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PTP 소개. NTP 시간 동기화 프로토콜은 SNTP와 어떻게 다릅니까? ntp 프로토콜은 정밀한 동기화 메커니즘을 제공합니다.




잘 알려진 NTP(Network Time Protocol)에 대해 많은 기사가 작성되었으며, 그 중 일부는 나노초 수준의 시간 동기화 정확도를 달성할 수 있는 것으로 추정되는 Precision Time Protocol을 언급합니다(예: 및). 이 프로토콜이 무엇인지, 그리고 그러한 정확성이 어떻게 달성되는지 알아봅시다. 우리는 또한 이 프로토콜에 대한 나의 작업 결과를 볼 것입니다.

소개
"정밀 시간 프로토콜"은 IEEE 1588 표준에 설명되어 있습니다. 표준에는 2가지 버전이 있습니다. 첫 번째 버전은 2002년에 출시되었으며, 이후 2008년에 표준이 개정되어 PTPv2 프로토콜이 출시되었습니다. 이전 버전과의 호환성이 유지되지 않았습니다.
나는 프로토콜의 두 번째 버전을 사용하고 있는데, 첫 번째 버전에 비해 많은 개선이 이루어졌습니다(위키에서 알려준 바와 같이 정확도, 안정성). 동기화 정확도에 대한 단순한 언급인 NTP와 비교하지 않겠습니다. PTP의 정확도는 실제로 "하드웨어" 지원을 통해 수십 나노초에 도달하며 이는 NTP에 비해 이점이 있음을 나타냅니다.
프로토콜에 대한 하드웨어 지원은 장치마다 다르게 구현될 수 있습니다. 실제로 PTP를 구현하는 데 필요한 최소한의 기능은 포트에서 메시지가 수신된 순간에 타임스탬프를 기록하는 하드웨어 기능입니다. 입력된 시간은 오류 계산에 사용됩니다.
시계가 왜 이상해졌나요?
오류는 어디에서나 발생할 수 있습니다. 장치의 주파수 생성기가 다르고 서로 다른 두 장치가 제 시간에 완벽하게 작동할 확률이 매우 낮다는 사실부터 시작해 보겠습니다. 이는 생성된 주파수에 영향을 미치는 지속적으로 변화하는 환경 조건에 기인할 수도 있습니다.
우리는 무엇을 달성하려고 노력하고 있나요?
이상적인 조건에서 작동하는 장치, 즉 세상이 끝날 때까지(물론 마야 달력에서 예측한 것이 아니라 실제 시계 이전에) 전혀 움직이지 않는 일종의 원자시계가 있다고 가정해 보겠습니다. 최소한 대략(10-9초의 정확도) 동일한 시간을 확보하는 작업이 주어집니다. 우리는 이 시계를 동기화해야 합니다. 이를 위해 PTP 프로토콜을 구현할 수 있습니다.
순수 소프트웨어 구현과 "하드웨어 지원"을 사용한 구현의 차이점
순수한 소프트웨어 구현으로는 약속된 정확성을 달성할 수 없습니다. 메시지를 수신한 순간(보다 정확하게는 장치에서 메시지를 수신하기 위한 신호를 수신한 순간)부터 인터럽트 진입점 또는 콜백으로의 전환까지의 경과 시간을 엄격하게 정의할 수는 없습니다. PTP를 지원하는 "스마트 하드웨어"는 이러한 타임스탬프를 독립적으로 설정할 수 있습니다(예: Micrel의 칩, KSZ8463MLI용 드라이버를 작성 중입니다).
타임스탬프 외에도 "하드웨어" 지원에는 수정 발진기 조정 기능(마스터와 주파수 정렬) 또는 클럭 조정 기능(클럭 주기마다 Xns만큼 클럭 값 증가)도 포함됩니다. 이에 대한 자세한 내용은 아래에서 확인하세요.
IEEE 1588 표준으로 넘어가겠습니다.
표준은 무려 289페이지에 걸쳐 설명되어 있습니다. 프로토콜을 구현하는 데 필요한 최소한의 사항을 고려해 보겠습니다. PTP는 클라이언트-서버 동기화 프로토콜입니다. 프로토콜을 구현하려면 최소 2개의 장치가 필요합니다. 그래서 마스터 장치는 원자시계이고, 슬레이브 장치는 정확하게 작동하도록 만들어져야 하는 시계입니다.
언어 교환
메시지 발표– 공지 메시지에는 마스터가 모든 슬레이브 장치로 보낸 정보가 포함됩니다. 슬레이브 장치는 이 메시지를 사용하여 최상의 마스터를 선택할 수 있습니다(이를 위한 BMC(Best Master Clock) 알고리즘이 있습니다). BMC는 그다지 흥미롭지 않습니다. 이 알고리즘은 표준에서 쉽게 찾을 수 있습니다. 선택은 정확도, 분산, 클래스, 우선순위 등과 같은 메시지 필드를 기반으로 합니다. 다른 메시지로 넘어가겠습니다.

동기화/후속 작업, DelayResp, PDelayResp/PDelayFollowUp– 마스터가 보낸 메시지는 아래에서 자세히 살펴보겠습니다.

DelayReq, PDelayReq– 슬레이브 장치 요청.

보시다시피 슬레이브 장치는 장황하지 않습니다. 마스터는 거의 모든 정보를 자체적으로 제공합니다. 표준에 엄격하게 정의된 멀티캐스트(원하는 경우 유니캐스트 모드 사용 가능) 주소로 전송이 수행됩니다. 을 위한 PDelay메시지에는 별도의 주소(이더넷의 경우 01-80-C2-00-00-0E, UDP의 경우 224.0.0.107)가 있습니다. 다른 메시지는 01-1B-19-00-00-00 또는 224.0.1.129로 전송됩니다. 필드에 따라 패킷이 다름 시계ID(시계 ID) 및 시퀀스 ID(패키지 식별자).

작업 세션
BMC 알고리즘을 사용하여 마스터가 선택되었거나 마스터가 네트워크에서 유일한 마스터라고 가정해 보겠습니다. 그림은 기본 장치와 동기화 장치 간의 통신 절차를 보여줍니다.

  1. 모든 것은 스승님께서 메시지를 보내시면서 시작됩니다 동조동시에 전송 시간 t1을 기록합니다. 1단계 및 2단계 작동 모드가 있습니다. 구별하는 것은 매우 쉽습니다. 메시지가 있는 경우 후속 조치– 그러면 2단계 구현을 다루고 있으며 점선 화살표는 선택적 메시지를 표시합니다.
  2. 후속 조치메시지는 다음 이후에 전송됩니다. 동조그리고 시간 t1을 포함합니다. 전송이 한 단계로 수행되는 경우 동조메시지 본문에 t1이 포함되어 있습니다. 어쨌든 우리 장치는 t1을 수신하게 됩니다. 메시지를 받은 당시 동조타임스탬프 t2는 슬레이브에서 생성됩니다. 따라서 우리는 t1, t2를 얻습니다.
  3. 슬레이브가 메시지를 생성합니다. 지연요구 t3세대와 동시에
  4. 마스터가 받음 지연요구 t4 생성 중 메시지
  5. t4는 Salve 장치로 전송됩니다. 지연응답메시지


온라인 메시지

위에 표시된 것과 같은 교환 세션은 석영이 동기화되는 장치에 대해 완벽하게 동일한 주파수를 생성하는 경우에만 성공할 수 있습니다. 실제로 클록 주파수가 다른 것으로 나타났습니다. 한 장치에서는 1초 안에 시계 값이 1초씩 증가하고 다른 장치에서는 예를 들어 1.000001초씩 증가합니다. 여기서 클럭 차이가 나타납니다.
이 표준에서는 특정 간격 동안 마스터와 슬레이브에서 경과된 시간의 비율을 계산하는 예를 설명합니다. 이 비율은 슬레이브 장치의 주파수에 대한 계수가 됩니다. 그러나 조정이 다양한 방식으로 수행될 수 있다는 징후가 있습니다. 그 중 두 가지를 살펴보겠습니다.

  1. 슬레이브 장치의 클럭 주파수 변경(표준의 예)
  2. 클록 주파수를 변경하지 마십시오. 그러나 지속 시간 T의 각 틱마다 클록 값은 T가 아니라 T+Δt(내 구현에서 사용됨)만큼 증가합니다.
두 방법 모두 특정 간격에 걸쳐 마스터 장치의 시간 값 차이와 슬레이브 장치에서 동일한 간격에 걸친 시간 차이를 계산해야 합니다. 첫 번째 방법의 계수:


두 번째 방법은 Δt 계산이 필요합니다. Δt는 일정 간격마다 시간 값에 추가되는 값입니다. 그림에서 마스터에는 22 – 15 = 7초가 전달된 반면 슬레이브에는 75+(87-75)/2 –(30+ (37-30)/2) = 47.5가 전달되었음을 알 수 있습니다.

주파수 - 프로세서 주파수(예: 25MHz) - 프로세서 주기는 1/(25*10 6) = 40ns 동안 지속됩니다.
장치의 성능에 따라 가장 적합한 방법이 선택됩니다.
다음 섹션으로 넘어가기 위해 오프셋을 조금 다르게 표현해 보겠습니다.

PTP 작동 모드
표준을 살펴보면 배송 시간을 계산하는 방법이 하나만 있는 것은 아니라는 것을 알 수 있습니다. PTPv2에는 2가지 작동 모드가 있습니다. 이것 E2E(엔드 투 엔드), 위에서 논의되었으며 모드도 설명되어 있습니다. P2P(피어 투 피어). 어떤 방법을 어디에 사용해야 하는지, 그 차이점은 무엇인지 알아봅시다.
원칙적으로 원하는 모드를 모두 사용할 수 있지만 동일한 네트워크에서 결합할 수는 없습니다.
  • 모드 중 E2E배달 시간은 각각 메시지 수정 필드에 입력되는 여러 장치를 통해 도착하는 메시지로부터 계산됩니다. 동조또는 팔로우업(2단계 전송의 경우) 이 장치에서 패킷이 지연된 시간(장치가 직접 연결된 경우 수정이 이루어지지 않으므로 자세히 고려하지 않습니다). 사용된 메시지: 동기화/팔로우업, 지연 요청/지연 응답
  • 모드 중 P2P수정 필드에는 패킷이 지연된 시간만 입력되는 것이 아니라 (t2-t1)이 추가됩니다(표준에서 읽을 수 있음). 사용된 메시지 동기화/팔로우업, PDelayReq/PDelayResp/PDelayRespFollowUp
표준에 따르면 수정 필드가 변경되면서 PTP 메시지가 통과하는 시계를 호출합니다. 투명시계(TC). 이 두 가지 모드에서 메시지가 어떻게 전송되는지 그림을 살펴보겠습니다. 파란색 화살표는 메시지를 나타냅니다. 동조그리고 후속 조치.


엔드투엔드 모드


피어 투 피어 모드
P2P 모드에서 일부 빨간색 화살표가 나타나는 것을 볼 수 있습니다. 이는 우리가 다루지 않은 나머지 메시지입니다. PDelay요구, PDelayResp그리고 PDlay추적 조치. 다음은 이러한 메시지의 교환입니다.

배송 시간 오류
이 표준은 다양한 유형의 네트워크에서 프로토콜 구현을 설명합니다. 저는 이더넷 네트워크를 사용하고 있었고 이더넷 수준에서 메시지를 받고 있었습니다. 이러한 네트워크에서는 패킷 전달 시간이 끊임없이 변합니다(특히 나노초 정밀도로 작업할 때 눈에 띕니다). 이러한 값을 필터링하기 위해 다양한 필터가 사용됩니다.

필터링해야 할 사항:

  1. 배달 시간
  2. 편견
내 드라이버는 Linux 데몬과 거의 동일한 필터링 시스템을 사용합니다. PTPd, 그 출처를 찾을 수 있으며 일부 정보도 있습니다. 나는 단지 당신에게 다이어그램을 줄 것입니다:


LP IIR(무한 임펄스 응답 저역 통과) 필터(무한 임펄스 응답 필터)는 다음 공식으로 설명됩니다.

, 어디 에스– 필터 컷오프를 조정할 수 있는 계수입니다.
조정 계산
두 번째 값에 추가해야 할 델타에 대한 조정으로 넘어 갑시다. 내 시스템에 사용된 계산 방식은 다음과 같습니다.


네트워크 간섭으로 인한 강한 조정 지터를 필터링하기 위해 Kalman 필터를 사용했는데 정말 마음에 들었습니다. 일반적으로 그래프를 매끄럽게 만드는 한 원하는 필터를 사용할 수 있습니다. 안에 PTPd예를 들어 필터링이 더 간단합니다. 현재 값과 이전 값의 평균이 계산됩니다. 그래프에서 내 드라이버의 칼만 필터 결과를 볼 수 있습니다(조정 오류는 25MHz 칩에서 나노초 미만으로 표시됩니다).


조정 조절로 넘어가겠습니다. 조정은 일정한 경향이 있어야 하며 PI 컨트롤러가 사용됩니다. 안에 PTPd클럭 오프셋이 조정되지만(조정은 오프셋을 기준으로 함) 조정을 조절하는 데 사용합니다(KSZ8463MLI의 기능). 컨트롤러가 완벽하게 구성되지 않은 것을 볼 수 있지만 제 경우에는 이 조정으로 충분합니다.

작업 결과


결과는 그래프로 표시됩니다. 클록 오프셋 범위는 -50ns~50ns입니다. 결과적으로 나는 수많은 기사에서 언급된 정확성을 달성했습니다. 물론 구현의 많은 작은 기능이 뒤에 남아 있었지만 필요한 최소한의 기능은 시연되었습니다.

질문에 대한 답변

26.09.2018

정확한 시간 없이는 현대 세계를 상상하기 어렵습니다. 삶의 많은 영역에서 매우 정확한 시계가 필요하며, 그 정확도는 사람들이 일상 생활에서 사용하는 시계의 정확도보다 훨씬 더 높아야 하는 경우가 많습니다. 예를 들어, 항공 교통 관제탑, 우주선 제어 시스템 또는 군사 시스템의 시계에 대한 정확도 요구 사항은 최고 수준입니다. 또한 이동통신 사업자 및 인터넷 제공업체의 청구 및 관세 시스템, 은행 거래 시스템, 교환 시스템, 산업 및 과학 단지 등 단순한 기능을 갖춘 시스템에도 고정밀 시계가 필요합니다. 로컬 네트워크에서 Kerberos 사용자 인증 프로토콜은 도메인 컨트롤러의 시간과 사용자 워크스테이션의 시계 비교도 사용합니다. 컴퓨터 네트워크에서는 일반적으로 프로토콜을 사용하여 정확한 시간 서버와 동기화가 수행됩니다. NTP또는 "가벼운" 버전 - SNTP. 이 기사에서는 이러한 프로토콜의 기능, 차이점 및 적용 예를 살펴보겠습니다.

NTP(영어) 회로망 시간 규약– 네트워크 시간 프로토콜) – 가변 대역폭의 네트워크를 사용하여 컴퓨터의 내부 시계를 동기화하기 위한 네트워크 프로토콜입니다. 정확한 시간을 추정하기 위해 가장 정확한 소스를 선택할 수 있는 특수 알고리즘 덕분에 높은 정확도의 시간 동기화를 제공합니다. 이 알고리즘을 사용하면 분명히 잘못 구성된 NTP 서버의 데이터가 전체 시스템에 미치는 영향을 최소화할 수 있습니다. NTP 프로토콜은 나노초 정밀도의 동기화 메커니즘을 제공하며 로컬 시계와 동기화를 수행하는 시간 서버의 오류를 특성화하고 추정하는 기능을 포함합니다. NTP 프로토콜은 계층적 수준 또는 계층 시스템을 사용합니다. NTP 서버는 정확한 시간 소스로부터 직접 데이터를 수신하는 경우 가장 높은 수준(계층 1)에 있습니다. Stratum 1 서버와 시계를 동기화하는 서버는 아래 수준(Stratum 2) 등에 있습니다.

SNTP(영어) 단순한 회로망 시간 규약– 단순 네트워크 시간 프로토콜) – 컴퓨터 네트워크를 통해 시간을 동기화하기 위한 프로토콜입니다. 이는 NTP 프로토콜의 단순화된 구현이며 NTP 알고리즘의 복잡성이 부족합니다. SNTP는 전체 NTP 기능이 필요하지 않은 네트워크 호스트에 사용됩니다. 인터넷을 통해 로컬 네트워크에 있는 여러 노드의 시계를 다른 NTP 노드와 동기화하고 이러한 노드를 사용하여 로컬 네트워크를 통해 다른 클라이언트에 제공되는 서비스를 시간 동기화하는 것이 일반적인 관행입니다. 이 사용 사례에는 고정밀 시간 동기화가 필요하지 않습니다. SNTP 프로토콜은 1~50ms의 정확도로 동기화 메커니즘을 제공합니다.

NTP 프로토콜 사용의 예: N 은행은 고객에게 교환 거래를 위한 클라이언트-서버 애플리케이션을 제공합니다. 주식 시세에 대한 정보를 처리하는 서버에는 세계시 척도와 고정밀 동기화된 시계가 있어야 합니다. 이 경우, 은행 N의 각 거래소 거래 서버는 정확한 시간 소스로부터 직접 데이터를 수신하는 정확한 시간 서버 중 가장 정확한 서버("스트레이텀 1")와 동기화됩니다. NTP 프로토콜에 내장된 알고리즘을 사용하여 가장 정확한 서버가 선택됩니다. 이러한 솔루션의 대략적인 아키텍처는 아래 다이어그램에 나와 있습니다.

SNTP 사용의 전형적인 예는 도메인 내 시간 동기화입니다. 도메인 컨트롤러는 Stratum 1 또는 Stratum 2의 공용 서버에서 글로벌 인터넷의 시간을 받습니다. 도메인의 나머지 클라이언트는 시계를 도메인 컨트롤러의 시간과 동기화합니다. 대략적인 아키텍처가 다이어그램에 표시되어 있습니다.

해양 크로노미터 사용 경험에서 알 수 있듯이 통일된 시간 제어는 시스템의 모든 장치의 작동을 정확하게 계산할 수 있는 가장 중요한 이점입니다.

발견의 시대에 대영 제국은 항해 분야에서 획기적인 발전을 이루었습니다. 이 모든 것은 해상 조건에서도 시간을 정확하게 측정할 수 있는 장치인 해양 크로노미터라는 간단한 발명 덕분입니다. 영국 선원들은 항구 도시 그리니치의 시간에 맞춰 크로노미터를 조정하고 장치의 판독값을 하늘의 태양 위치와 비교함으로써 매우 정확하게 항해 시간을 결정했습니다. 그들에게 크로노미터는 다름 아닌 독특한 발견이었습니다. 영국인들이 동시대 사람들을 모두 능가할 수 있게 해 준 위대한 진전이었습니다. 그리고 그 이후로 많은 시간이 흘렀지만 오늘날에도 이러한 크로노미터는 지구 전체에 중요한 역할을 하고 있습니다. 덕분에 그리니치 표준시(GMT)의 세계 표준이 확립되었기 때문입니다.

시간을 정확하게 측정하는 능력은 산업용 네트워크로 작업할 때 큰 장점입니다. 이는 네트워크 장비를 제어, 동기화 및 구성하기 위해 매우 정확한 시간 판독이 필요한 발전소에서 작업할 때 특히 그렇습니다. 높은 수준의 측정 정확도를 통해 산업용 네트워크 예비를 사용할 수 있으므로 운영 효율성, 안정성, 보안 및 최종 사용자의 요구 사항에 맞게 시스템을 맞춤화하는 기능이 크게 향상됩니다.

우리는 주로 에너지 변전소에서 현대 시스템과 작업하는 데 필요한 산업 네트워크를 동기화하는 프로세스를 살펴보겠습니다.
전체 네트워크 작동에 대한 완전한 정보를 수집할 수 있는 초정밀 데이터를 얻기 위해 시간 측정 기술, NTP, GPS 및 IEEE 1588 v2 프로토콜을 사용하는 시스템도 고려됩니다.

시간 동기화 기술의 역사.

업계에서는 시계를 사용하여 네트워크 장비를 동기화합니다. 이들로부터 받은 데이터를 기반으로 모든 관련 장비의 작동이 조정됩니다. 현재 네트워크 통합업체는 여러 가지 방법을 사용하여 시간을 동기화합니다. 각 방법에는 단점과 장점이 모두 있으며 모든 방법이 산업 시스템 작업에 적합한 것은 아닙니다.

조직 범위 간 계측 그룹(IRIG)장치의 직렬 전환이 가능한 네트워크에서의 작동 표준을 승인했습니다. 1956년 IRIG가 개발한 타임 코딩 기술은 이전 세대 시스템 작동의 기초가 되었습니다. 현재 IRIGB 205-87 표준이 최신 업데이트입니다.

네트워크 시간 프로토콜(NTP): NTP는 1985년에 처음 등장한 네트워크 데이터용 시간 프로토콜입니다. NTP 프로토콜의 작동은 계층 구조를 기반으로 하며 이를 통해 현재 전체 네트워크의 일반적인 시간에 대한 정보가 수신됩니다. NTP 계층 구조는 기본적으로 시스템에서 반복되는 주기를 방지하는 트리로 표시됩니다.

NTP는 네트워크를 여러 계층으로 나눕니다.
(출처: Wikimedia Commons의 B.D. Esham)

GPS(지구 위치 확인 시스템): GPS 위성은 지구 궤도에 위치한 초정밀 원자시계입니다. 시간 데이터는 빛의 속도로 지상에 있는 수신기로 전송될 수 있습니다. 또한 이 데이터는 상대성 원리에 따라 수정되므로 수신기는 현재 시간에 대한 초정밀 데이터를 얻을 수 있습니다.

시간 동기화에 발생할 수 있는 문제
기존의 많은 시간 동기화 시스템은 불완전하거나 비용이 너무 많이 듭니다.

자동화된 변전소 네트워크와 같은 산업 시스템은 정확한 타이밍 데이터를 사용하여 그 안에 있는 다양한 하위 시스템과 장치의 작동을 제어합니다. 그러나 이 환경에 사용되는 많은 기술은 해당 시스템의 데이터 전송 및 제어 요구 사항을 충족하지 않습니다.

정확성:완벽한 산업용 네트워크 운영을 위해서는 나노초 하나하나가 중요하지만 대부분의 최신 기술은 이 수준의 시스템을 지원할 수 없습니다. 예를 들어, 자동화된 변전소 네트워크는 미션 크리티컬 애플리케이션(오류 로깅, 원격 모니터링, 원격 제어)을 더 효과적으로 지원하기 위해 데이터를 사용하여 나노초 수준에서 작동해야 합니다. IRIGB 및 NTP 표준은 시스템이 나노초 정밀도 수준에서 작동하는 것을 허용하지 않습니다. 표준 작동 조건에서도 NTP 표준의 정확도는 수백 마이크로초입니다.

가격: GPS 네트워크는 원자 시계 덕분에 매우 높은 정보 작업 정확도를 제공하지만 전체 시스템 작동에서 동일한 정확도를 유지하려면 각 레벨이 개별 GPS 수신기의 데이터를 사용하여 작동해야 합니다. 이는 매우 큰 재정적 투자를 의미하므로 이러한 결정은 합리적이라고 할 수 없습니다. 네트워크 노드당 필요한 GPS 수신기 수를 줄이거나 전체 시스템의 초정밀 GPS 데이터 작업을 제공할 수 있는 초기 소수의 장치를 보다 효율적으로 사용할 수 있다면 GPS 데이터 작업이 이상적일 것입니다.

산업용 네트워크를 위한 시간 프로토콜입니다.

IEEE 1588v2 프로토콜은 산업용 시스템이 추가 비용 없이 최고의 정밀도로 작동할 수 있도록 특별히 설계되었습니다.

NTP, GPS 및 IRIGB 기술은 변전소에서 전체 작동을 위한 요구 사항을 충족하지 않습니다. IEEE 1588v2 PTP(Precision Time Protocol)는 산업용 네트워킹 및 제어 시스템에 사용하도록 특별히 설계되었습니다. IEEE 1588v2 네트워크에서 마스터 클록은 변전소 시스템의 나머지 부분에 대한 시간을 설정합니다. 이더넷 스위치는 시간 결정 장치 역할을 하며 결합기, 보호 장치 등은 고정 시계 역할을 합니다. 모든 장치는 "마스터-슬레이브" 원리로 작동하며, 회로 상단에는 메인 클록 기능을 수행하는 장치가 있습니다. 아래 그림은 마스터와 슬레이브 장치 간의 RTP 데이터 패킷 교환과 전체 네트워크가 동기화되는 고정 시계 설정을 보여줍니다. 마스터 시계만 GPS와 통신하면 되므로 모든 데이터가 네트워크의 다른 장치에 정확하게 배포됩니다.

IEEE 1588v2 프로토콜을 사용하려면 시스템에 GPS 수신기가 하나만 필요합니다. 이렇게 하면 네트워크의 모든 장치에 대한 정확한 데이터 전송이 보장됩니다.

IEEE 1588v2 프로토콜을 지원하는 이더넷 스위치는 정확한 데이터 전송(최대 1마이크로초)을 제공하며 마스터 클럭으로 사용할 수 있습니다. 가장 정확한 데이터 전송을 보장하려면 네트워크의 다른 장치도 IEEE 1588v2 프로토콜을 지원해야 합니다. 산업 자동화 네트워크에서 IEEE 1588v2 프로토콜을 지원하는 컴퓨터는 이더넷 스위치로부터 시간 동기화된 데이터를 수신하는 고정 시계 역할을 합니다.

전체 동기화를 위해서는 내장 컴퓨터를 포함하여 네트워크의 모든 장치가 IEEE 1588v2 프로토콜을 지원해야 합니다.

모든 네트워크 장치가 IEEE 1588v2 프로토콜을 지원하면 시스템은 나노초 수준에서 데이터를 전송할 수 있으므로 정확한 동기화가 보장됩니다. 이 수준에서 작동할 수 있는 기능은 발전소에서 사용하기에 특히 적합합니다. 이것이 바로 IEEE 1588v2가 산업용 전력 네트워크의 요구 사항을 충족하는 IEC 61850-2 표준의 일부인 이유입니다. IEC(국제전기기술위원회)는 다음과 같은 이유로 IEEE 1588v2 프로토콜을 표준에 포함시켰습니다. 산업 에너지 네트워크의 정확한 시간 동기화는 다음 작업의 성능 품질에 영향을 미칩니다.

  • 정전 경고 -이 시스템을 사용하면 초기 단계에서 여러 가지 문제를 식별하고 네트워크에서 문제가 발생하는 위치를 실시간으로 확인할 수 있습니다.
  • 장애 및 등록에 대한 상세한 기록 -나노초 수준의 이벤트를 기록하여 정확한 분석이 가능합니다.
  • 보다 효율적인 네트워크 운영 -작업 일정 및 장비 상태를 모니터링합니다.
    "질문 답변". 가상 작동 시간 일정, 발전기 및 전력 관리 작업을 수행합니다.

IEEE 1588v2 표준은 네트워킹 비용을 절감하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 나노초 수준의 높은 데이터 전송 정확도를 보장합니다. 이를 통해 변전소 및 기타 전력망 시스템은 경쟁력의 기준을 높이고 IEEE 1588v2에 따라 표준화된 장치를 사용하지 않는 유사한 조직보다 우위에 설 수 있습니다. 결국, "스마트 그리드" 시스템을 통해 동기화된 변전소는 훨씬 더 생산적이고, 더 경제적이며, 관리하기 쉽고 더 안정적입니다. 이러한 모든 이점을 통해 조직은 생산 수익성을 높이고 환경 피해를 최소화할 수 있습니다.

변전소 작동을 동기화하는 데 있어 MOHA 장치의 장점.

고속 이더넷 스위치 MOHA 모델 PT-7728-PTP IEC 61850-3은 변전소 네트워크와 해당 장치의 정확한 시간 동기화를 보장하는 IEEE 1588v2 표준의 PTP 프로토콜을 지원합니다.

스위치 특성:

  • 최대 14개 포트 100BaseFX(멀티 모드, ST 커넥터) 또는 100BaseTX 포트 및 1개의 BNC 커넥터. IEEE1588 v1 및 v2 지원, 포트당 타임스탬프 및 BNC 포트당 펄스 출력(pps).
  • End to End 모드에서 1마이크로초 정확도의 1단계 및 2단계 마스터 클록 작동
  • 피어 투 피어 모드에서 1마이크로초 정확도의 2단계 마스터 클록 작동
  • 나노초 정확도의 네트워크 클럭 동기화
  • 클록 동기화를 통해 기본 및 보조 변전소 네트워크와의 작동 가능
  • 다목적 기능 사용으로 네트워크 비용 절감(Ethernet)
  • 네트워크 변경 시 빠른 동기화
  • 설치 및 관리가 용이함

완전한 네트워크 작동을 위해 MOHA는 IEEE 1588v2 표준을 지원하는 / 시리즈의 임베디드 컴퓨터를 제공합니다.

컴퓨터의 특성:

  • 산업 환경에서 쉽게 작동할 수 있도록 최대 40와트의 낮은 전력 소비
  • 산업용 올인원 디자인: 매우 안정적인 성능을 위해 팬이나 외부 케이블이 없습니다.
  • IEC 61850-3 인증을 통해 장치를 발전소에서 사용할 수 있습니다.
  • 향후 시스템 업그레이드 비용을 줄이기 위한 2개의 독립 슬롯이 있는 모듈형 설계(8포트 RS-232/422/485 모듈, 8포트 RS-422/485 모듈, 4포트 10/100Mbps LAN 모듈, 8포트 모듈 10/100Mbps 또는 범용 PCI 확장 모듈)
  • 간단하고 쉬운 작동을 위해 Linux 시스템에서 사용자 친화적인 IEEE 1588v2 PTP 구성을 통해 설치 및 구성에 드는 비용과 시간을 절약합니다.

자동 설치 지원을 사용하여 단 몇 분 만에 DA-683에 IEEE 1588v2 PTP를 설정하세요.
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네트워크의 시간 동기화 요구 사항을 충족하는 장치를 쉽게 찾고 공식 IPC2U 웹사이트에서 비용을 확인할 수 있습니다.

면책 조항 이 문서는 일반적인 정보 제공 목적으로만 제공되며 내용은 예고 없이 변경될 수 있습니다. 본 문서에 제공된 장치, 작동 조건, 특성, 판매 조건 또는 기타 측면에 관한 모든 정보가 정확하다는 보장은 없습니다. 우리는 이 문서에 포함된 정보로 인해 발생하는 모든 조치에 대해 모든 의무를 부인하고 책임을 지지 않습니다.

65나노미터는 Zelenograd 공장 Angstrem-T의 다음 목표이며, 비용은 3억~3억 5천만 유로가 소요됩니다. 회사는 이미 Vnesheconombank(VEB)에 생산 기술 현대화를 위한 우대 대출 신청서를 제출했다고 Vedomosti가 이번 주에 공장 이사회 의장인 Leonid Reiman과 관련하여 보고했습니다. 이제 Angstrem-T는 90nm 토폴로지를 갖춘 초소형 회로 생산 라인 출시를 준비하고 있습니다. 구매한 이전 VEB 대출에 대한 지불은 2017년 중반에 시작됩니다.

베이징이 월스트리트를 무너뜨린다

미국의 주요 지수는 새해 첫날 기록적인 하락세를 보였습니다. 억만장자 조지 소로스(George Soros)는 이미 세계가 2008년 위기의 반복에 직면하고 있다고 경고했습니다.

가격이 60달러인 러시아 최초의 소비자 프로세서 Baikal-T1이 대량 생산에 들어갑니다.

Baikal Electronics 회사는 2016년 초에 약 60달러에 달하는 러시아 Baikal-T1 프로세서를 산업 생산에 투입할 것을 약속합니다. 시장 참여자들은 정부가 이러한 수요를 창출하면 해당 장치에 대한 수요가 높아질 것이라고 말합니다.

MTS와 Ericsson은 러시아에서 5G를 공동으로 개발하고 구현할 예정입니다.

Mobile TeleSystems PJSC와 Ericsson은 러시아에서 5G 기술 개발 및 구현에 관한 협력 계약을 체결했습니다. 2018년 월드컵 기간을 포함한 파일럿 프로젝트에서 MTS는 스웨덴 공급업체의 개발을 테스트할 계획입니다. 내년 초 사업자는 5세대 이동통신에 대한 기술 요구사항 형성에 관해 통신매스컴부와 대화를 시작할 예정이다.

Sergey Chemezov: Rostec은 이미 세계 10대 엔지니어링 기업 중 하나입니다.

Rostec의 Sergei Chemezov 대표는 RBC와의 인터뷰에서 긴급한 질문에 답했습니다. Platon 시스템, AVTOVAZ의 문제 및 전망, 제약 사업에 대한 국영 기업의 이익, 제재 맥락에서 국제 협력에 대해 이야기했습니다. 압력, 수입 대체, 개편, 개발 전략 및 어려운시기에 새로운 기회.

로스텍은 "자체 방어"하며 삼성과 제너럴일렉트릭의 영예를 잠식하고 있다.

Rostec 감독위원회는 "2025년까지 개발 전략"을 승인했습니다. 첨단민간제품 비중을 높이고 주요 재무지표에서 제너럴일렉트릭(GE), 삼성을 따라잡겠다는 게 주요 목표다.

과도 모니터링 시스템(TSM), 프로세스 버스를 사용하는 릴레이 보호 및 자동화(RPA) 시스템과 같은 최신 시스템에는 1μs 이내의 고정밀 시간 동기화가 필요합니다. 이러한 요구 사항은 다른 변전소 자동화 시스템(1-2ms)보다 더 엄격합니다. 동시에 오늘날 전력 설비 자동화 시스템의 프레임워크 내에서 이더넷 네트워크가 널리 보급되고 있으며 이를 통해 SCADA 시스템과 계전기 보호 장치 간, 개별 계전기 보호 장치 간 정보 교환이 수행됩니다. PTP(Precision Time Protocol)는 전용 통신 회선을 사용하지 않고 이더넷 네트워크를 통해 작동하는 시간 동기화 프로토콜로, 릴레이 보호 장치, 과도 레코더, 프로세스 버스 커플러 및 높은 속도가 필요한 기타 장치에 필요한 정밀 시간 동기화를 제공할 수 있습니다. 정밀한 시간 동기화.

기존 시간 동기화 프로토콜의 문제점

전력 시설에서는 수년 동안 장치의 시간 동기화가 수행되었습니다. 특히, 서로 다른 장치에서 기록된 이벤트를 연관시킬 수 있는 가능성을 보장하는 것이 필요합니다. 동시에 가장 많은 시간 동기화 방법은 1ms 이내의 정확도를 제공합니다. 프로세스 버스를 사용하는 SMPR 및 릴레이 보호 시스템이 도입되기 시작하면서 1μs 이내의 더 높은 정확도의 장치 시간 동기화를 보장해야 합니다.

보조 장치의 시간 동기화를 수행하는 방법에는 두 가지가 있습니다.

  • 전용 정보 전송 채널과 중계기를 포함하는 독립적인 시스템을 사용합니다.
  • 이더넷 네트워크를 이용하여 전력설비 기기간에도 애플리케이션 정보를 교환합니다.

다음 섹션에서는 가장 널리 사용되는 시간 동기화 방법에 대해 설명하고 장점과 단점을 강조합니다.

독립적인 시간 동기화 시스템 사용

역사적으로 전력 시설의 시간 동기화 시스템은 전용 통신 회선(동축, 연선, 광섬유 통신 회선(FOCL))을 사용했습니다. 두 가지 프로토콜이 사용되었습니다.

  • 타이밍 펄스와 함께 시간 및 날짜 정보를 제공하는 IRIG-B.
  • 1-PPS는 시간 및 날짜 정보 없이 정확한 시간 동기화 펄스를 제공합니다.

이러한 프로토콜을 사용할 때 릴레이 보호 장치와 SCADA 시스템 간, 그리고 개별 릴레이 보호 장치 간 데이터 교환은 동기화 정확도에 영향을 미치지 않습니다. 그러나 독립 시스템에는 추가 케이블 제품, 단자대, 리피터 등을 사용해야 하기 때문에 높은 구현 비용이 필요하다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 적절한 기술 문서 세트의 개발도 필요합니다. 특히 고전압 시설에서 시간 동기화 시스템을 구현할 때 비용이 상당할 수 있습니다.

쌀. 그림 1은 시간 경과에 따른 장치 동기화를 위한 IRIG-B 프로토콜의 사용과 장치 간 정보 교환 구성을 위한 이더넷 네트워크의 사용을 보여줍니다. 이더넷 네트워크 대신 RS-485 통신 회선을 사용할 수 있으며 이는 기존 전력 시설에서 일반적입니다.

쌀. 1. 변전소 자동화 시스템 내에서 시간 동기화와 데이터 교환 시스템의 분리에 대한 설명입니다.

규약IRIG– 비

전력 시설에서 사용되는 가장 일반적인 시간 동기화 프로토콜은 IRIG-B 프로토콜입니다. 이 프로토콜을 기반으로 동기화 시스템을 구현할 때 전용 통신 회선을 사용해야 합니다. 프로토콜은 다음 형식 중 하나로 작동할 수 있습니다. 전기 연결(동축 케이블 또는 연선) 또는 광섬유 링크를 통한 펄스 형태의 정보 전송 또는 반송파 주파수 1로 변조된 신호 전송 동축 케이블을 통한 kHz. 시간이 지남에 따라 IRIG-B 프로토콜은 주로 SMPR 구현과 관련된 IEEE 표준(IEEE Std 1344-1995, IEEE Std C37.118-2005 및 IEEE Std C37.118.1-2011)의 출현으로 인해 확장되었습니다. 이러한 확장은 연도, 협정 세계시(UTC)와의 시간 오프셋, 일광 절약 시간 및 정보 품질에 대한 정보를 전달하는 기능을 제공합니다. 이 모든 정보는 변전소 자동화 시스템 장치에서 사용됩니다. 변조되지 않은 IRIG-B 신호를 사용하면 마이크로초 범위에서 시간 동기화 정확도를 달성할 수 있지만 대부분의 클라이언트 장치는 기술적 특성으로 인해 1-2ms 이상의 정확도를 제공할 수 없습니다.

IRIG-B는 정보 전송 형식에 대한 몇 가지 옵션을 설명합니다. 그러나 다양한 제조업체의 릴레이 보호 및 자동화 장치의 시간 동기화 인터페이스 특성이 다르기 때문에 시간 서버가 하나의 IRIG-B 시간 코드 전송 형식만 사용할 수는 없습니다. 가장 일반적인 차이점 중에는 변조/비변조 신호의 사용, 참조로 로컬 또는 UTC(Universal Coordinated Time) 사용 등이 있습니다.

IRIG-B 프로토콜의 다양한 구현은 시간 코드로 식별됩니다. 예를 들어:

  • B003: IEEE 표준에 따라 변조되지 않고 연도 연장/연장이 없습니다.
  • B004: IEEE 표준에 따라 연도 연장/연장이 가능한 무변조.
  • B124: 진폭 변조 포함, 연도 정보 전송을 위한 확장 포함/IEEE 표준에 따른 확장 포함.

쌀. 그림 2는 타임 코드 형식(IRIG 표준 200-04에 따름)에 사용되는 변조되지 않은 신호와 변조된 신호를 비교한 것입니다.


쌀. 2. IRIG-B 변조 및 변조되지 않은 신호 형태.

릴레이 보호 장치와 같은 클라이언트 장치의 설정은 UTC(Universal Coordinated Time)/현지 시간, 시간대 등의 측면에서 마스터 시계의 설정과 일치해야 합니다. 릴레이 보호 장치 설정의 유연성은 다양합니다. 상당히 - 동일한 제조업체의 장치를 사용하는 경우에도 마찬가지입니다. 일부 릴레이 보호 장치는 거의 모든 IRIG-B 시간 코드 형식을 수용하도록 구성할 수 있으며, 대부분은 매개변수화 측면에서 매우 강력한 제한을 갖고 있습니다.

IRIG-B 프로토콜이 수반하는 다른 과제에는 시간 동기화 네트워크 부하, EMI 보호, 전기 절연 및 통신 회선 유지 관리가 포함됩니다. 마스터 클록의 허용 부하는 18~150mA 범위에서 달라지며, 여러 제조업체의 릴레이 보호 장치는 소비량이 다릅니다(5mA~10mA). 이는 예를 들어 배전 변전소(6.6~33kV)에서 다수의 계전기 보호 장치에 대한 시간 동기화 시스템 설계를 복잡하게 만듭니다.

1- 추신(초당 1펄스)

1-PPS(초당 1펄스)는 상당히 정확한 시간 동기화를 제공하는 데 사용될 수 있지만 천문학적인 시간 정보를 제공하지는 않습니다. 현재는 프로세스 버스를 사용하여 릴레이 보호 시스템을 구현하는 데 충분하지만 앞으로는 타임스탬프 이벤트나 암호화 메시지 인증을 위해 시간 정보가 필요할 가능성이 높습니다.

이 시간 동기화 방법의 사용은 IEC 60044-8 표준에 지정되어 있으며 계측기 변압기용 디지털 인터페이스 구현 사양(IEC 61850-9-2LE라고도 함)에도 도입되었습니다. 현재 개발 중인 IEC 61869-9 표준에서는 전용 광섬유 통신 회선을 통해 시간에 맞춰 장치를 동기화하는 이 방법을 사용할 수도 있습니다.

쌀. 그림 3은 1PPS 펄스 요구 사항을 보여줍니다. 신호가 10% 전력 레벨에서 90% 전력 레벨로(또는 그 반대로) 변경되는 데 걸리는 시간( 티에프) 신호는 200ns를 초과해서는 안 됩니다. 50% 이상의 전력 수준에서 신호 수명( 티시간)의 범위는 10μs~500ms여야 합니다.


쌀. 3. 1-PPS 신호의 그래픽 표현.

1-PPS에는 신호 분배를 위한 전용 네트워크가 필요합니다. 전기 통신 회선(동축/연선) 또는 광섬유 회선(다중 모드/단일 모드)을 물리적 데이터 전송 매체로 사용할 수 있습니다.

동기화 지연

IRIG-B 및 1-PPS 신호의 전파는 광섬유 링크를 통하는 것보다 전기 연결을 통해 구성하기가 훨씬 쉽습니다. 마스터 클록의 허용 가능한 부하를 고려하여 다중 지점 연결을 제공할 수 있기 때문입니다. 캐비닛 사이의 잠재력이 증가합니다. 광섬유 라인을 사용하면 갈바닉 절연이 보장되고 간섭의 영향이 제거됩니다. 그러나 이 경우 전력 시설의 각 계전기 보호 장치에 신호를 분배하려면 특수 리피터를 사용해야 합니다. 특히 IEC 61850-9-2LE에서는 1-PPS 신호를 전송하기 위해 광섬유 링크를 사용해야 합니다. 결과적으로, 신호를 둘 이상의 프로세스 버스 커플러로 전송하려면 여러 출력이 있는 클록이나 분배기를 사용해야 합니다.

전기 연결과 광섬유 링크를 통한 신호 전파 지연은 미터당 약 5ns입니다. 결과 값은 장거리에 걸쳐 상당히 클 수 있으며 결과적으로 클라이언트 장치에 대한 대기 시간 보상이 필요할 수 있습니다. IEC 61850-9-2LE는 신호 전파 지연 제한을 2 µs로 설정합니다. 이 값을 초과하면 보상이 필요합니다. 약 400m의 연결은 이러한 지연을 초래하며 많은 고전압 변전소에서는 이러한 거리가 제한되지 않습니다. 보상은 수동 구성 프로세스로, 이 과정에서 통신 회선뿐만 아니라 사용된 중계기를 통한 신호 전파 지연을 정확하게 고려해야 합니다. 1-PPS, IRIG-B 및 PTP 프로토콜을 통한 동기화 신호의 전파 지연에 대한 보다 자세한 연구가 제공됩니다.

네트워크를 통한 시간 동기화이더넷

오늘날 변전소 자동화 시스템 내에서 점점 더 많이 사용되고 있는 이더넷 네트워크는 시간 동기화 신호를 전송하는 데에도 사용될 수 있습니다. 이를 통해 전용 통신 회선을 배치할 필요가 없지만 특수 프로토콜을 지원하기 위해 릴레이 보호 및 자동화 장치, 전기 계량 장치 및 기타 보조 장치가 필요합니다.

가장 널리 사용되는 두 가지 시간 동기화 프로토콜은 NTP(Network Time Protocol)와 PTP(Precision Time Protocol)입니다. 변전소에서 사용되는 두 프로토콜 모두 이더넷 네트워크를 통해 메시지를 교환하여 작동합니다. NTP 및 PTP 프로토콜은 양방향 정보 교환을 통해 동기화 메시지 전송 시 시간 지연을 보상합니다. NTP 프로토콜은 PTP 프로토콜보다 더 일반적인 솔루션이지만 특수 하드웨어를 사용하여 후자를 사용할 때 더 높은 정확도가 보장됩니다. 그림에서. 그림 4는 NTP 예약 프로토콜과 PTP 예약 프로토콜을 모두 사용할 수 있는 네트워크 토폴로지를 보여줍니다.


두 프로토콜의 작동 메커니즘을 통해 여러 개의 마스터 클럭이 있을 수 있으므로 전력 시설에서 시간 동기화 시스템의 신뢰성이 향상됩니다. 또한 여러 개의 마스터 클럭이 있으면 전체 시스템의 작동을 중단하지 않고도 그 중 하나를 서비스할 수 있습니다.

규약NTP

지난 몇 년 동안 NTP 프로토콜은 에너지 시설 내에서 널리 사용되었습니다. 이 통신 프로토콜을 지원하는 상용 시간 서버 및 클라이언트(예: 릴레이 보호 장치)를 사용하면 1~4ms 범위의 시간 동기화 정확도를 달성할 수 있습니다. 그러나 이러한 정확성을 보장하기 위한 조건 중 하나는 이더넷 근거리 통신망의 올바른 토폴로지를 개발하는 것입니다. 이는 클라이언트에서 마스터로 그리고 반대 방향으로 시간 동기화 메시지를 전파할 때 일관성과 일관성을 보장합니다.

IRIG-B에 비해 NTP 프로토콜의 중요한 장점은 시간이 UTC 형식으로 전송된다는 것입니다. 이는 UTC 형식의 이벤트 타임스탬프 전송을 요구하는 IEC 61850 및 IEEE 1815(DNP)와 같은 표준을 충족합니다. 계전기 보호 장치의 디스플레이에 현지 시간을 표시해야 하는 경우 일광 절약 시간으로의 해당 전환을 고려하여 시간대를 수동으로 설정해야 합니다. NTP 프로토콜을 사용하면 보다 정확하고 안정적인 시간 동기화를 위해 동일한 클라이언트가 여러 시간 서버를 동시에 사용할 수 있습니다. 그러나 이 프로토콜은 SMPR 및 IEC 61850-9-2 프로세스 버스가 있는 인터페이스 장치에 필요한 마이크로초 동기화 정확도를 제공하지 않습니다.

PTP 프로토콜

IEEE Std 1588-2008은 PTPv2 또는 1588v2로 알려진 PTP 프로토콜의 두 번째 버전을 정의합니다. 이 프로토콜은 하드웨어 수준에서 이더넷 인터페이스의 PTP 동기화 메시지 타임스탬프를 고정하여 달성되는 매우 정확한 시간 동기화를 제공합니다. 이 데이터를 사용하면 동기화 메시지가 네트워크를 통해 배포되고 시간 서버 및 클라이언트에서 처리되는 시간을 고려할 수 있습니다. 하드웨어 수준에서 타임스탬프를 설정하는 절차는 해당 이더넷 네트워크에 존재하는 다른 통신 프로토콜의 기능에 영향을 미치지 않으므로 동일한 포트를 사용하여 IEC 61850, DNP3, IEC 60870의 프로토콜에 따라 데이터를 전송할 수 있습니다. -5-104, Modbus/IP 및 기타 통신 프로토콜. 하드웨어 수준에서 타임스탬프 기능을 사용하면 이더넷 스위치 비용이 크게 증가합니다. 릴레이 보호 장치에서 PTP 프로토콜을 지원하는 경우 일부 제조업체의 최신 수정된 장치만 이 프로토콜을 지원하며 때로는 옵션으로만 사용할 수 있습니다.

PTP 프로토콜을 사용하면 네트워크에서 시간 서버 역할을 할 수 있는 여러 장치를 가질 수 있습니다. 이 경우 가장 정확한 시계, 즉 그랜드마스터 시계를 선택하기 위해 모두가 투표에 참여한다고 가정합니다. 그랜드마스터 시계가 갑자기 고장나거나 성능이 저하되는 경우, 그랜드마스터 시계의 역할은 해당 역할을 담당하는 다른 시계가 대신할 수 있습니다. 이 절차에 소요되는 시간은 다를 수 있지만, PTP 프로토콜 설정(프로파일이라고도 함)이 발전 시설에서 사용하도록 최적화된 경우에는 5초 이내에 완료됩니다.

PTP 소개

PTP 프로토콜은 유연성이 매우 뛰어나며 시간 동기화가 필요한 다양한 애플리케이션에 사용할 수 있어 최저 10ns의 정확도를 제공합니다.

이더넷 스위치가 역할을 수행하는 투명 시계 개념을 도입한 프로토콜의 두 번째 버전이 등장하면서 더 높은 정확도가 달성되었습니다. 투명 시계는 동기화 메시지가 스위치를 통과하는 데 걸리는 시간을 측정하며, 이는 네트워크의 트래픽 로드에 따라 달라질 수 있습니다. 측정된 시간에 대한 정보는 동기화 메시지의 경로를 따라 다른 장치로 전송됩니다. 이 메커니즘을 사용하면 로컬 이더넷 네트워크 내에서 시간 동기화의 높은 정확도를 얻을 수 있습니다. 투명 클록을 사용한다는 것은 PTP 동기화 프로토콜 메시지가 네트워크의 다른 트래픽에 비해 우선순위를 정할 필요가 없음을 의미하므로 네트워크 설계 프로세스와 네트워크 장비 구성이 단순화됩니다.

술어

IEEE Std 1588-2008은 PTP 프로토콜에서 작동하는 시스템에 적용할 수 있는 여러 용어를 정의합니다. 주요 용어는 다음과 같습니다.

  • 그랜드마스터 시계– 일반적으로 GPS(또는 기타 시스템) 신호 수신기가 내장되어 있는 PTP 프로토콜에 따라 동기화할 때 시간 데이터의 주요 소스가 되는 시계입니다.
  • 마스터 클락– 네트워크의 다른 시계가 동기화되는 시간 데이터의 소스인 시계.
  • 슬레이브 시계– PTP 프로토콜을 사용하여 동기화하는 최종 장치 이는 PTP 프로토콜을 기본적으로 지원하는 릴레이 보호 장치이거나 PTP 프로토콜 형식으로 정보를 수신하고 다른 한편으로는 IRIG-B 또는 1-PPS 프로토콜 형식으로 데이터를 생성하는 변환기일 수 있습니다. .
  • 투명시계– 동기화 메시지가 자신을 통과하는 데 걸리는 시간을 측정하고 측정된 값을 다음에 동기화 메시지를 수신하는 클럭에 제공하는 이더넷 스위치입니다.
  • 경계 시간– 여러 개의 PTP 포트가 장착되어 있으며 마스터 시계 역할을 할 수 있는 시계 예를 들어, 시간 신호의 상위 레벨 소스와 관련하여 슬레이브가 될 수 있고 하위 레벨 장치와 관련하여 마스터 역할을 할 수 있습니다.

네트워크에는 최소한 하나의 그랜드마스터 클럭과 하나의 슬레이브 클럭이 있어야 합니다. 그러나 대부분의 경우 여러 장치를 하나의 네트워크로 결합해야 하는 경우 스위치를 사용해야 하며 가장 간단한 경우에는 투명 시계 역할을 합니다. 또한 경계 시계 역할을 할 수도 있으며, 이는 경우에 따라 더 정확한 시간 동기화를 허용합니다(이것이 사실인지 여부는 특정 제조업체에 따라 다름). 쌀. 도 5는 PTP 프로토콜에 따라 시간 동기화가 구현되는 컴플렉스를 도시한다. 이 예에서 그랜드마스터 시계는 GPS(Global Positioning System)뿐만 아니라 PTP 프로토콜을 통해 외부 네트워크로부터도 정확한 시간에 대한 정보를 수신할 수 있습니다. 지정된 솔루션은 시간 신호 수신기 또는 해당 외부 연결 회로의 오류를 백업하기 위해 구현됩니다. 외부 네트워크의 정확한 시간 신호 사용으로 전환하는 경우 시계는 더 이상 그랜드마스터 시계가 아니며 경계 시계의 역할을 맡습니다. 또한 묘사된 컴플렉스는 기본 PTP를 지원하는 릴레이 보호 장치와 PTP 프로토콜을 지원하지 않는 최종 장치에 대한 정확한 시간에 대한 정보를 제공하는 IRIG-B 및 1-PPS 형식으로의 변환기라는 두 가지 유형의 슬레이브 시계를 사용합니다.


1단계 및 2단계 모드로 작동

PTP 프로토콜의 작동 원리는 동기화 유형의 동기화 메시지 전송 시간(시간 정보를 전달하는 메시지)과 이더넷 인터페이스에서 이 메시지를 수신한 시간을 정확하게 알 수 있다는 사실에 기초합니다. 노예시계. 특정 메시지의 정확한 전송 시간은 전송이 완료될 때까지 알 수 없습니다. PTP 지원 이더넷 인터페이스는 하드웨어 수준에서 메시지의 타임스탬프를 제공한 다음 이 정보를 그랜드마스터 시계의 중앙 프로세서로 전송합니다. 그 후, 모든 슬레이브 장치에 동기화 메시지 전송의 정확한 타임스탬프를 전송하는 후속 메시지가 생성됩니다. 이 경우 투명 시계는 네트워크를 통해 이 메시지를 전송할 때의 지연에 대한 정보(채널 지연과 메시지 리디렉션 시간의 합)로 이 메시지를 보완합니다. 동기화 및 후속 메시지 조합의 사용을 PTP 프로토콜의 2단계 작동 모드라고 합니다.

PTP 프로토콜의 두 번째 버전(PTPv2)에는 하드웨어 수준에서 전송 중에 PTP 메시지의 내용을 변경하는 기능이 도입되었습니다. 이 방법을 구현하면 후속 메시지가 필요하지 않습니다. PTP 프로토콜의 이 작동 모드를 단일 단계라고 합니다. 이 모드를 지원하는 그랜드마스터 시계는 정확한 형성 시간에 대한 정보와 함께 동기화 유형 메시지를 전송하고, 투명 시계는 이 유형의 메시지 전송 지연을 추정하고(네트워크를 통해 그리고 자체를 통해) 측정된 지연에 대한 데이터를 대신 동일한 동기화 유형 메시지를 사용하여 후속 메시지에 이 데이터를 포함하세요. 이 작동 모드는 네트워크의 정보 부하가 낮다고 가정하지만 더 복잡하고 값비싼 장치를 사용해야 합니다.

PTP 프로토콜 조건에 따라 작동하는 컴플렉스에는 1단계 및 2단계 모드에서 작동할 수 있는 그랜드마스터 시계가 포함될 수 있습니다. 이러한 컴플렉스에서 슬레이브 클럭은 단일 스테이지 투명 클럭에 의해 생성된 메시지와 2단계 투명 클럭에 의해 생성된 후속 메시지에서 직접 동기화 메시지 전송의 결과 지연에 대한 정보를 고려할 수 있어야 합니다. 시계.

프로필PTP 전력산업용(힘 프로필)

PTP 프로토콜 표준에는 상호 배타적인 몇 가지 수정 사항이 포함됩니다. PTP 프로토콜의 두 번째 버전(PTPv2)에는 여러 매개변수의 값을 제한하고 다양한 애플리케이션에 대해 프로토콜의 특정 측면을 사용해야 하는 프로파일 개념이 도입되었습니다.

전력 프로필은 변전소 자동화 시스템에서 가장 일반적인 토폴로지에 대해 1μs 이내의 시간 동기화 정확도를 보장하기 위한 여러 매개변수를 정의하는 IEEE Std C37.238-2011에 설명되어 있습니다. 또한 이 프로필은 표준 모니터링 프로그램을 사용할 때 주요 장치 매개변수를 모니터링하는 기능을 제공하는 SNMP 프로토콜용 MIB(Management Information Base)를 정의합니다. 덕분에 비상 상황 발생 시 알람 발생과 함께 시간 동기화 시스템의 기능을 실시간으로 모니터링하는 것이 가능해졌습니다.

전력 프로필에서는 각 개별 투명 클록에서 발생하는 오류가 50ns를 초과하지 않아야 합니다. 이는 16개의 이더넷 스위치가 포함된 로컬 네트워크 토폴로지를 구성할 때(예: 링 토폴로지의 일부로) 1μs 이하의 동기화 정확도를 보장하는 데 필요합니다. 이 경우 GPS 시계의 허용 오차는 200ns로 설정됩니다.

PTP 프로필에서는 링크 지연을 결정하기 위한 피어 투 피어 메커니즘을 지원하는 투명 시계를 사용해야 하며, 모든 PTP 메시지는 멀티캐스트 모드의 링크 계층에서 전송됩니다. 피어 투 피어 대기 시간 메커니즘은 각 PTP 지원 장치가 인접한 장치와 메시지를 교환하여 이들 사이의 메시지 전송 링크 지연을 측정하는 것을 의미합니다. 동기화 메시지 전송의 총 시간 지연은 채널 지연과 그랜드마스터에서 슬레이브 클럭으로의 메시지 전파 경로를 따라 발생하는 투명 클럭에 의한 메시지 처리 지연의 합으로 정의됩니다. 이 작동 모드에는 두 가지 장점이 있습니다.

  1. 그랜드마스터 시계에 표시되는 네트워크 트래픽은 네트워크가 확장되어도 증가하지 않습니다. 그랜드마스터 클럭은 인접한 이더넷 스위치(투명 또는 에지 클럭)와만 메시지를 교환합니다.
  2. 기본 통신 경로에 장애가 발생하고 백업 경로가 활성화되면 메시지 전송 지연이 자동으로 보상됩니다. 채널 지연은 STP 제품군의 프로토콜에 의해 차단될 수 있는 지연을 포함하여 각 통신 회선에서 측정됩니다.

모든 PTP 지원 장비 제조업체가 전력 유틸리티 프로파일을 지원하는 것은 아니지만 표준 또는 IEEE Std 1588-2008의 부록 J.4에 설명된 표준 프로파일이 시스템이 올바르게 구성된 경우 필요한 정확도를 제공할 수 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 전력 유틸리티 프로파일 이외의 프로파일을 사용하는 경우 타이밍 오류, 해당 시간대 등 변전소 자동화 시스템 장치에 필요한 정보가 고객에게 제공된다는 보장이 없습니다. 또한 필요한 프로토콜 성능 사양을 충족한다고 보장되지 않습니다(부속서 J.4는 성능 요구 사항을 지정하지 않음).

경계 클록을 사용하여 서로 다른 프로필 간에 변환할 수 있습니다. 예를 들어, 경계 클록은 통신 프로필(ITU-T Rec. G.82651.1 통신 프로필)과 전력 프로필(IEEE Std C37.238 전력 프로필) 간의 변환을 제공할 수 있습니다. 통신 프로필을 통해 외부 네트워크로부터 정확한 시간에 대한 정보를 수신하면 그랜드마스터 시계의 GPS 신호 수신기 오류에 대한 백업을 제공할 수 있습니다. 이 경우 앞서 설명한 대로 경계 시계 역할을 맡게 됩니다.

프로토콜 메시지 유형PTP

전력 산업을 위한 PTP 프로토콜 프로필은 4가지 메시지 클래스 사용을 제공합니다.

  1. 다음과 같은 메시지동조 . 메시지 데이터에는 1970년 1월 1일 자정 이후 마스터 클록에서 전송된 초 및 나노초 형식의 시간 정보가 포함됩니다.
  2. 다음과 같은 메시지또래 지연. 이러한 메시지는 인접한 장치 간에 교환되어 이들 사이의 통신 링크를 따라 동기화 메시지의 전파 지연을 추정합니다. 1단계 작업을 사용하는지 2단계 작업을 사용하는지에 따라 2~3개의 서로 다른 메시지 유형을 사용하여 대기 시간을 측정합니다.
  3. 다음과 같은 메시지따르다 위로. 메시지 데이터에는 전송된 이전 동기화 메시지의 정확한 타임스탬프와 조정 값이 포함됩니다. 수정 값은 투명 클록에 의한 메시지 처리 시간과 그랜드마스터 클록과 지정된 네트워크 지점 사이의 메시지 전파 경로를 따른 채널 지연의 합입니다. 나노초 및 나노초의 분수 형식으로 표시됩니다.
  4. 다음과 같은 메시지발표하다. 이러한 메시지의 전송은 소스(예: GPS 수신기) 작동 오류에 대한 데이터와 PTP 프로토콜의 기타 서비스 정보를 제공하는 그랜드마스터 시계에 의해 수행됩니다.

쌀. 그림 6-8은 2단계 모드에서 작동하는 시계를 사용하여 소규모 네트워크에서 메시지가 교환되는 방법을 보여줍니다(대부분의 장치는 1단계 작동을 지원하지 않기 때문입니다). 동기화 메시지는 투명 시계에 의해 변경되지 않고 전송됩니다. 티ㅏ– 그랜드마스터 시계의 시간 표시. Announce 메시지도 같은 방식으로 전송됩니다.


메시징 유형 또래 지연 (또래 지연 요구, 또래 지연 응답그리고 또래 지연 따르다 위로)은 인접한 장치 사이에서만 수행됩니다.


쌀. 7. Peer Delay 메시지는 인접 장치 간에만 교환됩니다.

각 투명 시계는 자신과 인접 장치 간의 메시지 전송 채널 지연을 결정합니다. Sync 메시지가 투명 시계를 통과할 때 메시지 도착 경로에 따른 채널 지연과 Sync 메시지가 이를 통과하는 데 걸리는 시간을 합산하여 로컬 보정 값을 계산합니다. 이 로컬로 계산된 수정 값은 해당 수신 후속 메시지의 수정 값에 추가됩니다. 값을 수정하기 위해 슬레이브 클럭에 Follow Up 메시지가 도착하면 이에 의해 결정된 채널 지연 값이 추가됩니다. 결과 수정 값은 동기화 메시지가 네트워크를 통해 마스터에서 슬레이브 장치로 전송되는 데 걸린 총 시간이 됩니다.

동기화 유형 메시지 전파 경로에 있는 각 네트워크 요소가 이 총 시간에 기여하므로 위에 설명된 전력 프로필의 채널 지연을 측정하기 위한 피어 투 피어 메커니즘은 다음 조건에서 프로토콜의 올바른 기능을 보장합니다. 네트워크 토폴로지를 변경합니다.

후속 조치 메시지는 동일하게 보일 수 있지만 네트워크의 모든 지점에서 다를 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 투명 시계는 이러한 메시지의 내용을 변경하여 그랜드마스터 시계의 주소를 변경하지 않고 유지합니다.

그림에서. 8 티비– 값이 비슷하지만 시간과 동일하지 않은 그랜드마스터 시계에 의한 동기화 메시지의 실제 형성 시간 티ㅏ. 각 슬레이브 시계는 동기화 메시지 수신 순간을 기록하고, 투명 시계 및 채널 지연을 통해 메시지 전송 시간을 기록함으로써 수정 값이 되며 동기화 메시지 전송 시 가변 지연을 고려할 수 있습니다. .


쌀. 8. 후속 메시지에는 전파 경로를 따라 각 투명 시계로 업데이트되는 수정 값이 포함되어 있습니다.

전력 산업에 PTP 프로파일을 사용할 때의 장점과 단점

PTP 전원 프로필을 사용하면 다음과 같은 여러 가지 이점을 얻을 수 있습니다.

  • 시간 동기화의 정확성은 네트워크 트래픽 양에 따라 달라지지 않습니다. 네트워크 장비에 과부하가 걸려도 PTP 메시지는 손실되지 않습니다. 이를 통해 IEC 61850-9-2에 따른 프로세스 버스를 사용하고 IEC 61850-8-1(GOOSE 트래픽 포함)에 따른 스테이션 버스를 사용하여 SMPR 및 릴레이 보호 시스템을 구현할 때 동일한 로컬 네트워크 인프라를 사용할 수 있습니다. 및/또는 MMS)뿐만 아니라 다른 통신 프로토콜(DNP3 등)을 기반으로 작동하는 컴플렉스도 있습니다.
  • PTP 메시지 속도는 네트워크에 과도한 부담을 주거나 복잡한 슬레이브 클럭을 요구하지 않고 마이크로초 타이밍 정확도를 제공하도록 최적화되었습니다.
  • 광학 및 전기(연선) 통신 회선 모두 물리적 데이터 전송 매체로 사용될 수 있으며 이는 모두 선택한 스위치의 구성에 따라 다릅니다.
  • 단일 시간 기준 시스템을 사용하므로 장치를 협정 세계시(UTC)/현지 시간으로 설정하는 번거로움이 없습니다. Electrical Utilities 프로필을 지원하는 모든 장치는 윤초 및 일광 절약 시간 문제가 없는 국제 원자 시간(TAI)을 사용합니다.
  • 전원 프로필은 로컬 시간 오프셋 전송을 제공하므로 릴레이 보호 장치에서 로컬 시간을 구성할 필요가 없습니다. 또한 일광 절약 시간제 전환과 관련된 모든 변경 사항은 릴레이 보호 장치의 설정을 변경하지 않고도 그랜드마스터 시계에서 수행할 수 있습니다. 이 메커니즘은 IEEE 1588 표준에 의해 정의되므로 전력 유틸리티에 대한 PTP 프로필을 지원하지 않는 장치와도 호환됩니다.
  • 기존 그랜드마스터 시계와의 통신이 중단되거나 성능이 저하되는 경우 자동 전환 기능을 갖춘 예비 그랜드마스터 시계의 사용을 제공하는 것이 가능할 수 있습니다.
  • PTP 프로토콜을 지원하는 장치 간 정보 교환의 신뢰성을 높이기 위해 RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol), PRP(Parallel Redundancy Protocol), HSR(High-availability Seamless Ring)과 같은 프로토콜을 사용할 수 있습니다.
  • 그랜드마스터 클럭에 추가 로드 없이 네트워크를 확장할 수 있습니다.
  • 긴 통신 회선을 통한 시간 동기화 메시지 전파 지연이 자동으로 보상되므로 프로세스 버스 인터페이스 장치와 임시 레코더를 조정할 필요가 없습니다.

예비 그랜드마스터 시계 사용으로 전환하는 속도 테스트에 대한 자세한 정보는 에 나와 있습니다. 이 자료에서는 유효한 그랜드마스터 시계가 있는 이더넷 네트워크 세그먼트의 손실 및 GPS 신호의 손실과 같은 시나리오를 고려합니다.

PTP 프로토콜은 상당히 복잡한 프로토콜이므로 필요한 시간 동기화 정확도를 보장하려면 여러 가지 사항을 고려해야 합니다. 또한, 전력설비의 자동화 시스템 내에서도 새로운 리스크가 발생하고 있습니다. PTP 프로토콜 사용 시 다음 사항에 유의해야 합니다.

  • 이더넷 스위치는 허용할 수 없는 성능 오류를 알리는 기능을 갖춘 유틸리티 PTP 프로필을 지원해야 합니다. PTP를 지원하는 모든 투명 시계(특히 채널 지연 감지를 위한 P2P 지원 기능)가 50ns 미만의 오류를 제공할 수 있는 것은 아닙니다. 또한 모든 투명 시계가 결과 오류를 평가할 수 있는 것은 아닙니다.
  • 전력 산업을 위한 PTP 프로파일을 지원하는 계전기 보호 장치의 수가 시장에 제한되어 있지만 상황은 개선되고 있습니다. 2013년부터 많은 제조업체에서 PTP를 지원하는 계전기 보호 장치를 생산해 왔지만 프로토콜 지원은 선택 사항일 수 있으며 이에 대한 필요성은 주문 시 결정됩니다.
  • 유틸리티 PTP 프로필을 지원할 수는 있지만 모든 마스터 또는 슬레이브 시계(다른 시간 동기화 프로토콜로의 변환기 포함)가 고전압 변전소에서 사용하도록 설계된 것은 아닙니다. 장비는 지정된 심각도 수준에 따라 전자기 간섭에 대한 내성을 테스트해야 합니다.
  • 시간 동기화는 SMPR 및 IEC 61850-9-2 프로세스 버스에 매우 중요합니다. 특별히 교육을 받은 직원만이 PTP 지원 장치의 구성을 변경할 수 있는 능력을 갖는 것이 중요합니다(특수 구성기 사용, 웹 서버 사용 또는 SNMP 프로토콜 사용). PTP 지원 장치가 전면 패널 구성을 허용하는 경우 액세스는 비밀번호로 제한되어야 합니다.
  • 다양한 PTP 프로토콜 프로필이 있으며 각각은 특정 응용 프로그램에 최적화되어 있습니다. 전력산업용 PTP 프로파일(Power Profile)은 전력설비 자동화 시스템의 요구사항을 가장 완벽하게 충족하지만, Default Profile도 사용할 수 있습니다. 그러나 모든 시스템에 대해 충분한 시간 동기화 정확도가 제공된다는 보장은 없습니다. 통신 프로필이나 오디오-비디오 애플리케이션용 프로필(IEEE 802.1AS)과 같은 기타 특정 프로필은 필요한 성능을 제공하지 못할 가능성이 높습니다.

전력 설비에서 PTP 프로토콜을 사용하는 예

이 섹션에서는 고전압 변전소 자동화 시스템 내에서 PTP 프로토콜을 사용하는 두 가지 예를 설명합니다. 첫 번째 예는 새로운 건설 변전소의 자동화 시스템 내에서 PTP 프로토콜의 사용을 설명하고, 두 번째 예는 기존 변전소를 업그레이드할 때를 설명합니다. 또한 이더넷 정보 네트워크의 구조에 대해서도 설명합니다. 네트워크 설계는 PTP 프로토콜을 지원할 뿐만 아니라 단일 장애(장비 또는 통신 회선)에서도 기능을 유지해야 하는 요구 사항을 충족한다고 가정합니다.

프로토콜의 적용PTP 신축 에너지 시설에서

많은 릴레이 보호 장치에는 IEEE C37.118.1(또는 이전 표준)에 따른 임시 기록 기능이 있습니다. 이 기능을 실제로 구현하려면 마이크로초 정확도로 장치의 시간 동기화를 보장해야 합니다. 역사적으로 NTP가 정확도 요구 사항을 충족하지 못했기 때문에 IRIG-B 시간 동기화가 사용되었습니다. 오늘날 많은 제조업체에서는 정확도 요구 사항을 충족하기 위해 PTP 프로토콜을 지원하는 솔루션을 제공합니다. 동시에 NTP 프로토콜을 사용하여 비상 이벤트 기록 기능을 수행하는 전력 시설의 다른 계전기 보호 장치를 동기화할 수도 있습니다.

이 예에서는 PTP 프로토콜의 사용 용이성을 보여주기 위해 중간 크기의 330/132kV 변전소를 고려합니다. 이 경우, PTP 프로토콜을 사용하여 동일한 전력 시설 내의 프로세스 버스와 인터페이스 장치를 동기화할 수도 있지만 과도 등록 기능의 구현이 고려됩니다. 객체의 단일 선 다이어그램이 그림 1에 나와 있습니다. 9.

쌀. 9. 330kV 개폐 장치의 1.5배 다이어그램과 132kV 개폐 장치의 단일 섹션 버스 시스템이 있는 330/132kV 변전소의 단일 회선 다이어그램.

일반적으로 전력망 회사는 장비 배치에 대해 두 가지 옵션 중 하나를 허용합니다. 계전기 보호 및 자동화 장치는 구내에 있는 단일 공간 또는 여러 모듈식 건물(고도로 조립식) 내에 위치합니다. 사용되는 접근 방식에 따라 이더넷 로컬 네트워크의 토폴로지와 필요한 안정성 수준이 결정됩니다. 이 예에서는 330kV 및 132kV 요소에 대한 계전기 보호 장치가 별도의 건물에 설치된다는 사실을 기반으로 네트워크 토폴로지가 개발되었습니다. 단순화를 위해 그림에서 10에는 일부 장치만 표시되어 있습니다. 중복 연결은 사용되지 않으며 보호 세트 하나만 표시됩니다.

General Electric UR 시리즈 장치는 현장 사용을 위해 선택되었으며 그 기능에는 일시적인 녹음 기능이 포함되어 있습니다. 동시에 릴레이 보호 장치는 가장 널리 사용되는 IRIG-B 인터페이스 대신 PTP 프로토콜을 지원합니다. 이 시설은 또한 PTP 프로토콜을 지원하는 ABB REV615 시리즈 커패시터 뱅크 릴레이 보호 장치의 사용을 제공합니다.


시간의 주요 소스는 위성 신호 수신기가 장착된 그랜드마스터 시계입니다. NTP는 밀리초 단위의 정밀한 시간 동기화가 필요한 통신 컨트롤러, 게이트웨이, 전력계 및 릴레이 보호 장치에서 사용될 수 있으므로 Grandmaster PTP도 NTP 마스터 클럭이 되는 것이 좋습니다.

이더넷 스위치는 IEC 61850, DNP3, HTTP, SNMP 등과 같은 다른 트래픽과 함께 PTP 메시지를 배포하는 데 사용됩니다. PTP 트래픽의 볼륨은 약 420바이트/초로 매우 작으며 네트워크에 영향을 미치지 않습니다. 쌀. 그림 11은 Tekron Grandmaster Watch에서 생성된 PTP 트래픽을 보여줍니다. 그림은 그랜드마스터 시계가 Sync(빨간색), Follow Up(라즈베리), Announce(파란색) 및 Peer Delay Request(녹색)와 같은 메시지를 초당 한 번씩 생성하고 Peer Delay Response(노란색) 및 Peer Delay와 같은 응답도 생성하는 것을 보여줍니다. 응답 후속 조치(갈색). 그림에 나와 있는 2단계 모드는 가장 많은 트래픽을 생성하며 이는 최악의 경우입니다.


쌀. 11. 2단계 그랜드마스터 클럭에 의해 생성된 PTP 트래픽.

루트 스위치는 전력 시설의 이더넷 로컬 네트워크 토폴로지 중앙에 위치합니다. 통신 서버와 디스패처 워크스테이션이 이 스위치에 연결됩니다. 위 다이어그램은 두 개의 다른 스위치 사용을 제공합니다. 하나는 330kV 제어 센터에 있고 다른 하나는 132kV 제어 센터에 있습니다. 이 솔루션을 사용하면 계전기 보호 및 자동화 장치를 연결하는 데 필요한 케이블 양을 줄일 수 있습니다. 각 제어 센터에 설치된 스위치는 계전기 보호 장치 간의 정보 교환 가능성을 제공합니다(예: 차단기 고장 시작, 자동 재폐로 금지 신호가 포함된 GOOSE 메시지). 이는 중앙 스위치와의 통신 실패 시 분산 기능의 기능을 보장합니다.

사용되는 스위치 수는 다음 측면 간의 균형에 따라 결정됩니다.

  • 유연성: 스위치가 많을수록 포트가 많아집니다.
  • 신뢰성: 시스템에 스위치가 많을수록 단일 스위치에 오류가 발생할 확률이 높아집니다.
  • 운영 안정성: 스위치에 장애가 발생하면 제어할 수 없는 요소가 얼마나 됩니까?

PTP의 사용은 전력망 회사의 로컬 네트워크 사용을 위한 기존 솔루션에 잘 맞습니다. 전력 산업용 PTP 프로필(Power Profile)을 사용하면 논리적으로 차단된 통신 회선을 포함하여 채널 지연 평가가 수행되므로 RSTP 프로토콜 중복 프로토콜을 사용할 때 중복 통신 채널이 있는 조건에서 작동할 수 있습니다. PTP 메시지가 대체 네트워크 경로를 따라 전파되면 PTP 후속 메시지의 조정 값에 따라 새 경로에 따른 지연이 결정됩니다.

시간 동기화 시스템을 생성할 때 내려야 하는 결정 중 하나는 스위치가 투명 또는 에지 클럭 모드에서 작동해야 하는지 여부입니다. 가장 간단한 모드는 투명 시계입니다. 이 모드를 사용하면 트래픽 분석기(예: Wireshark 애플리케이션)를 사용하여 네트워크 오류 문제를 해결하는 것이 훨씬 쉽습니다. 경계 클록을 사용하면 작동하는 그랜드마스터 클록을 슬레이브 클록에서 분리할 수 있다는 장점이 있습니다. 이는 단순히 동기화 메시지 시간을 추정하는 것이 아니라 경계 시계를 최신 상태로 유지함으로써 달성됩니다.

투명 시계 역할을 하는 132kV 제어 센터에 설치된 스위치와 루트 스위치 사이의 통신 회선에 장애가 발생하는 시나리오를 생각해 보겠습니다. 이 경우 내장 발진기의 특성 차이로 인해 각 슬레이브 시계(릴레이 보호 장치)의 판독값이 실제 시간과 서로 차이가 발생합니다. 불일치가 증가하는 속도는 발진기의 품질 및 온도 변화를 포함한 여러 요인에 따라 달라집니다. 통신 중단이 오랜 시간 동안 계속되면 132kV 전압 레벨 요소의 계전기 보호 및 자동화 장치 판독 시간의 차이가 커질 수 있습니다. 이 상황은 기존 솔루션과 IRIG-B 동기화를 제공하는 통신 회선이 중단되는 상황과 동일합니다.

132kV 제어 센터의 스위치가 경계 시계 역할을 하면 슬레이브 장치는 경계 시계와 동기화됩니다. 정상 작동 중에 바운더리 시계는 그랜드마스터 시계와 동기화됩니다. 그랜드마스터 시계와의 연결이 끊어지면 릴레이 보호 장치는 경계 시계와 동기화된 상태를 유지합니다. 경계 시계의 현지 시간은 그랜드마스터 시계의 시간에서 천천히 벗어나게 됩니다. 이는 슬레이브 시계에서도 동일한 속도로 발생합니다. 이 경우 모든 계전기 보호 장치는 서로 동기화됩니다. 이 상황에서는 릴레이 보호 장치의 내부 클록 품질이 중요하지 않습니다.

시간 동기화 시스템 교체:IRIG– 비 ~에PTP

예를 들어, 전력 시설에 새로운 기능을 갖춘 단지를 도입하는 경우와 같이 기존 시간 동기화 시스템을 교체해야 하는 상황이 발생할 수 있습니다. 주어진 예에서는 별도의 제어 센터 건설에 대한 요구 사항이 발생하는 변전소 확장 시나리오를 고려합니다. 기존 변전소에서는 이더넷 네트워크를 사용하여 계전기 보호 장치 간의 데이터 교환을 구현하고 IRIG-B 프로토콜을 사용하여 장치를 적시에 동기화합니다. 광섬유 통신 회선은 이더넷 LAN과 시간 동기화 시스템 모두의 데이터 전송 매체로 사용됩니다. 이 매체는 높은 잡음 내성과 갈바닉 절연을 제공하기 때문입니다. 중계기는 광통신 회선을 통해 전송된 IRIG-B 신호를 전기 IRIG-B 신호로 변환하는 데 사용되며, 이 신호는 릴레이 보호 장치의 인터페이스에 직접 공급됩니다.

쌀. 도 12는 330/132 kV 변전소, 기존 제어 센터 건물 및 확장 전 건물 간 통신 연결의 단선 다이어그램을 보여줍니다.


쌀. 12. 제어 센터 건물 수, 건물 간 연결 및 시간 동기화 시스템 구조를 보여주는 330/132 kV 변전소의 단선 다이어그램.

전력망 회사는 또 다른 330/132kV 전력 변압기를 설치하여 330kV 배전반을 확장하는 프로젝트를 시행하고 있습니다. 계전기 보호 및 자동화 장치와 기타 장비가 설치될 또 다른 제어실 건물을 건설할 계획입니다. 132kV 제어 센터에서 IRIG-B 신호를 라우팅하는 것이 가능해 보이지만 통신 회선의 길이가 길어 추가적인 시간 동기화 오류가 발생합니다. 이 변전소 확장은 PTP 프로토콜 사용 경험을 쌓을 수 있는 좋은 기회를 제공합니다.

동시에 교체해야 할 장비의 양은 매우 적습니다. GPS에 연결된 마스터 시계가 PTP를 지원하지 않으면 교체해야 합니다. 이 프로젝트에서는 PTP 및 NTP 프로토콜을 모두 지원하는 모델 TCG 01-G인 Tekron 장비가 선택되었습니다. 루트 이더넷 스위치가 전력에 대한 PTP 프로필(Power Profle)을 지원하지 않는 경우 이 지원을 구현하는 스위치로 교체해야 합니다(이 프로젝트에서는 GE Multilink ML3000 스위치로 교체되었습니다). 이 경우 이전 스위치의 구성을 새 스위치에 복제하려면 VLAN, 멀티캐스트 필터링, 포트 구성 및 SNMP 프로토콜 측면에서 문서화해야 합니다.

마지막 단계에서는 새로운 OPU 내에서 PTP 프로토콜 형식을 IRIG-B 형식으로 변환하는 변환기를 사용할 것으로 예상됩니다. 지정된 변환기는 릴레이 보호 장치를 IRIG-B 인터페이스와 연결하는 기능을 제공합니다. 새 GPU에 설치될 모든 이더넷 스위치는 Power Utilities PTP 프로필에 따라 투명 클록 역할 또는 경계 클록 역할을 지원해야 합니다. 쌀. 도 13은 확장 후 변전소의 다이어그램을 예시한다. 설비를 확장할 때 설치된 계전기 보호 장치가 PTP 프로토콜을 지원할 수 있는지 알아 보는 것도 가치가 있습니다. 그렇다면 변환기가 필요하지 않으며 최종 장치에서 PTP를 사용하는 추가 경험을 제공할 수도 있습니다.


쌀. 13. 확장 후 변전소 다이어그램(추가 전력 변압기 설치, 330kV 배전반 확장 및 새 제어 센터 건설).

시간 동기화 시스템을 구축하기 위해 제안된 아키텍처에서는 새로운 제어 센터에 위치한 장치에 대한 동기화 신호의 전파 시간을 보상할 필요가 없습니다. 이는 시간 지연을 결정하기 위한 P2P 메커니즘에 의해 제공되기 때문입니다. 전력 산업을 위한 PTP 프로파일(Power Profile)입니다. 이는 마이크로초 단위의 정밀한 시간 동기화가 필요한 제어 시스템 및 기타 시스템을 설정하는 작업을 단순화합니다.

캐비닛 설계 측면에서 PTP 변환기(각 캐비닛당 하나씩)를 설치해야 하는 필요성과 관련된 변경 사항은 하나만 있을 수 있으며, 그 목적은 IRIG-B 신호 전송을 위한 전용 통신 회선을 배치할 필요성을 없애는 것입니다. 이미 오늘날 많은 전력망 회사에서는 릴레이 보호와 자동화 캐비닛 사이에 구리 케이블 연결을 사용하지 않고 캐비닛 장치를 단일 이더넷 네트워크로 결합하고 있습니다. 이러한 상황에서는 이 접근 방식의 또 다른 이점을 사용할 수 있습니다. 즉, 메시지가 릴레이 보호 장치의 신호와 동일한 이더넷 네트워크를 통해 전송되는 PTP 프로토콜을 사용하는 것입니다.

쌀. 도 14는 IRIG-B(변조/기저대역)를 이용한 기존의 시간 동기화 시스템을 나타낸다. 모든 계전기 보호 장치는 이더넷 인터페이스를 통해 자동화된 공정 제어 시스템에 연결되지만, 기존 전력 시설에서는 RS-485 인터페이스(DNP3 또는 IEC 60870-5-101 프로토콜 사용)를 통해 장치를 연결할 수도 있습니다.


쌀. 14. 전통적인 시간 동기화 시스템 및 장치 간 통신 링크.

PTP 프로토콜을 사용하는 경우 광섬유 통신 회선을 통해 캐비닛 간의 통신을 구성하는 것이 좋습니다. PTP 변환기와 같은 PTP 슬레이브 시계는 표준 시간 동기화 프로토콜(표시된 예에서는 IRIG-B) 중 하나로 변환하는 데 사용됩니다. 각 개별 캐비닛의 이러한 변환기에 의해 IRIG-B 신호가 생성되면 IRIG-B 프로토콜 형식으로 데이터를 방송하는 단일 시간 서버를 사용하는 시나리오와 비교하여 다른 시간 형식과 시간대를 가질 수 있습니다. 쌀. 도 15는 PTP 형식에서 표준 프로토콜 중 하나의 형식으로의 변환기를 사용하여 기존 릴레이 보호 장치를 시간 동기화하고 동시에 최신 릴레이 보호 장치의 시간을 PTP 지원과 동기화하는 데 PTP 프로토콜을 사용할 수 있는 방법의 예를 보여줍니다.


기존 전력 시설을 확장하고 현대화할 때 PTP 프로토콜을 사용하면 전력망 회사와 통합업체가 PTP 프로토콜 사용 경험을 얻을 수 있는 기회를 얻을 수 있습니다. 앞으로는 PTP 프로토콜을 기본적으로 지원하는 릴레이 보호 장치를 사용하여 경험을 쌓을 수도 있습니다.

전기 네트워크 회사가 릴레이 보호와 자동화 장치 사이에 로컬 이더넷 네트워크를 통해 통신을 구현하는 단계로 나아가는 경우, 사용되는 스위치가 PTP 프로토콜을 지원할 수 있다는 가능성에 주의를 기울여야 합니다. 스위치가 하드웨어 수준에서 프로토콜을 지원하는지 확인해야 합니다. 개별 PTP 프로필에 대한 지원은 이더넷 스위치의 기본 소프트웨어를 변경하여 이후 단계에서 구현할 수 있습니다.

PTP 프로토콜을 사용하여 이중화 네트워크 구축

새로운 전력 시설 내에서 PTP를 사용하는 측면은 위에서 논의되었습니다. 이 섹션에서는 중복 이더넷 네트워크에서 PTP를 사용하는 기본 원칙에 대해 설명합니다. 다음과 같은 기본 원칙에 유의하는 것이 중요합니다.

  • 네트워크 또는 통신 회선 장치의 고장으로 인해 스위치기어의 둘 이상의 연결에 대한 보호 및 제어 기능이 중단되어서는 안 됩니다.
  • 주 보호 1번/주 보호 2번이라고도 불리는 주 및 백업 계전기 보호 키트가 사용되며, 세트 A/B 또는 X/Y입니다.
  • 스위칭 장비에 대한 제어 영향은 컨트롤러/제어 장치를 우회하여 계전기 보호 및 자동화 장치에서 직접 생성됩니다.

다음 방법 중 하나로 예약을 제공할 수 있으며 각 방법에는 고유한 장점과 단점이 있습니다.

  • 링 네트워크를 생성하는 기능을 제공하는 RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol). 이 프로토콜은 전부는 아니지만 많은 이더넷 스위치에서 지원됩니다. 장치 간 통신을 복원하는 데 걸리는 시간은 일정하지 않으며 여러 요인에 따라 달라집니다.
  • PRP(병렬 중복 프로토콜). 이 프로토콜을 사용하면 별도의 통신 회선이나 별도의 스위치에 오작동이 발생하는 경우에도 정보 교환의 연속성이 보장됩니다. 이 프로토콜에 대한 특별한 지원이나 중복 장치 사용 및 이더넷 네트워크 인프라의 중복이 필요합니다.
  • 신뢰성이 높은 HSR(Seamless Redundancy) 프로토콜. 별도의 통신 회선이나 별도의 스위치에 오작동이 발생하는 경우에도 정보 교환의 연속성이 보장됩니다. 이를 위해서는 추가 스위치를 사용할 필요가 없습니다. 프로토콜의 범위는 링 이더넷 네트워크 토폴로지로 제한되며 연결된 장치(예: PTP 클럭 또는 릴레이 보호 장치)에 의한 프로토콜에 대한 특별 지원 또는 해당 연결은 특수 이중화 장치를 통해 수행됩니다.

이 섹션에 제시된 예는 PRP의 사용에 의존하며 베이당 또는 스위치기어 직경당 별도의 스위치가 필요하지 않습니다. 이는 통신 장비의 단일 오류 이후 보호 및 제어 기능을 유지하기 위한 목적으로 자주 사용됩니다. 일부 시나리오에서는 PRP를 사용하면 RSTP를 사용할 때보다 사용되는 이더넷 스위치 수가 줄어들 수 있습니다.

General Electric UR 시리즈 계전기 보호 장치를 사용할 때 보호 X(또는 주 보호 번호 1)가 구현됩니다. 이 장치는 PTP 및 PRP 프로토콜을 지원하기 때문입니다. Protection X는 릴레이 보호 기능 외에도 제어 및 임시 기록 기능을 제공합니다. 보호 Y(또는 주 보호 2번)는 시간 동기화를 위해 PTP 또는 NTP 프로토콜을 지원하는 다른 제조업체의 계전기 보호 장치를 사용할 때 구현됩니다.

쌀. 도 16은 이더넷 네트워크 토폴로지를 도시한다. A와 B로 지정된 두 개의 로컬 네트워크가 구현되며 둘 다 동일한 시점에 활성화됩니다. RSTP 프로토콜은 그림에서 점선으로 표시된 중복 통신 링크를 차단하는 방식으로 작동합니다. 특히 이것은 루트 스위치 #2와 스위치 Y 사이의 링크입니다. 일부 미디어 서버는 기본 링크가 실패할 때까지 두 번째 이더넷 포트가 비활성화된 상태로 작동합니다. 연결 데이터도 점선으로 표시됩니다.


쌀. 16. PRP 프로토콜을 사용하여 구현된 이더넷 로컬 네트워크.

가까운 미래에 기본 PRP를 지원하는 ICS 통신 서버가 출시되어 두 개의 통신 회선을 동시에 활성화할 수 있을 것으로 예상됩니다. 스위치 Y는 릴레이 보호 장치 Y에 이중화 기능을 제공하여 중복 메시지 처리를 제공할 수 있습니다.

이제 많은 수의 포트가 있는 이더넷 스위치를 사용할 수 있으므로 릴레이 보호 장치를 연결하기 위해 각 캐비닛의 스위치를 사용할 필요가 없습니다. 소규모 변전소에서는 계전기 보호 장치를 연결하기 위해 스위치 X1, X2 및 Y를 사용할 필요가 없으며, 반대로 고전압 변전소에서는 각 전압 레벨에 대해 스위치 X1, X2 및 Y를 사용하는 것이 좋습니다. 이더넷 네트워크 토폴로지에 관계없이 투명 또는 경계 클록의 역할을 지원하는 이더넷 스위치를 사용하면 네트워크 어디에서나 클라이언트를 연결할 수 있는 기능이 제공됩니다.

결론

이더넷 네트워크를 통해 작동하는 시간 동기화 프로토콜을 사용하면 시스템 설계, 구현 및 유지 관리 비용이 절감됩니다. PTP 프로토콜, 즉 전력 산업을 위한 이 프로토콜의 프로필(Power Profile)은 변전소 자동화 시스템의 시간 동기화 시스템과 관련된 여러 가지 문제를 해결하며 이 프로토콜의 사용은 보조 장치 간의 데이터 교환 구축 이념에 가장 적합합니다. 이더넷 네트워크를 통한 전력 시설.

서지

  1. D.M.E. 잉그램, P. 샤웁, D.A. 캠벨 & R.R. Taylor, "물질 적용을 위한 정밀 시간 동기화 방법 평가", 2012 측정, 제어 및 통신을 위한 정밀 클록 동기화에 관한 국제 IEEE 심포지엄(ISPCS 2012), 미국 샌프란시스코, 2012년 9월 23~28일. http://eprints.qut.edu.au/53218/에서 확인 가능.
  2. D.M.E. 잉그램, P. 샤웁, D.A. 캠벨 & R.R. Taylor, “전기 물질의 내결함성 정밀 타이밍에 대한 정량적 평가,” 계측 및 측정에 관한 IEEE 거래, 2013년 10월. 62권, 10호, pp. 2694-2703. 에서 사용 가능