基于PTP报文的智能变电站IEEE1588交换机测试技术研究

李 辉，李振海，唐金锐，余 斌，杨经超，陈吕泉，杨洪辉

（1.国网湖南电力科学研究院，湖南长沙 410007；2.武汉理工大学自动化学院，湖北武汉 430070；3.武汉凯默电气有限公司，湖北武汉 430223）

0 引言

应用于智能变电站的时间同步技术主要有全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）、网络时间协议（Network Time Protocol，NTP）、靶场仪器组B 码（Inter-Range Instrumentation Group-B，IRIG-B）时钟同步及基于精确时钟协议（Precise Time Protocol，PTP）的IEEE1588 时间同步系统[1]。我国在GNSS 授时中主要采用GPS 授时[2]和北斗授时[3]2 种方案，GNSS 的优点为授时精度高、实时性好，主要适用于变电站主时钟的授时[4]。NTP通过网络服务器向网络内终端广播同步报文，从而将主时钟的时间信息发送到各终端实现时钟同步[5]，NTP 的优点为不需要增设硬件且更经济，但其同步精度只能达到ms 级[6]，无法适用于高精度的测量、保护和控制任务。IRIG-B 的优点是信息传输速度快且精度高，可广泛应用于传统变电站中各设备之间的时钟同步[7-8]，但随着智能变电站的发展，IRIGB 时钟同步方式已不适用于网络式站控层与过程层的拓扑结构[9]。IEEE1588 时间同步系统的精度可达1 μs[10-11]，能够满足变电站间隔层设备在测量、保护和控制功能方面对时间精度的要求，且IEEE1588时间同步系统可与智能变电站共用自动化网络，构建完整的站域网络式时钟同步系统。

为保证智能变电站IEEE1588 时间同步系统的精确稳定运行[12-15]，需对支持IEEE1588 点对点透明时钟（Point to Point，P2P）协议的交换机的驻留时间和端口路径延时误差进行测试。现有研究对智能变电站IEEE1588 时间同步系统测试技术涉及的不多，文献[16]利用示波器分析了不同网络包长度和不同传输数据率下的PTP 同步性能，但其时钟同步测试系统的拓扑结构过于简单，不适用于现场的测试环境。文献[17]对IEEE1588 时间同步系统中的P2P 透明时钟驻留时间误差进行了测试，但是该测量方法没有考虑端口路径延时校正误差，且无法用于有源P2P 交换机的授时精度测试。文献[18]对IEEE1588 时间同步系统中透明时钟的工作原理进行了分析，并通过时钟测试仪对P2P 和端到端（End to End，E2E）透明时钟的性能进行了比较。但其用于测试的时钟网络结构较为简单，采用测试仪直接连接主时钟和从时钟进行授时精度测试的方法也难以应用于实际系统中的授时精度测试。文献[19]提出评估IEEE1588 时间戳不确定性的指标，可以对PTP 报文时间戳精度进行评估，但没有进一步提出PTP 时钟授时精度的测试方法。文献[20]比较了IEEE1588 输出的秒脉冲（Pulse Per Second，PPS）与标准PPS 信号的差异，然而由于交换机中本地时钟不参与IEEE1588 同步过程，该方法无法用于交换机授时精度的测量。

针对智能变电站的交换机中本地时钟波动导致的时间同步系统可靠性差的问题，本文首先分析了智能变电站中P2P 透明时钟交换机的工作原理及其误差的主要来源。然后提出基于PTP 同步报文的P2P 交换机有源和无源误差测试方法，这2 种方法分别适用于交换机在有时钟源接入和无时钟源接入情况下的测试需要。最后使用所研发的手持式IEEE1588 交换机测试仪进行实地测试，验证了所提方法的有效性。

1 IEEE1588 交换机在智能变电站中的应用

IEEE1588 时钟同步系统内时钟域包含普通时钟、边界时钟、P2P 透明时钟和E2E 透明时钟[21]。其中P2P 透明时钟能够对报文在透明时钟中的驻留时间以及2 个时钟端口之间的路径延时进行校正[22]，非常适合作为智能变电站IEEE1588 时钟同步系统的交换机。P2P 透明时钟驻留时间和路径延时校正模型如图1 所示。其中“+”为2 个时间戳相加，“-”为2 个时间戳相减。

图1 P2P透明时钟驻留时间和路径延时校正模型Fig.1 P2P transparent clock resident time and path delay correction model

由图1 可知，在P2P 透明时钟中用报文离开时间戳减去报文进入时间戳得到报文在该交换机中的驻留时间，再将驻留时间加上入口的路径延时以及报文的校正值，即可完成对驻留时间和路径延时的校正。

P2P 透明时钟不仅可以对报文的驻留时间进行校正，还可以对2 个时钟端口之间的路径延时进行校正，P2P 透明时钟端口路径延时计算原理如图2 所示。

图2 P2P透明时钟端口路径延时计算原理Fig.2 Port link delay calculation of P2P transparent clock

由图2 可知，入口路径延时通过在P2P 透明时钟端口之间基于对等延时机制进行测量得到。图2中ΔL12和ΔL21分别代表端口1 到端口2 之间的路径延时、端口2 到端口1 的路径延时。端口1 和端口2 之间的平均路径延时通过计算Pdelay_Req，Pdelay_Resp 和Pdelay_Resp_Follow_Up 报文的发送和接收时间得到。通过记录端口1 的发送时间和接收时间，以及端口2 的接收时间和发送时间，计算得到2 个端口之间的时间偏差，从而对通过IEEE1588 交换机转发报文的传输路径延时进行校正。具体计算流程如下：

1）端口1 向端口2 发送Pdelay_Req 报文，并根据本地时钟记录发送时间。

2）端口2 接收Pdelay_Req 报文并根据本地时钟记录接收时间。

3）端口2 向端口1 发送嵌入时间戳的Pdelay_Resp 报文或Pdelay_Resp_Follow_Up 报文，并根据本地时钟记录其发送时间。

4）端口 1 接收 Pdelay_Resp报文或Pdelay_Resp_Follow_Up 报文，并根据本地时钟记录其接收时间。

假设和分别为端口1 和端口2 的本地时间，端口1 和端口2 之间本地时钟的时间偏差设为，则路径延时ΔL12和ΔL21分别为：

设端口1 与端口2 之间路径延时相等，从而得到2 个端口之间平均路径延时△L为：

P2P 透明时钟作为交换机时，本地时钟受温度变化和晶体老化影响会导致及报文在进入时间戳和离开时间戳时与真实值之间产生偏差，降低IEEE1588 交换机对路径延时和驻留时间的校正精度，从而影响IEEE1588 时间同步系统的可靠性[23-24]。

2 智能变电站IEEE1588交换机误差测试

IEEE1588 交换机误差测试分为无源和有源2种情况下的误差测试。由于交换机采用透明时钟，本地时钟不参与IEEE1588 的同步过程，只对PTP报文进行转发和校正，因此测试设备需要同时模拟PTP 主时钟和从时钟来进行测试。

2.1 无源误差测试原理

IEEE1588 交换机无源误差测试示意图如图3所示。

图3 IEEE1588交换机无源误差测试示意图Fig.3 Schematic diagram of IEEE1588 switch passive error test

由图3 可知，IEEE1588 交换机依据P2P 透明时钟协议工作。由于没有接入主时钟，因此测试仪需同时模拟主时钟和从时钟连接被测交换机进行PTP 报文交换过程。测试仪的主时钟向IEEE1588 交换机1 发送同步报文，同步报文经过n（n=1，2，…，n）个交换机之后，回到测试仪的从时钟。

以Sync 报文为例，IEEE1588 交换机无源误差测试原理如图4 所示。

图4 IEEE1588交换机无源误差测试原理Fig.4 Passive error test principle of IEEE1588 switch

图4 中△L1，△L2，△Ln分别为第1 个、第2 个、第n个IEEE1588 交换机的路径延时，△Ls为测试仪从时钟的路径延时，ε1，ε2，εn分别为第1 个、第2 个、第n个IEEE1588 交换机的路径延时误差，△S1，△S2，△Sn分别为第1 个、第2 个、第n个IEEE1588 交换机的驻留时间延时，δ1，δ2，δn分别为第1 个、第2 个、第n个IEEE1588 交换机驻留时间误差，c1，c2，cn分别为第1 个、第2 个、第n个IEEE1588 交换机中PTP 报文Sync（t1，c1）、Sync（t1，c2）和Sync（t1，cn）的时间校正值，t1，t2分别为测试仪主时钟发送报文的时间戳和测试仪从时钟接收报文的时间戳。

设U1和U2分别为主时钟和从时钟的本地时间，则主时钟和从时钟之间的时间偏差设为To=U2-U1。由图4 可知，测试仪模拟主时钟端口发送Sync报文，将时间戳t1发送给IEEE1588 交换机1，该同步报文经过n个交换机后，测试仪模拟从时钟接收到报文并从时钟端口记录Sync 报文的到达时间戳t2，则上述时间戳关系为：

式中：Ty为Sync 报文从测试仪主时钟端口发送至测试仪从时钟端口的总传输延时。

由式（4）推导可得主从时间偏差To为：

式中：c为所有IEEE1588 交换机的总时间校正值。

由于主、从时钟源均为测试仪参考时钟，因此理想情况下主从时间偏差值To应近似为0，即：

但由于交换机驻留时间误差δ和路径延时误差ε的存在，真实主从时间偏差值T′o为：

由式（6）和式（7）可得，测试仪得到的主从时间偏差值T′o即为n个交换机级联的同步误差，被测交换机无源误差TN为：

2.2 有源误差测试原理

IEEE1588 交换机有源误差测试示意图如图5所示。

图5 IEEE1588交换机有源误差测试示意图Fig.5 Schematic diagram of active error test of IEEE1588 switch

由图5 可知，对单个交换机进行有源测试时，测试仪需同时连接被测交换机及其相连的上一级交换机。图5 中1 号和2 号测试仪分别对站控层和过程层交换机的同步误差进行测试。3 号测试仪的作用是同时实现2 个从时钟的功能，须分别接入过程层交换机和主时钟交换机，可测试站控层和过程层交换机总的同步误差。主时钟为普通时钟，只有一个PTP 时钟端口与交换机相连，因此主时钟交换机无法直接进行有源测试。

IEEE1588 交换机有源误差测试原理如图6所示。

图6 IEEE1588交换机有源误差测试原理Fig.6 Active error test principle of IEEE1588 switch

图6 中△La，△Lb分别为被测交换机和测试仪的路径延时，εa为被测交换机的路径延时误差，△Sa为被测交换机的驻留时间，δa为被测交换机驻留时间误差，cm为PTP 报文Sync（t1，cm）中的时间校正值，ΔL′为测试仪从时钟与上一级交换机之间的路径延时。交换机有源误差测试时，测试仪作为从时钟需同时连接被测交换机及其上一级交换机进行同步。变电站主时钟将时间戳t1嵌入Sync 报文，然后经过各级交换机转发到从时钟，得到时间戳t2。期间Sync 报文时间校正值cm经各级交换机后的更新值也同时发送到从时钟。

设Sync 报文经过上一级交换机的时间校正值cm更新为，测试仪通过被测交换机进行时间同步过程，可得有源误差测试时的主从时间偏差To1为：

同理，若测试仪直接与上一级交换机进行同步，可得有源误差测试时的主从时间偏差值To2为：

从时钟均为测试仪本地参考时钟，理想情况下，主从时间偏差To1和To2应相等。由式（9）-式（10）得到被测交换机有源误差TH为：

3 IEEE1588交换机测试仪及测试

3.1 IEEE1588交换机测试仪

基于第2.1 和2.2 节提出的IEEE1588 交换机有源和无源误差测试原理，研发了相应的手持式IEEE1588 交换机测试仪。实物图如图7 所示。

图7 手持式IEEE1588交换机测试仪实物图Fig.7 Handheld timing precision tester for IEEE1588 switch

由图7（a）可知，测试仪支持对秒脉冲信号、分脉冲信号、时脉冲信号、IRIG-B 码信号、串口报文信号、NTP 网络对时信号及IEEE 1588 对时信号等多种智能变电站常用时间同步方式[25-27]进行授时精度的测试。本文研发的测试仪主要涉及IEEE1588 对时脉冲信号授时精度测试以及时钟模拟的功能。由图7（b）可知，脉冲信号PPS 接口形式支持光纤接口、晶体管逻辑电路接口和标准485 接口，PTP 对时信号和时钟模拟则主要用于对IEEE1588 交换机同步精度的测试，其接口形式为光以太网。

为了保证测试仪的测试精度，测试仪的本地参考时钟通过接入GPS 的授时信号来保证本地时钟的稳定度和准确度。IEEE1588 交换机误差测试分为有源测试和无源测试2 种。进行IEEE1588 交换机有源误差测试时，2 个光以太网接口分别作为从时钟端口连接被测交换机及其上一级交换机端口进行测试；无源误差测试时，2 个光以太网接口分别作为主时钟端口和从时钟端口连接被测交换机进行测试。所研发测试仪PTP 测试界面及设置如图8所示。

图8 所研发测试仪PTP测试界面及设置Fig.8 PTP test interface and settings

由图8 可知，测试仪可以得到设定时间段内被测交换机时间同步误差的即时值、最大值、最小值、平均值等参数，对于IEEE1588 交换机的测试精度可以达到ns 级。

3.2 现场测试

将所研发的智能变电站IEEE1588 交换机测试仪在某110 kV 智能变电站进行实际应用。某智能变电站IEEE1588 时钟拓扑示意图如图9 所示。

图9 某智能变电站IEEE1588时钟拓扑示意图Fig.9 IEEE1588 clock topology of certain smart substation

由图9 可知，图中测试仪分别对交换机1 和交换机2 进行有源误差测试。有源测试时，测试仪需连接被测交换机和时钟源交换机。测试时借助图8所示的PTP 测试界面功能得到主从时间偏差To1和To2，连续测试时间为1 min。交换机有源误差测试结果如表1 所示。

表1 交换机有源误差测试结果Table 1 Test results of active error of 1588 switch ns

无源测试时，图9 中的IEEE1588 时钟源停止工作。测试仪同时作为主时钟源与从时钟源分别对1 台单机交换机和2 台级联交换机进行连续测试时间为3 min 的无源误差测试。交换机无源误差测试结果如表2 所示。

表2 交换机无源误差测试结果Table 2 Test results of passive error of switch ns

4 结语

本文分析了智能变电站IEEE1588 时钟同步系统中P2P 透明时钟的工作原理和特点，提出了基于PTP 同步报文的有源和无源测试方法，研发了手持式IEEE1588 交换机测试仪。测试仪具备工作在“主时钟—从时钟”状态或“从时钟—从时钟”状态的能力，并可依据实际现场中IEEE1588 主时钟的投入与否进行状态切换。将测试仪连接至智能变电站IEEE1588 交换机，通过解析同步报文中的时间戳得到被测交换机的时间同步误差。现场测试表明，本文所提测试方法实现了对智能变电站IEEE1588 时钟同步系统中P2P 交换机授时精度的实时准确测试。