IEEE 1588 Sincronizarea Ceasului

Un număr tot mai mare de aplicații de securitate și control în stațiile electroenergetice încep să utilizeze Ethernet ca un canal de comunicare. Prin urmare, se poate presupune că Ethernet va deveni principalul mediu de comunicare pentru viitoarele stații, în special la nivel de transmisie.

Stațiile digitale necesită o arhitectură de rețea optimă care să integreze pe deplin toate elementele sistemului de automatizare IEC 61850. Acest lucru necesită ca toate dispozitivele de control și măsurare disponibile de la diverși furnizori să fie plug-and-play. Multe aplicații IEC 61850 necesită sincronizarea de mare precizie a ceasului și redundanță de comunicare rapidă sau fără întreruperi pentru a funcționa corect și pentru a atinge nivelul de fiabilitate cerut în aplicațiile energetice.

Având în vedere costul și fiabilitatea sistemelor de măsurare a timpului bazate pe receptoare GPS dispersate, este recomandabil ca unitățile de distribuție să utilizeze mai puține receptoare GPS dispersate și să aloce capitalul economisit pentru a implementa sisteme centralizate de măsurare a timpului mai fiabile și robuste, cu diferite surse de date de intrare și algoritmi de validare, pentru a face față tulburărilor intenționate naturale. Presupunând că este disponibilă o sursă de timp centralizată robustă, dispersarea timpului fiabilă și precisă va fi decisiv pentru aplicațiile esențiale de control și măsurare, care necesită o precizie de timp de ±1 μs.

Ȋn ceea ce privește costul, complexitatea și fiabilitatea în comparație cu diverse metode de sincronizare a ceasului, PTP IEEE 1588v2 este un bun candidat pentru rezolvarea sincronizării în stațiile electroenergetice.

Acest articol este o introducere în IEEE 1588v2 și oferă suficiente cunoștințe generale despre subiectul cheie al sincronizarii ceasului.

Ce este IEEE1588?

Standardul IEEE 1588-2008 definește a doua generație de PTP, cunoscută și ca PTPv2 sau 1588v2. Standardul PTP oferă posibilitatea de a realiza o sincronizare foarte precisă a timpului cu dispozitivele Ethernet prin înregistrarea ceasului exact de primire a mesajului de sincronizare PTP. Această informație poate compensa incertitudinea introdusă de sistemele de operare în timp real și alte întârzieri în procesul de sincronizare în dispozitivul principal, precum și în dispozitivele care sunt sincronizate. Marele avantaj al PTPv2 este lipsa de impact asupra altor protocoale care lucrează în rețeaua Ethernet, datorită cărora este posibilă coexistarea pe un singur port cu 61850, 61850-8-1 GOOSE, DNP3, Sampled Values ​​(SV) cu alte protocoale de automatizare a stației. Este important în timpul construcției stației echiparea comutatoarele Ethernet cu sprijin nativ pentru PTP, disponibil doar în cea mai înaltă clasă de comutatoare.

PTP susține deservirea mai multor ceasuri Master, care aleg între ele un singur ceas denumit Grandmaster. În cazul scăderi calității ceasului ales ca principal, în timp real este posibilă alegerea autonomă a ceasului care va funcționa ca noul Grandmaster cu o mai bună precizie decât cel actual.

Una dintre principalele caracteristici ale PTP este flexibilitatea sa, deoarece poate fi folosit pentru mai multe aplicații de sincronizare a ceasului, cu o precizie sub 10 ns. Această precizie a fost obținută prin adăugarea în PTPv2 a unor profiluri speciale pentru comutatoarele Ethernet.

Obiectivele PTP sunt:

• acuratețe de microsecunde sau chiar nanosecunde în măsurarea timpului,

• cerere minimă de resurse de rețea, software și echipament,

• implementarea sincronizării în rețelele de date,

• deservirea ceasurilor cu diferite capacități precum precizie, rezoluție și stabilitate.

IEEE 1588 PTPv2 este utilizat în multe domenii, cum ar fi automatizarea industrială și rețelele audio și video. Unul dintre avantajele cheie este că IEEE 1588 poate fi distribuit pe Ethernet: nu necesită o rețea suplimentară de distribuție a timpului și permite evitarea necesității de a instala zeci de receptoare GPS în stațiile electroenergice. În același timp, este mai precisă decât NTP/SNTP, deoarece IEEE 1588 poate oferi o acuratețe sub microsecunde cu ajutorul marcarea prin echipament a timpului. Tabelul 1 rezumă caracteristicile diferitelor metode de sincronizare disponibile în prezent în centralele electrice.

Tabelul 1: Comparația diferitelor metode de sincronizare a timpului la stație

Tipuri de ceasuri

Pentru standardul PTP sunt definite trei tipuri de ceasuri, și anume Ordinary Clock (OC), Transparent Clock (TC) și Boundary Clock (BC). Aceste ceasuri lucrează împreună pentru a distribui mesaje de sincronizare foarte precise în întreaga structură a timpului.

Ordinaru clock (OC) este un dispozitiv cu un singur port care deservește PTP. Menține scala de timp în domeniul PTP. Poate fi configurat ca un ceas principal sau secundar sau numai secundar.

Rolul primcipal înseamnă că ceasul funcţionează ȋn rolul Grandmaster, trimitând mesaje de sincronizare pe reţea. În conformitate cu definiția din PTPv2, numai un singur ceas principal poate fi sursa finală de timp în domeniu și este numit ceas principal. Cu toate acestea, PTP permite ca mai multe ceasuri să poată juca rolul de Grandmaster, dacă este necesar. Prin urmare, chiar dacă pot fi configurate mai multe ceasuri în modul Master, numaiunul poate deveni Grandmaster, iar restul rămâne în stare pasivă. Ceasul în stare pasivă nu transmite niciun mesaj. Este tratat doar ca un Maser de rezervă, care ascultă starea actualului Grandmaster, așteptând să preia rolul său dacă precizia sa se deteriorează.

Ceasul numai secundar înseamnă că poate primi doar mesaje de sincronizare din rețea pentru a sincroniza propriul oscilator intern, pentru a ajusta frecvența și faza ceasului principal.

Transparent Clock (TC) Informațiile din sistemele de comunicație sunt trimise prin comutatoare și routere cu o anumită întârziere. Rolul TC este de a măsura cu precizie întârzierea de comutare și de a adăuga aceste informații la mesajul PTP.

Comutatoarele TC pot fi configurate în două moduri: TC End-to-End (E2E) sau TC Peer-to-Peer (P2P), în funcție de mecanismul utilizat de măsurare a întârzierii. Dacă ceasul funcționează în modul E2E, la câmpul de corecție al mesajului PTP țintă este atașat doar timpul de așteptare. La rândul său, P2P se comunică și cu dispozitivul căruia îi trimite un mesaj pentru a obține informații despre întârzierea echivlentă, care se adaugă la câmpurile de corecție împreună cu întârzierea de aşteptare.

Boundary clock (BC) în principiu de funcționare este similar cu TC, care funcționează în mod normal ca un comutator de rețea, dar este echipat cu un oscilator local. Diferența este că TC transportă doar pachetele de rețea și le marchează cu marchajele de timp, iar BC acționează ca un ceas intermediar între Grandmaster și Slave. Are un port în starea secundară, sincronizat cu ceasul superior, în timp ce celelalte porturi acționează ca superioare pentru ceasurile de mai jos.

Ca rezultat, BC-urile împart întreagă regiune de timp în diferite segmente sau subdomenii, fiecare dintre acestea putând avea setări de configurare diferite. Arhitectura generală este prezentată în Figura 1. BC poate face parte din secțiunea ceasului principal, iar portul principal poate deveni Grandmaster al întregii rețele dacă toate ceasurile actuale principale dau greș. Acest lucru oferă un avantaj imens față de TC, oferind o sursă de timp coerentă în timpul defecțiuni Grandmaster ȋn scopul de a menține o referință de timp comună pentru dispozitivele de rețea. Una dintre defectele BC este că, deși pot fi unite prin cascadă în mod similar cu TC, această topologie este predispusă la erori de sincronizare cumulative mai mari.

Principiul de funcționare IEEE 1588v2

În general, procesul de sincronizare IEEE 1588v2 are două etape.

- Stabilirea ierarhiei Master-Slave: deciderea rolului și stării fiecărui port al tuturor Ordinary Clocks (OC) și Boundary Clocks (BC),

– Sincronizare: ceasul Grandmaster începe să sincronizeze ceasurile secundare.

Pentru a stabili o ierarhie Master-Slave, este necesar să decideți care nod este ceasul Grandmaster pentru întregul sistem, care nod este ceasul principal și care este ceasul secundar. Best Master Clock Algorythm poate stabili o ierarhie Master-Slave prin determinarea stării fiecărui port (Master, Slave sau Passiv) pe ceasul OC sau BC. Apoi, TC-urile intermediare IEEE 1588v2 (de ex., comutatoarele compatibile cu 1588v2) măsoară

ȋntȃrzierea mesajele 1588 trimise de la portul în starea Master către un port în starea Slave. Această întârziere va fi apoi utilizată de portul în starea Slave pentru a regla ora ceasului local.

Best Master Clock Algorithm (BMCA)

BMCA este un algoritm de luare a deciziilor aplicat tuturor nodurilor care susțin funcția Grandmaster pentru a determina starea ceasului. Portul de pe ceas are trei stări posibile: Master, Slave și Passive, în funcție de setările de configurare și deciziile BMCA. Fiecare port poate fi într-o stare la un moment dat. Dispozitivele TC transmit doar mesaje de rețea și fac marcaje de timp, astfel încât BMCA nu se aplică acestora. La schimbarea Masterului cu unul nou, acesta trimite periodic informații despre proprietățile ceasului către rețea folosind mesaje Announce.

Schimbarea Masterului și inițierea BMCA pot fi declanșate de lipsa de anunțuri Announce de la existentul Grandmaster pentru o perioadă de timp. Procesul poate fi, de asemenea, declanșat automat atunci când Masterul activ este degradat sau când un alt nod cu un ceas mai bun este conectat la rețea. Nodul Grandmaster este selectat pe baza mesajelor anunțate trimise de toate nodurile către Grandmaster. BMCA folosește un set de date de la Announce pentru a decide care Master are cea mai bună performanță pentru a putea fi ales ca Grandmaster. Datele de decizie sunt enumerate mai jos, în ordine de prioritate:

1. Grandmaster Priority 1: este o setare definită de utilizator, care poate fi configurată în intervalul de la 0 pȃnă la 255. Valoarea mai mică are prioritate. Acesta a fost proiectat pentru a ocoli restul comparațiilor BMCA, pentru a accelera execuția, precum și pentru a oferi utilizatorilor libertate în ceea ce privește setările ceasului. Standardul PTP nu stabilește restricții în setările priorităților, ci este definit în profilurile PTP specifice.

2. Identitatea Grandmaster: este setarea pentru clockClass, ceea ce înseamnă posibilitatea de a urmări timpul sau frecvența, sau în alte cuvinte starea ceasului. Valoarea mai mică înseamnă o mai bună acuratețe a ceasului. cockClass 255 este folosit pentru ceasurile secundare.

3. Precizia ceasului: Aceasta este o valoare de enumerare estimată de ceas pe baza atributului sursei de timp și a capacității ceasului în sine de reținere.

4. Devierea ceasului (stabilitatea frecvenței): este o valoare statistică a scării logaritmice care reprezintă acuratețea indicatorului de timp atunci când acesta nu este sincronizat de către PTP pe baza algoritmului definit în PTPv2.

5. Grandmaster Priority 2: este o altă setare definită de utilizator, similară cu Grandmaster Priority 1. Dacă există două ceasuri identice cu funcția Grandmaster, această setare poate fi folosită pentru a selecta un Master preferat.

6. Identificarea ceasului: valoarea adresei MAC a ceasului, care este unică pentru fiecare ceas din rețeaua LAN.

Diagrama de stare BMCA este prezentată în Figura 2. Ea ilustrează procedura completă și schimbarea stării pentru BMCA. Primul pas este ca ceasul local să seteze starea portului și să genereze propriul set de date după pornire sau repornire.

Apoi intră într-o stare de ascultare în care ascultă un mesaj Announce de la alte ceasuri din rețea. În acest moment, există trei stări posibile: Master, Slave și Passiv în care poate intra acest ceas. Decizia privind starea depinde de două aspecte importante:

1. Compararea setului de date: ceasul local compară propriul set de date cu cel încorporat în mesajele din alte ceasuri.

2. clockClass ceasului local: este setarea unui atribut local al ceasului care limitează stările în care poate intra. O valoare mai mică înseamnă că ceasul este mai stabil. clockClass specifică ce rol poate juca un ceas.

După decizia BMCA, ceasul va intra în starea adecvată. Mesajul Announce este trimis periodic de pe ceasul Grandmaster, astfel încât BMCA să fie executat în mod constant pe toate ceasurile, iar starea ceasului se va schimba dinamic, atât în funcție de starea rețelei, cât și de setările proprii. În cazul unei configurări greșită sau al unei defecțiuni care determină că mai mult de un Master va transmite mesaje PTP, un ceas secundar poate folosi regulile BMCA pentru a decide care Master este mai bun și poate respinge informațiile de la un Master mai rău.

Two step și One step

În PTP, cea mai importantă problemă este determinarea orei exacte la care este trimis mesajul PTP Sync, care este primit de interfețele Ethernet ale ceasurilor secundare. Nu este posibil să se determine ora trimiterii unui mesaj până când acesta nu este trimis. Ora marcată este în interfața Ethernet, care susține PTP și apoi distribuie această informație către Grandmaster. Următorul pas este trimiterea unui mesaj Follow Up, care transmite acest timp exact către cel mai apropiat dispozitiv și dispozitive finale. Ceasurile secundare, pentru a obține o precizie maximă, adaugă întârzierea estimată în mesajul Follow Up. Conexiunea mesajelor Sunc și Follow Up se numește operație „Two Steps”.

Prin utilizarea unor comutatoare Ethernet mai avansate, este posibilă modificarea mesajelor PTPv2 în timp real, actualizând marcajul exact de timp în timpul transmisiei. Astfel, evităm nevoia de a trimite mesaje Follow Up, şi aceasta este operaţia numită One Step. Grandmaster trimite un marcaj de timp în mesajul Sync, iar ceasurile transparente oferă o estimare a întârzierii rețelei în corectarea mesajului Sync, și nu în mesajul Follow Up, reducând semnificativ traficul rețelei.

Arhitectura sistemelor cu sincronizare precisă PTPv2 poate fi construită folosind One step și Two step într-o singură rețea. Atunci, comutatoarele vor trebui să ia în considerare informațiile despre corectările care au fost făcute la mesajele de sincronizare ale ceasurilor transparente cu un singur pas și informațiile actualizate trimise în mesajele Follow Up ale ceasurilor transparente de două etape.

IEEE 1588 Power Profile

În PTPv2 sunt introduse profiluri care permit o serie de opțiuni în ceea ce privește configurarea acestora. Profilurile definesc anumite funcții, indicând utilizarea lor specifică.

Profilul IEEE Std C37.238-2011/2017 a fost creat pentru industria energiei, care, datorită parametrilor optimizați și a configurării minime pe partea utilizatorului, permite obținerea unei precizii de sincronizare sub 1 μs la topologii de rețea tipice sistemelor de automatizare a stațiilor.

Management Information Base (MIB) pentru Simple Network Management Protocol (SNMP) este, de asemenea, definit în Power Profile și permite monitorizarea parametrilor critici ai dispozitivelor cu ajutorul instrumentelor standard de management al rețelei. Performanța sistemului de sincronizare a timpului este monitorizată în timp real, iar în cazul unor probleme sau anomalii, sunt raportate alerte administratorului.

Power Profile definește cerințele pentru comutatoarele Ethernet care pot introduce o inexactitate de maximum 50 ns. În conformitate cu standardul, inexactitudinea pentru Power Profile nu trebuie să depășească 1 μs, de aici limitarea la 16 comutatoare Ethernet în topologia rețelei ringului. La inexactitudine, trebuie să luăm în considerare, de asemenea, întârzierea adusă de ceas cu GPS până la 200 ns (conform standardului).

Profilul solicită ca pentru comutarea a tuturor mesajelor PTPv2 din rețeaua Ethernet să fie utilizate comutatorile Peer-to-Peer, iar toate mesajele transmise prin cadre Ethernet layer 2. Peer-to-Peer înseamnă că fiecare dispozitiv PTP schimbă mesaje cu un dispozitiv vecin pe rețea, pentru a măsura întârzierea traseului dintre ele ̇- astfel evităm comunicarea fiecărui Slave cu Master. Întreaga întârziere a rețelei este calculată prin sumarea întârzierilor traseurilor și a timpului de așteptare al comutatorului între ceasul Grandmaster și fiecare ceas Slave. Aceasta Are două avantaje:

• Traficul și încărcarea, care sunt direcționate către ceasul principal din rețea, nu se suspendă pe măsură ce se adaugă mai multe dispozitive. Grandmaster se comunică numai cu comutatorul Ethernet la care este conectat.

• Sistemul PTP compensează automat atunci când conexiunea la rețea nu funcționează și este utilizat un traseu alternativ. Ȋntȃrzierea pe traseu este măsurată pe toate legăturile de rețea, chiar și pe cele care sunt blocate pentru traficul normal de protocoalele SpanningTree.

PTP Messages

Pentru transmiterea mesajelor folosind Power Profile, au fost definite patru clase de sincronizare a timpului:

• Mesajul Follow Up, care conține marcajele de timp exacte ale mesajului Sync. trimis anterior, adăugând informații despre întârziere. Întârzierea este suma timpurilor de întârziere ale ceasului rezultate din distanța parcursă și a întârzierilor de propagare rezultate din funcționarea ceasului secundar.

• Sync Messages, care conţine informaţii despre timpul ceasului principal în formă de nanosecunde şi secunde de la miezul nopţii din 1 ianuarie 1970.

• Mesajele Peer Delay, care sunt schimbate între dispozitivele învecinate pentru a determina întârzierea fiecărui traseu între dispozitive.

• Mesajul Announce este un mesaj informativ trimis de către Grandmaster, care conține detalii cu privire la acuratețea timpului, de exe., din receptorul GPS și alte informații despre protocolul PTPv2.

Avantajele PTP

• Traficul Ethernet nu afectează acuratețea sincronizării. Numai în caz de suprasolicitare a rețelei, mesajele PTP se vor pierde. Această situație poate fi evitată prin utilizarea, în construcția arhitecturii, a comutatorilor Ethernet cu interfață de 10 Gbit/s. Datorită acestui fapt, economisim bugetul, iar rețeaua cu sincronizare precisă poate fi folosită pentru transmiterea datelor de la sincrofazori, pentru transmiterea datelor de la șina de procesare IEC 61850 (MMS, GOOSE).

• PTP oferă posibilitatea folosirii ceasuri redundante Grandmaster cu comutare automată de urgență dacă Grandmaster-ul activ pierde conexiunea la rețea sau calitatea ceasului se degradează.

• Rețeaua poate fi extinsă fără sarcini inutile pentru Grandmaster.

• Întârzierile de propagare care rezultă din cablurile lungi sunt compensate automat. Ajustarea unităților de legătură și a unităților de măsurare a fazorilor în teren nu trebuie făcută manual.

• În PTP, viteza de trimitere a mesajelor a fost optimizată pentru a îndeplini cerințele de ȋntȃrziere mai mici de 1 µs, fără a pricinui trafic excesiv în rețeaua partajată.

• Nu există probleme de configurare a orei locale sau UTC. Este utilizată o singură referință de timp, astfel încât toate dispozitivele Power Profile utilizează Ora atomică internațională TAI, ceea ce evită, printre alte probleme, problemele legate de schimbarea orei

• Pentru transmisia PTPv2, pot fi utilizate atât fibra optică, cât și bucla Ethernet.

• Power Profile transmite schimbare de timp locală, astfel încât nu este nevoie să se configureze zona de timp local pe emițătoarele de protecție.

• Orice modificare a datelor de funcționare a orelor de vară trebuie setat numai pentru Grandmaster și nu pentru fiecare dispozitiv din rețea. Mecanismul utilizat este definit în standardul IEEE C37.238-2011/2017.

• Pentru a mări fiabilitatea conexiunilor de rețea între dispozitivele PTP, pot fi utilizate protocoale care permit conectarea excesivă a Ethernet, cum ar fi protocoalele RSTP, PRP și HSR.