王純青 劉晗 張進虎

【摘要】 智能化電網(wǎng)的發(fā)展對時間同步提出了越來越高的要求，高精度、大范圍、高性能的時間同步系統(tǒng)成為電網(wǎng)正常運行的必要保證。本文通過分析IEEE1588實現(xiàn)高精度時鐘同步的主要原理，利用PTP over SDH，在調(diào)度范圍內(nèi)建立了一個以調(diào)度中心為唯一時鐘源的時鐘同步網(wǎng)，達到了全網(wǎng)時間精度優(yōu)于1μs的技術(shù)指標。

【關(guān)鍵詞】 時間同步 PTP over SDH 時間精度

一、引言

從傳統(tǒng)意義上講，電網(wǎng)具有三大要素——電壓、電流和相位。他們是衡量電網(wǎng)質(zhì)量的重要參考指標。隨著科技的發(fā)展，電力系統(tǒng)的不斷完善，電力市場需求更加多變，人們充分認識到電網(wǎng)還有一個更為關(guān)鍵的要素——時間。變電站時間同步經(jīng)歷了各設(shè)備獨立配置GPS接收機到全站統(tǒng)一GPS系統(tǒng)的階段，盡管全站統(tǒng)一GPS系統(tǒng)解決了獨立配置GPS接收機的諸多弊端，但不能確保各變電站之間的時間同步，并且一旦GPS系統(tǒng)出現(xiàn)故障，各站時間系統(tǒng)將出現(xiàn)紊亂。只有通過組建地面時間同步網(wǎng)才能解決上述問題，全網(wǎng)時間同步網(wǎng)也是智能化大電網(wǎng)發(fā)展的必然要求。

二、IEEE1588標準概述

IEEE 1588標準的全稱是“網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標準”IEEE1588標準是通用的提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)定時同步能力的規(guī)范，主要參考以太網(wǎng)來編制，使分布式通信網(wǎng)絡(luò)能夠具有嚴格的定時同步。基本構(gòu)思是通過硬件和軟件將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（客戶機）的內(nèi)時鐘與主控機的主時鐘實現(xiàn)同步，提供同步建立時間小于10μs的運用，與未執(zhí)行IEEE 1588標準的以太網(wǎng)延遲時間1000μs相比，整個網(wǎng)絡(luò)額定時同步指標有顯著的改善。

IEEE 1588標準定義的PTP借鑒了互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）技術(shù)，具有容易配置、快速收斂以及對網(wǎng)絡(luò)帶寬和資源消耗少等特點。IEEE 1588標準的應(yīng)用環(huán)境是適合用于支持多播消息的分布式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)（如EtherNet），且對時原理較為簡單，系統(tǒng)中有一個主、從時鐘，主時鐘通過周期性地向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送一個包含時間信息的信息包，從時鐘收到后，進行時鐘偏移測量和延遲測量，利用偏移測量來修正從時鐘的本地時鐘，利用延遲測量來解決線路延遲量的影響。

三、IEEE 1588標準時鐘的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 采用IEEE 1588標準時鐘同步的關(guān)鍵硬件

介質(zhì)無關(guān)接口（Media Independent Interface，MII）或稱為媒體獨立接口，是IEEE-802.3定義的以太網(wǎng)行業(yè)標準，其包括一個數(shù)據(jù)接口，以及一個數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）和物理層（PHY）之間的管理接口。

數(shù)據(jù)接口包括分別用于發(fā)送器和接收器的兩條獨立信道，每條信道都有自己的數(shù)據(jù)、時鐘和控制信號。

管理接口含時鐘信號和數(shù)據(jù)信號兩個接口。通過管理接口，上層能監(jiān)視和控制物理層（PHY）。MAC通過MAC子層與PHY實現(xiàn)了無縫鏈接，不同的物理傳輸介質(zhì)對于MAC而言都是通過一個共同的接口進行數(shù)據(jù)交換的，這個接口稱作介質(zhì)無關(guān)接口（MII）[1]。MII傳輸信號為數(shù)字信號，這在原理上證明了在物理層對IEEE1588時鐘同步報文進行時間標記是可行的。

IEEE1588標準時鐘中可供空間應(yīng)用的原子時鐘有：銫鐘，銣鐘和氫鐘這3種[2]。目前，國內(nèi)電網(wǎng)比較適合的是銫鐘。IEEE1588標準時鐘利用銫原子內(nèi)部的電子在兩個能級間跳躍時輻射出來的電磁波作為標準，去控制校準電子振蕩器，進而控制鐘的走動。目前，銫原子鐘可以達到500萬年才相差1s。

3.2 數(shù)據(jù)包時間戳檢測

PTP對報文發(fā)送和接收的時間戳，支持由軟件生成或硬件生成的方式[3]。如圖1所示，PTP支持在物理鏈路層A、驅(qū)動程序?qū)覤和應(yīng)用軟件層C處檢測和記錄報文發(fā)送和接收的時間戳；越靠近物理鏈路層，同步精度越高；越靠近應(yīng)用軟件層，同步精度越低。早期的網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）只是由軟件控制，在應(yīng)用層上打時間戳，因此同步精度不高；而PTP為了提高同步精度，既使用軟件，也支持硬件輔助在物理鏈路層檢測和記錄報文的時間，從而把報文從驅(qū)動程序到應(yīng)用層的不確定時間延遲排除在精度的分析之外。

四、某地區(qū)全電網(wǎng)精確同步對時配置方案

某地區(qū)設(shè)有一處調(diào)度中心，以及4個變電站：A1，A2，B1，B2，現(xiàn)在該地區(qū)建立統(tǒng)一的時間同步網(wǎng)及頻率同步網(wǎng)，并且兩種網(wǎng)絡(luò)建立在一套系統(tǒng)設(shè)備上，互相輔助。

4.1 設(shè)備配置與同步方案組織

全網(wǎng)同步方案如圖2所示。

1、在調(diào)度中心配置一臺銫鐘、一臺時間/頻率基準服務(wù)器、一臺時間擴展設(shè)備、一臺BITS。（1）頻率同步網(wǎng)：銫鐘及時間/頻率基準服務(wù)器為頻率同步網(wǎng)提供主備用基準。BITS設(shè)備為SDH網(wǎng)提供外部時鐘輸入，以及為本地設(shè)備提供頻率同步信號。（2）時間同步網(wǎng)：時間/頻率基準服務(wù)器（ST2000）作為整個時間同步網(wǎng)的基準，既為擴展時鐘提供B碼基準，同時為下游變電站的從時鐘（ST2000）提供時間基準。擴展時鐘為本地設(shè)備提供各類時間同步信號。

2、在變電站A1配置一臺時間/頻率從時鐘，一臺時間擴展裝置，以及一臺BITS。（1）頻率同步網(wǎng)：本地的BITS設(shè)備使用滿足G.811標準的線路時鐘作為主輸入?yún)⒖?；時間/頻率從時鐘可以使用本地GPS信號及上游PTP信號作為主備基準，并輸出滿足G.812要求的E1信號作為本地BITS設(shè)備的備用參考。（2）時間同步網(wǎng)：時間/頻率從時鐘輸出B碼給本地時間擴展裝置，時間擴展裝置使用GPS/北斗衛(wèi)星信號及B碼作為主備冗余輸入，并輸出各類時間信號給站內(nèi)設(shè)備同步。

3、在變電站A2配置一面時間擴展屏。（1）頻率同步網(wǎng)：變電站A2的SDH設(shè)備可使用線路時鐘進行同步。如果需要外輸入?yún)⒖?，則可參照變電站A1的配置模式。（2）時間同步網(wǎng)：本地配置一臺擴展設(shè)備，通過光纖與變電站A1的 時間/頻率從時鐘進行同步。并輸出各類時間信號給本地裝置。

4、變電站B2配置一臺時間/頻率從時鐘，一臺時間擴展裝置，以及一臺BITS。（1）頻率同步網(wǎng)：本地的BITS設(shè)備使用滿足G.811標準的線路時鐘作為主輸入?yún)⒖?；時間/頻率從時鐘可以使用本地GPS信號及上游PTP信號作為主備基準，并輸出滿足G.812要求的E1信號作為本地BITS設(shè)備的備用參考。（2）時間同步網(wǎng)：時間/頻率從時鐘輸出B碼給本地時間擴展裝置，時間擴展裝置使用GPS/北斗衛(wèi)星信號及B碼作為主備冗余輸入，并輸出各類時間信號給站內(nèi)設(shè)備同步。

5、在變電站B1配置一面時間擴展屏。（1）頻率同步網(wǎng)：變電站B1的SDH設(shè)備可使用線路時鐘進行同步。如果需要外輸入?yún)⒖?，則可參照變電站B2的配置模式。（2）時間同步網(wǎng)：本地配置一臺擴展設(shè)備，通過光纖與變電站B1的 時間/頻率從時鐘進行同步。并輸出各類時間信號給本地裝置。

4.2 測試結(jié)果

IEEE1588標準對時網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示[4]。在同步對時系統(tǒng)中引入一個發(fā)文機，在運行周期開始，發(fā)文機發(fā)送測試請求報文，報文采用廣播形式；系統(tǒng)中其他設(shè)備，包括時鐘主設(shè)備和從設(shè)備接收到請求報文之后，記錄接收報文的當前時間，并在同一周期時段發(fā)送響應(yīng)報文，報文發(fā)送給評價機，評價機通過比較主從時鐘設(shè)備的接收時間戳，可以比較出系統(tǒng)時鐘同步效果。

本方案采用時間綜合測量儀進行同步測試，測試結(jié)果如圖4所示，連續(xù)一周精度小于1μs。

五、結(jié)語

本文利用現(xiàn)有的傳輸網(wǎng)同步數(shù)字體系（SDH），通過IEEE1588標準同步時鐘協(xié)議，在調(diào)度范圍內(nèi)建立了一個以調(diào)度中心為唯一時鐘源的時鐘同步網(wǎng)。組建高精度的地面授時網(wǎng)絡(luò)將徹底改變目前對于GPS等衛(wèi)星授時系統(tǒng)的完全依賴，具有重要戰(zhàn)略意義。PTP over SDH時間同步網(wǎng)可以大大減少變電站對時系統(tǒng)的重復(fù)建設(shè)，達到較高的對時精度（<1μs），將成為未來智能電網(wǎng)時鐘同步的可靠途徑。