丁慧霞，盧 錕，滕 玲，汪 洋

（中國電力科學(xué)研究院 北京 100192）

1 概述

智能電網(wǎng)的快速推進，要求全網(wǎng)協(xié)調(diào)一致，對時間同步的要求日益迫切，需要準確、安全、可靠的時鐘信號，為電力系統(tǒng)各類運行設(shè)備和業(yè)務(wù)提供精確的時間服務(wù)。但目前電力系統(tǒng)具有時間同步需求的站點多采用自建GPS天線獲取時間信號，不成網(wǎng)絡(luò)體系，無法統(tǒng)一管理，將無法滿足智能電網(wǎng)建設(shè)的進一步要求。

在通信專業(yè)，“同步”概念是指頻率的同步，即數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點的時鐘頻率同步，其誤差應(yīng)符合標(biāo)準的規(guī)定。目前，在通信網(wǎng)中，頻率同步問題已經(jīng)基本解決，而時間的同步還沒有得到很好的解決。時間同步是指網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點時鐘以及通過網(wǎng)絡(luò)連接的各個應(yīng)用界面的時鐘的時刻和時間間隔與協(xié)調(diào)世界時間（UTC）同步，最起碼在全國范圍內(nèi)要和北京時間同步。時間同步網(wǎng)絡(luò)是保證時間同步的基礎(chǔ)，構(gòu)成時間同步網(wǎng)絡(luò)可以采取有線方式，也可以采取無線方式。

本論文根據(jù)我國電網(wǎng)的各級調(diào)度機構(gòu)、發(fā)電廠、變電站、集控中心的各種系統(tǒng)(如調(diào)度自動化系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng))和設(shè)備(如繼電保護裝置、智能電子設(shè)備、事件順序記錄(SOE)、廠站自動控制設(shè)備、安全穩(wěn)定控制裝置、故障錄波器)對時間同步的要求，提出采用電力SDH光纖通信系統(tǒng)傳輸時間同步信號的方案，提供統(tǒng)一的時間基準，以滿足確保實時數(shù)據(jù)時間一致性，提高線路故障測距、相量和功角動態(tài)監(jiān)測、機組和電網(wǎng)參數(shù)校驗的準確性，從而提高電網(wǎng)事故分析和穩(wěn)定控制的水平，提高電網(wǎng)運行效率和可靠性，適應(yīng)我國智能電網(wǎng)的發(fā)展需要[1～5]。同時，對該方案進行試驗研究，提出利用電力SDH系統(tǒng)傳輸時間同步信號組網(wǎng)中需注意的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2 時間同步技術(shù)

時間同步技術(shù)是解決相位同步問題。時間同步可采用多種通信技術(shù)，每一種技術(shù)都各有特色，不同技術(shù)的時間同步準確度也有較大差異，具體見表1。

2.1 衛(wèi)星系統(tǒng)同步技術(shù)

GPS時間同步技術(shù)是當(dāng)前比較成熟并在國際上廣泛使用的時間同步技術(shù)。電力系統(tǒng)的時間同步也采用該方式。但是，該技術(shù)存在3個問題：第一，GPS系統(tǒng)受美國軍方控制，其P碼僅對美國軍方和授權(quán)用戶開放,民用C/A碼的時間同步精度比P碼低兩個數(shù)量級，而且其安全性沒有保障；第二，GPS信號通過無線方式傳輸，易受外界干擾；第三，GPS接收機的時刻信號是通過標(biāo)準接口 （如RS-232接口）輸出的，很多網(wǎng)上在用設(shè)備（如交換機）并沒有這種專用接口。與GPS技術(shù)類似的還有前蘇聯(lián)的GLANASS系統(tǒng)和我國的“北斗”系統(tǒng)。 GLANASS系統(tǒng)由于經(jīng)濟原因，星的數(shù)量有限，不能夠24小時全天候地觀察到衛(wèi)星，穩(wěn)定性和可靠性無法保障。“北斗”系統(tǒng)民用正在推廣，星數(shù)量正逐步增加，在我國未來將成為GPS的替代或備用系統(tǒng)。

表1 各種常用的時間同步技術(shù)

2.2 短波收時和長波授時時間同步技術(shù)

利用無線電信號授時已有至少80年的歷史，其覆蓋范圍廣，接收和發(fā)送設(shè)備相對簡單，價格相對低廉。與互聯(lián)網(wǎng)授時技術(shù)相比，該技術(shù)最大的優(yōu)點是可以實時地校準本地時鐘。一般這種接收設(shè)備都具有IEEE-488、RS-232等標(biāo)準接口，以便于連接。目前,國內(nèi)只有中科院陜西天文臺使用短波信號授時。國際上，長波授時主要使用羅蘭-C系統(tǒng)，國內(nèi)發(fā)射臺設(shè)在沿海地區(qū)，主要用于軍用和導(dǎo)航，尚不適合民用。

2.3 電話撥號時間同步技術(shù)

電話撥號授時（ACTS）使用的設(shè)備相對簡單，只需要電話線、模擬調(diào)制解調(diào)器、普通的個人計算機和簡單的用戶端軟件即可。同時，ACTS還提供反饋技術(shù)，它可以部分地抵消電話線的傳輸時延。目前,這種技術(shù)主要用于校準個人計算機時間，若想用來校準其他本地設(shè)備時鐘還需要進一步開發(fā)設(shè)備的接口硬件以及相應(yīng)的軟件。電話撥號授時不具備實時性，通常是免費的，用戶端軟件也可以通過互聯(lián)網(wǎng)免費下載。在國內(nèi)，中國計量科學(xué)研究院和中科院陜西天文臺都提供這種授時服務(wù)。

2.4 互聯(lián)網(wǎng)時間同步技術(shù)

使用互聯(lián)網(wǎng)同步個人計算機的時間是十分方便的，目前國內(nèi)外都免費提供這種服務(wù)。微軟公司已將網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）嵌入到Windows XP操作系統(tǒng)中，只要計算機能聯(lián)到互聯(lián)網(wǎng)，就能進行遠程計算機時鐘校準。標(biāo)準的NTP采用的是RFC 1350標(biāo)準簡化的網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（SNTP）采用的是RFC 1769標(biāo)準。NTP協(xié)議包含一個64 bit的協(xié)調(diào)世界時時間戳，時間分辨率是200 ps，并可以提供1～50 ms的時間校準精度。NTP也可以估算往返路由的時延差，以減小時延差所引起的誤差。但實驗表明：這種技術(shù)在洲際間的時間校準精度只能達到幾百毫秒，甚至只能達到秒的量級。其準確度和NTP服務(wù)器與用戶間的距離有關(guān)，一般在國內(nèi)或區(qū)域內(nèi)可以獲得1～50 ms的時間校準精度。目前，國際上有幾百臺一級時間服務(wù)器提供這種時間同步服務(wù)，其中美國國家標(biāo)準技術(shù)研究院（NIST）的性能最好。

另外，還有兩個相對簡單的、低精度的互聯(lián)網(wǎng)時間協(xié)議：Time 協(xié)議（RFC 868）和 Daytime 協(xié)議（RFC 867），可以提供1 s校準精度的廣域網(wǎng)時間同步。

2.5 SDH網(wǎng)絡(luò)時間同步技術(shù)

國際上剛開始大規(guī)模建設(shè)SDH或SONET網(wǎng)絡(luò)時，人們就提出利用SDH或SONET網(wǎng)絡(luò)傳送高精度時間編碼信號。ITU-R S7組織隨后正式立項研究，美國、歐洲、日本等國家和地區(qū)也進行了大量相關(guān)的研究。這種技術(shù)的主要原理是把與銫鐘同步的時間編碼信號嵌入到SDH或SONET STM-N的復(fù)用段開銷（MSOH）的空閑字節(jié)，信息長度為5 bit，其幀結(jié)構(gòu)符合ITU-T G.708建議。因此，只要不阻斷MSOH信息，就可以實現(xiàn)長距離傳輸。該信息可以通過再生段，但是不能通過復(fù)用段。用SDH的STM-N信號傳送時間頻率信息的優(yōu)點是對抖動的過濾能力強，不受支路指針調(diào)整的影響，因此，可以在STM-N端口之間實現(xiàn)時間信息的透明傳輸。

在該方式下，時間同步網(wǎng)絡(luò)依靠SDH網(wǎng)絡(luò)傳送，傳送網(wǎng)絡(luò)延伸到的地方都能夠傳輸時間同步信息[6]。

3 電力同步網(wǎng)現(xiàn)狀

3.1 電力時間同步網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)狀

目前，電力系統(tǒng)沒有時間同步網(wǎng)，各變電站普遍采用GPS接收系統(tǒng)解決基站時間同步，常用的GPS/北斗星接收機的時間同步精度在±200 ns以內(nèi)。

GPS接收系統(tǒng)成本較低，但部分站點的天線選址、施工難度較大、GPS故障，且完全依賴不受控的衛(wèi)星系統(tǒng)使系統(tǒng)安全難以得到保證，因此建立地面時間傳送系統(tǒng)成為保證電網(wǎng)安全運行的必然選擇。

現(xiàn)有GPS同步的方式，存在以下問題：

·完全依賴于美國GPS衛(wèi)星提供的時間同步信號，安全性和可靠性存在隱患；

·每個基站都要配一套GPS天線，大大增加了密集城區(qū)基站選址和工程安裝的難度；

·衛(wèi)星信號存在易受干擾、自身震蕩等問題，造成故障和安全性隱患。

鑒于此，利用現(xiàn)有SDH傳送時間同步的方案，不僅能解決以上問題，還能節(jié)省GPS站點建設(shè)成本。

3.2 電力時間同步精度要求

目前，在國際基準和國家基準層面所使用的主要是銫原子鐘。銫原子鐘已從70年代的磁選態(tài)銫原子鐘發(fā)展到后來的光抽運銫原子鐘以及近期的冷原子噴泉銫原子鐘，原子秒的不確定度已經(jīng)提高到2×10-15。中國計量科學(xué)研究院建立的冷原子噴泉銫原子鐘于2003年底通過了專家鑒定，其頻率復(fù)現(xiàn)性為5×10-15，已接近國際先進水平。目前商用的小銫鐘的頻率復(fù)現(xiàn)性已達到或優(yōu)于5×10-13的水平。其實，在電力系統(tǒng)時間信號應(yīng)用層面上并不需要國家基準這樣高的時間和頻率準確度，不同的應(yīng)用對準確度的要求是不同的。表2列舉了電力系統(tǒng)的常用設(shè)備和系統(tǒng)對時鐘同步準確度的要求（這里所談的時間準確度是應(yīng)用界面時間相對于協(xié)調(diào)世界時的誤差）。

4 電力通信網(wǎng)利用SDH鏈路傳輸時間同步方案分析

4.1 資源優(yōu)勢分析

目前，電力通信系統(tǒng)中光纖SDH網(wǎng)絡(luò)占據(jù)主導(dǎo)地位，電力SDH光纖網(wǎng)絡(luò)基本覆蓋全網(wǎng)省。經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，已基本覆蓋220 kV及以上的變電站。

SDH網(wǎng)絡(luò)具有天然的頻率同步性能，網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模地成熟應(yīng)用，可靠性高。在SDH網(wǎng)絡(luò)頻率同步的基礎(chǔ)上實現(xiàn)時間同步功能，不額外增加成本，并且實現(xiàn)頻率同步和時間同步的網(wǎng)管統(tǒng)一管理，為地面鏈路傳輸時間同步信號提供良好的資源優(yōu)勢。

4.2 IEEE1588V2協(xié)議

IEEE 1588V2協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標(biāo)準，定義了以太網(wǎng)絡(luò)的PTP（精密時鐘同步）協(xié)議，精度可達到亞微秒級，實現(xiàn)頻率同步和時間同步。

表2 電力系統(tǒng)常用設(shè)備和系統(tǒng)對時間同步準確度的要求

IEEE 1588V2部署的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模型有OC、BC和TC。

OC（ordinary clock）：普通時鐘，OC模式下只能接收時間信號，用于整個網(wǎng)絡(luò)的時間源或時鐘宿，不能同時作為始端和終端。

BC （boundary clock）：邊界時鐘，BC模式相當(dāng)于時間中繼器，是OC兩種類型的混合體，既可以恢復(fù)時鐘，又可以作為時鐘源往下游傳遞時鐘。

TC（transparent clock）：透明時鐘，TC 模式下自身不能恢復(fù)時間和頻率，只對1588報文做延時修正,是網(wǎng)絡(luò)中的中間傳輸節(jié)點，可以不需要進行頻率或時間的回復(fù)，只需補償在網(wǎng)元中的駐留時間。

OC應(yīng)用于首末端節(jié)點，BC和OC原理基本一致，需要頻率同步和時間同步恢復(fù)。

主從同步算法是重要的基本原理，又稱為雙向法[7]。如圖1所示。該方法在電力系統(tǒng)的光纖電流差動保護中也有應(yīng)用[8]。

t1時刻主時鐘向從時鐘發(fā)送帶有t1時刻信息的報文，t2時刻從時鐘收到該報文后，t3時刻向主時鐘回應(yīng)報文，t4時刻主機收到該報文。定義offset為主從時鐘差，delay為傳輸延時,則:

1588V2的另一關(guān)鍵技術(shù)是 BMC（best master clock，最佳時鐘算法），各端口定期發(fā)送時鐘通告信息，每單板上的端口比較收到的時鐘信息，得出這個單板上的最佳時鐘源；時鐘板比較各單板選出的最佳時鐘源，決定出最佳時鐘源，并下發(fā)給各端口進行同步；同時根據(jù)相關(guān)信息，BMC算法和端口狀態(tài)機決定出端口的狀態(tài)。BMC的目的旨在避免同時出現(xiàn)多個或沒有時鐘源，并對整網(wǎng)時鐘生成時鐘樹，產(chǎn)生一級級的主從關(guān)系，從而消除時鐘環(huán)路。

4.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

時間同步網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可根據(jù)通信網(wǎng)的需求采用不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。對于大型通信網(wǎng)絡(luò)來說，可以考慮采用分級分層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。與基準時間源直連的時間服務(wù)器稱為一級時間服務(wù)器，一級時間服務(wù)器同時又將時間基準傳送給與之相連的網(wǎng)元或二級時間服務(wù)器。二級時間服務(wù)器只接受一級時間服務(wù)器提供的時間基準，它完成時間的分配和協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，為其所在網(wǎng)絡(luò)提供時間服務(wù)，同時向下游的時間服務(wù)器傳送時間。依此類推，實現(xiàn)整個時間同步的主從等級結(jié)構(gòu)。通常我們也稱一級時間服務(wù)器為主時間服務(wù)器，二級或二級以下的時間服務(wù)器為從時間服務(wù)器。

5 利用SDH傳輸時間同步測試研究

5.1 測試環(huán)境描述

利用SDH鏈路傳輸時間同步方案的測試環(huán)境主要包含4大部分，即時間同步源、傳送網(wǎng)、時間服務(wù)器和電力保護設(shè)備。

時間同步源采用BITS內(nèi)置銣原子鐘，從北斗衛(wèi)星或GPS提取參考時間同步信號，實現(xiàn)全網(wǎng)BITS設(shè)備之間的時間同步，提供同步時間輸出。

傳送網(wǎng)MSTP實現(xiàn)全網(wǎng)時間同步信息的分發(fā)，各站之間的時間同步精度優(yōu)于1 μs。

時間服務(wù)器可從傳送網(wǎng)提取時間同步信息，實現(xiàn)時間同步功能對GPS的備份或者替代，并將時間信號傳授給電力二次終端設(shè)備。

測試環(huán)境中的傳輸設(shè)備采用華為OSN3500，時間服務(wù)器采用上海漢鼎時間服務(wù)器，傳輸設(shè)備的時間源采用華為BITS，支持同步時間輸出(1PPS+TOD)。傳輸設(shè)備和時間服務(wù)器之間，使用標(biāo)準的B碼接口。測試環(huán)境描述如圖3所示。

5.2 測試內(nèi)容及結(jié)果分析

5.2.1 傳輸時間同步精度偏差測試

按照電力業(yè)務(wù)時間精度的最高要求，端到端時間輸出的1PPS與銣鐘同步參考源之間的最大相差在 1.0 μs以內(nèi)。為檢驗經(jīng)過4跳傳輸設(shè)備的時間跟蹤精度與GPS時間精度對比，特進行本項測試。

1h測試結(jié)果表明末端傳輸設(shè)備輸出的1PPS與銣鐘同步參考源之間的相差約50 ns；時間服務(wù)器（以自身GPS為基準）1 pps輸出與銣鐘同步參考源的相差約150 ns。

4h測試結(jié)果表明：末端時間服務(wù)器輸出的1 PPS與銣鐘同步參考源之間的相差約220 ns；末端SDH設(shè)備輸出的1 pps與銣鐘同步參考源之間的相差約50 ns。

5.2.2 時間服務(wù)器GPS與傳輸B碼時間信號倒換性能測試

測試時如圖4搭建測試組網(wǎng)拓撲，紅色時間傳輸路徑上各端口啟用BMC算法；時間服務(wù)器默認使用GPS時間信號；斷開時間服務(wù)器的GPS信號，時間服務(wù)器自動切換到傳輸B碼輸入信號，在切換過程中利用示波器測量時間輸出的精度（1PPS），測試時間 1 h；恢復(fù)設(shè)備GPS信號，穩(wěn)定后時間源自動切回GPS；在切換過程中利用示波器測量時間輸出的精度（1PPS），測試時間1 h。

時間服務(wù)器在GPS信號異常時，輸出的時間變化約128 ns。時間服務(wù)器在GPS信號恢復(fù)過程中，輸出的時間變化約120 ns。

5.2.3 SDH傳輸路徑倒換性能測試

測試時間同步路徑發(fā)生倒換時的時間輸出精度。測試時如圖3搭建測試組網(wǎng)拓撲，各端口啟用BMC算法；時間服務(wù)器選擇使用傳輸輸入的B碼接口時間信號；傳輸環(huán)進行拔纖倒換，模擬時間同步路徑發(fā)生變化（保證在撥纖前后頻率全網(wǎng)同步）；撥纖后，時間同步路徑會自動切換到上備用（圖4中紅色虛線）路徑；在倒換過程中利用示波器測量末端 OSN3500時間輸出的精度（1PPS），測試時間2 h；在倒換過程中時間服務(wù)器跟蹤B碼接口，測量1 pps輸出精度，測試時間為2 h。

測試結(jié)果顯示傳輸設(shè)備末端輸出的1PPS與銣鐘同步參考源之間的相差小于20 ns；時間服務(wù)器跟蹤傳輸B碼接口，測量1PPS與銣鐘同步輸出的相差約110 ns。

沙坡滑坡：位于溝域左岸中部，平面近似“簸箕形”，斜坡坡向為280°，地形整體坡度為15°～30°，局部坡度為35°～65°；斜坡前緣高程約為805.0～840.0m，后緣高程為930.0m，前后緣相對高差約為100.0m，該滑坡體橫寬度約為180m，縱長約為200m，面積約為3.6×104 m2，滑體為該滑坡平均厚度約為7.0m，體積約為25.2×104 m3，為中型土質(zhì)滑坡。

5.2.4 電力系統(tǒng)二次設(shè)備對時測試

利用基準時間服務(wù)器給電力二次設(shè)備校正時間。測試時如圖3所示搭建測試環(huán)境；設(shè)置電力二次設(shè)備時鐘為一個錯誤的時間(與BITS時間不一致)；BITS接收來自GPS或者北斗衛(wèi)星傳送來的時間信號；經(jīng)過MSTP傳送網(wǎng)絡(luò)傳輸后，時間信號從D網(wǎng)元通過B碼接口傳入時間服務(wù)器，時間服務(wù)器同樣也經(jīng)過B碼方式送入電力二次設(shè)備中。

測試結(jié)果表明電力二次設(shè)備時間顯示被校正，與BITS時間保持一致。

綜合以上測試結(jié)果，可以得出以下重要結(jié)論：

·利用SDH網(wǎng)絡(luò)傳輸時間同步信號是可行的，時間精度能夠滿足現(xiàn)有電力業(yè)務(wù)的需求；

· 對于支持1588V2協(xié)議的BITS/基站來說，通過業(yè)務(wù)接口FE、GE可實現(xiàn)和承載設(shè)備互聯(lián)，即可實現(xiàn)1588V2的布署連接要求；

·BITS/基站不支持1588V2，那么可通過業(yè)務(wù)接口之外的外接口（1PPS＋TOD）實現(xiàn) BITS/基站和承載設(shè)備的連接；

·不同廠家設(shè)備對1588V2的理解和應(yīng)用存在差異，互通時可能存在可靠性問題；

·利用SDH構(gòu)建的時間同步網(wǎng)絡(luò)要求所有相鄰站點的雙向光纖距離等長，差別超過5 m就需要進行校準，因此對雙向傳輸光纖的距離提出嚴格要求。

6 結(jié)束語

電力系統(tǒng)的時間同步網(wǎng)絡(luò)建設(shè)相對滯后，時間統(tǒng)一問題是電力系統(tǒng)自動化技術(shù)發(fā)展的障礙。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進，時間同步需求越來越迫切。電力SDH光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，應(yīng)用廣泛成熟，利用SDH網(wǎng)絡(luò)同時傳輸頻率同步和時間同步信號，是解決當(dāng)前各變電站單一依靠GPS/北斗授時所帶來的安全、工程安裝、維護等問題的快速、有效的方案，不僅可實現(xiàn)各變電站授時系統(tǒng)的天（GPS）地（傳輸）備份，增強系統(tǒng)安全和可靠性，而且將實現(xiàn)時間同步網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理。本論文從理論分析了方案的可行性，并通過測試試驗，驗證了利用具有良好的頻率同步性能的SDH傳送網(wǎng)絡(luò)傳輸時間同步信號可以滿足電力業(yè)務(wù)的時間同步要求，同時也指出了設(shè)備在組網(wǎng)過程中需具備的基本配置要求。但在實際組網(wǎng)過程中，應(yīng)注意以下重要問題：明確現(xiàn)有設(shè)備是否支持時間同步功能的額外要求，或是通過軟硬件升級支持該功能；雙向光纖長度差異將影響時間同步的精確度；網(wǎng)絡(luò)中時間服務(wù)器設(shè)備的精確度是否滿足要求；網(wǎng)絡(luò)中盡量避免不同廠家的設(shè)備采用1588V2協(xié)議互通等。

總之，利用SDH傳送網(wǎng)綜合傳輸時間同步和頻率同步的方案，具有理論可行性，對該方案的不斷完善和改進，將加強電力時間同步網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，提高電網(wǎng)的協(xié)同一致性。

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