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IEEE1588的高精度时间同步算法的分析与实现IEEE1588，也被称为精确时间协议（PTP），是一种用于网络中实现高精度时间同步的协议。
它在各种工业应用和通信系统中被广泛采用，因为它可以提供微秒级甚至亚微秒级的精度，满足了许多应用的实时性要求。
首先，IEEE 1588协议需要在网络中选择一个主时钟（Master Clock），作为时间同步的源头。
主时钟拥有最高的时间精度，并将其时间信息通过数据包广播给其他时钟节点。
其他节点被称为从时钟（Slave Clock），它们通过接收到的时间数据来调整自身的时钟，并与主时钟保持同步。
在主时钟启动时，它会周期性地发送特殊的数据包，称为同步事件（Sync Event）。
这些数据包包含了主时钟的当前时间戳，从时钟接收到这些数据包后，会记录接收时间戳。
当从时钟收到一定数量的同步事件后，它会计算出与主时钟的相对时间差，并根据这个时间差来调整自身的时钟。
为了确保时间同步的准确性，IEEE 1588采用了两个重要的概念，即时钟同步和时间戳校准。
时钟同步通过周期性的同步事件来实现，从而减小网络延迟带来的时间误差。
而时间戳校准则通过周期性地发送延迟请求（Delay Request）和延迟响应（Delay Response）数据包来估计网络延迟，并相应地调整时间戳。
在实际的实现中，IEEE1588通常使用硬件支持或软件实现的方式。
硬件支持一般通过专用的电路芯片或FPGA来实现，它们能够提供更高的时间精度和更低的延迟。
而软件实现则是在通用的计算机上运行，通过操作系统和网络协议栈来实现时间同步功能。
在软件实现中，IEEE1588通常依赖于操作系统的时钟服务和网络协议栈。
操作系统的时钟服务提供了计算机系统的时间信息，并提供了时间戳的功能。
网络协议栈则负责封装和发送数据包，并处理收到的数据包以提取时间戳信息。
在实现中，需要考虑以下几个关键问题：1.时间同步精度：在实现中，需要根据具体应用的要求选择合适的时钟源和自适应算法，以达到所需的精度。
IEEE1588精密时钟同步协议的研究与实现的开题报告一、选题背景：随着信息技术的不断发展，计算机、通信、控制等领域对精确时间同步的需求越来越高。
例如，在通信领域，VoIP、视频会议等实时应用需要保证网络中的各节点时间同步，以保证通信质量。
而在控制领域，多个设备需要协同工作，需要同步时钟，否则就会导致系统崩溃。
此外，金融、无线电通信等领域对时间同步的要求也日益严格。
传统的时间同步方法主要依靠网络中的网络时间协议(NTP)或者数字钟同步协议(DCF77)等，但是它们在精度、可靠性、抗干扰性等方面存在一定的局限性。
因此，IEEE1588精密时间协议应运而生。
二、选题意义：IEEE1588是一种精密时间同步协议，其特点是精度高、可靠性强、可扩展性好和自适应性等。
该协议已经广泛应用于工业自动化、电力系统、通信和交通等领域，成为了实时应用的首选。
本课题旨在研究IEEE1588协议的相关技术，并结合具体应用场景，实现一个可靠高效的IEEE1588精密时间同步系统，以满足实时应用对时间同步的需求。
三、研究内容：（1）IEEE1588协议的相关技术研究，包括协议架构、时钟模型、时钟同步算法等方面的内容。
（2）IEEE1588精密时间同步系统的设计和实现，考虑到各种实际应用情况，应该充分考虑各种能影响系统稳定性的因素，如时延、抖动、同步误差等。
（3）对系统进行实验验证，比较不同因素对系统影响的情况，优化系统的性能和稳定性。
四、研究方法：（1）文献调研法：对IEEE1588协议的相关领域进行查找和学习，对相关论文进行调研和分析，逐步建立自己的知识体系。
（2）实验法：通过开发一个IEEE1588精密时间同步系统的实现，探究和验证系统的可靠性、精度和效率等方面的因素。
（3）对比分析法：在实验中，结合其他同步算法进行对比分析，以进一步优化IEEE1588的效能和稳定性。
五、预期成果：完成一个基于IEEE1588精密时间同步协议的实时同步系统，能够完整演示各个环节的功能和算法，对系统性能和稳定性进行评估和优化，为实现更高效的精密时间同步应用提供可行的方案。
IEEE1588高精度同步算法的研究和实现
IEEE1588高精度同步算法的研究和实现
随着网络技术的发展,分布式控制系统中对时间同步的要求越来越高.为了满足某些领域中微秒级时间同步的要求,本文对IEEE1588高精度时间同步进行了研究,对该算法实现高精度同步的方法进行了阐述,同时对实际系统中存在的问题进行了剖析,根据分析结果,采用系统晶振补偿和OffsetTime滤波的方法对系统进行了完善,并进行了实验.实验结果表明,通过晶振补偿和OffsetTime滤波很大程度上提高了同步精度,达到了高精度同步系统的要求.
作者：桂本烜刘锦华 GUI Ben-xuan LIU Jin-hua 作者单位：桂本烜,GUI Ben-xuan(浙江大学先进控制研究所,杭州,310027) 刘锦华,LIU Jin-hua(中石油辽河油田分公司,辽宁,盘锦,124010) 刊名：电光与控制ISTIC PKU英文刊名：ELECTRONICS OPTICS & CONTROL 年，卷(期)：2006 13(5) 分类号：V271.4 TN914 关键词：IEEE1588 时间同步线路延时时间偏差时钟补偿。
IEEE1588 PTP对时系统原理及特点随着网络技术的快速发展，以太网的定时同步精度也在不断入提高，为了适应网络技术的变化，人们开发出了NTP网络时间协议来提高各网络设备的定时同步功能，但在一些对时间精度要求很高的行业中，NTP还是不能满足各设备之间的定时同步精度。
而IEEE 1588 PTP 对时系统，可以解决一些高精度设备所需要的时间信息，并实现时间同步。
IEEE 1588标准被称为“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”或简称为“PTP”。
IEEE 1588标准是通过一个同步信号周期性对网络中所有节点的时钟进行校正同步，并使以太网的分布式系统实现精确时间同步，IEEE 1588 PTP对时系统可以应用于任何组播网络中。
IEEE 1588将整个网络内的时钟分为两种，普通时钟和边界时钟，只有一个PTP通信端口的时钟是普通时钟，有一个以上PTP通信端口的时钟是边界时钟，每个PTP端口提供独立的PTP通信。
其中边界时钟通常用在确定性较差的网络设备，如交换机和路由器上。
从通信关系上又把时钟分为主时钟和从时钟，任何时钟都能作为主时钟和从时钟，并且保证从时钟与主时钟时间同步。
IEEE 1588 PTP对时系统可以实现主时钟和从时钟功能，在系统的同步过程中，IEEE 1588 PTP对时系统提供时间同步及时间信息，SYN2403型PTP精密从时钟接收SYN2401型PTP精密主时钟发来的时间戳信息，系统根据此信息计算出主从线路时间延迟及主从时间差，并利用该时间差调整本地时间，从而使设备时间保持与主设备时间一致的频率和相位,实现频率同步和时间同步。
PTP与其他网络同步协议如SNTP和NTP相比，主要区别PTP针对更安全和更稳定的网络环境设计，占用网络和计算机资源更少。
SYN2401型PTP精密主时钟目前的版本是IEEE1588-2008，PTP V2，主要应用于本地化、网络化的系统，内部组件相对稳定。
• 35•随着网络控制技术水平的不断提升，分布式控制系统也提出对时钟同步精度的更高标准，本文以IEEE1588精密时钟同步协议为例，对该高精度时钟的同步机制与校正原理阐述说明，并对IEEE1588协议的BMC（最佳主时钟）、LCS（本地时钟同步）两大核心算法进行分析，并以技术开发角度提出了IEEE1588精密时钟同步协议，应用于数字化通信机房的应用方案，通过系统测试发现了数字化通信机房内IEEE1588的高精度时间同步实现可行性。
IEEE1588作为一种精密时钟同步协议标准，主要应用于网络测量及控制系统中，作为新一代测控纵向LXI标准关键组成，为了可以更好的满足工业控制、仪器测量相关领域中微秒级标准的时间同步需求，IEEE1588标准自提出得以广泛应用。
IEEE1588标准代称网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准，该标准原理就是经同步信号周期性，能够校正网络内的全部节点时钟达到同步，并基于以太网分布式系统，精准同步亚纳秒时钟。
IEEE1588标准较现阶段的GPS、NTP/SNTP达到配置简单优化、高精度且快速收敛，以及较小资源消耗与网络带宽特点。
对于时钟同步精度方面也要求更加严格，譬如运用于电力自动化系统、工业以太网、移动通信网等领域，引发人们的广泛关注。
1 IEEE1588时钟同步协议机制1.1 PTP时钟状态机PTP时钟同步系统作为包括主时钟、从时钟这样两部分之间构成主从关系的网络层次结构，以单个或多个PTP子域共同组成，并且每一个子域内都含有按个或多个彼此通信时钟。
在网络内每一个PTP时钟，都极有可能存在两种不同状态，具体状态主要取决于BMC算法，在主时钟状态下设备为精确时钟，能够与从时钟的时间同步，但是一个主时钟只能存在1个通信子域内。
对于PTP网络内每一个时钟设备，经周期性交换带有时间信息同步报文，能够计算主时钟和从时钟之间存在的偏差与网络延时，对偏差进行纠正，对延时进行补偿处理，能够做到主时钟和从时钟之间同步亚纳秒级。
IEEE 1588论文：应用IEEE1588协议的电力系统对时技术【中文摘要】随着控制技术的发展、电力系统规模的扩大以及数字化变电站的应用,电力系统中IED(Intelligent Electronic Device)开始采用网络通信方式传输信息,不适合采用传统的对时方法和目前广泛使用的GPS硬接线对时,为此IEC 61850标准引入了简单网络时间协议(SNTP).但SNTP同步精度较低,要实现IEC 61850标准对智能电子设备规定的T3等级精度(25μs)很困难。
2002年出现的IEEE 1588精确时间协议(Precision Time Protocol, PTP),具有亚微秒级的同步精度,并且所占用的网络和硬件资源较少,为人们实现特定场所的网络时间同步提供了切实可行的途径。
针对电力系统中现有对时方式的缺陷,本文提出了应用IEEE 1588精确时间协议的对时方案,设计出高性能的PTP时钟同步装置。
文章系统的分析了IEEE 1588协议的网络结构、设备模型、报文类型以及PTP时钟同步原理,总结出IEEE 1588协议实现高精度同步的主要因素：硬件打印时间戳、PTP 报文传输速率的提高以及边界时钟和透明时钟的应用,为实现方案的设计奠定了基础。
完成了网络时钟节点软硬件方案的设计与实现,突出了硬件与软件之间功能分离的特点。
其中,硬件设计主要包括：微处理器和PHY芯片的选择以及底板的制作,并简单介绍了微处理器MC9S12NE64对以太网的支持以及PHY芯片DP83640对IEEE 1588协议的硬件支持。
软件设计主要包括：首先针对MC9S12NE64处理器,引入了免费的轻量级TCP/IP协议栈OpenTCP,提出了OpenTCP的裁减和裁减方案,完成了网络协议栈的“瘦身”；其次介绍了基于DP83640驱动程序的设计,包括基本通信功能的实现和IEEE 1588时钟的设置与调整；最后详细叙述了PTP时钟报文的结构,给出了报文收发程序的流程,完成了主从时钟各自功能的设计。
IEEE1588 PTP 同步时钟在电力系统应用的可IEEE1588(PTP)同步时钟在电力系统应用的可行性方案探讨摘要：本文介绍了电力系统时间同步的基本概况，对目前电力系统所采用的各种时间同步方案作了较为具体的研究，并指出目前电力系统中所采用的时间同步技术的局限性以及存在的问题。
在此基础上，以发电厂作为一个应用实例，结合IEEE1588(PTP)协议本身的特点，提出了一个基于IEEE1588(PTP)时间精确同步协议的应用方案。
在综合各种理论分析和方案对比的基础上，分析并指出在电力系统中采用IEEE1588(PTP)时间同步标准作为时间同步方案是可行也是可取的。
一、电力系统时间同步基本概况电力系统是时间相关系统，无论电压、电流、相角、功角变化，都是基于时间轴的波形。
近年来，超临界、超超临界机组相继并网运行，大区域电网互联，特高压输电技术得到发展。
电网安全稳定运行对电力自动化设备提出了新的要求，特别是对时间同步，要求继电保护装置、自动化装置、安全稳定控制系统、能量管理系统(EMS)和生产信息管理系统等基于统一的时间基准运行，以满足事件顺序记录(SOE)、故障录波、实时数据采集时间一致性要求，确保线路故障测距、相量和功角动态监测、机组和电网参数校验的准确性，以及电网事故分析和稳定控制水平，提高运行效率及其可靠性。
未来数字电力技术的推广应用，对时间同步的要求会更高。
目前，电力系统中的时间同步处于"各自为政"的状态，要求对时的每套系统都配置一套独立的时钟系统，通常选用美国的全球定位系统(GPS)接收器，结果使电力企业、电厂、变电站的楼顶天线林立。
由于处理方式、接口标准不统一，这些时间接收系统相互间不通用、无法互联，更不用说形成互为备用，而且整个系统的可靠性无法保证，过于依赖于GPS。
为了逐步实现全电网的统一时间，有必要在发电厂、变电站、控制中心、调度中心建立集中和统一的电力系统时间同步系统，而且要求该系统能基于不同的授时源建立时间同步并互为热备用。
IEEE1588在广域设备保护通信系统中的应用研究摘要：本文根据广域设备保护系统的状况，分析gps在广域设备保护系统时钟同步中的缺点，提出了ieee 1588在广域设备保护系统中应用研究，依据广域设备保护系统采用的sdh光纤自愈环网，根据其特性，分析ieee1588实现原理，提出两种不同的ieee1588实现方式，并根据广域设备保护系统的特点分析可行性，同时分析广域设备保护系统中延时测量机制，选择p2p延时测量机制。
为ieee1588在广域设备保护系统中的应用做了可行性研究。
关键词：广域设备保护 ieee1588 sdh 测量机制中图分类号：tm734 文献标识码：a 文章编号：1007-9416（2013）01-0046-031 引言广域保护的概念是由国际大电网会议提出和定义的，它指依赖电力系统多点信息，对故障进行快速、可靠、精确的切除，同时分析故障切除对系统安全稳定运行的影响，并采取相应的控制措施，提高输电线可用容量或系统可靠性。
同时实现自动控制功能的系统，成为广域保护系统[1]。
而随着计算机技术和网络通信技术的高速发展，以及数字化、智能化变电站的推出，为广域继电保护的实现提供有利的技术条件与支持[2]。
其能在传统广域保护系统的基础上，实现快速的设备继电保护，加快系统的反应速度，有利于故障的定位与处理，因此，广域设备保护系统有更大的应用空间和前景。
电网广域信息是广域设备保护系统保护策略制定的依据，实时、快速的收集并处理整个电网的同步信息是实现广域设备保护的基础。
对于目前广域设备保护系统来说，时间同步主要由gps对时装置组成，采用分立结构。
对需要时间同步的系统、装置，设置gps 对时装置。
由于gps对时装置是离散的，因此对时装置只受gps控制，它们之间是相互独立的。
目前电网中采用的时间同步方式就是离散型组网方式。
实践证明，由于各调度中心、厂站二次系统采用的对时方式有问题、采用的gps装置差异很大，也没有有效的手段来对系统、装置的时间进行统一维护、监控，该方式完全不适用于电网，且目前的时间同步情况已经给电网故障分析带来了一定的困难。
并且由于gps由美国军方掌控，其可用性在战争、制裁等特殊时期可能会受到影响，存在一定使用风险。
本文针对目前广域保护系统分布式gps 装置差异，造成的时钟同步的问题，提出基于sdh（synchronous digital hierarchy，同步数字体系光纤自愈环网）采用ieee1588实现原理，通过两种不同的ieee1588实现方式研究，在广域设备保护系统时钟同步做出可行性研究，为广域系统提供较好的时钟同步方案。
2 广域设备保护网络由于广域设备保护网络数据通信在变电站系统内的重要性，实时、可靠的数据通信成为系统的技术核心。
广域设备保护系统的连续性、瞬时性和同时性决定了通信网络必须具有如下基本功能和特点：实时性：变电站系统的数据网络要及时地传输现场的实时运行信息和继电保护、稳定控制信息，因此网络必须很好地保证数据通信的实时性。
可靠性：变电站内通信环境恶劣、干扰严重，而电力系统通信对整个变电站自动化系统的正常运行起着重要作用，因此通信系统必须保证高可靠性。
因此，基于以上两点要求，同时考虑到电力通信系统的现状[3]，特提出了在国家电力数据网的基础上，以sdh光纤自愈环网为载体的通信系统。
通信系统如图1所示，各个变电站内信息，根据系统业务需求进行上送，广域设备保护ied（智能电子设备）再通过sdh 设备上送至sdh网络，各个广域设备保护ied都可以从网络上获取自己需要的信息，同时依据获得的广域信息，做出相应的保护和控制决策。
3 广域设备保护系统时钟同步需求分析电力系统对时间同步精度有不同的等级要求，对时精度需要原则是满足被授时设备本身的最小分辨率即可。
目前我国将电力系统被授时装置对时间同步准确度的要求大致分为以下4类[4]：（1）时间同步准确度不大于1μs：包括线路行波故障测距装置、同步相量测量装置、雷电定位系统、电子式互感器的合并单元等。
（2）时间同步准确度不大于1ms：包括故障录波域时钟同步器、soe装置、电气测控单元/远程终端装置（rtu）/保护测控一体化装置等。
（3）时间同步准确度不大于10ms：包括微机保护装置安全自动装置、馈线终端装置（ftu）、变压器终端装置（ttu）、配电网自动化系统等。
（4）时间同步准确度不大于1s：包括电能量采集装置、负荷/用电监控终端装置、电气设备在线状态检测终端装置或自动记录仪、调度管理信息系统（dmis）、企业管理信息系统（mis）等。
综合上述分析，广域设备保护系统所要求的时钟同步，根据保护业务不同，对时钟同步也有着不同的要求，比如同步相量测量装置pmu要求精确度达到1us，而基于广域的失灵保护与防过负荷连锁跳闸对时钟同步要求仅仅1ms。
4 ieee1588协议ieee 1588v2是一种精确时间同步协议，简称ptp（precision time protocol，精确时钟协议），其基本思想是通过设备软硬件配合，利用网络的对称性和延时测量技术，记录同步时钟信息的发出时间和接收时间，并且给每一条信息加上时间标签。
有了时间记录，接收方就可以计算出自己在网络中的时间误差和延时，从而实现网络上从设备的内时钟和主控机的主时钟同步[5]。
ieee 1588v2可以同时实现频率同步和时间同步；同步精度高，可达亚微秒级；网络的拥塞、丢包和时延可以通过点到点的方式解决，业界标准统一。
缺点是不支持非对称网络，需要硬件支持，而且时间传递的精度保证主要依赖于两个条件：计数器频率准确和链路的对称性。
同时，使用ieee 1588v2进行频率同步时虽然可以独立于同步以太网实现频率同步，但相对于同步以太网，ieee有较长的收敛时间，频率精确度依赖于时戳的颗粒度。
（见图2）从时钟相对于主时钟的偏差（offset）和传输延时（delay）计算公式为：ieee系统采用主从层次式结构来同步时钟，实现机制如图1所示。
图中：t1为主端发送同步报文的时间，t2为从端收到同步报文的时间；t3为从端发送延时请求报文的时间，t4为主端收到延时请求报文的时间。
这里假定同步报文的收到延时与延时请求报文的发送延时相通，即路径是对称的。
5 ieee1588在sdh网络上的实现ieee 1588的高精度时间同步的原理。
协议适用于以太网环境下，使用报文的形式进行协议传输。
由于在sdh网络中，网元不能直接对完整报文进行直接传输，所以在实现ieee1588时采用分配固定带宽的方式实现协议[6]。
方式一：sdh信号使用stm-n信号帧结构进行数据传输.itu-t规定了stm-n的帧是以字节（8bit）为单位的矩形块状帧结构，其中rsoh 和msoh为stm-n信号开销，开销的功能是完成对sdh信号提供层层细化的监控管理功能。
stm-n帧的开销组成可参考文献。
在ieee 1588的sdh实现中，创新地使用fpga在stm-n信号的开销中下插ieee 1588报文信息，实现ieee 1588协议。
对于stm-1信号，开销包括位于帧中的（1-3）行×（1-9）列的rsoh和位于（5-9）行×（1-9）列的msoh。
其中所有未标记字节都未使用。
在ieee 1588的sdh实现过程中，将利用s1字节后面的两位作为ieee 1588协议传输字节，命名为s2和s3，位于开销第9行的第2、3列。
即使用开销字节s1后面的两个字节作为ieee 1588协议传输字节。
在sdh传送ieee 1588报文时，首先在s2字节注明报文类型，再将报文切片放入每一个stm-n的s3字节中。
方式二：在sdh网络中，单独划分出2m带宽的传输通道[8]，ieee1588的同步报文、跟随报文、延时报文均在传输通道上传送，以一个sdh 设备为主时钟，相应的sdh设备为边界时钟，每个边界时钟都有一个slave状态端口，通过这个slave端口与主时钟（或上一级边界时钟的master端口）进行同步。
边界时钟除一个端口是slave状态外，其他端口均为master状态，master端口与从时钟（或下一级边界时钟的slave端口）又组成了一个master-slave对，来调整从时钟（或下一级边界时钟）。
即通过边界时钟进行时钟同步的网络使用逐级同步的方法避免了网络交换设备延时及延时抖动对从钟偏差计算的影响。
（见图3）根据sdh双纤无缝环网的特性，可以看出，在普通配置时，同步报文的收到延时与延时请求报文的发送延时不相同，即路径是不对称。
工作时，若sdh1为主时钟，sdh2为边界时钟，那么主时钟发送同步报文的路径为sdh1-sdh2。
当时从时钟发送的延时请求报文路径为sdh2-sdh3-sdh4-sdh1。
应此在引用ieee1588时，实现机制将会遇到困难。
这时必须将ieee1588报文通道配置为直接往返模式，而其他业务报文则配置为顺时针传送，因此能很好的解决通道不对称问题，所以在基于sdh自愈环网的广域设备保护系统，方式二是一种可行的方案，能在自愈环网中实现ieee1588的时钟同步功能，满足广域网络时钟同步的需求。
6 广域设备保护系统延时测量机制广域设备保护系统与局域网络相比有其自身的特点：（1）通信距离长，广域网络可能达到数千公路；（2）通信节点多，每一个接入点都需要sdh设备进行转接[7]。
因此在广域网络中的时钟同步应该考虑延时测量机制的差异。
报文通过网络交换设备是有延时的，并且随网络流量和报文长度不同，通过网络交换设备的延时时间是不固定的，即存在延时抖动现象。
从时钟必须知道报文通过网络交换设备的延时，否则就会有较大的同步误差。
在ieee1588第二版协议中，提供了2种延时测量机制：delay request-respond机制和peer delay机制。
delay request-respond 机制常常用于包含e2e tc的网络，因此通常称为e2e（end to end，端到端）延时测量机制；peer delay机制用于包含p2p（peer to peer，点到点）的网络，因此通常称为p2p延时测量机制。
这两种延时测量机制有着不同的延时测量方法，因此也有不同的特点，分别适合于不同的应用场合。
在电力行业ieee1588应用规范c37.238中，推荐采用p2p机制。
其机制如图4所示，每一个带箭头曲线均表示一个完整的链路延时测量过程，箭头所指方向的链路延时由箭头所指端口进行计算。
在图中的同步网络中，通信链路的两个端口是对等的，都要计算本链路延时。
延时报文交互是在链路的2个端口间进行的。
从图4可以看出，在p2p延时测量机制中，主钟只与直接相连的网络交换设备有延时报文交互，因此在p2p tc的延时测量机制中，没有对从钟数量的限制。
