Introducere în PTP. Prin ce diferă protocolul de sincronizare a timpului NTP de SNTP? Protocolul ntp oferă mecanisme de sincronizare de precizie

Au fost scrise multe articole despre binecunoscutul Network Time Protocol (NTP), unele dintre ele menționând Precision Time Protocol, care se presupune că face posibilă obținerea unei precizii de sincronizare a timpului de ordinul nanosecundelor (de exemplu, și ). Să ne dăm seama ce este acest protocol și cum se obține o asemenea acuratețe. Vom vedea, de asemenea, rezultatele muncii mele cu acest protocol.

Introducere

„Protocolul de timp de precizie” este descris de standardul IEEE 1588. Există 2 versiuni ale standardului. Prima versiune a fost lansată în 2002, apoi standardul a fost revizuit în 2008 și protocolul PTPv2 a fost lansat. Compatibilitatea inversă nu a fost menținută.
Lucrez cu a doua versiune a protocolului, are multe îmbunătățiri față de prima (acuratețe, stabilitate, după cum ne spune wiki-ul). Nu voi face comparații cu NTP, simpla mențiune despre acuratețea sincronizării, iar acuratețea PTP ajunge de fapt la zeci de nanosecunde cu suport „hardware”, indică un avantaj față de NTP.
Suportul hardware pentru protocol poate fi implementat diferit în diferite dispozitive. De fapt, minimul necesar pentru implementarea PTP este capacitatea hardware-ului de a pune un marcaj de timp în momentul în care mesajul a fost primit pe port. Timpul introdus va fi folosit pentru a calcula eroarea.

De ce se supără ceasul?

Erorile pot veni de oriunde. Să începem cu faptul că generatoarele de frecvență din dispozitive sunt diferite și există o probabilitate foarte mică ca două dispozitive diferite să funcționeze perfect în timp. Acest lucru poate fi, de asemenea, atribuit condițiilor de mediu în continuă schimbare care afectează frecvența generată.

Ce încercăm să realizăm?

Să presupunem că avem un dispozitiv care funcționează în condiții ideale, un fel de ceas atomic care nu se va mișca deloc până la sfârșitul lumii (desigur, înainte de cel real, și nu cel prezis de calendarul mayaș) și noi au sarcina de a obține cel puțin aproximativ (cu o precizie de 10 -9 sec) aceleași ore. Trebuie să sincronizăm aceste ceasuri. Pentru a face acest lucru, puteți implementa protocolul PTP.

Diferența dintre o implementare pur software și o implementare cu „suport hardware”

O implementare pur software nu va atinge acuratețea promisă. Timpul scurs din momentul primirii unui mesaj (mai precis, primirea unui semnal pentru a primi un mesaj in dispozitiv) pana la trecerea la punctul de intrare intrerupt sau callback nu poate fi definit strict. „Hardware-ul inteligent” cu suport PTP poate seta aceste marcaje temporale în mod independent (de exemplu, cipuri de la Micrel, scriu un driver pentru KSZ8463MLI).
Pe lângă marcajele de timp, suportul „hardware” include și capacitatea de a regla un oscilator cu cuarț (pentru a alinia frecvența cu masterul) sau abilitatea de a regla ceasul (mărește valoarea ceasului cu X ns la fiecare ciclu de ceas). Mai multe despre asta mai jos.

Să trecem la standardul IEEE 1588

Standardul este descris pe 289 de pagini. Să luăm în considerare minimul necesar pentru implementarea protocolului. PTP este un protocol de sincronizare client-server, de ex. Pentru implementarea protocolului sunt necesare cel puțin 2 dispozitive. Deci, dispozitivul Master este un ceas atomic, iar dispozitivul Slave este un ceas care trebuie făcut să funcționeze cu precizie.

Schimb de limbă

Anunțați mesajul– mesaj de anunț, conține informații trimise de master către toate dispozitivele Slave. Dispozitivul slave poate folosi acest mesaj pentru a selecta cel mai bun master (există un algoritm BMC (Best Master Clock) pentru aceasta). BMC nu este chiar atât de interesant. Acest algoritm poate fi găsit cu ușurință în standard. Selecția se bazează pe câmpuri de mesaje, cum ar fi acuratețea, variația, clasa, prioritatea etc. Să trecem la alte mesaje.

Sincronizare/Urmărire, DelayResp, PDelayResp/PDelayFollowUp– sunt trimise de maestru; mai jos le vom analiza mai detaliat.

DelayReq, PDelayReq– Solicitări de dispozitiv slave.

După cum puteți vedea, dispozitivul Slave nu este pronunțat; Masterul furnizează aproape toate informațiile în sine. Trimiterea se efectuează către adrese Multicast (dacă se dorește, puteți utiliza modul Unicast) adrese strict definite în standard. Pentru P Întârziere mesajele au o adresă separată (01-80-C2-00-00-0E pentru Ethernet și 224.0.0.107 pentru UDP). Alte mesaje sunt trimise la 01-1B-19-00-00-00 sau 224.0.1.129. Pachetele diferă în funcție de câmpuri ClockIdentity(ID ceasului) și SequenceId(identificatorul pachetului).

Sesiune de lucru

Să presupunem că masterul a fost selectat folosind algoritmul BMC sau masterul este singurul din rețea. Imaginea prezintă procedura de comunicare între dispozitivul principal și cel sincronizat.

Totul începe cu Maestrul care trimite un mesaj Sincronizareși înregistrează simultan timpul de expediere t1. Există moduri de operare cu una și două etape. Este foarte ușor să le distingem: dacă există un mesaj Urmare– atunci avem de-a face cu o implementare în două etape, săgeata punctată arată mesaje opționale
Urmare mesajul este trimis după Sincronizareși conține timpul t1. Dacă transferul se efectuează într-o singură etapă, atunci Sincronizare conține t1 în corpul mesajului. În orice caz, t1 va fi primit de dispozitivul nostru. În momentul primirii mesajului Sincronizare marca temporală t2 este generată pe Slave. Astfel obținem t1, t2
Slave generează un mesaj DelayReq simultan cu generarea t3
Maestrul primeste DelayReq mesaj în timp ce se generează t4
t4 este trimis la dispozitivul Salve în DelayResp mesaj

Mesaje online

O sesiune de schimb precum cea prezentată mai sus poate avea succes doar dacă cuarțul generează frecvențe perfect egale pentru dispozitivele care sunt sincronizate. De fapt, se dovedește că frecvența ceasului este diferită, adică. Pe un dispozitiv, în 1 secundă, valoarea ceasului va crește cu 1 secundă, iar pe altul, de exemplu, cu 1,000001 secundă. Aici apare divergența ceasului.
Standardul descrie un exemplu de calcul al raportului dintre timpul scurs pe Master și pe Slave pentru un anumit interval. Acest raport va fi coeficientul pentru frecvența dispozitivului Slave. Dar există un indiciu că ajustarea poate fi efectuată în diferite moduri. Să ne uităm la două dintre ele:

Schimbați frecvența de ceas a dispozitivului Slave (exemplu în standard)
Nu modificați frecvența ceasului, dar pentru fiecare tick al duratei T valoarea ceasului va crește nu cu T, ci cu T+∆t (utilizat în implementarea mea)

În ambele metode, va trebui să calculați diferența de valori de timp pe dispozitivul Master pe un anumit interval, precum și diferența de timp pe același interval pe dispozitivul Slave. Coeficient în prima metodă:

A doua metodă necesită calculul ∆t. ∆t este o valoare care va fi adăugată la valoarea timpului la fiecare anumit interval. În figură se poate observa că în timp ce 22 – 15 = 7 secunde au trecut pe Master, 75+(87-75)/2 –(30+ (37-30)/2) = 47,5 au trecut pe Slave

Frecvență – frecvența procesorului, de exemplu, 25 MHz - un ciclu de procesor durează 1/(25*10 6) = 40ns.
În funcție de capacitățile dispozitivului, este selectată metoda cea mai potrivită.
Pentru a trece la următoarea secțiune, să exprimăm offset-ul puțin diferit:

Moduri de operare PTP

Privind în standard, puteți descoperi că nu există o singură modalitate de a calcula timpul de livrare. Există 2 moduri de operare ale PTPv2. Acest E2E (de la capăt la capăt), s-a discutat mai sus, este descris și modul P2P (Peer-to-Peer). Să ne dăm seama unde să folosim ce metodă și care este diferența lor.
În principiu, puteți utiliza oricare dintre moduri după cum doriți, dar nu pot fi combinate în aceeași rețea.

În modul E2E timpul de livrare este calculat din mesajele care sosesc prin mai multe dispozitive, fiecare dintre acestea intră în câmpul de corectare a mesajelor Sincronizare sau Urmare(dacă transmisie în două etape) timpul pentru care pachetul a fost întârziat pe acest dispozitiv (dacă dispozitivele sunt conectate direct, nu se face nicio corecție, deci nu le vom lua în considerare în detaliu). Mesaje folosite: Sincronizare/FollowUp, DelayReq/DelayResp
În modul P2PÎn câmpul de corecție nu se introduce doar timpul pentru care pachetul a fost întârziat, ci se adaugă acestuia (t2-t1) (se poate citi în standard). Mesaje folosite Sincronizare/FollowUp, PDelayReq/PDelayResp/PDelayRespFollowUp

Conform standardului, se numește ceasul prin care trec mesajele PTP cu modificarea câmpului de corecție Ceas transparent (TC). Să ne uităm la imagini pentru a vedea cum sunt transmise mesajele în aceste două moduri. Săgețile albastre indică mesaje SincronizareȘi Urmare.

Modul de la capăt la capăt

Modul peer-to-Peer
Vedem că în modul P2P au apărut niște săgeți roșii. Acestea sunt mesajele rămase pe care nu le-am adresat și anume PDelayReq, PDelayRespȘi PDelayFollowUp. Iată schimbul acestor mesaje:

Eroare de timp de livrare

Standardul descrie implementarea protocolului în diferite tipuri de rețele. Folosisem o rețea Ethernet și primeam mesaje la nivel Ethernet. În astfel de rețele, timpul de livrare a pachetelor se schimbă constant (mai ales se observă când lucrați cu precizie de nanosecundă). Pentru a filtra aceste valori sunt folosite diferite filtre.

Ce trebuie filtrat:

Timpul de livrare
Părtinire

Driverul meu folosește aproximativ același sistem de filtrare ca demonul Linux PTPd, ale căror surse pot fi găsite și există și câteva informații. Îți dau doar o diagramă:

Filtru LP IIR (răspuns la impuls infinit trece-jos).(Filtru de răspuns la impuls infinit) descris prin formula:

, Unde s– coeficient care vă permite să reglați limitarea filtrului.

Calcul de ajustare

Să trecem la ajustare, la delta care va trebui adăugată la a doua valoare. Schema de calcul folosită în sistemul meu:

Am folosit un filtru Kalman pentru a filtra fluctuația puternică de ajustare din cauza interferențelor din rețea, mi-a plăcut foarte mult. În general, puteți folosi orice filtru doriți, atâta timp cât acesta netezește graficul. ÎN PTPd, de exemplu, filtrarea este mai simplă - se calculează media valorilor curente și anterioare. Pe grafic puteți vedea rezultatele filtrului Kalman din driverul meu (este afișată eroarea de ajustare, exprimată în subnanoscunde pe un cip de 25 MHz):

Să trecem la reglarea reglajului, reglarea ar trebui să tindă spre o constantă, se folosește un controler PI. ÎN PTPd Offset-ul ceasului este ajustat (ajustarea se bazează pe offset), dar îl folosesc pentru a regla reglarea (o caracteristică a KSZ8463MLI). Vedem că controlerul nu este configurat perfect, dar în cazul meu această ajustare este suficientă:

Rezultatul muncii

Rezultatul este prezentat în grafic. Offset-ul ceasului variază de la -50ns la 50ns. În consecință, am obținut acuratețea care este menționată în numeroase articole. Desigur, multe caracteristici mici ale implementării au rămas în culise, dar minimul necesar a fost demonstrat.

Răspunsuri la întrebări

26.09.2018

Este greu de imaginat lumea modernă fără timp precis. În multe domenii ale vieții, este necesar să existe ceasuri foarte precise, iar acuratețea trebuie să fie adesea mult mai mare decât acuratețea ceasurilor pe care oamenii le folosesc în viața de zi cu zi. De exemplu, cerințele de precizie pentru ceasurile din turnurile de control al traficului aerian, sistemele de control al navelor spațiale sau sistemele militare sunt la cel mai înalt nivel. De asemenea, ceasurile de mare precizie sunt necesare și în sistemele cu funcții mai simple - în sistemele de facturare și tarifare ale operatorilor de telefonie celulară și furnizorilor de internet, în sistemele de tranzacții bancare, în sistemele de schimb, în complexele industriale și științifice. În rețelele locale, protocolul de autentificare a utilizatorului Kerberos utilizează, de asemenea, o comparație a timpului controlerului de domeniu cu ceasul stațiilor de lucru ale utilizatorului. În rețelele de calculatoare, sincronizarea se realizează de obicei cu servere de timp exacte folosind protocolul NTP sau versiunea sa „ușoară” - SNTP. În acest articol ne vom uita la caracteristicile, diferențele și exemplele de aplicare a acestor protocoale.

NTP(Engleză) Reţea Timp Protocol– Network Time Protocol) – un protocol de rețea pentru sincronizarea ceasului intern al computerului folosind rețele cu lățime de bandă variabilă. Oferă o precizie ridicată a sincronizării timpului datorită unui algoritm special care vă permite să selectați sursele cele mai precise pentru a estima ora exactă. Acest algoritm vă permite să minimizați impactul datelor de la serverele NTP configurate în mod evident incorect asupra întregului sistem. Protocolul NTP oferă mecanisme de sincronizare cu precizie de nanosecundă și conține facilități pentru caracterizarea și estimarea erorilor ceasului local și ale serverului de timp care realizează sincronizarea. Protocolul NTP utilizează un sistem ierarhic de niveluri, sau straturi. Un server NTP este la cel mai înalt nivel (stratul 1) dacă primește date direct de la o sursă de timp precisă. Serverele care își sincronizează ceasurile cu serverul din stratul 1 se află la nivelul de mai jos (stratul 2), etc.

SNTP(Engleză) Simplu Reţea Timp Protocol– protocol de timp de rețea simplu) – un protocol pentru sincronizarea timpului printr-o rețea de calculatoare. Este o implementare simplificată a protocolului NTP; îi lipsește complexitatea algoritmului NTP. SNTP este utilizat pentru gazdele de rețea care nu necesită funcționalitate NTP completă. Este o practică obișnuită să sincronizați ceasurile mai multor noduri dintr-o rețea locală cu alte noduri NTP prin Internet și să utilizați aceste noduri pentru a sincroniza în timp serviciile furnizate altor clienți prin rețeaua locală. Acest caz de utilizare nu necesită sincronizare a timpului de mare precizie. Protocolul SNTP oferă mecanisme de sincronizare cu o precizie de la 1 la 50 ms

Un exemplu de utilizare a protocolului NTP: Bank N pune la dispoziție clienților săi o aplicație client-server pentru tranzacționarea la bursă. Serverele care procesează informații despre cotațiile bursiere trebuie să aibă un ceas cu sincronizare de mare precizie cu scala temporală universală. În acest caz, fiecare server de tranzacționare de schimb al băncii N este sincronizat cu cel mai precis dintre serverele de timp exacte („stratul 1”), care primește date direct de la sursa de timp exactă. Cel mai precis server este selectat folosind un algoritm încorporat în protocolul NTP. O arhitectură aproximativă a unei astfel de soluții este prezentată în diagrama de mai jos:

Un exemplu clasic de utilizare a SNTP este sincronizarea timpului într-un domeniu. Controlerul de domeniu primește timp de la Internetul global de la serverele publice ale Stratului 1 sau Stratului 2. Clienții rămași ai domeniului își sincronizează ceasurile cu ora de pe controlerul de domeniu. O arhitectură aproximativă este prezentată în diagramă.

După cum arată experiența utilizării unui cronometru marin, controlul unificat al timpului este cel mai important avantaj, permițându-vă să calculați cu exactitate funcționarea tuturor dispozitivelor din sistem.

În timpul Epocii Descoperirilor, Imperiul Britanic a făcut o descoperire dramatică în navigație, și toate acestea datorită unei simple invenții - cronometrul marin - un dispozitiv capabil să măsoare cu precizie timpul chiar și în condiții de mare. Reglând cronometrul la ora orașului-port Greenwich și comparând citirile dispozitivului cu poziția soarelui pe cer, marinarii britanici au determinat ora călătoriei lor cu mare precizie. Pentru ei, cronometrul a fost nimic mai puțin decât o descoperire unică: un mare pas înainte care a permis britanicilor să-și depășească toți contemporanii. Și chiar dacă de atunci a trecut mult timp, și astăzi un astfel de cronometru joacă un rol important pentru întreaga planetă, deoarece datorită lui a fost stabilit standardul mondial pentru Greenwich Mean Time (GMT).

Capacitatea de a măsura cu precizie timpul este un mare avantaj atunci când lucrați cu rețele industriale. Acest lucru este valabil mai ales atunci când lucrați la centralele electrice, unde sunt necesare citiri de timp ultra-precise pentru a controla, sincroniza și configura echipamentele de rețea. Un nivel ridicat de acuratețe în măsurători permite utilizarea rezervelor rețelei industriale, ceea ce îmbunătățește semnificativ eficiența operațională, stabilitatea, securitatea și capacitatea de a personaliza sistemul la cerințele utilizatorului final.

Ne vom uita la procesul de sincronizare a rețelelor industriale, necesar pentru a lucra cu sisteme moderne, în principal la substațiile energetice.
Se va avea în vedere și un sistem de lucru cu tehnologii de măsurare a timpului, NTP, GPS și protocolul IEEE 1588 v2 pentru a obține date ultra-precise, cu ajutorul cărora puteți colecta informații complete despre funcționarea întregii rețele.

Istoria tehnologiilor de sincronizare a timpului.

În industrie, ceasurile sunt folosite pentru a sincroniza echipamentele de rețea. Pe baza datelor primite de la aceștia, se coordonează funcționarea tuturor echipamentelor implicate. În prezent, integratorii de rețea folosesc mai multe metode pentru a sincroniza timpul. Fiecare metodă are atât dezavantajele, cât și avantajele sale și nu orice metodă este potrivită pentru lucrul cu sisteme industriale.

Organizare Grupul de instrumentare inter-gamă (IRIG) a aprobat un standard pentru funcționarea în rețele cu comutare serială a dispozitivelor. Tehnologiile de codificare în timp dezvoltate de IRIG în 1956 au stat la baza funcționării sistemelor din generația anterioară. În prezent, standardul IRIGB 205-87 este cea mai recentă actualizare.

Network Time Protocol (NTP): NTP este un protocol de timp pentru date de rețea care a apărut pentru prima dată în 1985. Funcționarea protocolului NTP se bazează pe o ierarhie de niveluri, prin care se primesc informații despre ora generală pentru întreaga rețea în acest moment. Ierarhia NTP este reprezentată în esență de un arbore, care evită repetarea ciclurilor în sistem.

NTP împarte rețeaua în diferite straturi
(sursa: B.D. Esham pentru Wikimedia Commons)

Sistem de poziționare globală (GPS): Sateliții GPS sunt mecanisme atomice ultra-precise situate pe orbită în jurul planetei noastre. Datele lor de timp pot fi transmise cu viteza luminii la receptorii situati pe sol. Aceste date sunt, de asemenea, corectate conform principiilor relativității, ceea ce permite receptorului să obțină date ultra-precise despre ora curentă.

Posibile probleme cu sincronizarea timpului
Multe sisteme existente de sincronizare a timpului sunt fie imperfecte, fie prea scumpe.

Sistemele industriale, cum ar fi rețelele de substații automate, se bazează pe date precise de sincronizare pentru a controla funcționarea diferitelor subsisteme și dispozitive din cadrul acestora. Cu toate acestea, multe tehnologii utilizate în acest mediu nu îndeplinesc cerințele pentru transmiterea datelor și controlul unor astfel de sisteme.

Precizie: Fiecare nanosecundă contează pentru funcționarea impecabilă a rețelei industriale, dar majoritatea tehnologiilor actuale pur și simplu nu pot suporta sisteme la acest nivel. De exemplu, o rețea de stații automate trebuie să funcționeze la nivel de nanosecundă cu date pentru a sprijini mai bine aplicațiile critice pentru misiune (înregistrare erori, monitorizare de la distanță, control de la distanță). Standardele IRIGB și NTP nu permit sistemului să funcționeze la nivel de precizie de nanosecundă. Chiar și în condiții standard de funcționare, precizia standardului NTP este de sute de microsecunde.

Preț: Rețeaua GPS oferă o precizie foarte mare de lucru cu informații datorită ceasurilor atomice, dar pentru ca aceeași precizie să fie menținută în funcționarea întregului sistem, fiecare dintre nivelurile sale trebuie să funcționeze cu date de la receptorii GPS individuale. Aceasta presupune o investiție financiară foarte mare, așa că această decizie nu poate fi numită rațională. Lucrul cu date GPS ar fi ideal dacă ar fi posibil să se reducă numărul de receptori GPS necesari pe nod de rețea sau să se utilizeze mai eficient numărul mic inițial de astfel de dispozitive care ar putea oferi lucru cu date GPS ultra-precise ale întregului sistem.

Protocol de timp pentru rețele industriale.

Protocolul IEEE 1588v2 a fost conceput special pentru a permite sistemelor industriale să funcționeze cu cea mai mare precizie fără costuri suplimentare.

Tehnologiile NTP, GPS și IRIGB nu îndeplinesc cerințele pentru funcționarea completă la substații. IEEE 1588v2 Precision Time Protocol (PTP) a fost conceput special pentru utilizare în rețele industriale și sisteme de control. Într-o rețea IEEE 1588v2, ceasul principal setează ora pentru restul sistemului substației. Un comutator Ethernet acționează ca un dispozitiv care determină timpul, iar combinatoarele, dispozitivele de protecție etc. acționează ca ceasuri staționare. Toate dispozitivele funcționează pe principiul „master-slave”, unde în partea de sus a circuitului există un dispozitiv care îndeplinește funcția ceasului principal. Figura de mai jos demonstrează schimbul unui pachet de date RTP între dispozitivele master și slave și setarea unui ceas staționar, cu ajutorul căruia se sincronizează întreaga rețea. Doar ceasul principal trebuie să comunice cu GPS, astfel încât toate datele vor fi distribuite cu precizie către alte dispozitive din rețea.

Pentru a funcționa cu protocolul IEEE 1588v2, sistemul necesită un singur receptor GPS. Acest lucru va asigura transmisia corectă a datelor către toate dispozitivele din rețea.

Un comutator Ethernet care acceptă protocolul IEEE 1588v2 asigură o transmisie precisă a datelor (până la 1 microsecundă) și poate fi folosit ca ceas principal. Pentru a asigura cel mai precis transfer de date, alte dispozitive din rețea trebuie să accepte și protocolul IEEE 1588v2. Într-o rețea de automatizare industrială, computerele care acceptă protocolul IEEE 1588v2 acționează ca un ceas staționar care primește date sincronizate în timp de la comutatorul Ethernet.

Pentru o sincronizare completă, toate dispozitivele din rețea trebuie să accepte protocolul IEEE 1588v2, inclusiv computerele încorporate.

Când toate dispozitivele de rețea acceptă protocolul IEEE 1588v2, sistemul poate transmite date la nivel de nanosecundă, ceea ce asigură o sincronizare precisă. Capacitatea de a opera la acest nivel este potrivită în special pentru utilizarea în centralele electrice, motiv pentru care IEEE 1588v2 face parte din standardul IEC 61850-2 care îndeplinește cerințele rețelelor industriale de energie. Comisia Electrotehnică Internațională (IEC) a inclus protocolul IEEE 1588v2 în standard deoarece... Sincronizarea precisă a timpului în rețelele energetice industriale afectează calitatea performanței următoarelor sarcini:

Avertizare de pană de curent - Sistemul vă permite să identificați o serie de probleme în stadiul inițial și unde apar în rețea în timp real.
Înregistrarea detaliată a defecțiunilor și înregistrarea - Permite o analiză precisă prin înregistrarea evenimentelor la nivel de nanosecundă.
Operare mai eficientă a rețelei - monitorizarea programului de lucru și a stării echipamentelor.
"Întrebare răspuns". Lucrați cu programul de funcționare virtual, generatoare și gestionarea energiei.

Standardul IEEE 1588v2 nu numai că ajută la economisirea de bani în rețea, dar asigură și o precizie ridicată a transmisiei de date la nivel de nanosecundă. Acest lucru permite substațiilor și altor sisteme de rețea electrică să ridice ștacheta competitivității și să privească cu capul și umerii deasupra organizațiilor similare care nu folosesc dispozitive standardizate conform IEEE 1588v2. La urma urmei, sistemul „smart grid” permite substațiilor sincronizate să fie mult mai productive, mai economice, mai ușor de gestionat și mai fiabile. Toate aceste beneficii permit organizațiilor să crească profitabilitatea producției și să minimizeze daunele mediului.

Avantajele dispozitivelor MOHA în sincronizarea funcționării substațiilor.

Switch-uri Fast Ethernet model MOHA PT-7728-PTP IEC 61850-3 suportă protocolul PTP al standardului IEEE 1588v2, care garantează sincronizarea exactă a timpului rețelei de substație și a dispozitivelor acesteia.

Caracteristicile comutatorului:

până la 14 porturi 100BaseFX (multi-mode, conector ST) sau porturi 100BaseTX și 1 conector BNC. Suport IEEE1588 v1 și v2, marcare temporală per port și ieșiri de impuls (pps) per port BNC.
Operații ale ceasului principal în 1 și 2 pași cu o precizie de 1 microsecundă în modul End to End
Operații de ceas principal în 2 pași cu o precizie de 1 microsecundă în modul Peer to Peer
Sincronizarea ceasului de rețea cu precizie de nanosecundă
Sincronizarea ceasului permite operarea cu rețelele de stații primare și secundare
Costuri reduse de rețea datorită utilizării multifuncționale a funcțiilor (Ethernet)
Sincronizare rapidă atunci când apar modificări în rețea
Ușor de instalat și gestionat

Pentru funcționarea completă a rețelei, MOHA oferă computere încorporate din seria / cu suport pentru standardul IEEE 1588v2.

Caracteristicile computerelor:

Consum redus de energie de până la 40 de wați pentru o operare ușoară în medii industriale
Design industrial all-in-one: Nu există ventilatoare sau cabluri externe pentru o performanță extrem de fiabilă.
Certificatul IEC 61850-3 permite ca dispozitivele să fie utilizate în centrale electrice.
Design modular cu două sloturi independente pentru a reduce costurile pentru viitoarele actualizări ale sistemului (modul RS-232/422/485 cu 8 porturi, modul RS-422/485 cu 8 porturi, modul LAN cu 4 porturi 10/100 Mbps, modul cu 8 porturi 10/100 Mbps sau modul de extensie PCI universal)
Configurație PTP IEEE 1588v2 ușor de utilizat pe sistemul Linux pentru o operare simplă și ușoară, economisind bani și timp la instalare și configurare

Configurați IEEE 1588v2 PTP cu DA-683 în doar câteva minute folosind asistentul de instalare silențios
_______________________________________________________________________
Puteți găsi cu ușurință un dispozitiv care îndeplinește cerințele de sincronizare a orei pentru rețeaua dvs. și puteți verifica costul acestuia pe site-ul oficial IPC2U

Disclaimer Acest document are doar scop informativ general, iar conținutul poate fi modificat fără notificare. Nu există nicio garanție că toate informațiile furnizate în acest document cu privire la dispozitive, condiții de funcționare, caracteristici, condiții de vânzare sau alte aspecte sunt corecte. Ne declinăm orice obligație și nu ne asumăm responsabilitatea pentru orice acțiuni rezultate din informațiile conținute în acest document.

65 de nanometri este următorul obiectiv al uzinei de la Zelenograd Angstrem-T, care va costa 300-350 de milioane de euro. Compania a depus deja o cerere pentru un împrumut preferenţial pentru modernizarea tehnologiilor de producţie către Vnesheconombank (VEB), a informat Vedomosti în această săptămână cu referire la preşedintele consiliului de administraţie al uzinei, Leonid Reiman. Acum Angstrem-T se pregătește să lanseze o linie de producție pentru microcircuite cu o topologie de 90 nm. Plățile împrumutului anterior VEB, pentru care a fost achiziționat, vor începe la jumătatea anului 2017.

Beijingul se prăbușește pe Wall Street

Indicii cheie americani au marcat primele zile ale Anului Nou cu o scădere record; miliardarul George Soros a avertizat deja că lumea se confruntă cu o repetare a crizei din 2008.

Primul procesor rus de consum Baikal-T1, la un preț de 60 de dolari, este lansat în producție de masă

Compania Baikal Electronics promite să lanseze în producție industrială procesorul rus Baikal-T1, care costă aproximativ 60 de dolari la începutul anului 2016. Dispozitivele vor fi solicitate dacă guvernul creează această cerere, spun participanții de pe piață.

MTS și Ericsson vor dezvolta și implementa împreună 5G în Rusia

Mobile TeleSystems PJSC și Ericsson au încheiat acorduri de cooperare în dezvoltarea și implementarea tehnologiei 5G în Rusia. În proiecte-pilot, inclusiv în timpul Cupei Mondiale 2018, MTS intenționează să testeze evoluțiile vânzătorului suedez. La începutul anului viitor, operatorul va începe un dialog cu Ministerul Telecomunicațiilor și Comunicațiilor de Masă privind formarea cerințelor tehnice pentru a cincea generație de comunicații mobile.

Sergey Chemezov: Rostec este deja una dintre cele mai mari zece corporații de inginerie din lume

Șeful Rostec, Serghei Chemezov, într-un interviu acordat RBC, a răspuns la întrebări stringente: despre sistemul Platon, problemele și perspectivele AVTOVAZ, interesele Corporației de Stat în afacerile farmaceutice, a vorbit despre cooperarea internațională în contextul sancțiunilor presiune, substituirea importurilor, reorganizare, strategie de dezvoltare și noi oportunități în vremuri dificile.

Rostec „se îngrădește” și încalcă laurii Samsung și General Electric

Consiliul de Supraveghere al Rostec a aprobat „Strategia de Dezvoltare până în 2025”. Principalele obiective sunt creșterea ponderii produselor civile de înaltă tehnologie și prinderea din urmă cu General Electric și Samsung în indicatori financiari cheie.

Sistemele moderne, cum ar fi sistemele de monitorizare tranzitorie (TSM), precum și sistemele de automatizare și protecție prin relee (RPA) care utilizează o magistrală de proces, necesită sincronizare a timpului de înaltă precizie în termen de 1 μs. Aceste cerințe sunt mai stricte decât cele ale altor sisteme de automatizare a substațiilor (1-2 ms). În același timp, astăzi, în cadrul sistemelor de automatizare pentru instalațiile de energie, se răspândesc rețelele Ethernet, prin care se realizează schimbul de informații între sistemele SCADA și dispozitivele de protecție cu relee, precum și între dispozitivele individuale de protecție cu relee. Precision Time Protocol (PTP) este un protocol de sincronizare a timpului care funcționează printr-o rețea Ethernet fără utilizarea liniilor de comunicații dedicate și poate oferi sincronizarea de timp precisă necesară pentru dispozitivele de protecție a releului, înregistratoarele tranzitorii, cuplele magistralei de proces și alte dispozitive care necesită precizie.sincronizare de timp.

Probleme cu protocoalele existente de sincronizare a timpului

La instalațiile electrice, sincronizarea oră a dispozitivelor se realizează de mulți ani. În special, este necesar să se asigure posibilitatea corelării evenimentelor înregistrate de diferite dispozitive. În același timp, cel mai mare număr de metode de sincronizare a timpului oferă precizie în 1 ms. Odată cu începutul introducerii sistemelor SMPR și de protecție a releelor care utilizează o magistrală de proces, este nevoie de a asigura o precizie mai mare a sincronizării timpului dispozitivului - în termen de 1 μs.

Există două abordări pentru efectuarea sincronizării de timp a dispozitivelor secundare:

Utilizarea unui sistem independent care include canale dedicate de transmitere a informațiilor și repetoare.
Folosind o rețea Ethernet, prin intermediul căreia informații despre aplicație sunt, de asemenea, schimbate între dispozitivele instalației de alimentare.

Următoarele secțiuni discută cele mai utilizate metode de sincronizare a timpului, evidențiind avantajele și dezavantajele acestora.

Utilizarea sistemelor independente de sincronizare a timpului

Din punct de vedere istoric, sistemele de sincronizare a timpului la instalațiile de alimentare se bazau pe utilizarea liniilor de comunicații dedicate (coaxiale, perechi răsucite, linii de comunicație cu fibră optică (FOCL)). Au fost utilizate două protocoale:

IRIG-B, care oferă informații despre oră și dată împreună cu impulsuri de sincronizare.
1-PPS, oferind un impuls precis de sincronizare a timpului, fără informații despre oră și dată.

Atunci când se utilizează aceste protocoale, schimbul de date între dispozitivele de protecție cu relee și sistemul SCADA, precum și între dispozitivele individuale de protecție cu relee, nu afectează acuratețea sincronizării. Cu toate acestea, este de remarcat faptul că sistemele independente necesită costuri mari de implementare din cauza necesității de a utiliza produse suplimentare de cablu, blocuri de borne, repetoare etc. Este necesară și dezvoltarea unui set de documentație tehnică adecvată. Costurile pot fi semnificative, mai ales la implementarea sistemelor de sincronizare a timpului în instalațiile de înaltă tensiune.

Orez. 1 ilustrează utilizarea protocolului IRIG-B pentru sincronizarea dispozitivelor în timp și a rețelei Ethernet pentru organizarea schimbului de informații între dispozitive. În locul unei rețele Ethernet, poate fi furnizată utilizarea liniilor de comunicație RS-485, ceea ce este tipic pentru instalațiile de alimentare mai vechi.

Orez. 1. Ilustrație a separării sistemelor de sincronizare a timpului și schimb de date în cadrul unui sistem de automatizare a unei substații.

ProtocolIRIG– B

Cel mai frecvent protocol de sincronizare a timpului utilizat la instalațiile de alimentare este protocolul IRIG-B. La implementarea sistemelor de sincronizare bazate pe acest protocol este necesară utilizarea unor linii de comunicații dedicate. Protocolul poate funcționa în unul dintre următoarele formate: cu transmiterea de informații sub formă de impulsuri prin conexiuni electrice (cablu coaxial sau pereche răsucită) sau legături de fibră optică, sau cu transmiterea unui semnal modulat cu o frecvență purtătoare de 1 kHz printr-un cablu coaxial. De-a lungul timpului, protocolul IRIG-B s-a extins, în principal datorită apariției standardelor IEEE legate de implementarea SMPR (IEEE Std 1344-1995, IEEE Std C37.118-2005 și IEEE Std C37.118.1-2011). Aceste extensii oferă posibilitatea de a transmite informații despre an, decalajul de timp față de Ora universală coordonată (UTC), ora de vară și calitatea informațiilor. Toate aceste informații sunt utilizate de dispozitivele sistemului de automatizare a substațiilor. Semnalul IRIG-B nemodulat permite ca acuratețea sincronizării timpului să fie atinsă în intervalul de microsecunde, dar majoritatea dispozitivelor client nu pot oferi o precizie mai mare de 1-2 ms datorită caracteristicilor lor tehnice.

IRIG-B descrie mai multe opțiuni pentru formatele de transmitere a informațiilor. Cu toate acestea, caracteristicile interfețelor de sincronizare a timpului ale dispozitivelor de protecție și automatizare relee de la diferiți producători diferă, ceea ce nu permite serverului de timp să folosească un singur format de transmisie de cod de timp IRIG-B. Printre cele mai frecvente diferențe se numără utilizarea unui semnal modulat/nemodulat, utilizarea timpului local sau coordonat universal (UTC) ca referință etc.

Diverse implementări ale protocolului IRIG-B sunt identificate printr-un cod de timp. De exemplu:

B003: Nemodulat, fără prelungiri/extensioni de an conform standardelor IEEE.
B004: Nemodulat, cu prelungiri/prelungiri de ani conform standardelor IEEE.
B124: cu modulație de amplitudine, cu extensii pentru transmiterea informațiilor anului / cu extensii conform standardului IEEE.

Orez. 2 prezintă o comparație a semnalelor nemodulate și modulate utilizate de formatele de cod de timp (conform standardului IRIG 200-04).

Orez. 2. Forma semnalului modulat și nemodulat IRIG-B.

Setările dispozitivelor client, cum ar fi dispozitivele de protecție cu relee, trebuie să fie în concordanță cu setările ceasului principal: în ceea ce privește ora coordonată universal (UTC)/ora locală, fusul orar etc. Flexibilitatea instalării dispozitivelor de protecție a releului variază semnificativ - chiar și atunci când utilizați dispozitive de la același producător. Unele dintre dispozitivele de protecție releului pot fi configurate să accepte aproape toate formatele de cod de timp IRIG-B; multe au restricții destul de puternice în ceea ce privește parametrizarea.

Alte provocări pe care le implică protocolul IRIG-B includ încărcarea rețelei de sincronizare a timpului, protecția EMI, izolarea electrică și întreținerea liniei de comunicație. Sarcina permisă pe ceasul principal variază în intervalul de la 18 la 150 mA, în timp ce dispozitivele de protecție cu relee de la diferiți producători au consumuri diferite (de la 5 mA la 10 mA). Acest lucru complică proiectarea sistemelor de sincronizare a timpului pentru un număr mare de dispozitive de protecție cu relee - de exemplu, la stațiile de distribuție (6,6 - 33 kV).

1- P.P.S.(un puls pe secunda)

1-PPS (un impuls pe secundă) poate fi folosit pentru a oferi o sincronizare a timpului destul de precisă, dar nu oferă informații despre ora astronomică. Astăzi, acest lucru este suficient pentru implementarea sistemelor de protecție prin releu folosind o magistrală de proces, dar informațiile de timp vor fi probabil necesare în viitor pentru evenimentele de marcare a timpului sau autentificarea mesajelor criptografice.

Utilizarea acestei metode de sincronizare a timpului este cerută de standardul IEC 60044-8 și este introdusă și în specificația pentru implementarea unei interfețe digitale pentru transformatoarele de instrument (cunoscută ca IEC 61850-9-2LE). Standardul IEC 61869-9, care este în curs de dezvoltare, permite, de asemenea, posibilitatea utilizării acestei metode de sincronizare în timp a dispozitivelor printr-o linie de comunicație dedicată prin fibră optică.

Orez. 3 ilustrează cerințele de puls 1PPS. Timpul necesar pentru ca semnalul să treacă de la un nivel de putere de 10% la un nivel de putere de 90% (și invers) ( tf) semnalul nu trebuie să depășească 200 ns. Durata de viață a semnalului la un nivel mai mare de 50% putere ( th) trebuie să fie în intervalul de la 10 µs la 500 ms.

Orez. 3. Reprezentarea grafică a semnalului 1-PPS.

1-PPS necesită o rețea dedicată pentru distribuția semnalului. Fie o linie de comunicație electrică (coaxială/pereche răsucită), fie o linie de fibră optică (multi-mod/single-mode) poate fi utilizată ca mediu fizic de transmisie a datelor.

Întârziere de sincronizare

Propagarea semnalelor IRIG-B și 1-PPS este mult mai ușor de organizat prin conexiuni electrice decât prin legături cu fibră optică, deoarece conexiunile în mai multe puncte pot fi furnizate ținând cont de sarcina permisă pe ceasul principal, dar acest lucru poate duce la o creșterea potențialului dintre cabinete. Utilizarea liniilor de fibră optică asigură izolarea galvanică și elimină influența interferențelor, cu toate acestea, în acest caz, este necesară utilizarea unor repetoare speciale pentru a distribui semnalul către fiecare dintre dispozitivele de protecție cu releu ale instalației de alimentare. În special, IEC 61850-9-2LE necesită utilizarea legăturilor de fibră optică pentru a transmite semnalul 1-PPS. Acest lucru, la rândul său, necesită utilizarea fie a unui ceas cu mai multe ieșiri, fie a unui splitter pentru a transmite semnalul la mai mult de un cuplaj de magistrală de proces.

Întârzierea de propagare a semnalului prin conexiunile electrice și legăturile de fibră optică este de aproximativ 5 ns pe metru. Valoarea rezultată poate fi destul de mare pe distanțe lungi și poate, la rândul său, să necesite compensarea latenței pe dispozitivele client. IEC 61850-9-2LE setează limita de întârziere de propagare a semnalului la 2 µs - dacă această valoare este depășită, este necesară compensarea. O conexiune de aproximativ 400 m va duce la o astfel de întârziere, iar în multe stații de înaltă tensiune astfel de distanțe nu sunt limita. Compensarea este un proces de configurare manuală, în timpul căruia este necesar să se țină seama cu acuratețe de întârzierea de propagare a semnalului nu numai de-a lungul liniei de comunicație, ci și prin repetoarele utilizate. Un studiu mai detaliat al întârzierilor de propagare a semnalelor de sincronizare prin protocoalele 1-PPS, IRIG-B și PTP este dat în.

Sincronizarea timpului prin rețeaEthernet

Rețelele Ethernet, care sunt din ce în ce mai utilizate astăzi în cadrul sistemelor de automatizare a substațiilor, pot fi utilizate și pentru a transmite semnale de sincronizare a timpului. Acest lucru elimină nevoia de a stabili linii de comunicații dedicate, dar necesită dispozitive de protecție și automatizare cu relee, dispozitive de contorizare a energiei electrice și alte dispozitive secundare pentru a suporta protocoale speciale.

Cele mai utilizate două protocoale de sincronizare a timpului sunt Network Time Protocol (NTP) și Precision Time Protocol (PTP). Ambele protocoale, atunci când sunt utilizate în substații, funcționează prin schimbul de mesaje printr-o rețea Ethernet. Protocoalele NTP și PTP oferă compensare pentru întârzierile de timp în transmiterea mesajelor de sincronizare prin schimbul de informații în două sensuri. Protocolul NTP este o soluție mai comună decât protocolul PTP, dar se asigură o precizie mai mare atunci când se folosește acesta din urmă prin utilizarea hardware-ului special. În fig. Figura 4 ilustrează o topologie de rețea în care pot fi utilizate atât protocolul de rezervare NTP, cât și protocolul de rezervare PTP.

Mecanismul de funcționare al ambelor protocoale permite prezența mai multor ceasuri principale, ceea ce crește fiabilitatea sistemului de sincronizare a timpului la o instalație de alimentare. În plus, prezența mai multor ceasuri principale permite întreținerea unuia dintre ele fără a scoate întregul sistem din funcțiune.

ProtocolNTP

În ultimii ani, protocolul NTP a fost utilizat pe scară largă în cadrul instalațiilor energetice. Atunci când se utilizează servere de timp disponibile comercial și clienți (de exemplu, dispozitive de protecție releu) care acceptă acest protocol de comunicație, este posibilă o precizie de sincronizare a timpului în intervalul de la 1 la 4 ms. Totuși, una dintre condițiile pentru asigurarea unei astfel de acuratețe este dezvoltarea topologiei corecte a rețelei locale Ethernet, care asigură consistența și consistența în timpii de propagare a mesajelor de sincronizare a timpului de la client la master și în sens invers.

Un avantaj semnificativ al protocolului NTP față de IRIG-B este că ora este transmisă în format UTC. Acest lucru îndeplinește standarde precum IEC 61850 și IEEE 1815 (DNP), care necesită transmiterea marcajelor de timp ale evenimentelor în format UTC. Dacă este necesară afișarea orei locale pe afișajul dispozitivului de protecție releu, este necesară setarea manuală a fusului orar, ținând cont de trecerea corespunzătoare la ora de vară. Protocolul NTP permite utilizarea simultană a mai multor servere de timp de către același client pentru o sincronizare a timpului mai precisă și mai fiabilă. Cu toate acestea, acest protocol nu oferă precizie de sincronizare la microsecunde, care este necesară pentru SMPR și dispozitivele de interfață cu magistrala de proces IEC 61850-9-2.

Protocolul PTP

IEEE Std 1588-2008 definește o a doua versiune a protocolului PTP, cunoscută ca PTPv2 sau 1588v2. Acest protocol oferă o sincronizare de timp extrem de precisă, care se realizează prin fixarea marcajelor de timp ale mesajelor de sincronizare PTP pe interfețele Ethernet la nivel hardware. Utilizarea acestor date vă permite să luați în considerare momentele la care mesajele de sincronizare sunt distribuite în rețea și procesate de serverele și clienții de timp. Procedura de setare a marcajelor de timp la nivel hardware nu afectează funcționarea altor protocoale de comunicație existente în rețeaua Ethernet în cauză, prin urmare același port poate fi utilizat pentru a transmite date în conformitate cu protocoalele IEC 61850, DNP3, IEC 60870 -5-104, Modbus/IP și alte protocoale de comunicație. Capacitatea de a marca ora la nivel hardware duce la o creștere semnificativă a costului switch-urilor Ethernet. În ceea ce privește suportarea protocolului PTP în dispozitivele de protecție cu relee, doar cele mai recente modificări ale dispozitivelor de la unii producători acceptă acest protocol, uneori este disponibil doar opțional.

Protocolul PTP face posibilă existența în rețea a mai multor dispozitive care pot acționa ca servere de timp; în acest caz, se presupune că toți participă la votul între ei pentru a alege ceasul cel mai precis - ceasul de mare maestru. În cazul în care un ceas de mare maestru eșuează brusc sau performanța sa se deteriorează, rolul ceasului de mare maestru poate fi preluat de alte ceasuri care pretind acest rol. Durata acestei proceduri poate varia, dar dacă setările protocolului PTP (numite și profil) sunt optimizate pentru a fi utilizate în instalațiile de generare a energiei, nu durează mai mult de 5 secunde.

Introducere în PTP

Protocolul PTP este extrem de flexibil și poate fi utilizat într-o varietate de aplicații în care este necesară sincronizarea timpului, oferind o precizie de până la 10 ns.

O precizie mai mare a devenit posibilă odată cu apariția celei de-a doua versiuni a protocolului, care a introdus conceptul de ceasuri transparente, al cărui rol este îndeplinit de comutatoarele Ethernet. Ceasurile transparente măsoară timpul necesar pentru ca mesajele de sincronizare să treacă prin comutatoare, care pot varia în funcție de încărcarea de trafic a rețelei. Informațiile despre timpul măsurat sunt transmise altor dispozitive de-a lungul căii mesajului de sincronizare. Acest mecanism vă permite să obțineți o precizie ridicată a sincronizării timpului într-o rețea Ethernet locală. Utilizarea ceasurilor transparente înseamnă că mesajele de protocol de sincronizare PTP nu trebuie să fie prioritizate în raport cu alt trafic din rețea, simplificând procesul de proiectare a rețelei și configurarea echipamentelor de rețea.

Terminologie

IEEE Std 1588-2008 definește mai mulți termeni care sunt aplicabili sistemelor care funcționează sub protocolul PTP. Termenii principali sunt:

Ceas de mare maestru– un ceas care este principala sursă de date de timp la sincronizare conform protocolului PTP, care, de regulă, este echipat cu un receptor de semnal GPS (sau alt sistem) încorporat.
Ceas maestru– un ceas care este o sursă de date de timp prin care sunt sincronizate alte ceasuri din rețea.
Ceas sclav– dispozitiv final care se sincronizează folosind protocolul PTP; acesta poate fi un dispozitiv de protecție releu cu suport nativ pentru protocolul PTP sau un convertor care, pe de o parte, primește informații în formatul de protocol PTP și, pe de altă parte, generează date în formatul de protocol IRIG-B sau 1-PPS .
Ceas transparent– un comutator Ethernet care măsoară timpul necesar pentru ca un mesaj de sincronizare să treacă prin el însuși și furnizează valoarea măsurată ceasului care primește în continuare mesajul de sincronizare.
Orele limită– un ceas care este echipat cu mai multe porturi PTP și poate acționa ca un ceas master; de exemplu, ei pot fi sclavi în raport cu sursele de nivel superior de semnale de timp și pot acționa ca stăpâni în raport cu dispozitivele de nivel inferior.

Rețeaua trebuie să aibă cel puțin un ceas grandmaster și un ceas slave. Cu toate acestea, în multe cazuri, având în vedere necesitatea de a combina mai multe dispozitive într-o singură rețea, va fi necesar să se utilizeze comutatoare, care, în cel mai simplu caz, vor acționa ca un ceas transparent. Ele pot acționa, de asemenea, ca ceasuri de limită, ceea ce, în unele cazuri, permite o sincronizare a timpului de mai mare precizie (dacă acest lucru este adevărat sau nu depinde de producătorul specific). Orez. 5 ilustrează un complex în care sincronizarea timpului este implementată conform protocolului PTP. În acest exemplu, ceasul marelui maestru este capabil să primească informații despre ora exactă nu numai de la sistemul de poziționare globală, ci și de la rețeaua externă prin protocolul PTP. Soluția specificată este implementată pentru a salva defecțiunea receptorului de semnal de timp sau a circuitelor de conectare externe corespunzătoare. În cazul unei tranziții la utilizarea semnalelor de timp precise de la o rețea externă, ceasul încetează să mai fie un ceas mare maestru și preia rolul unui ceas de limită. Complexul ilustrat folosește, de asemenea, două tipuri de ceasuri slave: dispozitive de protecție cu relee cu suport nativ PTP și convertoare în formatele IRIG-B și 1-PPS, care oferă informații despre ora exactă pentru dispozitivele finale care nu acceptă protocolul PTP.

Funcționare în modul cu una și două etape

Principiul de funcționare al protocolului PTP se bazează pe faptul că se cunoaște cu exactitate timpul de transmitere a unui mesaj de sincronizare de tip Sync (acest mesaj este cel care transmite informații despre timp) și timpul de primire a acestui mesaj pe interfața Ethernet a ceasul sclavului. Ora exactă de transmitere a unui anumit mesaj nu este cunoscută decât după ce acesta a fost trimis. Interfețele Ethernet compatibile cu PTP asigură marcarea temporală a mesajelor la nivel hardware și apoi transmit aceste informații către procesorul central al ceasului Grandmaster. După aceasta, este generat un mesaj de urmărire, care transmite acest marcaj de timp exact al transmisiei mesajului de sincronizare către toate dispozitivele slave. În acest caz, ceasul transparent completează acest mesaj cu informații despre întârzierea transmiterii acestui mesaj prin rețea (suma întârzierii canalului și a timpului de redirecționare a mesajului). Utilizarea unei combinații de mesaje Sync și Follow Up se numește modul de funcționare în două etape a protocolului PTP.

A doua versiune a protocolului PTP (PTPv2) a introdus capacitatea de a schimba conținutul unui mesaj PTP în timpul transmisiei la nivel hardware. La implementarea acestei metode, nevoia de mesaje de urmărire este eliminată; acest mod de operare al protocolului PTP este numit single-stage. Ceasurile Grandmaster cu suport pentru acest mod transmit mesaje de tip Sync cu informații despre ora exactă a formării lor, ceasurile transparente estimează întârzierile în transmiterea mesajelor de acest tip (prin rețea și prin ele însele) și includ date despre întârzierile măsurate în în schimb, aceleași mesaje de tip Sync. pentru a include aceste date în mesajele de urmărire. Acest mod de operare presupune o încărcare mai mică de informații în rețea, dar necesită utilizarea unor dispozitive mai complexe și mai scumpe.

Complexele care funcționează în conformitate cu termenii protocolului PTP pot include ceasuri mari capabile să funcționeze în moduri cu una și două etape. În astfel de complexe, ceasurile slave trebuie să poată ține cont de informații despre întârzierile rezultate în transmiterea mesajelor de sincronizare direct din aceste mesaje generate de ceasuri transparente cu o singură etapă, precum și din mesajele Follow Up generate de transparente în două etape. ceasuri.

ProfilPTP pentru industria energiei electrice (Putere Profil)

Standardul de protocol PTP implică câteva dintre modificările sale, care se exclud reciproc. A doua versiune a protocolului PTP (PTPv2) introduce conceptul de profiluri, care limitează valorile unui număr de parametri și necesită utilizarea unor aspecte specifice ale protocolului pentru diferite aplicații.

Profilul de putere este descris în IEEE Std C37.238-2011, care definește o serie de parametri pentru a asigura acuratețea sincronizării timpului cu 1 μs pentru topologiile cele mai comune în sistemele de automatizare a stațiilor. Acest profil definește, de asemenea, Management Information Base (MIB) pentru protocolul SNMP, care oferă posibilitatea de a monitoriza parametrii cheie ai dispozitivului atunci când se utilizează programe standard de monitorizare. Datorită acestui fapt, devine posibilă monitorizarea funcționării sistemului de sincronizare a timpului în timp real cu formarea de alarme în cazul unor situații de urgență.

Profilul de putere necesită ca erorile introduse de fiecare ceas transparent individual să nu depășească 50 ns. Acest lucru este necesar pentru a asigura acuratețea sincronizării de cel mult 1 µs atunci când se organizează o topologie de rețea locală care include 16 comutatoare Ethernet (de exemplu, ca parte a unei topologii inel). În acest caz, eroarea permisă pentru ceasurile GPS este setată la 200 ns.

Profilul PTP necesită utilizarea unui ceas transparent care acceptă un mecanism peer-to-peer pentru determinarea întârzierilor de legătură și ca toate mesajele PTP să fie transmise la nivelul de legătură în modul multicast. Un mecanism de latență peer-to-peer înseamnă că fiecare dispozitiv compatibil PTP schimbă mesaje cu dispozitivele adiacente pentru a măsura întârzierile de legătură ale transmiterii mesajelor între ele. Întârzierea totală în transmiterea mesajelor de sincronizare este definită ca suma întârzierilor de canal și a întârzierilor în procesarea mesajelor de către ceasuri transparente care apar de-a lungul rutei de propagare a mesajelor de la ceasurile grandmaster la ceasurile slave. Acest mod de funcționare are două avantaje:

Traficul de rețea văzut de Ceasul Grandmaster nu crește pe măsură ce rețeaua se extinde. Ceasul grandmaster schimbă mesaje numai cu comutatorul Ethernet adiacent (ceasul transparent sau de margine).
Întârzierile de transmitere a mesajelor sunt compensate automat dacă ruta principală de comunicație eșuează și este activată o rută de rezervă. Întârzierile de canal sunt măsurate pe fiecare linie de comunicație, inclusiv pe cele care pot fi blocate prin protocoale din familia STP.

Nu toți producătorii de echipamente compatibile PTP acceptă profilul utilitarului de energie, dar este de remarcat faptul că profilul standard descris în Anexa J.4 la standard sau IEEE Std 1588-2008 poate oferi precizia necesară dacă sistemul este configurat corect. Când utilizați un alt profil decât cel al utilității de energie electrică, nu există nicio garanție că informațiile necesare pentru dispozitivele sistemului de automatizare a stațiilor, cum ar fi eroarea de sincronizare și fusul orar aplicabil, pot fi puse la dispoziție clienților. De asemenea, nu este garantată conformitatea cu caracteristicile de performanță cerute ale protocolului (Anexa J.4 nu specifică cerințe de performanță).

Ceasurile de limită pot fi folosite pentru a converti între diferite profiluri. De exemplu, ceasul de limită poate oferi conversie între profilul de telecomunicații (Profil de telecomunicații Rec. ITU-T G.82651.1) și profilul de putere (Profil de putere IEEE Std C37.238). Primirea de informații despre ora exactă de la o rețea externă printr-un profil de telecomunicații poate oferi o rezervă pentru defecțiunea receptorului de semnal GPS de pe ceasul Grandmaster. În acest caz, așa cum am menționat mai devreme, ei vor prelua rolul unui ceas de graniță.

Tipuri de mesaje de protocolPTP

Profilul de protocol PTP pentru industria energiei electrice prevede utilizarea a 4 clase de mesaje:

Mesaje caSincronizare . Datele mesajului includ informații despre timp transmise de la ceasul principal în formate de număr de secunde și nanosecunde începând cu miezul nopții de 1 ianuarie 1970.
Mesaje caPeer Întârziere. Aceste mesaje sunt schimbate între dispozitivele adiacente pentru a estima întârzierea de propagare a mesajelor de sincronizare de-a lungul legăturii de comunicație dintre ele. Două sau trei tipuri diferite de mesaje sunt utilizate pentru a măsura latența, în funcție de utilizarea unei operații în una sau în două etape.
Mesaje caUrma Sus. Datele mesajului includ marcajul de timp exact al mesajului de sincronizare anterior trimis, precum și o valoare de ajustare. Valoarea de corecție este suma timpilor de procesare a mesajelor de către ceasul transparent și a întârzierilor canalului de-a lungul căii de propagare a mesajului între ceasul grandmaster și un anumit punct de rețea. Reprezentat în format de nanosecunde și fracțiuni de nanosecunde.
Mesaje caAnunțați. Transmiterea acestor mesaje este efectuată de ceasul grandmaster, care furnizează date despre eroarea în funcționarea sursei (de exemplu, un receptor GPS) și alte informații de serviciu ale protocolului PTP.

Orez. Figurile 6-8 ilustrează modul în care mesajele sunt schimbate într-o rețea mică folosind un ceas care funcționează în modul în două etape (deoarece majoritatea dispozitivelor nu acceptă funcționarea într-o singură etapă). Mesajele de sincronizare sunt transmise neschimbate de ceasul transparent. tA– indicarea orei pe ceasul de mare maestru. Mesajele de anunț sunt de asemenea transmise în același mod.

Tipul de mesaje Peer Întârziere (Peer Întârziere Cerere, Peer Întârziere Raspunsși Peer Întârziere Urma Sus) se efectuează numai între dispozitive învecinate.

Orez. 7. Mesajele Peer Delay sunt schimbate numai între dispozitivele vecine.

Fiecare ceas transparent determină întârzierea canalului de transmitere a mesajului între el și dispozitivele adiacente. Când mesajele de sincronizare trec prin ceasuri transparente, ele calculează o valoare de corecție locală prin însumarea întârzierii canalului de-a lungul rutei de sosire a mesajului și a timpului necesar pentru ca mesajul de sincronizare să treacă prin ele. Această valoare de corecție calculată local este apoi adăugată la valoarea de corecție a mesajului de urmărire primit. Când un mesaj de urmărire ajunge la ceasul slave pentru a corecta valoarea, se adaugă valoarea întârzierii canalului determinată de aceștia. Valoarea de corecție rezultată va fi timpul total necesar pentru ca un mesaj de sincronizare să fie transmis prin rețea de la dispozitivul master la dispozitivul slave.

Întrucât fiecare element de rețea de-a lungul căii de propagare a unui mesaj de tip Sync contribuie la acest timp total, mecanismul peer-to-peer de măsurare a întârzierilor de canal ale profilului de putere, descris mai sus, asigură funcționarea corectă a protocolului în condiții de schimbarea topologiei rețelei.

Este important să rețineți că, deși mesajele de urmărire pot arăta identice, acestea vor fi diferite în fiecare punct al rețelei. Ceasul transparent modifică conținutul acestor mesaje, păstrând adresa ceasului marelui maestru neschimbată.

În fig. 8 tb– ora reală de formare a mesajului de sincronizare de către ceasul marelui maestru, care este apropiată ca valoare, dar nu identică cu ora tA. Fiecare ceas slave înregistrează momentul primirii mesajelor Sync și, prin înregistrarea timpului de transmitere a mesajelor prin ceasul transparent și întârzierile de canal, a căror sumă este o valoare de corecție, poate lua în considerare întârzierile variabile în transmiterea mesajelor Sync. .

Orez. 8. Mesajele de urmărire conțin o valoare de corecție care este actualizată cu fiecare ceas transparent de-a lungul căii de propagare.

Avantajele și dezavantajele utilizării unui profil PTP pentru industria energetică

Utilizarea PTP Power Profile oferă o serie de beneficii:

Precizia sincronizării orei nu depinde de volumul traficului din rețea. Când echipamentul de rețea este supraîncărcat, mesajele PTP nu se pierd. Acest lucru vă permite să utilizați aceeași infrastructură de rețea locală atunci când implementați sisteme de protecție SMPR și releu, atât folosind magistrala de proces în conformitate cu IEC 61850-9-2, cât și folosind magistrala stației în conformitate cu IEC 61850-8-1 (cu trafic GOOSE și/sau MMS), precum și complexe care funcționează pe baza altor protocoale de comunicație (DNP3 etc.).
Rata de mesaje PTP a fost optimizată pentru a oferi precizie de sincronizare la microsecunde fără a supraîncărca rețeaua sau a necesita ceasuri slave complexe.
Atât liniile de comunicație optice, cât și electrice (pereche răsucite) pot fi utilizate ca mediu fizic de transmisie a datelor - totul depinde de configurația comutatoarelor selectate.
Este utilizat un singur sistem de referință pentru oră, astfel încât nu există nicio bătaie de cap în setarea dispozitivelor la Ora universală coordonată (UTC)/ora locală. Toate dispozitivele care acceptă profilul Electrical Utilities folosesc International Atomic Time (TAI), care nu are probleme legate de secundele interioare și ora de vară.
Profilul de putere asigură transmiterea decalajului de timp local, astfel încât nu este nevoie să configurați ora locală pe dispozitivele de protecție a releului. În plus, orice modificări referitoare la trecerea la ora de vară se pot face pe ceasul grandmaster fără modificarea setărilor dispozitivelor de protecție a releului. Acest mecanism este definit de standardul IEEE 1588, deci este compatibil și cu dispozitivele care nu acceptă profilul PTP pentru utilitățile de alimentare.
Este posibil să se utilizeze ceasuri Grandmaster de rezervă cu comutare automată la ele în cazul unei defecțiuni în comunicarea cu ceasul Grandmaster existent sau dacă performanța lor se deteriorează.
Pentru a crește fiabilitatea schimbului de informații între dispozitivele care acceptă protocolul PTP, pot fi utilizate protocoale precum Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP), Parallel Redundancy Protocol (PRP) și High-availability Seamless Ring (HSR).
Rețelele pot fi scalate fără încărcare suplimentară pe ceasul Grandmaster.
Întârzierile în propagarea mesajelor de sincronizare a timpului pe liniile lungi de comunicație sunt compensate automat, eliminând necesitatea de a ajusta dispozitivele de interfață magistrală de proces și înregistratoarele tranzitorii.

Sunt oferite informații mai detaliate despre testarea vitezei de trecere la utilizarea unui ceas mare maestru de rezervă. Materialul ia în considerare astfel de scenarii precum pierderea unui segment de rețea Ethernet cu un ceas Grandmaster valid și pierderea acestuia a unui semnal GPS.

Protocolul PTP este un protocol destul de complex, iar pentru a asigura acuratețea necesară pentru sincronizarea timpului, trebuie luate în considerare o serie de puncte. În plus, apar noi riscuri în cadrul sistemului de automatizare al unei instalații electrice. Trebuie remarcate următoarele aspecte ale utilizării protocolului PTP:

Switch-urile Ethernet trebuie să accepte profilul utilitar PTP cu capacitatea de a semnala erori de performanță inacceptabile. Nu toate ceasurile transparente cu suport PTP (și în special cele cu suport peer-to-peer pentru detectarea întârzierii canalului) sunt capabile să furnizeze o eroare mai mică de 50 ns. De asemenea, nu toate ceasurile transparente sunt capabile să evalueze erorile rezultate.
Există pe piață un număr limitat de dispozitive de protecție cu relee care acceptă profilul PTP pentru industria energetică, dar situația se îmbunătățește. O serie de producători produc dispozitive de protecție cu releu cu suport PTP din 2013, dar suportul pentru protocol poate fi opțional, iar necesitatea acestuia este determinată la comanda.
Nu toate ceasurile master sau slave (inclusiv convertoarele la alte protocoale de sincronizare a timpului) sunt concepute pentru a fi utilizate în substații de înaltă tensiune, deși pot suporta profilul PTP de utilitate. Echipamentul trebuie testat pentru imunitate la interferența electromagnetică în conformitate cu nivelurile de severitate specificate.
Sincronizarea timpului este de mare importanță pentru SMPR și magistrala de proces IEC 61850-9-2. Este important ca doar personalul special instruit să aibă capacitatea de a modifica configurația dispozitivelor compatibile PTP (fie folosind configuratoare speciale, fie folosind un server web, fie prin protocolul SNMP). Dacă dispozitivele compatibile PTP permit configurarea panoului frontal, atunci accesul trebuie restricționat prin parolă.
Există diverse profiluri de protocol PTP, fiecare optimizat pentru aplicații specifice. Profilul PTP pentru industria energiei electrice (Power Profile) satisface cel mai pe deplin cerințele sistemelor de automatizare pentru instalațiile electrice, dar poate fi utilizat și Profilul implicit. Cu toate acestea, nu este garantat că va fi furnizată o precizie suficientă a sincronizării timpului pentru toate sistemele. Alte profiluri specifice, cum ar fi profilul de telecomunicații sau profilul pentru aplicații audio-video (IEEE 802.1AS), probabil că nu vor oferi performanța necesară.

Exemple de utilizare a protocolului PTP la instalațiile electrice

Această secțiune discută două exemple de utilizare a protocolului PTP în cadrul sistemelor de automatizare a stațiilor electrice de înaltă tensiune. Primul exemplu descrie utilizarea protocolului PTP în cadrul sistemului de automatizare al unei noi stații de construcție, al doilea - la modernizarea unei substații existente. Exemplele discută, de asemenea, structura rețelei de informații Ethernet. Se presupune că proiectarea rețelei nu numai că acceptă protocolul PTP, ci și satisface cerința de menținere a funcționalității sub o singură defecțiune (echipament sau linie de comunicație).

Aplicarea protocoluluiPTP la instalațiile energetice de construcție nouă

Multe dispozitive de protecție releu au capacități de înregistrare tranzitorie în conformitate cu IEEE C37.118.1 (sau standardele anterioare). Implementarea practică a acestei funcționalități necesită asigurarea sincronizării în timp a dispozitivelor cu precizie de microsecunde. Din punct de vedere istoric, sincronizarea de timp IRIG-B a fost folosită deoarece NTP nu a îndeplinit cerințele de precizie. Astăzi, un număr de producători oferă soluții care acceptă protocolul PTP pentru a îndeplini cerințele de precizie. În același timp, protocolul NTP poate fi folosit și pentru a sincroniza alte dispozitive de protecție releu ale unității de alimentare care îndeplinesc funcțiile de înregistrare a evenimentelor de urgență.

Acest exemplu ia în considerare o substație de dimensiuni medii de 330/132 kV pentru a demonstra ușurința de utilizare a protocolului PTP. În acest caz, se ia în considerare implementarea funcțiilor de înregistrare tranzitorie, deși protocolul PTP poate fi folosit și pentru a sincroniza dispozitivele de interfață cu magistrala de proces în cadrul aceleiași instalații de alimentare. O diagramă cu o singură linie a obiectului este prezentată în Fig. 9.

Orez. 9. Schema uniliniară a unei substații de 330/132 kV cu o schemă unu și jumătate a unui tablou de comutație de 330 kV și un sistem de magistrală unică secțională a unui tablou de distribuție de 132 kV.

În mod obișnuit, companiile de rețea electrică acceptă una dintre cele două opțiuni pentru amplasarea echipamentelor: dispozitivele de protecție și automatizare cu relee sunt amplasate într-o singură cameră sau în mai multe clădiri modulare (înalt prefabricate), care sunt amplasate în incintă. Abordarea utilizată determină topologia rețelei locale Ethernet și nivelul necesar de fiabilitate. În acest exemplu, topologia rețelei este dezvoltată pe baza faptului că dispozitivele de protecție cu relee pentru elemente de 330 kV și 132 kV sunt instalate în clădiri separate. Pentru simplitate, în fig. 10 arată doar câteva dintre dispozitive. Conexiunile redundante nu sunt utilizate și este afișat un singur set de protecții.

Dispozitivele din seria UR General Electric au fost selectate pentru utilizare la fața locului, iar funcționalitatea lor include o funcție de înregistrare tranzitorie. În același timp, dispozitivele de protecție cu relee acceptă protocolul PTP (în loc de cea mai utilizată interfață IRIG-B). Facilitatea prevede, de asemenea, utilizarea unui dispozitiv de protecție a releului bateriei de condensatoare seria ABB REV615, care acceptă protocolul PTP.

Principala sursă de timp este un ceas de mare maestru echipat cu un receptor de semnal prin satelit. Se recomandă ca Grandmaster PTP să fie, de asemenea, un ceas master NTP, deoarece NTP poate fi utilizat de controlere de comunicații, gateway-uri, contoare de putere și dispozitive de protecție a releelor care necesită sincronizare în timp de precizie în milisecunde.

Switch-urile Ethernet sunt folosite pentru a distribui mesaje PTP împreună cu alt trafic, cum ar fi IEC 61850, DNP3, HTTP, SNMP, etc. Volumul traficului PTP este extrem de mic, de aproximativ 420 de octeți/s, și nu are impact asupra rețelei. Orez. Figura 11 ilustrează traficul PTP generat de un Tekron Grandmaster Watch. Figura arată că ceasul Grandmaster generează mesaje precum Sync (roșu), Follow Up (zmeura), Announce (albastru) și Peer Delay Request (verde) o dată pe secundă și, de asemenea, generează răspunsuri precum Peer Delay Response (galben) și Peer Delay. Urmărirea răspunsului (maro). Modul în două etape ilustrat generează cel mai mare trafic - acesta este cel mai rău caz.

Orez. 11. Trafic PTP generat de un ceas mare maestru în două etape.

Comutatorul rădăcină este situat în centrul topologiei rețelei locale Ethernet a unității de alimentare. La acest comutator sunt conectate un server de comunicații și o stație de lucru dispecer. Diagrama de mai sus prevede și utilizarea altor două comutatoare: unul în centrul de control de 330 kV, al doilea în centrul de control de 132 kV. Această soluție vă permite să reduceți cantitatea de cablu necesară pentru conectarea dispozitivelor de protecție și automatizare a releului. Întrerupătoarele instalate în fiecare centru de control oferă posibilitatea schimbului de informații între dispozitivele de protecție cu relee (de exemplu, mesaje GOOSE cu semnale de defecțiune a pornirii întreruptorului, interzicerea reînchiderii automate etc.). Aceasta asigură funcționalitatea funcțiilor distribuite în cazul unei eșecuri a comunicării cu comutatorul central.

Numărul de comutatoare utilizate este determinat de echilibrul dintre următoarele aspecte:

Flexibil: mai multe switch-uri înseamnă mai multe porturi.
Fiabilitate: cu cât există mai multe comutatoare în sistem, cu atât este mai mare probabilitatea de defecțiune a unui singur comutator.
Fiabilitatea operațională: dacă un comutator eșuează, asupra câte elemente veți pierde controlul?

Utilizarea PTP se încadrează bine în soluțiile tradiționale pentru utilizarea rețelelor locale de către companiile de rețea electrică. Profilul PTP pentru industria energiei electrice (Power Profile) permite funcționarea în condițiile prezenței canalelor de comunicație redundante atunci când se utilizează protocolul de redundanță al protocolului RSTP, deoarece se efectuează evaluarea întârzierilor de canal, inclusiv pe liniile de comunicație blocate logic. Când mesajele PTP sunt propagate de-a lungul rutelor alternative ale rețelei, valoarea de ajustare din mesajele PTP Follow Up va determina întârzierea de-a lungul noii rute.

Una dintre deciziile care trebuie luate atunci când se creează un sistem de sincronizare a timpului este dacă comutatoarele ar trebui să funcționeze în mod transparent sau ceas de margine. Cel mai simplu mod este ceasul transparent. Când utilizați acest mod, depanarea defecțiunilor de rețea cu ajutorul analizoarelor de trafic (de exemplu, aplicația Wireshark) este mult mai ușoară. Avantajul utilizării ceasurilor de frontieră este că ele separă ceasul mare maestru de funcționare de ceasul slave. Acest lucru se realizează prin menținerea la zi a ceasului de limită, mai degrabă decât prin simpla estimare a timpilor mesajelor de sincronizare.

Să luăm în considerare scenariul de defecțiune a liniei de comunicație dintre comutatorul rădăcină și comutatorul instalat în centrul de control de 132 kV, care acționează ca un ceas transparent. În acest caz, va exista o abatere a citirilor fiecărui ceas slave (dispozitive de protecție cu relee) față de timpul real și unul față de celălalt din cauza diferenței dintre caracteristicile generatoarelor de oscilații încorporate. Rata cu care crește discrepanța va depinde de mai mulți factori, inclusiv de calitatea oscilatorului și de schimbările de temperatură. Dacă întreruperea comunicării continuă pentru o perioadă suficient de lungă, diferența dintre citirile de timp ale dispozitivelor de protecție și automatizare cu relee ale elementelor de nivel de tensiune de 132 kV poate deveni semnificativă. Această situație este identică cu situația în care linia de comunicație care asigură sincronizarea IRIG-B cu o soluție tradițională este întreruptă.

Dacă comutatorul din centrul de control de 132 kV acționează ca un ceas de limită, atunci dispozitivele slave vor fi sincronizate cu ceasul de limită. În timpul funcționării normale, ceasul de frontieră va fi sincronizat cu ceasul marelui maestru. Dacă conexiunea cu ceasul marelui maestru este întreruptă, atunci dispozitivele de protecție a releului rămân sincronizate cu ceasul de limită. Ora locală de pe ceasul de graniță se va abate încet de la ora ceasului de mare maestru - acest lucru se va întâmpla și pe ceasul slave, în același ritm. În acest caz, toate dispozitivele de protecție releului vor fi sincronizate între ele. În această situație, calitatea ceasului intern în dispozitivele de protecție cu relee nu contează.

Înlocuirea sistemului de sincronizare a timpului:IRIG– B pePTP

Pot apărea situații când este necesară înlocuirea unui sistem de sincronizare a timpului existent, de exemplu, atunci când se introduc complexe cu funcționalități noi la o instalație de alimentare. Exemplul dat ia în considerare un scenariu de extindere a unei stații în care apare o cerință pentru construirea unui centru de control separat. La substația existentă, rețeaua Ethernet este utilizată pentru a implementa schimbul de date între dispozitivele de protecție releu, iar protocolul IRIG-B este utilizat pentru sincronizarea în timp a dispozitivelor. Liniile de comunicație prin fibră optică sunt utilizate ca mediu de transmisie a datelor atât pentru LAN Ethernet, cât și pentru sistemul de sincronizare a timpului, deoarece acest mediu oferă imunitate ridicată la zgomot și izolație galvanică. Repetoarele sunt folosite pentru a converti semnalele IRIG-B transmise printr-o linie de comunicație optică în semnale electrice IRIG-B, care sunt furnizate direct la interfețele dispozitivelor de protecție cu relee.

Orez. 12 ilustrează o diagramă cu o singură linie a unei substații de 330/132 kV, a clădirilor existente ale camerei de control și a conexiunilor de comunicație între clădiri înainte de extindere.

Orez. 12. Schema uniliniară a unei substații 330/132 kV care arată numărul clădirilor centrului de control, conexiunile dintre acestea și structura sistemului de sincronizare a timpului.

Compania de rețea electrică implementează un proiect de extindere a tabloului de distribuție de 330 kV cu instalarea unui alt transformator de putere de 330/132 kV. Este planificată construirea unei alte clădiri a camerei de control în care vor fi instalate dispozitive de protecție și automatizare cu relee și alte echipamente. În ciuda faptului că pare posibilă rutarea semnalului IRIG-B de la centrul de control de 132 kV, aceasta va fi însoțită de erori suplimentare de sincronizare a timpului din cauza lungimii mari a liniei de comunicație. Această extensie de substație oferă o bună oportunitate de a câștiga experiență folosind protocolul PTP.

În același timp, cantitatea de echipamente care trebuie înlocuită este destul de mică. Dacă ceasul principal conectat la GPS nu acceptă PTP, atunci va trebui înlocuit. În acest proiect s-a ales echipamentul Tekron - model TCG 01-G, care acceptă atât protocoalele PTP, cât și NTP. Dacă comutatorul Ethernet rădăcină nu acceptă profilul PTP pentru energie electrică (Power Profile), atunci acesta trebuie înlocuit cu unul care implementează acest suport (în acest proiect s-a făcut o înlocuire cu un comutator GE Multilink ML3000). În acest caz, configurația switch-ului anterior trebuie să fie documentată în ceea ce privește VLAN-urile, filtrarea multicast, configurația porturilor și protocolul SNMP pentru a le replica pe noul switch.

În etapa finală, se are în vedere utilizarea unui convertor din formatul de protocol PTP în formatul IRIG-B în noul OPU. Convertorul specificat oferă posibilitatea de a conecta dispozitive de protecție cu relee cu o interfață IRIG-B. Orice comutatoare Ethernet care urmează să fie instalate în noul GPU trebuie să accepte fie rolul de ceas transparent, fie rolul de ceas limită, în conformitate cu profilul PTP Power Utilities. Orez. 13 ilustrează o diagramă a substației după extindere. Atunci când extindeți instalația, merită de asemenea să aflați dacă dispozitivele de protecție releu instalate pot suporta protocolul PTP. Dacă da, acest lucru poate elimina nevoia de convertoare și, de asemenea, poate oferi o experiență suplimentară folosind PTP în dispozitivele finale.

Orez. 13. Schema postului după extindere (instalarea unui transformator suplimentar de putere, extinderea tabloului de distribuție de 330 kV și construirea unui nou centru de control).

În arhitectura propusă pentru construirea unui sistem de sincronizare a timpului, nu este necesară compensarea timpului de propagare a semnalelor de sincronizare pentru dispozitivele situate în noul centru de control, deoarece aceasta este asigurată de mecanismul peer-to-peer pentru determinarea întârzierilor de timp. a profilului PTP pentru industria energiei electrice (Power Profile). Acest lucru simplifică sarcina de a configura sistemele de control și alte sisteme care necesită precizie de microsecunde a sincronizarii timpului.

În ceea ce privește designul cabinetului, poate exista o singură modificare asociată cu necesitatea instalării convertoarelor PTP (câte unul pentru fiecare dulap), al căror scop este acela de a elimina nevoia de a stabili linii de comunicație dedicate pentru transmiterea semnalelor IRIG-B. Deja astăzi, multe companii de rețea electrică se îndepărtează de la utilizarea conexiunilor prin cablu de cupru între protecția cu relee și dulapurile de automatizare, combinând dispozitivele dulapurilor într-o singură rețea Ethernet. Într-o astfel de situație, poate fi folosit un alt avantaj al acestei abordări - utilizarea protocolului PTP, ale cărui mesaje sunt transmise prin aceeași rețea Ethernet ca și semnalele dispozitivelor de protecție releului.

Orez. 14 ilustrează un sistem convenţional de sincronizare a timpului utilizând IRIG-B (modulat/bandă de bază). Toate dispozitivele de protecție cu relee sunt conectate la sistemul automat de control al procesului prin interfețe Ethernet, cu toate acestea, la instalațiile de alimentare mai vechi, dispozitivele pot fi conectate și prin interfața RS-485 (folosind protocoalele DNP3 sau IEC 60870-5-101).

Orez. 14. Sistem tradițional de sincronizare a timpului și legături de comunicare între dispozitive.

Când utilizați protocolul PTP, este recomandabil să organizați comunicațiile între dulapuri prin linii de comunicație cu fibră optică. Un ceas slave PTP, cum ar fi un convertor PTP, este utilizat pentru a converti la unul dintre protocoalele standard de sincronizare a timpului (IRIG-B în exemplul prezentat). Generarea semnalelor IRIG-B de către aceste convertoare în fiecare dulap individual face posibilă existența unui format de timp diferit și fusuri orare diferite în comparație cu scenariul utilizării unui singur server de timp care transmite date în formatul de protocol IRIG-B. Orez. 15 ilustrează un exemplu despre modul în care protocolul PTP poate fi utilizat pentru a sincroniza în timp dispozitivele de protecție releu existente utilizând un convertor din formatul PTP în formatul unuia dintre protocoalele standard și pentru a sincroniza simultan ora dispozitivelor moderne de protecție cu releu cu suport PTP.

Utilizarea protocolului PTP la extinderea și modernizarea instalațiilor electrice existente oferă o oportunitate pentru companiile și integratorii de rețele electrice de a câștiga experiență în utilizarea protocolului PTP. În viitor, experiența poate fi acumulată și în utilizarea dispozitivelor de protecție cu releu cu suport nativ pentru protocolul PTP.

Dacă o companie de rețea electrică tocmai trece la implementarea comunicației printr-o rețea Ethernet locală între dispozitivele de protecție prin relee și automatizare, atunci ar trebui să acordați atenție posibilității ca comutatoarele utilizate să suporte protocolul PTP. Este necesar să ne asigurăm că comutatoarele acceptă protocolul la nivel hardware - suportul pentru profilele PTP individuale poate fi implementat într-o etapă ulterioară prin schimbarea software-ului de bază al comutatoarelor Ethernet.

Construirea de rețele redundante folosind protocolul PTP

Aspectele utilizării PTP în cadrul unei noi instalații de alimentare au fost discutate mai sus. Această secțiune discută principiile de bază ale utilizării PTP în rețele Ethernet redundante. Este important de reținut următoarele principii fundamentale:

Defecțiunea oricărui dispozitiv de rețea sau linie de comunicație nu va duce la defecțiunea funcției de protecție și control a mai multor conexiuni ale aparatului de comutare.
Sunt utilizate kituri de protecție principală și de rezervă, care sunt adesea numite protecție principală nr. 1/protecție principală nr. 2, seturi A/B sau X/Y.
Influențele de control asupra echipamentelor de comutare sunt generate direct de la dispozitivele de protecție și automatizare cu relee, ocolind controlerele/dispozitivele de control.

Puteți oferi rezervări într-unul dintre următoarele moduri, fiecare dintre ele având propriile avantaje și dezavantaje:

Protocolul Rapid Spanning Tree (RSTP), care oferă posibilitatea de a crea rețele de inel. Acest protocol este acceptat de multe, dacă nu toate, switch-uri Ethernet. Timpul necesar pentru restabilirea comunicării între dispozitive nu este constant și depinde de o serie de factori.
Protocolul de redundanță paralelă (PRP). La utilizarea acestui protocol, continuitatea schimbului de informații este asigurată în cazul unei defecțiuni fie a unei linii de comunicații separate, fie a unui comutator separat. Necesită suport special pentru acest protocol sau utilizarea dispozitivelor de redundanță, precum și duplicarea infrastructurii rețelei Ethernet.
Protocol de înaltă fiabilitate Seamless Redundancy (HSR). Continuitatea schimbului de informații este asigurată în cazul unei defecțiuni fie a unei linii de comunicații separate, fie a unui comutator separat. Acest lucru nu necesită utilizarea unor comutatoare suplimentare. Domeniul de aplicare al protocolului este limitat la topologiile de rețea Ethernet în inel și suportul special pentru protocol de către dispozitivele conectate (de exemplu, ceasuri PTP sau dispozitive de protecție cu relee) sau conectarea acestora se realizează prin dispozitive speciale de redundanță.

Exemplul dat în această secțiune se bazează pe utilizarea PRP și elimină necesitatea unui comutator separat per compartiment sau per diametru de comutator, care sunt adesea utilizate în scopul menținerii capacității de protecție și control după o singură defecțiune a echipamentului de comunicații. În unele scenarii, utilizarea PRP poate reduce numărul de comutatoare Ethernet utilizate în comparație cu utilizarea RSTP.

Protecția X (sau protecția principală nr. 1) este implementată atunci când se utilizează dispozitive de protecție cu relee din seria UR General Electric, deoarece acest dispozitiv acceptă protocoalele PTP și PRP. Protection X oferă funcții de control și înregistrare tranzitorie pe lângă funcțiile de protecție a releului. Protecția Y (sau protecția principală nr. 2) este implementată atunci când se utilizează dispozitive de protecție cu relee de la alt producător care acceptă protocolul PTP sau NTP pentru sincronizarea timpului.

Orez. 16 ilustrează o topologie de rețea Ethernet. Sunt implementate două rețele locale, desemnate A și B, ambele fiind active în același moment în timp. Protocolul RSTP funcționează în așa fel încât să blocheze legăturile de comunicație redundante, care sunt prezentate ca linii punctate în figură. Mai exact, aceasta este legătura dintre comutatorul rădăcină #2 și comutatorul Y. Unele servere media funcționează cu cel de-al doilea port Ethernet dezactivat până când legătura principală eșuează. Datele de conectare sunt afișate și cu linii punctate.

Orez. 16. Rețea locală Ethernet implementată folosind protocolul PRP.

Este de așteptat ca în viitorul apropiat să devină disponibile servere de comunicații ICS cu suport nativ PRP, ceea ce va permite menținerea a două linii de comunicație simultană. Comutatorul Y poate oferi funcționalitate de redundanță pentru dispozitivele de protecție a releului Y, furnizând procesarea mesajelor duplicate.

Comutatoarele Ethernet sunt acum disponibile cu un număr mare de porturi, eliminând nevoia de a folosi comutatoare în fiecare dulap pentru conectarea dispozitivelor de protecție a releului. La substațiile mici, utilizarea întrerupătoarelor X1, X2 și Y pentru conectarea dispozitivelor de protecție cu relee poate să nu fie necesară și, dimpotrivă, la substațiile de înaltă tensiune poate fi recomandabilă utilizarea întrerupătoarelor X1, X2 și Y pentru fiecare nivel de tensiune. Indiferent de topologia rețelei Ethernet, utilizarea unui comutator Ethernet care acceptă rolul de ceasuri transparente sau de limită va oferi posibilitatea de a conecta clienți oriunde în rețea.

concluzii

Utilizarea protocoalelor de sincronizare a timpului care operează printr-o rețea Ethernet reduce costurile de proiectare, implementare și întreținere a sistemului. Protocolul PTP, și anume profilul acestui protocol pentru industria energiei electrice (Power Profile), rezolvă o serie de probleme asociate cu sistemele de sincronizare a timpului pentru sistemele de automatizare a substațiilor, iar utilizarea sa se încadrează în mod optim în ideologia clădirii schimbului de date între dispozitivele secundare. a unei instalații de alimentare printr-o rețea Ethernet.

Bibliografie

D.M.E. Ingram, P. Schaub, D.A. Campbell & R.R. Taylor, „Evaluarea metodelor de sincronizare a timpului de precizie pentru aplicații de substanțe”, 2012 Simpozion internațional IEEE privind sincronizarea ceasului de precizie pentru măsurare, control și comunicare (ISPCS 2012), San Francisco, SUA, 23-28 septembrie 2012. Disponibil la http://eprints.qut.edu.au/53218/.
D.M.E. Ingram, P. Schaub, D.A. Campbell & R.R. Taylor, „Evaluarea cantitativă a timpului de precizie tolerant la erori pentru substanțele electrice”, Tranzacții IEEE privind instrumentarea și măsurarea, octombrie 2013. Volumul 62, Numărul 10, p. 2694-2703. Disponibil de la

Categorii

Alegerea editorilor