IEEE 1588 - sincronizzazione temporale

Un numero crescente di applicazioni di sicurezza e controllo delle sottostazioni inizia a utilizzare Ethernet come canale di comunicazione. È quindi possibile ipotizzare che Ethernet diventerà il principale mezzo di comunicazione per le stazioni future, soprattutto a livello di trasmissione.

Le stazioni digitali richiedono un'architettura di rete ottimizzata che integri completamente tutti gli elementi del sistema di automazione IEC 61850. A tale scopo è necessario che tutte le apparecchiature di controllo e misurazione, disponibili presso vari fornitori, siano plug-and-play. Numerose applicazioni IEC 61850 richiedono un'elevata precisione di sincronizzazione temporale e una ridondanza di comunicazione rapida o continua per poter funzionare correttamente e raggiungere il livello di affidabilità richiesto nelle applicazioni energetiche.

Considerando il costo e l'affidabilità dei sistemi di cronometraggio basati su ricevitori distribuiti GPS, è consigliabile che le aziende di distribuzione utilizzino un minor numero di ricevitori distribuiti GPS e sfruttino il capitale risparmiato per implementare sistemi di cronometraggio centralizzati più affidabili e robusti, con diverse fonti di dati di ingresso e algoritmi di validazione per far fronte ad eventuali interferenze intenzionali e naturali Presumendo che sia disponibile una solida fonte di tempo centralizzata, la diffusione affidabile e accurata del tempo sarà essenziale per le applicazioni critiche di controllo e misurazione che richiedono una precisione temporale pari a ±1 μs.

In termini di costi, complessità e affidabilità rispetto ai diversi metodi di sincronizzazione temporale, il PTP IEEE 1588v2 risulta essere un buon candidato per una soluzione di sincronizzazione nelle sottostazioni.

Il presente articolo funge quindi da introduzione all'IEEE 1588v2 e fornisce informazioni di base sufficienti in merito all'aspetto chiave della sincronizzazione temporale.

Che cosa è IEEE1588?

Lo standard IEEE 1588-2008 definisce la seconda generazione della tecnologia PTP, nota anche come PTPv2 o 1588v2. Lo standard PTP consente di ottenere una sincronizzazione temporale estremamente precisa con i dispositivi Ethernet, grazie alla registrazione dell'ora esatta di ricezione del messaggio di sincronizzazione PTP. Queste informazioni possono compensare l'incertezza introdotta dai sistemi operativi in tempo reale e da altri ritardi creati durante il processo di sincronizzazione nel dispositivo master e nei dispositivi sincronizzati. Il grande vantaggio del PTPv2 è che non influisce sul funzionamento di altri protocolli in esecuzione sulla rete Ethernet, rendendo possibile la coesistenza su una singola porta con per 61850, 61850-8-1 GOOSE, DNP3, Sampled Values (SV) ed altri protocolli di automazione della stazione. Nella costruzione delle stazioni è importante equipaggiare gli switch Ethernet con il supporto PTP nativo, che è disponibile solo sugli switch più sofisticati.

Il PTP supporta il funzionamento dei diversi orologi master, che tra di essi selezionano un unico orologio designato come Grandmaster. Nel caso in cui la qualità dell'orologio selezionato come master si riduca, è possibile selezionare autonomamente un orologio che funga da nuovo Grandmaster con una precisione migliore di quello attuale.

Una delle caratteristiche principali del PTP è la flessibilità, in quanto può essere utilizzato per un'ampia gamma di applicazioni di sincronizzazione temporale con una precisione inferiore a 10 ns. Tale precisione potrebbe essere raggiunta con la creazione di profili speciali per gli switch Ethernet nel PTPv2.

Il PTP si prefigge di raggiungere i seguenti obiettivi:

• precisione di temporizzazione al microsecondo o addirittura al nanosecondo,
• minimizzazione dei requisiti di risorse in termini di rete, software e hardware,
• implementazione della sincronizzazione nelle reti di dati,
• supporto di orologi con caratteristiche diverse, tra cui precisione, risoluzione e stabilità.

L'IEEE 1588 PTPv2 è utilizzato in molti settori come l'automazione industriale e le reti audio e video. Uno dei vantaggi principali è che l'IEEE 1588 può essere distribuito tramite Ethernet: non richiede una rete di distribuzione temporale addizionale e permette di evitare la necessità di installare decine di ricevitori GPS nelle sottostazioni. Allo stesso tempo, è più preciso rispetto al protocollo NTP/SNTP, in quanto lo standard IEEE 1588 è in grado di fornire una precisione inferiore al microsecondo grazie alla marcatura temporale hardware. La tabella 1 riassume le caratteristiche dei vari metodi di sincronizzazione attualmente in uso nelle sottostazioni.

Tabella 1: Confronto tra diversi metodi di sincronizzazione temporale in stazione

Tipi di orologi

Per lo standard PTP sono stati definiti tre tipi di orologi: Ordinary Clock (OC), Transparent Clock (TC) e Boundary Clock (BC). Tutti questi orologi interagiscono per distribuire messaggi di sincronizzazione altamente precisi nell'intera struttura temporale.

L’orologio Ordinary clock (OC) tè un dispositivo con una sola porta che supporta il PTP. Mantiene la scala temporale nel dominio PTP. Può essere configurato come orologio master o solo come orologio secondario.

Con il ruolo di supervisore, l'orologio funge da Grandmaster, inviando messaggi di sincronizzazione alla rete. Secondo la definizione del PTPv2, solo un orologio master può essere considerato come sorgente di tempo definitiva in un dominio e viene chiamato orologio master. Tuttavia, il PTP consente di utilizzare più orologi come Grandmaster, qualora sia necessario. Pertanto, anche se vi sono più orologi configurati in modalità Master, solo uno può diventare Grandmaster e gli altri rimangono in uno stato passivo. L'orologio nello stato passivo non invia alcun messaggio. In realtà è solo un Maestro di riserva che ascolta lo stato del Gran Maestro in carica, in attesa di assumerne il ruolo se la sua precisione si deteriora.

Un orologio solo secondario significa che può solo ricevere messaggi di sincronizzazione dalla rete per sincronizzare il proprio oscillatore interno in modo che la frequenza e la fase corrispondano a quelle dell'orologio master.

L’orologio Transparent Clock (TC) Le informazioni nei sistemi di comunicazione vengono inviate attraverso switch e router con un certo ritardo. Il ruolo dell'orologio TC è quello di misurare accuratamente il ritardo di commutazione e di aggiungere questa informazione al messaggio PTP.

Gli interruttori TC possono essere configurati in due modi TC End-to-End (E2E) oppure TC Peer-to-Peer (P2P), a seconda del meccanismo di misurazione del ritardo adottato. Se l'orologio funziona in modalità E2E, nel campo di correzione del messaggio PTP di destinazione viene incluso esclusivamente il tempo di permanenza. In cambio, il P2P comunica anche con il dispositivo a cui invia il messaggio per ottenere le informazioni sul ritardo equivalente, che viene aggiunto ai campi di correzione insieme al ritardo di permanenza.

Il principio di funzionamento del Boundary clock (BC) è simile a quello del TC, che normalmente funge da switch di rete, ma è dotato di un oscillatore locale. La differenza è che il TC trasporta solo i pacchetti di rete e li contrassegna con i timestamp, mentre il BC funge da orologio intermedio tra il Grandmaster e lo Slave. Dispone di una porta in stato di slave, sincronizzata con l'orologio master, mentre le altre porte fungono da master per gli orologi sottostanti.

Di conseguenza, gli orologi BC dividono l'intera regione temporale in diversi segmenti o sottodomini, dove ciascuno di essi può avere impostazioni di configurazione diverse. L'architettura generale è illustrata nella Figura 1. Il BC può far parte della sezione dell'orologio master e la porta master può diventare il Grandmaster dell'intera rete se tutti gli orologi master in uso vengono a mancare. In questo modo si ottiene un enorme vantaggio rispetto al TC, fornendo una sorgente del tempo coerente durante i guasti del Grandmaster per mantenere un riferimento temporale comune per i dispositivi di rete. Uno degli svantaggi degli orologi BC è che, sebbene possano essere collegati in cascata come i TC, questa topologia è soggetta a un maggiore numero di errori cumulativi di sincronizzazione.

Principio di funzionamento dell'IEEE 1588v2

In generale, il processo di sincronizzazione dello standard IEEE 1588v2 è costituito da due fasi.

- Definizione di una gerarchia Master-Slave: determinazione del ruolo e dello stato di ciascuna porta di tutti gli orologi (Ordinary Clocks (OC) i Boundary Clocks (BC),

- Sincronizzazione: l'orologio Grandmaster inizia a sincronizzare gli orologi secondari

Per stabilire una gerarchia Master-Slave, è necessario decidere quale nodo sia l'orologio Grandmaster per l'intero sistema, quale nodo sia l'orologio Master e quale l'orologio Slave. Il Best Master Clock Algorythm può stabilire una gerarchia Master-Slave specificando lo stato di ciascuna porta (Master, Slave o Passiva) su di un orologio OC o BC. I TC intermedi IEEE 1588v2 (ad esempio gli switch che supportano lo standard 1588v2) misurano quindi la latenza dei messaggi 1588 inviati da una porta nello stato Master a una porta nello stato Slave. Questo ritardo verrà quindi utilizzato dalla porta nello stato di Slave per regolare l'ora dell'orologio locale.

Best Master Clock Algorithm (BMCA)

Il BMCA è un algoritmo decisionale che viene applicato a tutti i nodi abilitati a Grandmaster per determinare lo stato dell'orologio. La porta dell'orologio ha tre possibili stati: Master, Slave e Passivo, a seconda delle impostazioni di configurazione e delle decisioni del BMCA Ogni porta, in un determinato momento, può essere in uno stato contemporaneamente. I dispositivi TC inviano soltanto messaggi di rete ed eseguono la marcatura temporale, quindi non si riferiscono al BMCA. Nel momento in cui il Master passa a uno nuovo stato, distribuisce periodicamente alla rete informazioni sulle proprietà dell'orologio tramite messaggi di Announce.

Il cambiamento di Master e quindi l'avvio di un BMCA può essere attivato qualora non venga inviato alcun messaggio Announce dal Grandmaster esistente per un certo periodo di tempo. Questo processo può anche essere attivato automaticamente quando il Master attivo si degrada o un altro nodo con un clock migliore viene collegato alla rete. Il nodo Grandmaster viene selezionato in base ai messaggi annunciati ed inviati da tutti i nodi al Grandmaster. Il BMCA utilizza la serie di dati di Announce per decidere quale Master ha le migliori prestazioni per essere selezionato come Grandmaster. I dati utilizzati nel processo decisionale sono elencati di seguito, in ordine di priorità:

1. Grandmaster Priority 1: si tratta di un'impostazione definita dall'utente che può essere configurata da 0 a 255 I valori inferiori hanno la precedenza. È stato progettato per bypassare il resto della procedura di comparazione BMCA per accelerare l'esecuzione e per dare agli utenti la possibilità di scegliere liberamente le impostazioni del clock. Lo standard PTP non prevede limitazioni nelle impostazioni di priorità, ma è definito nei profili PTP specifici.

2. Identità Grandmaster: è l'impostazione di ClockClass, ovvero la capacità di tracciare il tempo o la frequenza, in altre parole lo stato dell'orologio. Un valore inferiore indica una migliore precisione dell'orologio. clockClass 255 è utilizzato per gli orologi slave.

3. Precisione dell'orologio: si tratta di un valore calcolato stimato dall'orologio in base all'attributo della fonte del tempo e alla capacità di tenuta dell'orologio stesso.

4. Deviazione dell'orologio (stabilità della frequenza): È un valore statistico della scala logaritmica che rappresenta la precisione del timestamp, quando non è sincronizzato dal PTP, in base all'algoritmo specificato in PTPv2.

5. Grandmaster Priority 2: è un'altra impostazione definita dall'utente, simile alla priorità 1 di Grandmaster. Se ci sono due orologi Grandmaster identici, questa impostazione può essere utilizzata per selezionare il Master preferito.

6. Identificazione dell'orologio: il valore dell'indirizzo MAC dell'orologio, che è un valore unico per ogni orologio della LAN.

Il diagramma di stato del BMCA è riportato nella Figura 2. Mostra la procedura completa e il cambio di stato per il BMCA Il primo passo consiste nell'impostazione da parte dell'orologio locale dello stato della porta e nella creazione del proprio set di dati all'accensione o al riavvio. In seguito passa allo stato di ascolto, in cui attende un messaggio di Announce, inviatigli da altri orologi della rete. In questo momento troviamo tre stati possibili: Master, Slave e Passivo, in cui può transitare questo orologio La decisione sullo status dipende da due aspetti importanti:

1. Comparazione del set di dati: l'orologio locale effettua un confronto tra il proprio set di dati e quello incorporato nei messaggi degli altri orologi.

2. clockClass dell'orologio locale: è l'impostazione dell'attributo dell'orologio locale che limita gli stati in cui può entrare. Un valore inferiore significa che l'orologio è più stabile. L'opzione clockClass specifica il ruolo che l'orologio può svolgere.

Una volta presa la decisione da parte del BMCA, il timer passa allo stato adeguato. Il messaggio Announce viene inviato periodicamente dall'orologio Grandmaster, in modo che l'algoritmo imo BMCA venga eseguito continuamente su tutti gli orologi , mentre lo stato dell'orologio cambierà dinamicamente, a seconda dello stato della rete e delle proprie impostazioni. Nel caso di una configurazione errata o di un guasto che provochi l'invio di messaggi PTP da parte di più Master, l'orologio slave può utilizzare la regola BMCA per decidere quale Master sia il migliore e scartare le informazioni provenienti dal Master inferiore.

Two step i One step

Nel PTP, la questione fondamentale è quella di determinare l'ora esatta in cui viene inviato il messaggio di sincronizzazione PTP Sync, per poi essere ricevuto dalle interfacce Ethernet degli orologi slave. Non è possibile determinare l'ora di invio di un messaggio finché non viene inviato. Il tempo viene marcato sull'interfaccia Ethernet, che supporta il PTP, e quindi mette queste informazioni a disposizione del Grandmaster. Il passo successivo è l'invio di un messaggio di follow-up che trasmette l'ora esatta al dispositivo più vicino e ai dispositivi finali. Per la massima precisione, gli orologi slave aggiungono il loro ritardo stimato nel messaggio di follow-up. In questo caso, la combinazione di messaggi di sincronizzazione e di follow-up è chiamata operazione "Two Steps”.

Grazie all'uso di switch Ethernet più avanzati, è possibile modificare i messaggi PTPv2 in tempo reale, aggiornando il timestamp esatto durante la trasmissione. In questo modo si evita di inviare messaggi di follow-up e si tratta di un'operazione chiamata "One Step”. Il Grandmaster distribuisce il timestamp nel messaggio Sync, mentre gli orologi trasparenti forniscono una stima del ritardo della rete nella correzione del messaggio Sync anziché nel messaggio Follow Up, riducendo in modo significativo il traffico di rete.

È possibile realizzare un'architettura del sistema con sincronizzazione PTPv2 estremamente precisa utilizzando One step e Two step in un'unica rete. A questo punto i selettori dovranno tenere conto delle correzioni apportate ai messaggi Sync degli orologi trasparenti a One Step e delle informazioni aggiornate inviate nei messaggi Follow Up degli orologi trasparenti a Two steps.

IEEE 1588 Power Profile

Nello standard PTPv2 sono stati introdotti dei profili che consentono una serie di opzioni, che riguardano la loro configurazione. I profili definiscono alcune funzioni, indicandone l'uso specifico.

Per il settore energetico è stato sviluppato un profilo IEEE Std C37.238-2011/2017 che, con parametri ottimizzati e una minima configurazione a carico dell'utente, consente di ottenere una precisione di sincronizzazione inferiore a 1 µs con le topologie di rete classiche dei sistemi di automazione delle sottostazioni.

La Management Information Base (MIB) per il Simple Network Management Protocol (SNMP) è definita anche nel Power Profile e consente di monitorare i parametri chiave del dispositivo utilizzando strumenti standard per la gestione della rete. Le prestazioni del sistema di sincronizzazione temporale sono monitorate in tempo reale e l'amministratore viene avvisato in caso di eventuali problemi o anomalie.

Il Power Profile definisce i requisiti per gli switch Ethernet che possono introdurre un'imprecisione non superiore a 50ns. Conformemente allo standard, l'imprecisione per il profilo di potenza non deve superare il livello di 1 µs, per cui la limitazione a 16 switch Ethernet in una topologia di rete ad anello. Nel calcolo dell'imprecisione, si deve tenere conto anche del ritardo del clock del GPS, che può arrivare fino a 200 ns (secondo la norma).

Il profilo richiede che gli switch Peer-to-Peer siano utilizzati per commutare tutti i messaggi PTPv2 nella rete Ethernet, mentre tutti i messaggi vengono trasmessi utilizzando frame dell'Ethernet layer 2. Il termine Peer-to-Peer significa che ogni dispositivo PTP scambia messaggi con un dispositivo vicino nella rete per misurare il ritardo del percorso tra di essi, evitando in questo modo qualsiasi comunicazione da Slave a Master. Il ritardo totale della rete viene calcolato sommando i ritardi del percorso e i tempi di permanenza degli interruttori tra l'orologio Grandmaster e ciascun orologio slave. Due sono i vantaggi:

• Il traffico e il carico che vengono indirizzati all'orologio principale della rete non si affievoliscono con l'aggiunta di altri dispositivi. Il Grandmaster comunica solo con lo switch Ethernet a cui è collegato.

• Il sistema PTP compensa automaticamente quando la connessione di rete si interrompe e viene utilizzato un percorso alternativo. I ritardi del percorso sono misurati su tutti i collegamenti di rete, anche quelli bloccati al traffico normale dai protocolli SpanningTree.

PTP Messages

Ai fini della trasmissione di messaggi che utilizzano il Power Profile, sono state definite quattro classi per la sincronizzazione temporale:

• Il messaggio di follow-up, che include timestamp precisi del messaggio di sincronizzazione precedente, aggiunge informazioni sul ritardo. Il ritardo è la somma dei tempi di ritardo del clock derivanti dalla distanza percorsa e dai ritardi di propagazione risultanti dal clock slave.

• Il Sync Message che contiene le informazioni riguardanti l'ora dell'orologio Master espresse in numero di nanosecondi e secondi a partire dalla mezzanotte del 1° gennaio 1970.

• Messaggi Peer Delay che vengono scambiati tra dispositivi adiacenti per determinare il ritardo di ciascun percorso tra i dispositivi.

• Messaggio di Announce indica un messaggio informativo inviato da Grandmaster che contiene informazioni sulla precisione dell'ora, ad esempio di un ricevitore GPS, e altre informazioni inerenti al protocollo PTPv2.

Vantaggi del PTP

• Il traffico della rete Ethernet non influisce sulla precisione della sincronizzazione. La perdita dei messaggi PTP si verifica esclusivamente in caso di sovraccarico della rete. Per evitare questa situazione, nella progettazione dell'architettura occorre utilizzare degli switch Ethernet dotati di un'interfaccia a 10Gbit/s. In questo modo risparmiamo il budget e possiamo utilizzare la rete con una sincronizzazione precisa per trasmettere i dati dai sincrofasori, per la trasmissione dei dati dal bus di processo IEC 61850 (MMS, GOOSE).

• Il PTP offre la possibilità di utilizzare orologi Grandmaster ridondanti con failover automatico in caso di perdita di connettività di rete del Grandmaster attivo oppure in caso di deterioramento della qualità dell'orologio.

• La rete può essere espansa anche senza sovraccaricare il Grandmaster.

• I ritardi di propagazione dovuti a lunghe percorrenze dei cavi vengono compensati automaticamente. La regolazione delle unità di collegamento e delle unità di misura dei fasori sul campo non deve essere eseguita manualmente.

• Nel PTP, la velocità di invio dei messaggi è stata ottimizzata in modo da soddisfare requisiti di latenza inferiori a 1 µs, senza causare un traffico eccessivo all'interno della rete condivisa.

• Non ci sono problemi di configurazione per quanto riguarda l'ora UTC o locale. Viene utilizzato un unico riferimento temporale in modo che tutti i dispositivi Power Profile impieghino l'ora atomica internazionale TAI, in modo da evitare, tra l'altro, i problemi legati al cambio dell'ora.

• Per la trasmissione PTPv2 si possono utilizzare sia la fibra ottica che il doppino Ethernet

• Il Power Profile trasmette il fuso orario locale, quindi non è necessario configurare un fuso orario locale sui relè di protezione.

• Qualsiasi modifica apportata alle date dell'ora legale deve essere apportata soltanto all'interno di Grandmaster e non a tutti i dispositivi della rete. Il meccanismo utilizzato è definito nella norma IEEE C37.238-2011/2017.

• Per aumentare l'affidabilità delle connessioni di rete tra i dispositivi PTP si possono utilizzare protocolli che consentono connessioni Ethernet ridondanti, come il protocollo RSTP, il protocollo di ridondanza parallela PRP e il lossless ring HSR.