張武洋,趙振宇,于同偉

（1.東北電力科學(xué)研究院有限公司,遼寧 沈陽 110006;2.東北電網(wǎng)有限公司,遼寧 沈陽 110180）

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展,設(shè)備的智能化,測控?cái)?shù)據(jù)采集、傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)化,對(duì)網(wǎng)絡(luò)授時(shí)的精度提出了更高的要求,同時(shí)將進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)發(fā)電、輸電、配電、調(diào)度等環(huán)節(jié)的測量和監(jiān)控,這需要在全網(wǎng)建立統(tǒng)一時(shí)鐘同步、統(tǒng)一授時(shí)的同步網(wǎng)。因此,時(shí)間同步對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、監(jiān)控保護(hù)、故障分析處理等具有重要意義。本文基于電力調(diào)度通信SDH網(wǎng)絡(luò),使用先進(jìn)的IEEE 1588精確時(shí)間協(xié)議,研究網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的同步,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸高精度、高可靠性的時(shí)間和頻率同步。

1 SDH數(shù)據(jù)傳輸與IEEE 1588精確時(shí)間協(xié)議

1.1 SDH數(shù)據(jù)傳輸

SDH網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)頻率同步的數(shù)字傳輸網(wǎng),頻率同步即三層網(wǎng)絡(luò)的等級(jí)主從同步。SDH設(shè)備具有時(shí)鐘接口和模塊,正常工作時(shí)下級(jí)時(shí)鐘跟蹤鎖定上級(jí)時(shí)鐘,能夠通過STM-N線路碼流傳送同步基準(zhǔn)信號(hào),也可接收外部時(shí)鐘信號(hào)或提供外部時(shí)鐘信號(hào),并可根據(jù)時(shí)鐘質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)時(shí)鐘倒換。因此,SDH既是頻率同步信號(hào)的使用者,又是頻率同步信號(hào)的傳輸者。

1.2 IEEE 1588精確時(shí)間協(xié)議

IEEE 1588定義了一種用于分布式測量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)間協(xié)議,是網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),也是網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)精密時(shí)間協(xié)議（PTP）標(biāo)準(zhǔn),用以建立分布式、主從、分級(jí)的同步體系,可以在以太網(wǎng)及任意基于分組的網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn),其網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)精度可達(dá)亞微秒級(jí)。鑒于IEEE 1588以上優(yōu)點(diǎn),IEC TC57第10工作組將IEEE 1588引入IEC 61850規(guī)約,因此,研究IEEE 1588在SDH通道中的應(yīng)用對(duì)智能電網(wǎng)的發(fā)展具有重要意義。本文只針對(duì)IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步進(jìn)行研究（討論的延遲計(jì)算機(jī)制采用peer to peer方式）。

1.3 IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步原理

在網(wǎng)絡(luò)中,主時(shí)鐘和從時(shí)鐘之間可能經(jīng)過單個(gè)或幾個(gè)交換機(jī)互聯(lián),由于受到交換機(jī)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)信息內(nèi)部排隊(duì)機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)中交換信息流量的影響,使網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲不確定程度增加,因此,必須對(duì)時(shí)鐘授時(shí)精度進(jìn)行修正,IEEE 1588針對(duì)此情況采用分段測量和修正的方法。

IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步原理如圖1所示,交換機(jī)為符合IEEE 1588的新型交換機(jī)。由于所有時(shí)標(biāo)均在物理層獲得,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧處理延遲對(duì)精度不產(chǎn)生影響。網(wǎng)絡(luò)中主時(shí)鐘與從時(shí)鐘之間的傳輸路徑延遲包括主時(shí)鐘和交換機(jī)之間鏈路延遲（Lt1）、交換機(jī)內(nèi)部延時(shí)（St）、交換機(jī)和從時(shí)鐘之間鏈路延遲（Lt2）三部分。Lt1和Lt2可由主時(shí)鐘（或從時(shí)鐘）與交換機(jī)通過報(bào)文交互求得。St是指同步報(bào)文在交換機(jī)內(nèi)的駐留時(shí)間,由于交換機(jī)自身具備內(nèi)部時(shí)鐘,駐留時(shí)間St可精確求解,不會(huì)受交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)流量和信息排隊(duì)機(jī)制的影響。交換機(jī)在求得Lt1和St之后,將該信息作為跟隨報(bào)文發(fā)送給從時(shí)鐘,此時(shí)從時(shí)鐘可以精確求得主從時(shí)鐘之間同步報(bào)文整個(gè)傳輸路徑上的延遲,并對(duì)時(shí)鐘偏差進(jìn)行修正。如果主時(shí)鐘與從時(shí)鐘之間存在多個(gè)交換機(jī)（即交換機(jī)級(jí)聯(lián)）,仍可按照上述分段求解方法獲得主從時(shí)鐘之間的傳輸延遲。

圖1 網(wǎng)絡(luò)方式的IEEE 1588時(shí)鐘同步原理

IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步對(duì)傳輸路徑的延遲采用分段求解方法,該方法要求報(bào)文往返傳輸路徑相等,以提高網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步精度。

2 基于SDH通道的PTP同步對(duì)時(shí)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案及目標(biāo)

將主時(shí)鐘及TimeAcc（時(shí)間綜合測試儀）分別連接GPS天線,接收GPS信號(hào)。主時(shí)鐘和從時(shí)鐘通過圖2的拓?fù)溥B接方式實(shí)現(xiàn)長距離連接,并實(shí)現(xiàn)從時(shí)鐘和主時(shí)鐘同步,時(shí)鐘同步信號(hào)為PTP信號(hào)。同步完成后,將從時(shí)鐘的1PPS輸出至TimeAcc,并記錄2 h測試數(shù)據(jù)。

圖2 在SDH組網(wǎng)中測試時(shí)鐘的對(duì)時(shí)精度組網(wǎng)拓?fù)鋱D

當(dāng)測試完成后,由測試數(shù)據(jù)可得經(jīng)過SDH網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)PTP組網(wǎng)時(shí)間同步精度。

2.2 試驗(yàn)方法及結(jié)果分析

將主時(shí)鐘及TimeAcc分別連接上GPS天線,接收GPS信號(hào)。主時(shí)鐘和從時(shí)鐘通過圖2的拓?fù)溥B接方式實(shí)現(xiàn)長距離連接,并實(shí)現(xiàn)從時(shí)鐘和主時(shí)鐘同步,同步信號(hào)為PTP信號(hào)。從時(shí)鐘跟蹤主時(shí)鐘穩(wěn)定后,使用TimeAcc對(duì)從時(shí)鐘1PPS信號(hào)對(duì)比GPS信號(hào)進(jìn)行測試,TimeAcc每秒采樣1次并記錄。

通過SDH傳輸PTP從時(shí)鐘與PTP主時(shí)鐘進(jìn)行同步,從時(shí)鐘與主時(shí)鐘第1次對(duì)時(shí)后,發(fā)現(xiàn)從時(shí)鐘與GPS的偏差為幾十微秒,通過分析可知該誤差是非對(duì)稱性誤差。非對(duì)稱性誤差產(chǎn)生是由于PTP鏈路延遲計(jì)算要求PTP報(bào)文請(qǐng)求和應(yīng)答傳輸鏈路對(duì)稱,如果PTP報(bào)文傳輸鏈路不對(duì)稱,PTP對(duì)時(shí)在計(jì)算鏈路延時(shí)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生誤差。在補(bǔ)償這個(gè)非對(duì)稱性誤差后,TimeAcc每秒采樣1次,記錄的網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)精度在微秒級(jí)（如圖3所示）。

圖3 主、從時(shí)鐘在SDH中組網(wǎng)時(shí)間同步的精度測試數(shù)據(jù)曲線圖

由主、從時(shí)鐘經(jīng)SDH通道PTP對(duì)時(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),產(chǎn)生非對(duì)稱性誤差根本原因是SDH通道的收、發(fā)通道不對(duì)稱、SDH通道中包含大量不支持IEEE 1588的交換機(jī)和協(xié)議轉(zhuǎn)換器,這些因素都會(huì)產(chǎn)生傳輸鏈路非對(duì)稱性誤差,影響IEEE 1588精確時(shí)間協(xié)議的對(duì)時(shí)精度。該非對(duì)稱性誤差必須進(jìn)行手動(dòng)補(bǔ)償,其補(bǔ)償方式是先通過TimeAcc（TimeAcc鎖定GPS）測量由PTP經(jīng)SDH通道對(duì)時(shí)引起的從時(shí)鐘與主時(shí)鐘的非對(duì)稱性誤差,然后把此非對(duì)稱性誤差補(bǔ)償給從時(shí)鐘,手動(dòng)補(bǔ)償后,主、從時(shí)針對(duì)時(shí)精度能達(dá)到亞微秒級(jí)。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),不同的時(shí)鐘采用不同的同步對(duì)時(shí)算法也會(huì)對(duì)從時(shí)鐘和主時(shí)鐘對(duì)時(shí)精度產(chǎn)生較大影響,如果從時(shí)鐘計(jì)算得到對(duì)時(shí)信息與主時(shí)鐘有較大偏差,從時(shí)鐘認(rèn)為這時(shí)對(duì)時(shí)過程受交換網(wǎng)絡(luò)影響較大,將此對(duì)時(shí)計(jì)算結(jié)果過濾掉,從時(shí)鐘會(huì)自己守時(shí)而不和主時(shí)鐘對(duì)時(shí)。還有一種算法是無論主時(shí)鐘有多大的偏差,從時(shí)鐘都會(huì)和主時(shí)鐘對(duì)時(shí),這樣從時(shí)鐘就受網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)影響較大,對(duì)于這種情況,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)從時(shí)鐘與主時(shí)鐘的偏差需較長時(shí)間的收斂,從時(shí)鐘才能和主時(shí)鐘同步。

3 結(jié)論

a.由于SDH傳輸通道中的交換機(jī)不支持IEEE 1588,因此引入的傳輸延遲抖動(dòng)較大。

b.SDH通道的收、發(fā)通道不對(duì)稱、SDH通道中存在大量不支持IEEE 1588的交換機(jī)、SDH通道傳輸協(xié)議和PTP傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換的協(xié)議轉(zhuǎn)換器等都會(huì)造成傳輸鏈路的非對(duì)稱性誤差,造成PTP對(duì)時(shí)偏差。

c.傳輸鏈路的非對(duì)稱性造成PTP對(duì)時(shí)誤差,可以在試驗(yàn)組網(wǎng)時(shí)對(duì)非對(duì)稱性偏差進(jìn)行補(bǔ)償,但在實(shí)際工程中實(shí)施困難。

因此,建議在SDH網(wǎng)絡(luò)內(nèi)采用IEEE 1588精確時(shí)間協(xié)議（PTP）同步對(duì)時(shí),使用支持IEEE 1588的交換機(jī)組網(wǎng),并盡可能使SDH通道對(duì)稱,以減少非對(duì)稱性誤差對(duì)PTP對(duì)時(shí)的影響。此外協(xié)議轉(zhuǎn)換器所帶來的非對(duì)稱性誤差和主、從時(shí)鐘同步的算法還需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

[1] 趙上林,胡敏強(qiáng),竇曉波,等.基于IEEE 1588的數(shù)字化變電站時(shí)鐘同步技術(shù)研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2008,32（21）：97-102.

[2] 黃小耘.NTP在電力自動(dòng)化設(shè)備時(shí)鐘同步中的應(yīng)用探討[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2005,29（15）：93-95.

[3] 殷志良,劉萬順,楊奇遜,等.基于IEEE 1588實(shí)現(xiàn)變電站過程總線采樣值同步新技術(shù)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2005, 29（13）：60-63.

[4] 潘勇偉,李萬林,沈 冰,等.星地多源授時(shí)和PTP網(wǎng)絡(luò)精確對(duì)時(shí)的關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用[J].華東電力,2010, 38（07）：959-963.