田 鶴，井 實(shí) ，張楊（電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院 四川 成都 611731）

0 引言

在廣域、分布式測(cè)量系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的同步采集是保證系統(tǒng)準(zhǔn)確運(yùn)行的關(guān)鍵，而同步采集的關(guān)鍵是保證廣域的時(shí)鐘同步。電力系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)方案中，提出廣域使用GPS衛(wèi)星信號(hào)同步，各子網(wǎng)采用IEEE1588實(shí)現(xiàn)精確時(shí)間同步的方法[3]。IEEE1588精確時(shí)間同步協(xié)議為實(shí)時(shí)以太網(wǎng)中的時(shí)鐘提供了一種有效的同步方法[4]。通過(guò)精確時(shí)鐘同步協(xié)議，能夠使在同一網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、變送器等終端設(shè)備的時(shí)鐘精確同步，精確度可達(dá)到亞微秒級(jí)。而現(xiàn)有的其它時(shí)間同步協(xié)議都無(wú)法滿足這種要求。

本文的目的就是通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的IEEE1588進(jìn)行OPNETTM建模、仿真，來(lái)驗(yàn)證時(shí)間同步方案的合理性和有效性。在文中提出了一種滿足IEEE1588協(xié)議的OPNETTM模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真和分析。

1 電力系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)廣域同步機(jī)制

廣域網(wǎng)絡(luò)下如何提供穩(wěn)定的時(shí)鐘源以及如何對(duì)電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度同步采集(特別是觸發(fā))是廣域動(dòng)態(tài)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵問(wèn)題，得到國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注[5-14]。主要研究集中在3個(gè)方面：一是穩(wěn)定的時(shí)鐘源，二是高性能算法，三是網(wǎng)絡(luò)同步機(jī)制。文獻(xiàn)[13]解決了同步時(shí)鐘信號(hào)失效情況下建立內(nèi)部守時(shí)鐘的問(wèn)題。文獻(xiàn)[6]還提出采用GPS和我國(guó)北斗互授時(shí)的方案來(lái)進(jìn)一步提供穩(wěn)定的時(shí)鐘源。在同步算法方面，目前已經(jīng)涌現(xiàn)出很多算法[20-21]，基于主動(dòng)式的硬件同步算法在精度方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。在同步機(jī)制方面，IEEE1588[28]和NTP（Network Time Protocol）等協(xié)議也被國(guó)內(nèi)學(xué)者成功用于變電站內(nèi)部的時(shí)鐘同步[25-27]。

人們?cè)谡劦絇MU時(shí)，由于WAMS中采用基于GPS時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)廣域同步，經(jīng)?；\統(tǒng)地認(rèn)為其精度可以達(dá)到1μs。文獻(xiàn)[23]、[24]對(duì)同步相量的測(cè)量過(guò)程中的誤差進(jìn)行了量化分析，得出結(jié)論：由GPS時(shí)鐘造成的誤差只有0.1°，但系統(tǒng)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)采集和處理后誤差平均為0.5°～1.5°。實(shí)際上，由于目前WAMS中采用時(shí)間標(biāo)簽的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)同步的方式總需要一個(gè)再同步過(guò)程，這樣不但費(fèi)時(shí)，而且對(duì)同步精度造成很大的損失（具體損失與所采用的采樣速率、同步軟硬件系統(tǒng)以及算法有關(guān)）。國(guó)外一些產(chǎn)品均聲稱(chēng)運(yùn)行精度達(dá)到0.1°（如Macrodyne公司model1690和ABB公司的RES521）。因此需要對(duì)現(xiàn)有同步和觸發(fā)機(jī)制，以及后期處理算法進(jìn)行改進(jìn)，才有可能進(jìn)一步提高測(cè)量精度，滿足穩(wěn)定控制的要求（1°）。

因此，本文提出采用如圖1所示的同步和觸發(fā)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步和觸發(fā)。該方案基于GPS精確授時(shí)、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部則通過(guò)IEEE1588的廣域網(wǎng)絡(luò)同步。IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)精確時(shí)間協(xié)議已經(jīng)被用于實(shí)踐，被證明可以實(shí)現(xiàn)亞微秒級(jí)同步。由于普通計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘無(wú)法達(dá)到亞微秒級(jí)的分辨率，因此，必須基于軟件同步和硬件同步相結(jié)合的方案。目前，硬件實(shí)現(xiàn)主要基于現(xiàn)代FPGA技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，通過(guò)建立OPNet模型來(lái)驗(yàn)證方案的同步和實(shí)時(shí)性能是很有必要的。

圖1 電力系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步與觸發(fā)方案

2 電力系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中IEEE1588的OPNETTM建模

2.1 OPNETTM仿真關(guān)鍵技術(shù)介紹

OPNETTM是一種優(yōu)秀的通信協(xié)議建模和仿真工具，具有先進(jìn)的建模機(jī)制、完備的模型庫(kù)、完善的外部接口等優(yōu)點(diǎn)。OPNETTM將通信網(wǎng)絡(luò)仿真的各個(gè)階段合并在起，包括模型的設(shè)計(jì)、仿真、數(shù)據(jù)的收集和分析等階段[3-4]。

OPNETTM采用3層建模機(jī)制，即建模工作在3種不同的環(huán)境中完成，這3種環(huán)境也稱(chēng)為3個(gè)域,分別是進(jìn)程域、節(jié)點(diǎn)域和網(wǎng)絡(luò)域。最低層為進(jìn)程模型，以有限狀態(tài)機(jī)來(lái)描述協(xié)議，有限狀態(tài)機(jī)用C語(yǔ)言編程；其次為節(jié)點(diǎn)模型，由協(xié)議模塊和連接模塊的各種連接線組成，反映設(shè)備特性。每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程模型；最上層為網(wǎng)絡(luò)模型，由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和連接網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信鏈路組成，由該層模型可直接建立起仿真網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。3層模型和實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議層次完全對(duì)應(yīng)，全面反映了網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性。

OPNETTM采用離散事件驅(qū)動(dòng)的模擬機(jī)理，“事件”是指網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，即只有網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，模擬機(jī)才工作，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不發(fā)生變化的時(shí)間段不執(zhí)行任何模擬計(jì)算。仿真核心實(shí)際上為離散事件驅(qū)動(dòng)的事件調(diào)度器，它對(duì)所有進(jìn)程模塊希望完成的事件和計(jì)劃該事件發(fā)生的時(shí)間進(jìn)行列表和維護(hù)。事件調(diào)度器主要維護(hù)一個(gè)具有優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列，它按照事件發(fā)生的時(shí)間對(duì)其中的工作排序，并遵循先進(jìn)先出順序執(zhí)行事件，而各個(gè)模塊之間的通信主要依靠傳遞包的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

OPNETTM采用基于包的通信機(jī)制。包是OPNETTM中定義的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來(lái)進(jìn)行面向消息的通信。包被認(rèn)為是一種對(duì)象，可以被創(chuàng)建、修改、檢查、復(fù)制、發(fā)送、接收及銷(xiāo)毀。OPNETTM采用基于包的建模機(jī)制。通過(guò)仿真包在仿真模型中的傳遞來(lái)模擬實(shí)際物理網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包的流動(dòng)和節(jié)點(diǎn)設(shè)備內(nèi)部的處理過(guò)程，模擬實(shí)際網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的組包和拆包的過(guò)程。

因此，OPNET是一種能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)同步和實(shí)時(shí)性能進(jìn)行仿真測(cè)試的理想工具。

2.2 電力系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)OPNET建模

根據(jù)電力系統(tǒng)的需求和IEEE 1588討論的模型，將OPNETTM模型分為3個(gè)抽象層次：網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點(diǎn)模型和進(jìn)程模型。

根據(jù)電力系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)建模如圖2所示。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3中名為PSSN Clock的節(jié)點(diǎn)為主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，接收從衛(wèi)星傳來(lái)的GPS信號(hào)，為局域傳感器網(wǎng)絡(luò)的其它節(jié)點(diǎn)提供時(shí)間同步基準(zhǔn)時(shí)鐘，各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)IEEE 1588協(xié)議與主時(shí)鐘進(jìn)行精確時(shí)間同步。每個(gè)局域傳感器網(wǎng)絡(luò)中都有一個(gè)接收GPS信號(hào)的主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，廣域網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)結(jié)合局域網(wǎng)絡(luò)中的IEEE1588精確時(shí)間同步協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了廣域傳感器網(wǎng)絡(luò)的精確時(shí)間同步。

IEEE1588的節(jié)點(diǎn)模型如圖4所示。在原有的OPNETTM節(jié)點(diǎn)模型的基礎(chǔ)上，在以太網(wǎng)協(xié)議棧模型中添加了新的UDP/IP模塊，實(shí)現(xiàn)了IEEE1588中規(guī)定的精確時(shí)鐘模型，并添加相關(guān)的統(tǒng)計(jì)模塊，便于仿真結(jié)果的獲取。在節(jié)點(diǎn)模型中添加了3個(gè)進(jìn)程模型：精確時(shí)鐘同步模塊、GPS時(shí)鐘模塊和精確時(shí)鐘同步統(tǒng)計(jì)模塊。進(jìn)程模型為圖4中的ptp，local_clock和PTP stastistic generator模塊。

圖2 廣域電力系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的OPNETTM網(wǎng)絡(luò)模型

圖3 電力系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部IEEE1588的OPNETTM網(wǎng)絡(luò)模型

3 IEEE1588仿真關(guān)鍵參數(shù)及OPNETTM仿真結(jié)果

3.1 IEEE1588同步原理及關(guān)鍵參數(shù)

IEEE1588的同步過(guò)程原理如圖5所示。圖中的主時(shí)鐘為GPS接收到的時(shí)鐘信號(hào)，作為主時(shí)鐘，從時(shí)鐘為各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘。IEEE1588中主要參數(shù)的計(jì)算如下：

Delay表示從時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，Offset表示從時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的時(shí)間偏差。根據(jù)處理得到的Offset值，對(duì)該從模塊中的本地實(shí)時(shí)時(shí)鐘重新設(shè)定，從而完成作為同步授時(shí)網(wǎng)絡(luò)從模塊的本地時(shí)鐘同步模塊的授時(shí)。

IEEE1588的同步過(guò)程就是計(jì)算Offset的值，根據(jù)Offset對(duì)時(shí)間進(jìn)行修正，使從時(shí)鐘與主時(shí)鐘同步。因此IEEE1588的仿真中最重要的參數(shù)就是Offset的變化情況。

圖4 IEEE1588的OPNETTM節(jié)點(diǎn)模型

圖5 IEEE1588的同步過(guò)程

3.2 OPNETTM仿真結(jié)果及分析

為了評(píng)估系統(tǒng)的同步性能，根據(jù)前面介紹的OPNETTM的模型，仿真的主要結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 Offset瞬時(shí)值離散分布圖

圖7 Offset平均值連續(xù)分布圖

圖6和圖7為Offset的瞬時(shí)值和平均值仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可知，Offset的瞬時(shí)值的主要分布在較小的一個(gè)時(shí)間偏差范圍內(nèi)，從平均值變化的曲線可知Offset的值隨著時(shí)間趨于穩(wěn)定，逼近零值，實(shí)現(xiàn)了較高的時(shí)間同步精度和較好的系統(tǒng)同步穩(wěn)定性。由于本系統(tǒng)為電力系統(tǒng)的專(zhuān)有網(wǎng)絡(luò)，為網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量提供了很好的保證，仿真結(jié)果也適用于電力系統(tǒng)的專(zhuān)有網(wǎng)絡(luò)。

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