ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВРЕМЕНИ ПРОХОЖДЕНИЯ КАК СРЕДСТВА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ПРОСТОГО СЕТЕВОГО ПРОТОКОЛА СЛУЖБЫ ВРЕМЕНИ
USING TRANSMISSION TIME AS MEANS OF INCREASING ACCURACY OF SIMPLE NETWORK TIME PROTOCOL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу повышения точности для синхронизации простого сетевого протокола службы времени (SNTP), используемого в защите или контроле терминала, так что программное решение для SNTP задает достаточно хорошую синхронизацию для отметки времени событий и неисправностей.
Уровень техники
Требования к электрическим системам передачи и распределения продолжают увеличиваться. Неисправности в электрической сети вызывают социальные и экономические трудности. Как следствие, безопасность в электрической сети и управление ею возросли. Постоянно ищут способы, для того чтобы улучшить управление электрической сетью. Одним из способов для достижения более надежной электрической сети является более точная идентификация событий и неисправностей.
SNTP является протоколом связи, который широко используется в цифровых системах связи. Он является упрощенным извлечением сетевого протокола службы времени (NTP), который является Интернет-протоколом, используемым для синхронизации генератора тактовых импульсов вычислительных машин. Конкретные версии SNTP упоминаются как версии запроса на комментарий (RFC). Некоторые примеры версий RFC SNTP включают в себя RFC 2030, RFC 1769 и RFC 1361.
IEC 61850 является международным стандартом для систем автоматизации подстанций, который задает взаимодействие между устройствами, например интеллектуальными электронными устройствами (IED), в требованиях к подстанции и связанной системе. IEC-61850-8-1 является частью 8-1 (определенное преобразование службы связи) стандарта IEC 61850, который задает использование SNTP RFC 2030 для синхронизации времени IED в подстанциях. В современной электрической подстанции IEC-61850-8-1 типично используется для взаимодействия между IED как вертикально, так и горизонтально. IEC-61850-8-1 использует SNTP для целей синхронизации и хорошая синхронизация в IED составляет предельную важность для обработки событий и обработки неисправностей.
SNTP предоставляет способ синхронизации "двойной буферизации". Вместе с этими линиями связи сообщение типично отсылается из IED источнику времени. Источник времени типично возвращает сообщение после заполнение времени приема и времени передачи. Типично SNTP предоставляет уровень синхронизации приблизительно 10 мс.
Сущность изобретения
Цели и преимущества, а также структура и функция примерных вариантов осуществления будут очевидны из рассмотрения описания, чертежей и примеров.
Один вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает способ повышения точности простого сетевого протокола службы времени. Способ включает в себя отправку запроса времени из, по меньшей мере, одного устройства в подстанции источнику времени. Сообщение, которое включает в себя начальный момент времени, принимается от источника времени. Точность начального момента времени оценивается. Если точность начального момента времени меньше, чем пороговая величина, точность начального момента времени повышается. Начальный момент времени используется для синхронизации устройств в подстанции.
Варианты осуществления настоящего изобретения также включают в себя компьютерный программный продукт, который включает в себя машиночитаемый носитель и команды компьютерной программы, записанные на машиночитаемом носителе и выполняемые процессором для осуществления способа.
Краткое описание чертежей
Вышеупомянутые и другие признаки и преимущества изобретения будут очевидны из последующего, более конкретного описания примерного варианта осуществления изобретения, как проиллюстрировано в сопроводительных чертежах, при этом аналогичные ссылочные позиции в общем указывают идентичные, функционально одинаковые и/или структурно одинаковые элементы.
Фиг.1 представляет собой схематичный чертеж, который иллюстрирует способ "двойной буферизации".
Фиг.2 представляет собой схематический чертеж, который иллюстрирует вариант осуществления вычисления времени согласно настоящему изобретению.
Фиг.3 представляет собой блок-схему последовательности операций способа, который иллюстрирует этапы, которые могут быть включены в вариант осуществления настоящего изобретения.
Фиг.4 представляет собой график, который иллюстрирует время прохождения, ограничение времени прохождения и смещение синхронизации как функцию реального времени.
Фиг.5 представляет собой график, который иллюстрирует связь между временем прохождения, ограничением времени прохождения и смещение сообщений SNTP, сравнимое с тактовым генератором, синхронизированным по GPS, и
Фиг.6 представляет собой блок-схему системы согласно настоящему изобретению.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Варианты осуществления изобретения обсуждены подробно ниже. В описываемых вариантах осуществления конкретная терминология используется для ясности. Однако изобретение не предназначено для ограничения конкретной терминологии, выбранной таким образом. Тогда как обсуждаются конкретные примерные варианты осуществления, следует понимать, что это делается только для целей иллюстрации. Специалист в данной области техники узнает, что другие компоненты и конфигурации могут использоваться без отклонения от сущности и объема изобретения.
Фиг.1 иллюстрирует способ двойной буферизации для взаимодействия между устройством и источником времени. В варианте осуществления, который показан на фиг.2, устройство является IED. Источником времени является тактовый генератор. Примеры такого тактового генератора включают в себя примеры у Meinberg LANTME/GPS/LNE/ZTC, доступные в Meinberg Funkuhren GmbH & Со. KG of Bad Pyrmont, Германия и OnTime T200, доступного из Westermo OnTime AS of Oslo, Норвегия. Тактовый генератор может быть синхронизирован с системой глобального позиционирования (GPS). В наборе, проиллюстрированном на фиг.2, IED размещает сообщение в стеке в точке А. Сообщение оставляет сетевую карту в IED в точке В, достигает сетевую карту в источнике времени в точке С и оставляет стек в точке D. На обратном пути сообщения помещаются в стек в точке Е источником времени.
Сообщения входят в сеть в точке F, достигают IED в точке G и достигают назначения или клиента SNTP в точке Н.
Фиг.1 иллюстрирует типичную схему для взаимодействия между IED и источником времени. Сигнал запроса времени отсылается от устройства источнику времени в момент Т1. Согласно одному варианту осуществления Т1 является моментом, в который устройство помещает запрос в стек данных связи, точка В в графе показана на фиг.2. Использование Т1 в точке В как наилучшей оценки Т1 может минимизировать ошибки времени, вызванные стеком, включая сетевую интерфейсную плату (NIC). Однако для того, чтобы получить момент Т1 в В, необходима высокая степень аппаратной поддержки. Это означает, что аппаратное обеспечение должно наблюдать исходящие сообщения, выяснять, есть ли временное сообщение, выяснить, когда сообщение начинает достигать "промежуточного звена", получить момент времени и изменить момент Т1 во временном сообщении с помощью этого нового момента времени и в конечном счете повторно вычислить контрольную сумму для исправления сообщения. Т1 может быть также получен в момент А.
Источник времени принимает сигнал запроса времени в момент Т2. Момент Т2 может быть получен в точке С на фиг.2 как момент времени, в который получен пакет из стека у источника времени в шкале времени источника времени. Момент Т2 может быть также получен в точке D на фиг.2.
В момент Т3 источник времени отсылает сообщение, включающее в себя сигнал начального момент времени в устройство. Согласно одному варианту осуществления момент Т3 измеряется в точке F на фиг.2. Момент Т3 может быть также получен в точке Е на фиг.1.
Устройство принимает сигнал в момент Т4. Момент Т4 может быть моментом, в который устройство принимает пакет от стека, точка G на фиг.2. Момент Т4 может быть также измерен в точке Н на фиг.2.
Способ, использующий точки В, С, F и G, чтобы измерять моменты с Т1 по Т4, может привести к точности сообщений SNTP, находится в интервале микросекунд. Этот вариант осуществления требует значительной поддержки аппаратного обеспечения. Использование точек А, D, Е и Н, чтобы измерять моменты с Т1 по Т4, другими словами, измерение момента на уровне стека, может создавать точность лучше, чем 1 мс, независимо от того, включена ли реализация стека и аппаратного обеспечения. Типично в локальной сети точность находится в интервале 100 мкс.
Текущий способ включает в себя использование ответа от источника времени как существующего. Другими словами, качество/точность начального момента времени, отсылаемые источником времени, не рассматривается. Согласно изобретению оценивается качество/точность начального момента времени. Если качество/точность не является достаточной, начальный момент времени, принимаемый от источника времени, не используется для синхронизации. Вместо этого соответствующее действие осуществляется для улучшения качества/точности.
Качество/точность может оцениваться с помощью сравнения начального момента времени, получаемого от источника времени с помощью начального момента времени. Начальный момент времени может вычисляться на основе предшествующего взаимодействия между, по меньшей мере, одним устройством и источником времени. На основе схемы взаимодействия, показанной на Фиг.1, временная разница между устройством, например IED и источником времени, может быть приблизительно ((T2-T1)-(T4-T3))/2. Этот момент типично используется для синхронизации устройства. Время прохождения (также называемое задержкой передачи или сетевой задержкой) может быть задано как ((T2-T1)+(T4-T3)) и может включать в себя стек времени, а также время, затрачиваемое в сети. Если система включает в себя поддержку аппаратного обеспечения, стек времени может быть уменьшен и может быть вычислен лишь момент времени в сети.
Задержка в передаче от устройства к источнику времени может появляться как увеличение разницы (T2-T1). Эта разница может быть отражена как во временной разнице, так и во времени прохождения. Аналогично, если существует задержка в передаче обратно от источника времени к устройству, это может проявиться как увеличение в разнице (T4-T3).
Настоящее изобретение может проверять время прохождения в отношении заранее установленного или вычисленного ограничения времени прохождения. Если время прохождения больше, чем ограничение времени прохождения, настоящее изобретение может принимать другой запрос SNTP вместо использования сообщения для синхронизации IED.
Во время обычной синхронизации запрос SNTP может периодически передаваться с помощью устройства (устройств) и время прохождения может оставаться достаточно постоянным. Если время прохождения больше, чем обычное, настоящее изобретение предполагает, что разница (T4-T3) или (T2-Tl) увеличена и что сообщение SNTP не должно использоваться для синхронизации.
Обычно время прохождения немного пульсирует, и ограничение времени прохождения типично не должно отсылаться слишком низким. Если так, клиент SNTP оказывается совсем нефункционирующим. В качестве альтернативы фиксированному ограничению времени прохождения ограничение может вычисляться из измеряемых моментов времени прохождения, используя простой алгоритм. Фиг.3 представляет собой блок-схему последовательности операций способа, который предусматривает немного упрощенные этапы иллюстрации, которые могут быть включены в вариант осуществления алгоритма для вычисления ограничения согласно настоящему изобретению. Вариант осуществления, проиллюстрированный на Фиг.3 с этапа 10, который отсылает запрос SNTP от IED источнику времени и принимает ответ от источника времени. Время прохождения затем вычисляется 12. В этом варианте осуществления время вычисляется как ((T2-T1)+(T4-T3)). Далее время прохождения сравнивается с ограничением времени прохождения 14. Если время прохождения больше, чем заранее установленный предел, тогда предел увеличен 16. Величина, на которую может увеличиваться ограничение, может изменяться. Согласно этому варианту осуществления ограничение увеличивается примерно на 1 мкс. Система может быть затем введена в ожидание 18 в интервал времени, который имеет случайную продолжительность. Типично, продолжительность времени этого ограничения вводится в ожидание примерно 90-100 мс.
Если время прохождения не больше, чем ограничение, тогда время прохождения плюс дополнительная продолжительность времени сравнивается с ограничением 20. Продолжительность времени, которая добавляется ко времени прохождения согласно этому варианту осуществления, равно примерно 500 мкс. Если увеличенное время прохождения меньше, чем ограничение, тогда ограничение устанавливается до уменьшенного значения 22. В этом варианте осуществления ограничение уменьшается примерно на 1 мкс.
После увеличения ограничения и если увеличенное время прохождения не меньше, чем ограничение, тогда смещение вычисляется 24. Смещение может вычисляться согласно формуле ((T2-Tl)-(T4-T3))/2. Смещение может затем использоваться для синхронизации для IED 26. Система может быть затем введена в ожидание 28 в интервал времени, который имеет случайную продолжительность. Например, продолжительность периода ожидания может быть примерно от 990 до 1010 мкс. В конце периода ожидания с 18 по 28 вычисление ограничения может снова начаться с отправки запроса 10 SNTP.
Продолжительность времени между созданием запроса SNTP может изменяться. Когда сначала вычисляют ограничение, три запроса могут быть сформированы и отсылаться в источник времени примерно через 100 мс, для того чтобы найти подходящее начальное значение для ограничения. Согласно варианту осуществления, который показан на Фиг.3, примерно 1000 мс используется как "нормальный" интервал запроса. То есть запрос отсылается каждую секунду из IED в источник времени. Если обнаружена ошибка или если время прохождения слишком велико, согласно этому варианту осуществления алгоритма новый запрос задается после примерно 100 мс. То есть новый запрос запрашивается в 1/10 обычного интервала.
Интервал примерно в одну секунду оказался излишним, чтобы не загружать сеть, но который дает достаточную временную точность. Интервал времени может быть ниже, однако время не должно снижаться до точки, где нагрузка на сеть излишне увеличится. Интервал времени может также увеличиться. Однако интервал времени не должен быть настолько продолжительным, чтобы отклонение тактового генератора для синхронизации являлось бы проблемой.
Обычно время прохождения по локальной сети находится в интервале примерно от 3 до 4 мс.
Если определяется ухудшение качества, настоящее изобретение может осуществляться для повышения качества. Согласно одному варианту осуществления качество повышается с помощью запроса источника времени снова на начальный момент времени. Могут быть осуществлены аналогичные этапы, описанные выше, включая отправку сигнала запроса времени от устройства в источник времени, принимая сигнал запроса с помощью источника времени, отсылая начальный момент времени источнику времени в устройство и принимая начальный момент времени с помощью устройства. Осуществление другого запроса для начального момента времени предполагает, что ухудшение в точности начального момента времени является обычно лишь временным из-за кратковременных проблем связи. В частности, особенно высокий трафик может увеличивать моменты времени прохождения. Повторение этапов может осуществляться до тех пор, пока сигнал начального момента времени достаточного качества не принят устройством (устройствами).
После того как начальный момент времени соответствующего качества/точности предоставлен, начальный момент времени может использоваться для синхронизации устройств, например IED, в подстанции и/или среди подстанций. Синхронизированное время может затем использоваться для временной отметки событий и/или неисправностей. Повышение качества/точности сигнала времени может значительно повысить точность синхронизации SNTP среди устройств, например IED в подстанции и/или среди подстанций. Точность может быть повышена из условия, что существует разница менее чем в 10 мс среди устройств. Настоящее изобретения может действительно разрешать точность, которая меньше чем 1 мс.
Нагрузка источника времени может быть увеличена, а также из-за возросшего числа запросов начального момента времени, но это увеличение должно быть управляемым.
Фиг.4 предоставляет собой график, который иллюстрирует связь между временем прохождения, ограничением времени прохождения и смещение синхронизации в секундах как функцию реального времени. На Фиг.4 с 8:23 до 8:25 ограничение времени прохождения достаточно высокое, чтобы не воздействовать на режим работы. С 8:25 по 8:27 ограничение времени прохождения снижено лишь выше нормального времени прохождения и запросов SNTP, которые приводят к слишком большому времени прохождения, пропускаются и следуют за новым запросом SNTP в 100 мс позже.
На Фиг.4 все большие моменты времени прохождения (с 8:23 по 8:25) имеют соответствующее большое смещение в сообщении синхронизации (отмеченное как смещение SNTP). Так как моменты времени прохождения с 8:25 по 8:27 сохраняются ниже ограничение времени прохождения, соответствующие смещения SNTP сохраняются на приемлемом уровне. Левая сторона Фиг.4 иллюстрирует, что до того, как ограничение времени прохождения было снижено, ухудшение в точности начального момента времени является лишь обычно временным из-за кратковременных проблем взаимодействия.
Способ с измерением времени прохождения для временной синхронизации может использоваться в приложениях с дифференциальной защитой текущей линии связи в текущих продуктах, которые имеют специализированную поддержку аппаратного обеспечения. Настоящее изобретения является особенно полезным с SNTP RFC 2030, RFC 1769, и RFC 1361. Настоящее изобретения может использовать время прохождения для улучшения точности, используя SNTP-протокол по стандартно переключаемой сети Ethernet.
Фиг.5 иллюстрирует результаты теста настоящего изобретения в глобальной сети, показывая лучшую точность, чем 1 мс, даже во время смещения маршрута. Вместе с этими линиями связи график, показанный на Фиг.5, иллюстрирует время прохождения, ограничение времени прохождения и смещение SNTP-сообщений, сравнимых с тактовым генератором, синхронизированным с GPS.
Шкала времени по горизонтальной оси равна 24 часам и по вертикальной оси отложены интервалы времени и смещения в секундах.
Как можно увидеть на фиг.5, время прохождения находится в интервале 10 мс, но примерно в 8:55 должно последовать резкое изменение во времени прохождения и ограничение времени прохождения. Смещение существенно ниже 1 мс (или 0,001 с) для полных 24 часов, включая изменение времени прохождения. Как показано на фиг.5, в начале теста существуют 11 точек на маршруте до 8:55 AM. В 8:88 AM был сдвиг маршрута с двенадцатью точками после 8:55.
Настоящее изобретение также предусматривает компьютерный программный продукт, который включает в себя машиночитаемый носитель. Команды компьютерной программы, выполняемые процессором, записываются на машиночитаемый носитель. Команды компьютерной программы могут использоваться для осуществления любых частей способа, описанного в данном документе.
Настоящее изобретение также включает в себя систему для осуществления процесса для повышения точности простого сетевого протокола службы времени. Фиг.6 иллюстрирует примерную блок-схему, повышающую точность системы 100 согласно настоящему изобретению. Повышающая точность система 100 является типично программируемым IED. Повышающая точность система 100 включает в себя процессор 102 (CPU), схемы ввода/вывода, сетевой адаптер 106 и память 108. CPU 102 выполняет программные команды для того, чтобы осуществлять функции настоящего изобретения. Схемы 104 ввода/вывода предоставляют возможность вводить данные в или выводить данные из компьютерной системы 100. Например, схемы ввода/вывода могут включать в себя устройства ввода, например клавиатуры, "мыши", сенсорные панели, шаровые манипуляторы, сканеры и т.д., устройства вывода, например, видеоадаптеры, мониторы, принтеры и т.д. и устройства ввода/вывода, например модемы и т.д. Сетевой адаптер 106 соединяет систему 100 с сетью 110. Сеть 110 может быть любой стандартной локальной сетью (LAN) или глобальной сетью (WAN), например, Ethernet, сетью Token Ring, Интернет или частной или внутренней LAN/WAN.
Память 108 хранит программные команды, которые выполняются и данные, которые используются и обрабатываются CPU 102 для осуществления функций настоящего изобретения. Память 108 может включать в себя электронные запоминающие устройства, например, оперативное запоминающее устройство (RAM), постоянное запоминающее устройство (ROM), программируемое постоянное запоминающее устройство (PROM), электрически стираемое и программируемое постоянное запоминающее устройство (EEPROM), флеш-память и т.д. и электромеханическую память, например, накопители на магнитных дисках, накопители на магнитной ленте, накопители на оптических дисках и т.д., которые могут использоваться интерфейс дисковых устройств IDE (встроенная электроника управления диском), или разновидность, или его улучшение, например, улучшенный IDE (EIDE) или ультрапрямой доступ к памяти (UDMA), или интерфейс на основе интерфейса для малых компьютеров (SCSI), или их разновидность или улучшение, например, быстрый SCSI, широкополосный SCSI, быстрый и широкополосный SCSI и т.д. или интерфейс волоконно-оптического канала (FC-AL).
Память 108 включает в себя множество блоков данных, например, принятый блок 112 запроса времени, блок 114 начального момента времени, блок 116 заранее определенной величины, блок 118 временной отметки и множество блоков программных команд, например, обрабатывающие процедуры 120 и операционная система 122. Блок 112 запроса времени хранит множество запросов времени, которые приняты системой 100 улучшения точности. Блок 114 начального момента времени хранит множество начальных моментов времени с помощью источника времени. Блок 116 заранее заданных значений хранит множество заранее заданных значений, который могут использоваться для вычисления или оценки начального момента времени, порождаемого источником времени. Блок временных отметок может хранить моменты возникновения событий и/или неисправностей. Процедуры 120 обработки являются программными процедурами, которые реализуют обработку, выполняемую с помощью настоящего изобретения. Операционная система 122 предусматривает общие функциональные возможности системы.
Важно отметить, что тогда как настоящее изобретение описано в контексте полностью функционирующей системы обработки данных, обычные специалисты в данной области техники поймут, что процессы настоящего изобретения могут быть в виде машиночитаемого носителя команд и что настоящее изобретение используется равным образом безотносительно конкретного типа носителя, поддерживающего сигналы, действительно используемого для осуществления. Примеры машиночитаемых носителей включают в себя носители записываемого типа, например, гибкий магнитный диск, накопитель на жестком диске и CD-ROM, а также носители передающего типа, например цифровые и аналоговые каналы связи.
Варианты осуществления, проиллюстрированные и рассмотренные в этом описании, предназначены только для пояснения специалистам в данной области техники наилучшего способа, предлагаемого изобретения, для его осуществления и использования. Ничто в данном описании не должно рассматриваться как ограничивающее объем настоящего изобретения. Все представленные примеры являются показательными и неограничивающими. Вышеупомянутые варианты осуществления изобретения могут быть модифицированы или изменены без отклонения от сущности изобретения, как принимается во внимание специалистами в данной области техники в свете вышеизложенного. Следовательно, необходимо понимать, что в пределах объема формулы изобретения их эквивалентов изобретение может быть осуществлено иначе, чем конкретно описано.