PTN设备的同步以太网时钟电路设计与实现外文翻译资料

The nodes, deployed in different locations of distributed measurement and control systems, will track certain physical phenomenon and make respective control decision by data collection and information fusion .Whereas, these control decisions are premised on system clock synchronization. For instance, control command depends on synchronous monitoring data of each node in various networks . Therefore, clock synchronization plays an important role in these systems .

There are a variety of synchronization ways in the power control system, such as Network Time Protocol(NTP), IRIG-B, GPS and so on. However, these ways have some deficiencies. For example, the accuracy of distribute clocks at either end of network is millisecond due to the fact that NTP runs on clients and servers only by software implementation. Moreover, the dedicated cabling, increasing deployment and maintenance costs, is necessary for IRIG-B to deliver the timing signals. The methods mentioned above do not provide compatibility .GPS, using satellite signals to realize time synchronization, is unavailable in the underground and indoor environments . However, high-accuracy standardization for time synchronization in substation network is necessary. The IEEE 1588 precision time protocol (PTP) provides not only sub-microsecond synchronization accuracy in a standard method but also compatibility and interoperability between heterogeneous systems. These characters can enable many sophisticated extensions of power applications. It seems to be a promising way to handle the synchronization requirements of the substation network .

The node time character should be tested to ensure its interoperability and quality in IEEE 1588-Based Substation network . Nevertheless, there are few researches on the test of IEEE 1588-Based Synchronization System. The conformance testing of ordinary clocks which realizes major common protocol functions was discussed in an IEEE 1588testbed was established to check the character of the system and verify its devices accuracy. In order to evaluate the influence of synchronization accuracy caused by environmental temperature change and network load increased, the external factors influencing the synchronization system were tested by reproducible method in .Therefore, the researches mentioned above have some defects such as:

1) The testing method is not comprehensive. For instance, the clock stability is not measured and the performance response is neglected.

2) The test object is single, and the transparent clock and the master clock are rarely involved.

3) The insufficient test instrument makes the test carried out by simple software and oscilloscope implementation, difficult.

According to the characteristics of the IEEE1588 clock synchronization protocol and the aforementioned study, a test method combining performance testing with conformance testing is proposed in this paper. And an IEEE1588 clock test bed is designed to satisfy the synchronization system test demand. Based on the flexible configuration, a comprehensive test of the clock node was carried out.

The rest of the paper is organized as follows. The principle and testing requirement of IEEE 1588 Synchronization System in substation network is presented in Section 2. In Section 3, the test method for clock accuracy and stability is introduced, and the transparent clock resides time test method is analysed . In Section 4, the conformance testing method combined with the performance testing is developed on the basis of the typical testing case. Lastly, an IEEE1588 clock test bed is designed. The test results for substation devices are demonstrated and analysed in Section 5. The conclusion is provided in Section 6.

IEEE 1588 is a precision clock synchronization protocol. It is applicable to local area network of measurement and control system. IEEE 1588-Based Synchronization System includes ordinary clock, transparent clock and boundary clock (power industry prefers transparent clock) . The systems connect clock nodes by Ethernet and use clock synchronization mechanism to realize sub-microsecond accuracy.

With the cooperation of software and hardware, the system will record the transmission time and reception time and add time stamp to each message. Hence, receiver will calculate the time error and path delay and then realize the synchronization of slave clock and master clock .

Since the protection and control function of substation are utterly depending on simultaneous monitoring data, the precise clock synchronization plays a significant role in substation network, and IEEE 1588-Based Synchronization System can satisfy the system requirement. The application structure of substation network based on IEEE1588 is shown in Fig. 2. In this mode, system node includes master clock, slave clock and transparent clock. Compared with NTP standard,IEEE1588, which has the similar design concept and operation, is a more advanced, complex standard and its precision is higher than NTP while the timing performance of IEEE1588 heavily depends on the network condition and implementation architectures, such as components, network load and network configuration.

The analysis of IEEE1588 principle and implementation mechanism shows that many factors influence clock synchronizing system performance .Main factors are shown below: protocol stack delay fluctuation, communication path delay asymmetry, time stamp accuracy, network components delay fluctuations, stability problem and so on . We can conclude that there are 3 kinds of problems: 1) node clock realization technologies; 2) protocol conformance; 3) the influences of external factor. Paper discusses and tests external factor influence such as temperature change, network load, etc. As a result, the system testing in this paper focuses on protocol conformance testing and clock performance, analysis of internal factors aff

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节点，部署在分布式测量和控制系统的不同的位置，将跟踪一定的物理现象，使由数据采集和信息融合.Whereas各自控制的决定，这些控制决策的前提是系统时钟同步。例如，控制命令依赖于各种网络的每个节点同步监测数据。因此，时钟同步起着在这些系统中起重要作用。

有各种各样的功率控制系统的同步方式，如网络时间协议（NTP），IRIG-B，GPS等。然而，这些方法有一些不足之处。例如，精度分发时钟在任一网络的一端是由于NTP仅由软件实现在客户端和服务器上运行的事实毫秒。此外，专用的布线，增加部署和维护成本，是必要的IRIG-B提供定时信号。上述的方法不提供兼容性.GPS，利用卫星信号，实现时间同步，是在地下和室内环境不可用。然而，对于在变电站网络时间同步的高精度标准化是必要的。 1588精确时间协议（PTP）提供了异构系统之间的标准方法不仅亚微秒同步精度，而且兼容性和互操作性。这些字符可以使电源应用许多复杂的扩展。这似乎是处理变电站网络的同步要求一个有希望的途径。

节点实时性进行测试，以确保其IEEE互操作性和质量1588基于变电站网络。不过，也有对IEEE 1588的同步系统的试验研究较少。实现了重大的共同协议的功能在IEEE 1588testbed讨论普通时钟的一致性测试的设立是为了检查系统的性质和验证其准确性设备。为了评价因环境温度变化和网络负荷增加的同步精度的影响，影响同步系统中的外部因素被在。因此可再现方法测试，上面提到的研究有一些缺陷，如：

1）的测试方法是不全面的。例如，时钟稳定性不测量和性能响应被忽略。

2）测试对象单一，透明时钟和主时钟很少参与。

3）不足测试仪器使得通过简单的软件和示波器实现中，难以进行的检测。

根据IEEE1588时钟同步协议和上述研究的特点，一种测试方法结合一致性测试性能测试在本文提出。和一个IEEE1588时钟测试床的设计满足同步系统测试的需求。基于灵活的配置，时钟节点的综合试验进行。

本文的其余部分安排如下。 IEEE 1588同步系统的变电站网络的原理和测试要求在第2中。在第3节，介绍了一种时钟的精度和稳定性的测试方法，并且在透明时钟驻留时间测试方法进行分析。在第4节中，一致性测试方法与性能测试结合在典型的检测的情况下的基础上发展。最后，一个IEEE1588时钟测试台的设计。变电站设备的试验结果表明，并在第5分析的结论是在第6节提供。

IEEE 1588是一种精密时钟同步协议。它适用于测量和控制系统的局域网。 IEEE 1588的同步系统包括普通时钟，透明时钟和边界时钟（电力行业更喜欢透明时钟）。该系统通过以太网连接的时钟节点，并使用时钟同步机制来实现亚微秒精度。

用的软件和硬件的合作，系统将记录的发送时间和接收时间，并添加时间戳到每个消息。因此，接收器将计算时间错误和路径延迟进而实现从时钟与主时钟的同步。

由于变电站的保护和控制功能完全取决于同步监测数据，精确的时钟同步起着变电站网络显著的作用，和IEEE 1588的同步系统能够满足系统要求。基于IEEE1588变电站网络的应用结构示于图。在这种模式下，系统节点包括主时钟，从时钟和透明时钟。与NTP标准，IEEE 1588，其具有类似的设计理念和操作相比，是一种更先进的，复杂的标准及其精度比NTP较高，而IEEE 1588的时序性能很大程度上依赖于网络状况和执行结构，如组件，网络负载和网络配置。IEEE1588原理和实施机制的分析表明，许多因素会影响时钟同步系统的性能。 主要因素如下：协议栈延迟波动，通信路径延迟不对称，时间戳准确性，网络组件延迟的波动，稳定性问题等。我们可以得出结论，有3种问题：1）节点时钟实现技术; 2）协议一致性; 3）外部因素的影响。论述和测试外部因素的影响，如温度的变化，网络负载等。作为结果，在本文所述的系统测试的重点协议一致性测试和时钟性能，内部因素分析影响同步性能，并且测量时间精度和稳定性。

一致性测试是关键点，确保实现IEEE1588的。一致性测试的方便，一些行业已经取得了相关产业的规范。针对变电站，IEEE PC37.238规范已被引入以确保互操作性和功率器件的确定性控制。

一致性测试可以分为两类：1）IEEE 1588内在机理试验2）IEEE 1588标准测试。文献[9] [10]都进行了一致性测试到BMC部分的算法和协议规范，测试仪等无效Delay_Resp报消息，测试无效的Follow_Up消息和测试的属性值。

然而，这些文献采用PC时钟由软件实现，测试，并根据消息信息估计协议的一致性。它们具有以下缺点：1）试验应视主时钟，示波器等设备来完成。 2）一致性测试和性能测试被隔离，并且协议一致性未分析了基于所述测试时钟性能。因此，基于硬件时钟试验台是按照信息的逻辑判断的性能测试和一致性测试结合 本文设计了在测试系统三类试验的人机交互界面和DUT的：IEEE1588事件消息，IEEE1588管理消息和DUT的PPS。施加激励在DUT的界面并观察响应是必要的IEEE1588协议的一致性测试。在同步系统中，在符合性测试施加激励的一个重要方法是测试床消息。时钟测试床是由上位机监控软件根据设计测试用例，而测试响应可由消息信息和超频性能得到体现，并设定发送激励消息。正如一位DUT响应，IEEE1588报文通信是系统运行的基础。试验台应当配备信息采集能力，并据此来判断被测设备的消息的逻辑处理的正确性。同时，它也应该装备的性能测试的能力，评价测试时钟的时钟精度是否与激励重合。一致性测试是实现以上两种测试方法的基础上。

IEEE 1588一致性测试过程示于图。 5.选择合适的测试情况，并根据被测时钟类型进行试验。一致性测试完成后，生成测试报告和判断测试是否通过与否，提供测试的实施细节，如果例测试没有通过。硬件时钟通过了试验台不仅可以测试普通一致性的情况下（通过PC时钟来实现），也可实现一致性的情况下，性能测试相结合而棋圣优先级为1测试数据集比较算法的典型案例。数据集表示时钟信息。数据集比较算法选择通过比较两个数据集的最佳时钟。此测试验证基于优先级为1 DUT是否能够进行正确的处理。优先级为1的数据范围为0〜255，优先喜欢小值。

测试结构示于图6. DUT连接到测试床内的两个主时钟由交换机。硬件时钟A和硬件时钟脉冲B组的公布消息宗师身份为0x的00 00 00 FF FE 00 00 00和0X 11 11 11 FF FE 11 11 11.除了棋圣优先级为1，其他领域都一样。时钟A和时钟B，设置为两步时钟，和硬件的后续消息，校正场00000400亿，硬件B的校正场0000020000000000.因此，从时钟同步中区分进程的优先级为特级大师特此具有较高优先级的主时钟同步。

测试从时钟的精度测试可以通过PPS可以实现。当从时钟与时钟已同步，精度误差约为67，1毫秒。当它与时钟脉冲B同步的，精度误差约为33,6毫秒。在优先级为1的逻辑处理可以通过修改硬件时钟的优先级进行判断，并遵守相应的时钟抖动。

在同步过程中，后续消息是从当前的主是否后续消息的序列号ID对应于同步消息时，被从时钟收到的后续消息被证实首次。如果合适，它会默认为正确的后续消息。否则，它将被放弃。文献中，无效的后续消息试验进行。然而，这是难以插入，因为独立的测试床和主时钟的用于PC-时钟合适无效后续消息的测试。此外，目前的测试方法只能得到合乎逻辑的处理过程，但是从时钟性能的影响是未知的。

该试验台已嵌入主时钟的试验台。是很方便的部署无效后续消息。试验台的时钟设置为优先级为母钟，插入PPS测试床和记录DUT的时钟精度误差为正常偏移。到正常后续消息时，followUpModification被设置为225（约33.6毫秒），即，为0x 0000 0200 0000 0000接着，从时钟​​时间误差是33,6毫秒。

如示于图如图7所示，无效的Follow_Up消息被插入在至少两个帧。在后续修正值被设置为无效信息的0第一帧的源PortIdentity错，二是序​​列ID故障。在此基础上，有必要观察是否有抵消DUT时间震动和消息场处理是正确开展后续行动无效消息的考验。同时，没有精度误差震动指示无效的Follow_Up消息被放弃。

根据试验要求，一个IEEE1588时钟测试平台，其中包括监控软件和测试床本文所设计。测试床时钟由硬件实现。以这种方式，可避免软件时钟的缺点，并且符合测试和性能测试可以得到支持。

然而，所计算的时间是不准确的。根据IEEE1588的时钟同步系统，包括普通时钟，透明时钟和主时钟，它应该在系统测试覆盖。在测试前，测试床将与试验前的相应监控软件进行配置。在这之后，测试床和DUT将通过IEEE1588消息交互以实现同步和管理。同时，如示于图交互式消息将被发送到用于分析的监控软件。

为了方便测试，时钟节点应发送PPS测试床。 DUT的PPS在FPGA中测量具有高精度铷时钟和DP83640，和DUT时钟的时间误差可以得到的，该电路板示于图。 9.作为结果，IEEE1588一致性测试和性能测试结构构造的闭环系统。从时钟偏移量和信息分析，可以直观地监测DUT的激励后的同步。因此，很容易找到的缺陷，并估计DUT的时间性能。IEEE1588测试软件由DSP控制软件和PC系统控制软件。软件模块和数据流示于图

1）的GUI人机接口模块

GUI人机接口模块提供了IEEE1588测试仪和测试工程师的交互式图形界面。通过图形界面，测试工程师选择启动/停止测试用例。在测试用例的执行过程中，测试工程师可以监视与图形界面测试用例的执行信息。

2）试验例的控制服务器

测试用例的控制服务器自动测试控制模块，这实际上是一个调度。测试用例控制服务器是分析测试用例的预编辑的XML文件，然后分配XML文件的每个模块的每个测试步骤。例如，如果测试步骤是设置测试参数和复位测试时钟，则分配此步骤，以测试时钟模块进行;如果测试步骤是设置被测设备的参数，然后分配这一步SNMP管理模块;如果测试步骤是设置检查点，然后分配这一步的分析和判断模块;如果测试步骤是设置时间延迟，那么它将被控制服务器本身执行。

3）测试时钟模块

测试时钟模块是一个编程模块专门用于IEEE1588协议测试程序，本身就是一个IEEE1588协议实现，但是从普通的IEEE1588智能设备不同。所不同的是，以满足测试要求，它可以被配置到主模式或从模式并且它具有多个可配置参数。经过多方参数打开，他们可以通过测试工程师有效地控制和扩大测试覆盖率。测试时钟模块主机测试仪的DSP实现，并且捕获由物理芯片DP83640精确的时间。测试时钟模块进行设置参数测试仪，复位测试时钟和其他命令通过测试用例分配服务。设置测试参数后，测试时钟应立即复位，使测试时钟按照新的参数进行操作。当测试设备作为主时钟，时钟测试作为模拟从时钟与测试设备进行交互;当被测设备是从时钟，时钟测试作为模拟主时钟与测试设备进行交互。测试时钟将发送所有互动信息提供PC系统控制软件进行分析。

4）SNMP管理模块

在IEEE PC37.238，它调节IEEE1588管理机制，通过SNMP协议。如果测试设备支持的管理机制，然后由IEEE PC37.238定义的管理信息库（MIB）应当认识[9]，被测试设备应当执行，以支持IEEEPC37.238 MIB的SNMP代理。 SNMP管理模块接收的设置由测试用例控制服务器发送测试设备参数的命令后，将完成设置与SET操作支持SNMP协议测试设备的PTP参数; SNMP管理模块还可以捕获实时状态信息（如偏差，路径延迟，端口状态机状态等）测试设备通过GET操作，并传送到PC机控制软件系统进行分析。

5）分析模块

分析模块的功能是检查实际测试结果是否与预期的结果相一致。分析的细节如下：从由测试主机和测试设备发送时钟模块的相互作用的所有IEEE1588消息的）分析;二）通过SNMP管理控制模块的GET操作捕捉被测设备的实时状态信息分析;三）的定时由测试设备和标准的GPS第二脉冲的第二脉冲输出的比较结束测试设备的偏差的分析。

根据上述提到的，结合一致性测试和性能测试，可以很方便地测量时钟能力，并找到了影响时钟同步的因素。由于对同步能力的网络的负载的影响，此测试在低网络负荷下进行。

一个普通的时钟与通过基于单个物理端口上的两个逻辑接口的网络通信。事件接口是用来发送和接收事件消息，其通过基于所述本地时钟的值的时间戳生成块时间戳。一般接口用于发送和接收的一般报文。在域普通时钟支持该协议的一个副本，并有单PTP状态。普通的时钟可以是在一个系统中特级时钟，或者它可以是在主从层次结构中的从时钟。

一个普通的时钟分别保持两种类型的数据集，被称为时钟数据集和端口的数据集。

时钟数据集如下：

A）DefaultDS的：属性描述普通时钟。

B）currentDS：属性相关的同步。

C）parentDS：属性描述父（到普通时钟同步的时钟）和特级大师（在主从层次结构的根时钟）。

D）timePropertiesDS：属性的时间刻度。

端口数据集包含的端口属性，包括PTP状态。

协议引擎：

⎯发送和接收PTP消息。

⎯保持数据集。

⎯执行与端口相关联的状态机。

⎯如果端口处于从属状态（同步到主），它计算的基础上生成的接收PTP定时信息和时间戳大师的时间。

在本地时钟的控制环调整时钟与其主站的时间来达成一致，如果普通的时钟端口处于奴隶状态。如果该端口处于主状态，本地时钟是自由运行或可能同步的时候外部源，如全球定位系统（GPS）。如果该端口处于主状态和普通时钟域的棋圣时钟，则本地时钟通常同步的时间可追溯至TAI和UTC的外部源，例如GPS系统。

在一些应用中，例如工业自动化，一个普通的时钟，也可以与应用程序相关联的装置，例如一个传感器或致动器。在电

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