李大鵬, 朱哲然, 楊 林, 丁東坡, 龍 潔, 雷煒卿, 楊孟娟

(國網(wǎng)河南省電力公司 焦作供電公司， 河南 焦作 454000)

統(tǒng)一的時間基準為構(gòu)筑信息互通、資源共享、能力協(xié)同、開放合作的電力行業(yè)新體系提供了最基礎(chǔ)統(tǒng)一的時間物理量。在2009年，電力行業(yè)已經(jīng)發(fā)布了第一版行業(yè)的時間同步系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范DL/T1100.1-2009[1]。在該規(guī)范的術(shù)語與定義中對時間同步網(wǎng)的基準進行了描述，涉及到在滿足技術(shù)要求的條件下，網(wǎng)內(nèi)的時間同步系統(tǒng)可通過通信網(wǎng)絡(luò)接收上一級時間同步系統(tǒng)發(fā)出的有線時間基準信號。

在20世紀80年代，數(shù)字微波、光纖通信、程控交換等是電力通信使用的主要技術(shù)，90年代后同步數(shù)字通信網(wǎng)(synchronous digital hierarchy，SDH)為代表的光通訊網(wǎng)技術(shù)發(fā)展比較成熟，21世紀以來分組傳送通信網(wǎng)絡(luò)[2-8](packet transport network，PTN)也日趨成熟。上述技術(shù)推動了電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與建設(shè)，通信網(wǎng)從地基授時的方式也隨之變化，旨在尋求最佳方式，降低時間信號準確度附加值，建設(shè)以天基為主，地基為輔的穩(wěn)定可靠、自主可控的電力時間同步系統(tǒng)。

在電力系統(tǒng)的時間同步工程應(yīng)用中，90年代后期因SDH網(wǎng)絡(luò)資源豐富，且具有同步通信的特點，在地基授時中多采用電力行業(yè)的SDH的2M通道[9-10]，按2M傳輸機制編碼時間信息，將時間信號從上級時鐘傳遞到下級時鐘。這種方式傳遞恢復(fù)出的時間信號，其準確度附加值受傳輸通道路徑切換、傳輸設(shè)備重啟動、線路中斷恢復(fù)等因素的影響較大，不能滿足電力行業(yè)對時間信號同步準確度優(yōu)于1μs的應(yīng)用要求[1]。文獻[10-12]提出在光傳送網(wǎng)(optical transport network，OTN )中透明傳輸精確時間協(xié)議(precision time protocol，PTP)，該方案實現(xiàn)起來較為便捷，投資較低,但是，與在 SDH中實現(xiàn) PTP 相類似，都存在往返路徑的不對稱導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)時延不確定性，對時的精度仍然無法達到亞微秒級，不能滿足電力系統(tǒng)最高對時精度的要求。

為了滿足電力通信網(wǎng)絡(luò)對時間同步的要求，擬采用分組傳送通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使用研制的PTP主鐘和從鐘，搭建電力PTN網(wǎng)絡(luò)的時間傳遞特性試驗驗證系統(tǒng)，研究電力PTN網(wǎng)絡(luò)在傳輸通道路徑切換、傳輸設(shè)備重啟動、線路中斷恢復(fù)以及最佳主時鐘算法(best master clock，BMC)時間源切換等4種情況對時間信號準確度附加值的影響。

1 試驗系統(tǒng)的搭建

搭建基于PTN的PTP時間同步系統(tǒng)。該系統(tǒng)由1臺帶兩路PTP輸出的PTP主時鐘，1臺帶兩路PTP輸入接口PTP從時鐘，3臺支持PTP的PTN傳輸電力網(wǎng)通信設(shè)備，1臺支持PTP技術(shù)的以太網(wǎng)交換機以及1臺記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)的計算機組成，試驗系統(tǒng)組成示意如圖1所示。

圖1所示時間信號傳遞路徑有2個，即時間信號通過路徑1和路徑2分別傳遞到PTP SLAVE的兩個PTP輸入接口。

路徑1由PTP GRANDMASTER 主時鐘設(shè)備HN-TSS-4200、PTP TC 設(shè)備PTP SWITCH、2個 PTP BC設(shè)備 OPTIX PTN910即 PTN網(wǎng)元1和PTN網(wǎng)元2、PTP SLAVE 從時鐘設(shè)備 HN-TSS-4 200等級聯(lián)而成。

路徑2由主時鐘設(shè)備、PTP TC 設(shè)備PTP SWITCH、3個PTP BC設(shè)備 OPTIX PTN910即 PTN網(wǎng)元1、PTN網(wǎng)元2和PTP網(wǎng)元3以及從時鐘設(shè)備級聯(lián)而成。

主時鐘提供一路光B碼到從時鐘，從時鐘對輸入的一路光B碼、兩路不同路徑傳遞的PTP時間信號進行測量比對，測量時間信號通過不同PTN路徑傳遞后準確度附加值的范圍[13]。

從時鐘完成時間信號準確度附加值測量。從時鐘以光信號傳遞的B碼時間信號為標準，比對測量通過PTN傳遞的PTP時間信號偏差值，這些差值即為時間信號準確度附加值。

為了確保光信號傳遞的時延不影響PTN時間信號傳遞的準確度附加值的測量結(jié)果，在從時鐘對該路輸入進行了時延補償。

從時鐘測量的準確度附加值通過設(shè)計的管理模塊輸出到PC的管理系統(tǒng)，將測量數(shù)據(jù)和各輸入源的狀態(tài)信息、從時鐘頻率源的校準情況等進行持續(xù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)保存，為試驗分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 實驗測試結(jié)果和分析

2.1 不同路徑測試

根據(jù)如圖1試驗系統(tǒng)所搭建的路徑1和路徑2，研究兩條不同的時間傳遞路徑的時間信號的準確度附加值情況。在系統(tǒng)正常運行情況下，2018年8月30日所測出兩條不同路徑傳遞的時間信號的準確度附加值結(jié)果分別如圖2～圖5所示。

圖2 IRIG-B、PTP1、PTP2時間偏差測試結(jié)果

圖3 IRIG-B時間偏差測試結(jié)果

圖4 PTP1時間偏差測試結(jié)果

圖5 PTP2時間偏差測試結(jié)果

圖2 是試驗過程中測得IRIG-B、路徑1傳輸?shù)臅r間信號PTP1、路徑2傳輸?shù)臅r間信號PTP2與從鐘輸出的時間偏差?？梢钥闯觯秶?00 ns以內(nèi)，說明兩條不同路徑傳輸?shù)臅r間信號PTP1、PTP2的準確度附加值差均在300 ns內(nèi)。圖3、圖4和圖5為相同比例情況下，IRIG-B、PTP1、PTP2的3個時間信號測量結(jié)果，反映了經(jīng)過不同傳輸節(jié)點數(shù)對時間準確度的影響?？梢钥闯觯煌琍TN路徑情況下的時間同步精度均優(yōu)于1 μs，符合電力行業(yè)標準要求。

2.2 設(shè)備重啟測試

設(shè)備重啟動試驗主要是通信設(shè)備重啟動，驗證每次重啟PTN設(shè)備系統(tǒng)恢復(fù)正常后與重啟前的時間準確度附加值的一致性。

第1次重啟試驗在2018年8月31日9:19:00關(guān)機冷卻，9:48:00開機到10:01:38恢復(fù)正常用時共計13分38秒。

第2次重啟試驗在2018年8月31日11:09:00關(guān)機冷卻，11:45:30開機到11:59:59恢復(fù)正常用時共計14分29秒。

第3次重啟試驗在2018年8月31日14:02:10關(guān)機冷卻，16:39:40開機，16:52:39恢復(fù)正常用時共計13分鐘；

上述3次重啟期間持續(xù)測量的IRIG-B時間信號與從時鐘時間的時間偏差，即表征主鐘從鐘輸出時間偏差測量結(jié)果如圖6所示?？梢姡瑫r間偏差在120 ns范圍內(nèi)，過程中未發(fā)生時間跳變。

圖6 主鐘從鐘時間偏差測試結(jié)果

上述3次重啟期間持續(xù)測量的PTP1、PTP2與從鐘輸出的時間偏差結(jié)果圖7所示?？梢郧宄乜吹皆?次重啟的時刻PTP1、PTP2發(fā)生了跳變，原因是通信設(shè)備重啟時，PTP從鐘與HN-TSS-4200之間的通信中斷，選用了就近的PTN設(shè)備作為其參考主鐘所導(dǎo)致。

圖8是提取了3次試驗前和3次試驗后IRIG-B、PTP1、PTP2 與從鐘輸出時間的時間偏差測量結(jié)果?？梢钥闯觯敵鰰r間的時間偏差范圍均在300 ns內(nèi)，即3次試驗在系統(tǒng)恢復(fù)正常后時間準確度附加值均小于300 ns，這個結(jié)果證明PTN網(wǎng)元設(shè)備重啟情況下時間同步精度優(yōu)于1 μs，符合電力行業(yè)標準要求。

圖7 PTP1、PTP2時間偏差測試結(jié)果

圖8 試驗前后時間偏差測試結(jié)果

2.3 線路中斷恢復(fù)測試

為研究線路中斷過程對時間信號偏差的影響，采用斷開網(wǎng)元2與網(wǎng)元3之間的線路1分鐘以后恢復(fù)連接的方式。進行了3次測試，其結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?，測試結(jié)果時間準確度附加值小于300 ns。

圖9 線路中斷恢復(fù)過程測試結(jié)果

在圖9中，黑色的曲線為主時鐘輸出的IRIG-B碼與從鐘輸出時間的相位偏差；灰色的曲線為從時鐘的PTP2在線路正常到中斷到恢復(fù)的過程中，其時間信號與從鐘輸出時間的相位偏差。可以看出，兩者的輸出時間的相位偏差值均小于300 ns，證明PTN線路中斷恢復(fù)正常的情況下時間同步精度優(yōu)于1 μs，符合電力行業(yè)標準要求。

2.4 BMC時間源切換測試

BMC時間源切換試驗，設(shè)置主時鐘輸出的兩路PTP均連接在TC交換機上，當變化其中一路PTP優(yōu)先級的高低，全網(wǎng)都會進行最佳主時鐘算法，并自動切換到優(yōu)先級高的那一路PTP上。共進行了3次測試，測試了IRIG-B、PTP1、PTP2 與從鐘輸出時間的相位偏差，測試結(jié)果如圖10 所示?？梢钥闯?，3次測試中IRIG-B、PTP1、PTP2 與從鐘輸出時間的時間偏差范圍均在300 ns以內(nèi)，說明在BMC試驗過程中時間信號PTP1、PTP2的準確度附加值在300 ns以內(nèi)，從時鐘輸出的時間信號準確度情況并未有明顯的抖動。其結(jié)果證明BMC時間源切換情況下時間同步精度優(yōu)于1 μs，符合電力行業(yè)標準要求。

圖10 IRIG-B、PTP1、PTP2輸出時間偏差測試結(jié)果

3 結(jié)語

采用分組傳送通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使用研制的PTP主鐘和從鐘，搭建了一種電力PTN網(wǎng)絡(luò)時間傳遞試驗系統(tǒng)。分別測試了試驗系統(tǒng)在傳輸通道路徑切換、傳輸設(shè)備重啟動、線路中斷恢復(fù)以及BMC時間源切換等4種情況對時間信號準確度附加值的影響，結(jié)果表明時間同步精度優(yōu)于1 μs，均符合電力行業(yè)標準要求。

為進一步驗證該試驗系統(tǒng)的實際性能，進行了在線運行測試，發(fā)現(xiàn)其測試結(jié)果與所搭建測試系統(tǒng)結(jié)果基本一致，未發(fā)現(xiàn)例外情況，且具有長期穩(wěn)定性和可靠性。鑒于該實驗系統(tǒng)具有一定的普適性，因此，該系統(tǒng)為電力行業(yè)地基授時的時間信號傳輸方式提供了一種新的解決方案。