基于時間敏感網絡技術的組網采樣同步方案

李 響，李 彥，張曉宇，許宗光

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

智能變電站繼電保護設備接入的SV（采樣值）是一系列離散化、數字化的SV。采樣同步是指要通過時間上串行的離散值獲取發生在同一時刻的相量值［1］。實現采樣同步的核心問題是要能獲知SV數據的傳輸延時［2］，據此推導SV的發生時刻，最后通過插值運算實現多路SV 的同步［3-4］。當前智能變電站建設實踐中，直采模式［5］是主流解決方案。直采模式下SV源和端設備點對點連接，傳輸延時可忽略，不依賴于對時系統，穩定性好；但直采設備網口數量多，鏈路復雜，會導致檢修難度增加，也不利于實現雙網冗余，且存在網絡帶寬空置的缺點。網采模式傳輸延時大但便于實現雙網冗余，組網采樣同步解決方案有：

1）集中式同步組網模式［6］，設備間通過交換機實現SV 信息共享，各設備根據對時信號以及SV 幀中的序號獲取SV 發生時刻并實現同步，對時信號來自GPS（全球定位系統）或者PTP（精確時間協議）1588網絡對時，采樣源設備（合并單元）與接收設備（保護與測控等）需要接入同源的對時信號。集中式同步組網模式依賴于外部的統一時鐘源，設備風險集中嚴重影響系統可靠性。此外各廠家的合并單元對于同步跟蹤的實現細節差異也可能導致假同步從而造成安全風險。

2）分布式同步組網模式［7］，每一個采樣源設備都是一個按本地晶振自由運行的主時鐘（一般是PTP1588時鐘方式），保護與測控設備根據其所需要接收SV的數量實現多個從時鐘，根據每一對主從時鐘的同步關系建立SV時刻與設備本地時刻的映射關系，進而實現多路SV同步。分布式同步組網方案的主從時鐘邏輯關系復雜，網絡內有多組不相干的PTP1588 數據傳輸，同步效果易受網絡風暴等故障影響［8］。此外需要根據最大的SV接入數量預留對時資源，實現方案復雜，工程實施不靈活。

3）延時可測組網模式［9-10］，是組網與點對點傳輸技術的結合，每一級交換機在轉發時測量駐留時間并累加至該幀的保留字段內；接收設備根據累加鏈路總延時推導SV的發生時刻。延時可測組網模式屬于基于標準規范的自定義擴展，存在互操作風險；且由于在傳輸過程中交換設備會修改SV幀內容并重新計算幀校驗字，源到端的校驗機制被打破，如因交換機故障而導致報文內容被篡改可能引起嚴重后果。

組網模式符合網絡通信技術的發展方向，在信息共享以及經濟效益上具有明顯的優勢。然而當前組網模式下各類SV同步技術依然存在上述不足之處，且多個不兼容的技術方案并存的現狀也在客觀上增加了生產、運行以及管理成本。時間敏感網絡技術基于IEEE國際標準提供了確定性傳輸機制，可以預先規劃SV傳輸延時來實現組網采樣同步，可能成為推動SV組網方案大規模應用的關鍵助力。

1 標準體系及關鍵技術

傳統以太網技術實現了Best Effort（盡力而為）的數據傳輸效果，帶寬效率高但不保證傳輸確定性。時間敏感網絡是由IEEE 802.1工作組下TSN（時間敏感網絡）任務組制定的一系列標準，通過時鐘同步、流量調度和網絡配置等關鍵技術實現高優先級數據網絡傳輸的確定性以及可靠性。TSN 技術起源于視頻流傳輸應用，目前已在車輛控制系統以及工業現場總線等領域廣泛應用，被公認為是最有可能統一工業互聯網的網絡通信技術［11-12］。TSN 標準簇由數個基礎標準以及基礎標準之上的一系列擴展標準組成［13-14］。圖1 展示了TSN標準體系的概要架構。

圖1 TSN關鍵技術標準樹

IEEE 802.1Q［15］定義了VLAN-TAG（配虛擬局域網標簽）中PRI（優先級）標志實現網絡中區分時間敏感類型與其他類型。IEEE 802.1AS［16］定義了廣義的精確時鐘同步系統，可以認為是IEEE 1588機制的簡化版本。IEEE 802.1CB［17］標準定義了基于可靠性需求的幀復制和幀消除機制，它在源端以及網橋設備復制原始流形成多個副本從不同路徑傳輸，然后在一個或多個其他接收節點消除接收到的副本數據。IEEE 802.1Q 與IEEE 802.1AS是TSN的關鍵基礎標準。

IEEE 802.1Qbv［18］設計了網絡設備發送端口周期性執行區分優先級的時隙門控發送規則，解決了網絡設備端口競爭導致的延時抖動的問題，是實現確定性傳輸的關鍵標準。IEEE 802.1Qbu［19］將需要發送的幀分為Express（緊急）以及Preemptable（可搶占）兩種，允許緊急幀在可搶占幀發送未完成時中斷其發送并占據發送端口，實現時間敏感數據的低延時并提高帶寬效率。IEEE 802.1Qch［20］規定在每個周期內網絡數據最多完成1 跳（1 hop，即從網絡中一個設備傳輸至另一個設備）的傳輸，雖然犧牲了“盡快到達”的能力，但可實現較粗粒度的傳輸確定性。IEEE 802.1Qci［21］部署在網絡設備（包括交換機或者終端設備）之上實現對接收數據流的識別與分類，并在此基礎上對每個獨立的“流”實施測量和過濾以及其他管控策略，可實現智能變電站中在線流量管控以及網絡壓力環境下的故障隔離。IEEE 802.1Qcc［22］提供了用于TSN配置的協議、過程和管理單元的規范，使TSN的規模化應用成為可能。

2 SV同步組網方案

以圖2所示的智能站過程層組網的典型拓撲為例說明基于TSN 的SV 組網同步方法。網絡內所有設備均支持IEEE 802.1AS 和IEEE 802.1Qbv 這兩種TSN關鍵標準。

圖2 智能站典型TSN組網方案

本文所述組網SV 同步方案基于IEEE 802.1AS實現網絡設備周期同步，沿SV數據傳輸路徑采用IEEE 802.1Qbv 門控時隙發送機制消除SV延時不確定性，實現規劃延時的效果。網絡中匯聚設備（頂層中心交換機）設置為時鐘主設備；SV設置為最高優先級，其他類型為低優先級。各設備SV類型的門控時隙發送設置方法如下：

1）將網絡中所有的SV編號為SV1—SVm。

2）按SV發送周期250 μs劃分若干時隙，標記為T0—Tn，單時隙長度包括含前導碼的SV 幀傳輸時間，最小幀間隙以及為同步誤差保留的時間裕量。

3）按照SV 的傳輸路徑給轉發設備分層，各MU（合并單元）為源設備為層Ⅰ，間隔層交換機為層Ⅱ，中心交換機為層Ⅲ，頂層中心交換為層Ⅳ。

4）分層為SV 設置允許發送時隙。層Ⅰ允許SV發送的時隙為T2i-2（i是SV序號，1 ≤i≤m），層Ⅱ允許SV發送時隙T2i-1，層Ⅲ允許SV發送時隙T2i，層Ⅳ允許SV發送時隙T2i+1。

5）每一個層級設備上，自第一個允許SV發送的時隙起，至最后1個允許SV發送的時隙，包括允許SV發送時隙之間的空閑時隙，不允許其他類型發送。

綜上所述，各設備按照SV的流向設置門控時隙，上下游設備之間SV 允許發送的時隙不重合，因此上游設備在其允許發送時隙內發送的SV幀會被下游設備緩存至下個允許發送時隙開始時才能繼續轉發，且允許發送SV的時隙范圍內不允許其他類型發送從而消除了端口沖突。因此根據SV的路徑即可預知其傳輸延時，達到了規劃SV在網絡中的傳輸延時的效果，進而可以實現組網模式下SV模擬量同步。

按照典型變電站網絡規模推演本方案具體實施的可行性。變電站內一般按電壓等級獨立組網，如主變保護等跨電壓等級的控保設備需要接入至多個網絡，但網絡間通常無需交互SV數據［23］。高電壓等級配置冗余雙網時A/B 網拓撲對稱，因此可以僅針對單網進行分析。當前智能變電站最大間隔數量一般不超過24個，變電站網絡中接收SV數量最多，時間確定性要求最高的是母差保護，需要接收至多26 個SV（24 個間隔MU 加上母線MU以及母聯MU）。這些SV數據經間隔交換機-中心交換機兩級轉發后，匯聚發送至母差保護裝置。SV網絡幀典型長度在200 B左右，在100 MB以太網中大約需要16 μs 的傳輸時間，如前所述，時隙數量超過了SV 數量的2 倍，因此需要使用1 000MB 以太網來支持更多的時隙。按每時隙2.5 μs將250周期劃分為100個時隙（T0—T99），各MU（層Ⅰ）允許發送SV的時隙分別為T0/T2/T4/…/T50，間隔交換機（層Ⅱ）許發送SV 的時隙分別為T1/T3/T5/…/T51，中心交換機（層Ⅲ）許發送SV的時隙分別為T2/T4/T6/…/T52，頂層交換機（層Ⅳ）許發送SV的時隙分別為T3/T5/T7/…/T53。

以SV1為例，說明時間敏感數據在TSN 中的傳輸行為如圖3 所示。MU 在T0起始時刻發送SV1，由于時隙長度大于幀傳輸時間，T0內SV1幀已經到達層Ⅰ間隔交換機；間隔交換機在T0內禁止SV發送，SV1幀被緩存等待T1開始即發送至層Ⅱ中心交換機（或本間隔內其他控保設備）；中心交換機在T1內禁止SV 發送，因此SV1幀被緩存等待T2開始發送至層Ⅲ頂層中心交換機（或母差保護裝置）即SV1從MU至母差保護的傳輸延時，固定為2個T周期長度。

圖3 站域SV確定性傳輸

本方案中SV每跳的傳輸延時略大于幀傳輸時間，而傳統方案中除本幀傳輸時間外，還需要考慮因端口沖突而需要等待背景流量幀傳輸完成的時間，因此本方案SV延時會比傳統方案中最大延時更小，同等條件下并不會導致組網模式下保護動作速度變慢。此外，TSN 中的SV 同步并不依賴于外部對時源。即使主設備外部對時源丟失，也僅意味TSN 的250 μs 周期失去外部參考開始根據本地晶振自由振蕩，其與標準對時源的秒脈沖相位可能發生走離，但此時TSN中其他設備與主時鐘設備依然保持同步，網絡內各設備的250 μs周期仍嚴格保持相同的節奏和固定的相位關系。因此根據此同步關系執行的時隙門控策略依然有效，SV數據的路徑延時保持穩定。

綜上，基于TSN 技術的組網SV 同步方案，SV在物理拓撲上是組網，而在邏輯上等效于經過了一個非0延時的專用通道；本方法兼有組網的經濟性與直采的確定性，不依賴于外部時鐘源；此外，TSN 技術基于統一的國際標準，避免了類似延時可測技術可能存在的互操作問題。

3 實驗與結果

設計實驗系統驗證TSN 的同步性能以及SV傳輸延時確定性。

3.1 同步精度測試

目前TSN 交換機尚未規模量產，因此同步測試系統的規模受限。如圖4所示，測試系統包括時鐘測試儀與TSN交換機各一臺，時鐘測試儀同時模擬TSN中Master（主時鐘）與Slave（從設備），測試儀與交換機通過網線連接。IEEE 802.1AS 采用兩步法來實現同步報文傳輸。主設備發送的Sync報文中包含精確時間戳字段，表示Sync 報文從主時鐘的產生時刻，這個值在傳輸過程中不發生變化。FollowUp 報文中攜帶有修正域字段，表示在傳輸環節中對精確時間戳的修正。中間設備轉發Sync 報文，并將本環節的延時累加至修正域。因此Sync 報文的傳輸延時測量值理論上就等于修正域累加結果，兩者之間的差可用于評估同步的精度。

圖4 同步精度測試系統與原理

如圖4可知：

式中：tr，S為最終Slave設備接收到Sync報文時刻；ts，M為Master 設備發送Sync 報文時刻；C2為修正域的最終累積值；?C為實際測量的延時值與C2的誤差。持續1 h 同步實驗，誤差統計結果如表1所示。

表1 同步測試結果

根據表1中實驗結果評估如圖2所示的智能變電站典型網絡中設備同步誤差。主設備至網絡端側設備最多經過3級交換機，任意兩個設備之間最大同步誤差為經5級交換機的累積結果，按實驗中每級誤差最大值220 ns計，大約為1 100 ns，遠小于SV 發送時間離散性要求（10 μs）［24］。實驗結果表明IEEE 802.1AS同步效果與PTP1588接近，所述同步方案能滿足智能變電站的應用需求。

3.2 SV傳輸確定性測試

組建基于TSN 技術的SV 傳輸確定性驗證試驗系統，因設備數量限制，實驗系統參考間隔內110 kV 線路保護的接線方式，包括兩套MU、一套交換機、一套線路保護裝置以及網絡分析儀一臺（用于模擬智能終端，測控等發送GOOSE 數據的設備）。MU1 與MU2 分別發送SV1與SV2數據幀，長度均為200 B（長度參考典型值）；網絡分析儀經TSN 交換機向保護裝置注入的GOOSE 類型數據幀作為高優先級數據的背景流量，幀長度固定為250 B（長度參考典型值）。MU、交換機以及保護裝置均支持TSN 的IEEE 802.1AS 以及IEEE 802.1Qbv的特性。

本實驗系統按照第2 節中所述的方法規劃SV傳輸延時以實現確定性。測試系統網絡帶寬為100 Mbit/s，以交換機為主時鐘設備，設置周期為250 μs，每周期均分為10 個時隙。SV 與GOOSE幀都能在1 個時隙（25 μs）內傳輸完成。本實驗系統共有兩組SV數據，如表2所示對網絡中各設備相關網口設置Qbv的時隙門控發送。

表2 Qbv時隙門控設置

對于SV 類型，MU1 和交換機依次設置T0以及T1允許發送；MU2 和交換機依次設置T2以及T3允許發送。對于GOOSE（面向通用對象的變電站事件）類型，智能終端允許任何時隙發送，由于實驗用保護設備目前還不具備Qbu 的支持，因此交換機僅允許T4—T9發送GOOSE，如此T0—T3成為SV類型的保護帶，使GOOSE發送不會影響SV的確定性。保護裝置作為接收端，其時隙門控設置不影響實驗結果，因此簡單設置為全部禁止發送SV以及全部允許發送GOOSE。

一個周期內數據流的傳輸行為如圖5所示。

在Qbv 的控制之下，源端發送時間互相交織的SV與GOOSE數據到達交換機后，在轉發時嚴格按照時隙門控策略進行發送時刻與順序的調度，從而消除了SV數據傳輸過程中的不確定性，實現了規劃SV 數據傳輸延時的效果。根據圖5 所示，SV 幀從源端至末端的傳輸延時td有如下因素確定：

圖5 Qbv控制下的幀傳輸

式中：TS=25 μs為常量；tl1和tl2分別為由網卡硬件特性以及光纖長度決定的光纖以太網鏈路延時，也是常量。因此總傳輸延時td為固定值。應用TSN 技術可以預先規劃SV 數據在網絡中的傳輸延時，終端設備根據接收時刻、確定的延時值以及SV幀中的模擬量延時值即可獲取模擬量的實際發生時刻，進而通過插值運算實現組網下的多路SV模擬量同步。

由于MU發送側等間隔發送SV數據幀，因此可以用接收SV幀間隔的離散度表征Qbv實現確定性的效果。實驗系統時間分辨率是50 ns，每次施加不同背景流量的實驗時間為30 min，實驗結果如表3所示。

表3 確定性傳輸測試結果

結果顯示：兩組SV數據的接收時刻離散度測量結果一致；低優先級背景流量對高優先級數據的確定性沒有影響；當背景流量增大至交換機在指定時隙內無法發送完畢時，部分低優先級數據會被丟棄。使用Qbv 策略后，高優先級數據的延時抖動主要來源于源端發送SV的離散性、系統內同步的誤差以及網絡內設備晶振頻率差，間隔抖動絕對值約為1 μs；而普通網絡中，這個抖動至少是一個背景流量幀的傳輸時間（約25 μs）。典型變電站網絡中SV從源到端至多經過3～4級交換機轉發，按測試結果推算，累計的抖動最大值小于5 μs，因此本方案實現的確定性效果能滿足智能變電站組網采樣同步的要求。

4 結語

時間敏感網絡TSN 技術在傳統以太網基礎上，為時間敏感性數據提供了確定性的傳輸技術，保證時間敏感數據的實時性和可靠性。由于帶寬效率問題，TSN更適合于在1 000 MB及以上的網絡中實現；此外，TSN 關鍵技術的實施要以周期同步為基礎，支持TSN的設備不能與普通設備在一個網絡中協同工作，因此TSN的推廣應用依然受到硬件更新成本問題的限制。

TSN 技術具備的確定性、可靠性和規范性是智能電網通信領域的關鍵需求。智能變電站的網絡通信場景中網絡數據幀的種類、長度及流向的可預測程度很高，非常切合TSN技術的目標應用場景。隨著TSN標準簇的修訂完備以及更多支持TSN的工業設備的推出，TSN將逐步占據工業互聯網的主流標準地位，也將促進智能變電站網絡通信技術的發展。