado. El mensaje Announce se envía periódicamente desde el reloj Grandmaster, por lo que BMCA se ejecuta continuamente en todos los relojes y el estado del reloj cambiará dinámicamente, dependiendo tanto del estado de la red como de su propia configuración. En caso de una mala configuración o un fallo que haga que más de un Maestro envíe mensajes PTP, el reloj esclavo puede utilizar la regla BMCA para decidir qué Maestro es el mejor y descartar la información del Maestro inferior.

Two step i One step

En PTP, la cuestión más crítica es determinar el momento exacto en que se envía y recibe un mensaje de sincronización PTP por las interfaces Ethernet de los relojes esclavos. No es posible determinar la hora de envío de un mensaje hasta que se envía. La hora se etiqueta en la interfaz Ethernet que soporta PTP y luego comparte esta información con el Gran Maestro. El siguiente paso es enviar un mensaje de seguimiento, que transmite esta hora exacta al dispositivo más cercano y a los dispositivos finales. Los relojes esclavos añaden su retraso estimado en el mensaje de seguimiento para obtener la máxima precisión. La combinación de mensajes de sincronización y seguimiento se denomina operación de “dos pasos”.

Con el uso de conmutadores Ethernet más avanzados, es posible modificar los mensajes PTPv2 en tiempo real, actualizando la marca de tiempo precisa durante la transmisión. Esto evita la necesidad de enviar mensajes de seguimiento y se conoce como una operación de un solo paso. Grandmaster distribuye la marca de tiempo en el mensaje de sincronización, y los relojes transparentes proporcionan una estimación del retraso de la red en la corrección del mensaje de sincronización en lugar de en el mensaje de seguimiento, lo que reduce significativamente el tráfico de la red.

La arquitectura de los sistemas PTPv2 Precision Sync puede construirse utilizando One step y Two step en una sola red. Los conmutadores tendrán entonces que tener en cuenta la información de corrección que se ha insertado en los mensajes de sincronización de los relojes transparentes de un paso y la información actualizada enviada en los mensajes de seguimiento de los relojes transparentes de dos pasos.

IEEE 1588 Power Profile

El estándar PTPv2 introduce los perfiles, que permiten una serie de opciones a la hora de su configuración. Los perfiles definen ciertas funciones, indicando su uso específico.

Para la industria energética se creó el perfil IEEE Std C37.238-2011/2017 que, gracias a unos parámetros optimizados y con una configuración mínima por parte del usuario, permite alcanzar una precisión de sincronización inferior a 1 µs con topologías de red típicas de los sistemas de automatización de subestaciones.

La Base de Información de Gestión (MIB) para el Protocolo Simple de Gestión de Red (SNMP) también está definida en el Perfil de Potencia y permite supervisar los parámetros clave del dispositivo mediante herramientas de gestión de red estándar. El rendimiento del sistema de sincronización horaria se supervisa en tiempo real y se alerta al administrador si se producen problemas o anomalías.

El perfil de potencia define los requisitos para los conmutadores Ethernet que pueden introducir una imprecisión de no más de 50ns. Según la norma, la imprecisión del perfil de potencia no debe superar el nivel de 1 µs, de ahí la limitación a 16 conmutadores Ethernet en una topología de red en anillo. En la inexactitud debemos incluir también el retardo aportado por el reloj del GPS hasta 200 ns (según la norma).

El perfil requiere que se utilicen conmutadores Peer-to-Peer para conmutar todos los mensajes PTPv2 en la red Ethernet, con todos los mensajes enviados utilizando tramas de capa 2 de Ethernet. Peer-to-Peer significa que cada dispositivo PTP intercambia mensajes con un dispositivo vecino en la red para medir el retardo de la ruta entre ellos – evitando así que cada Slave se comunique con el Master. El retardo total de la red se calcula sumando los retardos del camino y los tiempos de permanencia de los interruptores entre el reloj Gran Maestro y cada reloj Esclavo. Esto tiene dos ventajas:

• El tráfico y la carga que se dirige al reloj principal de la red no falla a medida que se añaden más dispositivos. El Grandmaster sólo se comunica con el switch Ethernet al que está conectado.
• El sistema PTP compensa automáticamente cuando falla un enlace de red y se utiliza una ruta alternativa. Los retrasos de las rutas se miden en todos los enlaces de la red, incluso en los que están bloqueados al tráfico normal por los protocolos SpanningTree.

PTP Messages

Para la transmisión de mensajes mediante el perfil de potencia, se han definido cuatro clases para la sincronización horaria:

• Mensaje de seguimiento, que contiene las marcas de tiempo exactas del mensaje de sincronización anterior, añadiendo información de retraso. El retardo es la suma de los tiempos de retardo del reloj resultantes de la distancia recorrida y los retrasos de propagación resultantes del reloj esclavo.
• Mensajes de sincronización, que contiene información sobre la hora del reloj maestro en forma de número de nanosegundos y segundos desde la medianoche del 1 de enero de 1970.
• Mensajes de retardo de pares que se intercambian entre dispositivos adyacentes para determinar el retardo de cada ruta entre dispositivos.
• Un mensaje de anuncio es un mensaje de información enviado por Grandmaster que contiene detalles de la precisión del tiempo de, por ejemplo, un receptor GPS y otra información sobre el protocolo PTPv2.

Ventajas PTP

• El tráfico Ethernet no afecta a la precisión de la sincronización. Sólo si la red está sobrecargada se perderán los mensajes PTP. Esta situación puede evitarse utilizando conmutadores Ethernet equipados con una interfaz de 10 Gbit/s en el diseño de la arquitectura. Esto ahorra el presupuesto y la red con una sincronización precisa puede utilizarse para la transmisión de datos de sincrofasores, para la transmisión de datos de bus de proceso IEC 61850 (MMS, GOOSE).
• PTPofrece la opción de utilizar relojes Grandmaster redundantes con conmutación automática si el Grandmaster activo pierde la conectividad de la red o la calidad del reloj se degrada.
  La red puede ampliarse sin que suponga una carga excesiva para el Gran Maestro.
• Los retrasos de propagación debidos a los largos recorridos de los cables se compensan automáticamente. El ajuste de las unidades de enlace y de las unidades de medición del fasor en el campo no tiene que hacerse manualmente.
• En PTP, la velocidad de envío de los mensajes se ha optimizado para cumplir con los requisitos de latencia de menos de 1 µs, sin provocar además un tráfico excesivo en la red compartida.
• No hay problemas de configuración en cuanto a la hora UTC o local. Se utiliza una única referencia horaria para que todos los dispositivos de Power Profile utilicen la hora atómica internacional TAI, evitando, entre otras cosas, los problemas de cambio de hora.
• Tanto la fibra óptica como el par trenzado pueden utilizarse para la transmisión PTPv2 Ethernet.
• Power Profile transmite un desfase horario local, por lo que no es necesario configurar una zona horaria local en los relés de protección.
• Cualquier cambio en las fechas del horario de verano sólo debe introducirse en Grandmaster y no en todos los dispositivos de la red. El mecanismo utilizado se define en la norma IEEE C37.238-2011/2017.
• Los protocolos que permiten conexiones Ethernet redundantes, como el protocolo RSTP, el protocolo de redundancia paralela PRP y el anillo sin pérdidas HSR, pueden utilizarse para aumentar la fiabilidad de las conexiones de red entre dispositivos PTP.