周艳英 顾宗良 朱亚东 上海远景数字信息技术有限公司



基于Bfin60x架构的时间同步监测实现

周艳英 顾宗良 朱亚东 上海远景数字信息技术有限公司

摘要：就利用ADI发布的ADSP-Bfin60x系列处理器平台实施的时间同步管理系统（TMS）项目的目标、机制做完整的阐述，包括如何利用处理器架构的特点进行相关功能开发、相应的原理、设计实现方法等。

关键词：IEC 61850 MMS；IEEE 1588；TMS；实时GOOSE；SOE

Analog Device最新推出双核，1 GHz处理能力的Bfin60x系列处理器，以应对迅速发展的中、低压电力系统内智能设备应用市场需求。总体而言，Bfin60x系列是在其原有单核Bfin518系列的基础上，结构上做了较大的调整，采用双核结构，增加了L2级共享存储单元，增强了DMA并行处理能力，提升了单核处理能力，提供更多的可编程硬件资源和全新的集成开发环境。

ADSP-Bfin60x系列共分为ADSP-BF 606/607/608/609 4个型号，这4个型号完全Pin2Pin兼容，仅仅是在地址空间的范围及音、视频引擎功能模块（PVP）上略有不同，本文的原理适用于上述所有型号的芯片。

ADSP-BF60x旨在支持更经济的新型IED设计解决方案，尤其是为智能电网应用领域内满足IEC 61850［1］、IEEE 1588相关标准［2］的IED设计开发提供必要的软、硬件保障，具备双核双系统（例如uCLinux/uCOS、uCLinux/裸核、uCOS/裸核）运行能力。作为典型的基于双核系统架构设计，将实时任务与非实时任务分别在各自的核上运行，通过共享的数据总线进行内部数据交互。

本文重点关注基于Bfin60x体系的处理器开发时间同步管理系统（TMS）核心功能的方法及原理，并以实际iCore-K0产品开发作为示例介绍了相关功能的实现方法。

1　时间同步管理系统（TMS）目标和原理

当前，典型站内自动化系统时间同步原理如图1所示，首先，站内具有时间同步源，时间同步源的基准信号来自BDS（中国北斗系统）、GPS（美国全球定位系统）或上级信号基准源，依据对时间精度的要求不同，站内非时间基准源设备时间同步实现主要涉及以下接口及方法。

图1　站内时间同步系统

（1）网络接口，纳秒级精度，IEEE 1588v2［3］ ［4］；

（2）网络接口，毫秒级精度，SNTP/NTP［5］ ［6］；

（3）IRIG-B/PPS/串行接口，微秒级精度［7］ ［8］；

（4）协议接口，秒级精度［9］；

上述除了（3）是基于模拟同步信号，其余均基于数字同步信号。另一方面，由于时间同步的单方向性，缺乏有效的反馈机制，因此，无论是作为守时设备（基准源）或被授时设备，均无法判断或预测实际当前的同步状态及同步精度。

假定在基于对称均衡网络传输的场景下，PTP是基于数据包传输延迟计算得出网络上主（授时侧）、从（被授时侧）节点间的时间偏差（Offset）值，然后再利用此偏差值进过系列算法进行本地时间值补偿达到同步目的［10］ ［11］。但是，一方面，现场装置支持PTP的比重不高；另一方面，从关注设备本身实际的同步状况出发，进过系列计算误差和补偿误差后，PTP计算偏差值与实际装置自身时钟值仍然有偏差，因此，严格意义上说，并不能反映实际装置时间同步状况。那么，如何才能真正评估实际被授时装置的时间同步状况及同步精度？只有通过该装置实际对事件发生反映的时间戳来体现。

时间同步管理系统（TMS）的目标即是通过利用现有的自动化系统通讯网络和时间同步网络，构建基于设备事件时间戳的反馈评估系统，从而达到对系统内各设备同步授时状态趋势进行动态监测及实时评估。

TMS原理基于近20年研制的智能型终端设备（如微机继保、测控、智能表计等）均能够支持网络、串行、现场总线通讯接口，并能够支持SOE（顺序事件记录）和通过通讯的方式进行SOE传输［12］。

从实现基本原理上看，TMS实际是依靠产生精确的外部触发事件，造成被测设备的内部连锁反馈，并同时将结果以SOE的形式传输至TMS管理端进行分析。外部触发主要采用以下两种形式（iCore-K0为TMS系统侧）。

（1）TMS产生IEC 61850-8-1 GOOSE发布，如图2所示。

假定IED与目前同步基准时间有偏差O，在T0时刻，TMS产生GOOSE触发信号，IED侧订阅联锁后产生事件，并以MMS报告块或SOE方式上报至TMS系统，则有：T1 = T0 + D + O；

其中，T1为IED时刻，D为TMS与IED间的数据包传输延迟，D小于4 ms，且对于特定系统可视作常量，由此得出IED当前的时间偏差量为：O = T1-T0-D；这里，将TMS系统时间作为基准时间，为了便于计算，假定IED与基准时间偏差控制在1 s以内，选择T0为整秒时刻，则O必然是该整秒时刻的IED时间偏差值；

图2　GOOSE信号触发

（2）TMS产生状态ON/OFF信号输出，如图3所示。

假定IED与目前同步基准时间有偏差O，在T0时刻，TMS产生状态触发信号，IED状态输入后产生事件，并以SOE方式上报至TMS系统，则有：T1 = T0 + D + O；其中，T1为IED时刻，D为TMS状态输出信号传输延迟，一般D可视作常量，由此得出IED当前的时间偏差量为：O = T1-T0-D；这里，将TMS系统时间作为基准时间，为了便于计算，假定IED与基准时间偏差控制在1 s以内，选择T0为整秒时刻，则O必然是该整秒时刻的IED时间偏差值。

上述方式（1）与方式（2）具有相同的原理，区别在于（1）在IED侧无需增加额外设施，仅需配置；（2）需要在IED侧增加额外的状态接入及配置，但在方式（2）下的D值一致性更好，容易取得更精确的结果。

TMS实现的关键点是选择精确的T0触发时刻及保证TMS与基准时钟源精确同步。

2　基于Bfin60x的TMS模块实现原理

由于Bfin60x双核在结构上是对称的，Core0作为主核，运行uCLinux或uCOS操作系统，通常在上电时先启动，然后加载程序至Core1上运行。如图4所示。

图3　状态信号触发

该TMS触发部件（图中iCore-K0子卡）实现为特定交换机配套的即插即用型智能模块，利用Bfin60x原生的两个支持IEEE 1588v2以太网接口，通过交换机的背板网络总线实现PTP信号同步和网络数据交换，同时，在iCore-K0子卡上实现光耦输入/输出，满足状态触发的需求。

Core0、Core1分别运行各自的软件任务，其执行流程示意图如图5所示。

iCore-K0实现要点是首先要保证自身与时间基准源的时间偏差小于预设的阈值（这通常取决于TMS的精度要求），iCore-K0由于内嵌于支持PTP同步的交换机，因而可以直接通过PTP进行同步，达到纳秒级精度；其次，Core0与Core1必须共享内部统一的时间基准源，由于Bf60x双核具有共享地址结构，将时间计数器定义在该地址空间即可实现；最后，受限于Linux任务调度特性，非实时性的uCLinux OS（相对于进行了特殊内核改造的实时Linux），GOOSE在Core0上的时间指标无法达到标准定义的4 ms以内的传输要求，实测结果大致在30 ms～50 ms区间，偏差较大。由于GOOSE的实现不依赖于TCP/IP层，并且Core1支持网络物理层和Link链路层，通过在Core1环境下实现GOOSE的表现层接口，并将GOOSE任务作为Core1任务的子过程实现，不做任何任务优化，在Bf60x平台上实测结果显示在ETH1上的GOOSE性能指标可以达到微秒级的时间特性，完全满足用作设备间虚端子连锁触发的性能要求。

3　TMS模块验证测试

作为实际商用项目，我们在实验室模拟了TMS的运行效果。

图4　TMS触发模块内嵌于交换机

图5　软件执行流程图示意图

该实验环境分别选择了两台常规IED作为被测对象，分别通过其各自的IRIG-B时间同步接口与时间基准源同步，同时，选用了两台带TMS模块（iCore-K0子卡）的交换机级联，模拟站端与间隔层两级数据交换网络，同时交换机采用PTP与时钟源同步。同时，设置一台时间测试分析仪用于捕捉iCore-K0子卡GOOSE触发与状态触发信号，以分析TMS系统整体性能指标。

3.1TMS卡时间精度

分别采用外部IRIG-B-DC基准时间源和EPT-100提供 的PTP Master同步给TMS卡，测试TMS卡的IRIG-B-DC输出信号与基准时间的偏差Offset，如图6所示。测试结果见表1。

图6　TMS时间精度测试用例

表1　TMS时间精度测试结果

3.2GOOSE订阅、发布测试

根据GOOSE特性要求，通过EPT-100时间测试分析仪验证TMS卡在外部DI/FDI（光DI）输入时触发GOOSE发布是否满足GOOSE发布时间特性（＜ 4 ms）和测量订阅外部GOOSE发布做内部连锁后的再次发布或DO输出时间延时，如图7所示。测试结果见表2。

图7　GOOSE订阅、发布测试用例

表2　GOOSE订阅、发布测试结果

3.3GOOSE PPS触发测试

根据TMS应用，TMS卡需提供精准时刻（整点0 ms）GOOSE定周期自主发布，本测试用例验证TMS卡是否满足整点触发GOOSE特性，如图8所示。测试结果见表3。

图8　GOOSE PPS触发测试用例

表3　GOOSE PPS触发测试结果

3.4DO/FDO PPS触发测试

根据TMS应用，TMS卡需提供精准时刻（通常为整点毫秒）DO/FDO输出，本测试用例验证定周期时刻接点输出时间特性，如图9所示。测试结果见表4。

图9　DO/FDO PPS触发测试用例

表4　DO/FDO PPS触发测试结果

4　结束语

本文阐述了Bfin60x平台特点与TMS原理，并就具体的Bfin60x平台实现TMS关键技术做了分析；同时，本文就具体的iCore-K0子卡（TMS核心部件）实现做了描述。事实上，虽然iCore-K0子卡是针对本公司内特定产品设计，但其原理完全适用于独立装置的设计。

参考文献

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Implementation of Time Synchronization Monitoring Based on Bfin60x Architecture

Zhou Yanyin，Gu Zongliang，Zhu Yadong
Shanghai Digigrid Digital Information Technology Co.，Ltd

Abstract：The article introduces project target and mechanism of using ADI publishing ADSPBfin60x series processor platform implementing time synchronization management system.It includes how to use processor architecture characteristics to develop relevant functions，relevant working principles and design realization methods.

Key words：IEC 61850 MMS，IEEE 1588，TMS，Real-Time GOOSE，SOE

［作者简介］

周艳英：硕士，主要从事嵌入式应用软件设计及开发。

DOI：10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.04.009