趙俠 陳一強 陳其銘

【摘? 要】綜合考慮成本、設(shè)備尺寸、工程安裝和運維等因素，基于5G網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)同步技術(shù)比其他時間同步技術(shù)更具備優(yōu)勢。分析了5G網(wǎng)絡(luò)的時間同步精度，給出基于5G網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)同步方案及應用實例，對未來基于5G網(wǎng)絡(luò)同步方案的大規(guī)模應用具有指導意義。

【關(guān)鍵詞】5G;授時;時間同步;電力系統(tǒng);IRIG-B碼

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.07.002? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）07-0007-06

引用格式：趙俠，陳一強，陳其銘. 基于5G的電力系統(tǒng)時間同步方案[J]. 移動通信， 2020，44（7）： 7-12.

0? ?引言

隨著數(shù)字化技術(shù)在電力企業(yè)的廣泛應用，電力自動化設(shè)備對時間同步的要求越來越高，電力系統(tǒng)繼電保護、自動化、安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)和生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)等均需要獲得統(tǒng)一的時間基準來滿足事件順序記錄（SOE）、故障錄波、實時數(shù)據(jù)采集時間一致性，確保線路故障測距、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[1]。為了統(tǒng)一全電網(wǎng)自動化設(shè)備的時間信息，電力企業(yè)各自建立了電力系統(tǒng)的時間同步系統(tǒng)。目前，如何應現(xiàn)代化電力系統(tǒng)需求，建設(shè)低成本、高可靠的時間同步系統(tǒng)已成為電力行業(yè)的重點研究內(nèi)容[2-5]。

時間同步系統(tǒng)分為無線授時系統(tǒng)（如美國GPS、歐洲伽利略、中國北斗等衛(wèi)星定位導航授時系統(tǒng)、BPM短波授時系統(tǒng)、BPL長波授時系統(tǒng)等）和有線授時系統(tǒng)（銣原子時間基準網(wǎng)絡(luò)或?qū)＞€的授時系統(tǒng)）[2]。其中，衛(wèi)星定位導航授時需要每個電力終端處都安裝衛(wèi)星定位模塊和衛(wèi)星接收天線，價格昂貴，施工不便;短波、長波授時系統(tǒng)分別存在容易受到干擾和接收系統(tǒng)復雜等問題，難以大規(guī)模應用;有線授時系統(tǒng)信號穩(wěn)定，但在城區(qū)內(nèi)敷設(shè)專線成本較高。當前，新一代移動通信技術(shù)5G已經(jīng)投入商用，5G具有大帶寬、低延時、海量連接的特性，并且采用了基于衛(wèi)星授時的高精度同步技術(shù)，只需要在電力自動化設(shè)備側(cè)安裝具備授時功能的5G通信模組，即可廣泛、快速、準確地傳遞高精度時間信號，已成為電力系統(tǒng)時間同步方案的一種新選擇。

本文首先對比了不同時間同步技術(shù)的時間精度，然后提出一種利用5G為電力系統(tǒng)提供時間同步的技術(shù)方案，并給出該方案的實際試點情況和測試數(shù)據(jù)，對電力企業(yè)降低時間同步系統(tǒng)建設(shè)成本，加速數(shù)字化轉(zhuǎn)型具有參考意義。

1? ? 時間同步技術(shù)精度分析

1.1? 電力系統(tǒng)時間同步要求

電網(wǎng)的電力調(diào)度和故障分析判斷對時間同步有需求，尤其在實時控制領(lǐng)域，電力自動化設(shè)備（系統(tǒng)）直接使用時間同步系統(tǒng)實現(xiàn)時間同步[1]。不同的電力自動化設(shè)備（系統(tǒng)）對時間同步精度有不同的等級要求，根據(jù)《電力系統(tǒng)時間同步技術(shù)規(guī)范》，電力系統(tǒng)被授時裝置對時間同步精確度要求可分為1 μs、1 ms、10 ms和1 s，不同時間同步準確度對應的被授時同步裝置（系統(tǒng)）如表1所示[2]。

1.2? 時間同步技術(shù)比較

目前主要的時間同步技術(shù)有衛(wèi)星同步技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)和基于IEEE 1588精確時間協(xié)議的同步技術(shù)。衛(wèi)星同步技術(shù)時間精度最高，是常用的授時方式，但易受天氣和環(huán)境干擾，穩(wěn)定性較低。網(wǎng)絡(luò)同步采用的NTP協(xié)議（Network Time protocol）在網(wǎng)絡(luò)應用中最為廣泛，但授時精度為毫秒級別。基于IEEE 1588的精確時間協(xié)議PTP協(xié)議（Precision Time Protocol）精準度比NTP協(xié)議更高，PTP協(xié)議用于與網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點進行精確時鐘同步，每個節(jié)點設(shè)備要求支持PTP同步協(xié)議[8]。各時間同步技術(shù)的同步精度及受限因素對比如表2所示。

移動通信基站具備UTC時間（協(xié)調(diào)世界時）的接收能力[9]，目前最新一代的5G移動通信網(wǎng)絡(luò)具有大帶寬、低延時、海量連接和網(wǎng)絡(luò)切片的技術(shù)特性，在滿足電力業(yè)務低時延和安全隔離要求的基礎(chǔ)上，基于5G網(wǎng)絡(luò)的時間同步技術(shù)能有效解決無線專網(wǎng)授時的專用頻段限制，為電力系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的時鐘源，減少因配置GPS天線所產(chǎn)生的投資，是電力同步系統(tǒng)中的一種廣覆蓋、無盲區(qū)、適應性強和低成本的時間同步方案。

1.3? 5G網(wǎng)絡(luò)時間精度

目前商用的5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均采用時分雙工（TDD）模式，為了避免干擾，對時間同步精度要求很高。5G支持的增強移動寬帶（eMBB）、海量機器類通信（mMTC）、超可靠低時延通信（uRLLC）三大應用場景對時間同步精度要求各不相同。當前商用5G網(wǎng)絡(luò)主要服務于eMBB場景，時間同步精度需求基本與4G TDD一致。國際電聯(lián)（ITU）和中國通信標準化協(xié)會（CCSA）都進行了明確規(guī)定[6]：

（1）國際標準ITU/T G.8271對同步網(wǎng)時間精度的要求

參考ITU-T G.8271.1/Y.1366.1中時間同步體系架構(gòu)如圖1所示。

標準ITU-T G.8271.1/Y.1366.1時間同步體系架構(gòu)包括時鐘服務器（PRTC）、時鐘同步網(wǎng)（T-BC/TC）和時鐘同步終端（T-TSC）部分。

參考點B為時鐘服務器（PRTC）的時間精度是100 ns;參考點C為時鐘同步網(wǎng)（T-BC/TC）的時間精度同步，包含鏈路重組和保持的誤差和網(wǎng)元及線路非對稱的誤差，時間精度是1 250 ns;參考點D為時鐘同步終端（T-TSC）的時間精度，包含BBU到RRU或者BBU到AAU等用戶系統(tǒng)延伸誤差，時間精度是1 250 ns，根據(jù)標準ITU-T G.8271.1/Y.1366.1要求，基站的時間同步精度為1 500 ns。

基于標準ITU-T G.8271.1/Y.1366.1時間同步體系架構(gòu)，時間同步網(wǎng)絡(luò)各部分的同步精度如表3所示[7]：

（2）國內(nèi)標準YD/T2375-2011對同步網(wǎng)時間精度的要求

類似地，CCSA也出版了國內(nèi)通信行業(yè)標準YD/T2375-2011《高精度時間同步技術(shù)要求》，基站的時間同步精度包括PRTC的授時誤差、承載網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)恼`差和用戶系統(tǒng)延伸的誤差，同步精度要求為1 400～1 500 ns，如表4所示[7]：

目前我國商用的5G網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備都滿足上述標準要求，時間同步精度在1 500 ns以內(nèi)。隨著物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智能制造等各種垂直行業(yè)應用對5G網(wǎng)絡(luò)的時間同步要求越來越高，各設(shè)備廠商紛紛積極研究如何將無線基站空口時間偏差由目前±1 500 ns進一步提高。3GPP在R15 TS 36.331標準中引入TimeReferenceInfo（時間基準參數(shù)），時間分辨率由LTE的250 ns提升到10 ns，根據(jù)IMT2020發(fā)布的《5G同步組網(wǎng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)白皮書》介紹，未來無線基站空口時間精度將達到百納秒級別，因此，基于5G的時間同步精度可以滿足電力系統(tǒng)的時間同步需求。

2? ?基于5G的電力系統(tǒng)同步方案

基于5G的電力系統(tǒng)時間同步方案包括基站與5G UE的時間同步和5G UE與電力設(shè)備的時間同步兩部分，其中是基站與5G UE的時間同步是指5G UE通過空口從基站獲取到時鐘信息，5G UE與電力設(shè)備的時間同步是指電力設(shè)備通過授時端口從5G UE獲取到時鐘信息，基于5G的電力系統(tǒng)時間同步示意圖如圖2所示。

2.1? 基站與5G UE的時間同步

根據(jù)3GPP TS 38.331標準協(xié)議，UE在向基站獲取小區(qū)的系統(tǒng)信息SI（System Information）過程中，系統(tǒng)消息塊SIB9（SystemInformationBlocks）包含與GPS時間和協(xié)調(diào)世界時（UTC）相關(guān)的參數(shù)，如夏令時（DayLightSavingTime）、GPS時間和UTC之間的閏秒數(shù)偏移量（LeapSeconds）、UTC和當?shù)貢r間之間的偏差（LocalTimeOffset）和SFN邊界對應的協(xié)調(diào)世界時（TimeInfoUTC）等參數(shù)。UE可以使用該系統(tǒng)信息塊中提供的參數(shù)來獲得UTC，GPS和本地時間，UE可以將時間信息用于多種目的，例如協(xié)助GPS初始化，以及同步UE時鐘。

基站與UE同步包括UE頻率和相位同步、UE時間同步兩部分，同步示意圖如圖3所示。

（1）UE頻率和相位同步

目前基站與5G UE上下行同步過程中，基站通過測量UE上行的前導序列，計算終端和基站的時間提前量TA（TimingAdvance），并在隨機接入相應消息RAR（Random Access Response）中把TA值返回給UE，UE做相應的頻率和相位調(diào)整，所以基站與UE之間只有幀的信息，不包括從基站獲得的時間信息。

（2）UE時間同步

受限于基站和UE無線授時支持能力，為了使5G UE從基站獲取精準時間信息，基站和5G UE通過改造升級支持無線授時功能，升級后的基站通過SIB消息通知終端精確時間，終端接收網(wǎng)絡(luò)下發(fā)的精確時間后，進行下行傳播的時延補償，實現(xiàn)基站和UE之間的時間同步，南方電網(wǎng)聯(lián)合華為已向3GPP提交5G電力授時關(guān)于時延補償?shù)臉藴侍岚?，目前正在受理當中?/p>

2.2? 5G UE與電力設(shè)備的時間同步

電力設(shè)備接收授時信號主要有四種方式，分別為脈沖對時、編碼對時、NTP 對時和串行報文對時。其中，脈沖對時時間準確度最高，不大于1 μs;編碼對時次之，時間準確度可達到1 ms;NTP對時準確度約200 μs～10 ms;串行報文對時最差，約1 s[10]。由于脈沖對時信號中不包括年、月、日等時間信息，在實際應用中經(jīng)常采用串口+脈沖兩種相結(jié)合的方式對時，這種方式的缺點是需要傳送2個信號。IRIG-B碼對時方式兼顧了兩者的優(yōu)點，將脈沖對時的準時沿和串口報文對時的時間數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，簡化了對時回路，提高了對時精度。南方電網(wǎng)在智能變電站技術(shù)規(guī)范中明確變電站間隔層和過程層設(shè)備宜采用IRIG-B碼（DC）直流碼方式實現(xiàn)對時。

5G UE通過RS-485線路接入電力設(shè)備對應時鐘輸入接口，采用IRIG-B碼（DC）方式對電力設(shè)備對時。IRIG-B碼（DC）采用脈寬編碼方式，傳輸速率為1幀/秒，每一幀的數(shù)據(jù)包含年、天、時、分、秒等信息。

IRIG-B碼（DC）每一幀數(shù)據(jù)由100個碼元組成，每個碼元的寬度為10 ms，碼元有3種，分別為碼元“P”、碼元邏輯二進制“1”和“0”。每幀從連續(xù)兩個8 ms脈沖中的第2個8 ms脈沖的前沿開始標志，分別為Pr，第0， 1， …， 99碼元。在Pr和P5之間是BCD字段，傳送的是BCD碼格式的時間信息（包含秒、分、時、天4種信息），個位在前十位在后。在P5和P7之間是CF字段，實現(xiàn)控制功能，可根據(jù)實際使用時制定使用方法。在P8和P9之間是SBS字段，是用二進制表示的以秒為單位的時間信息[11-12]。

電力設(shè)備通過IRIG-B碼（DC）解模塊檢測出時間信息和對時脈沖，實現(xiàn)電力設(shè)備的授時工作。

3? ?應用情況

基于5G的電力系統(tǒng)同步方案，2020年1月，中國移動聯(lián)合南方電網(wǎng)在深圳完成全球首條5G SA網(wǎng)絡(luò)差動保護配網(wǎng)線路測試，驗證5G承載電力業(yè)務的關(guān)鍵業(yè)務指標和網(wǎng)絡(luò)指標（如網(wǎng)絡(luò)時延和時間精度等）。

業(yè)務側(cè)深圳供電局在現(xiàn)網(wǎng)的1條110 kV線路中選用3個環(huán)網(wǎng)柜做測試驗證;終端側(cè)選用帶授時功能的測試UE;網(wǎng)絡(luò)側(cè)選用某運營商支持授時功能的2個5G宏站，傳輸選用SPN組網(wǎng)承載電力業(yè)務，核心網(wǎng)選用某運營商的SA核心網(wǎng)。通過搭建真實復雜的實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實現(xiàn)配網(wǎng)差動保護業(yè)務跨基站承載，測試網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

外場測試包括5G通信性能測試、接口測試和電力業(yè)務測試三部分內(nèi)容。5G通信性能測試項及測試結(jié)果如表5所示。

所有測試的5G通信性能指標均達到電力業(yè)務的要求，驗證了5G滿足電網(wǎng)控制類業(yè)務毫秒級低時延和微秒級高精度網(wǎng)絡(luò)授時需求。

4? ?結(jié)束語

電力系統(tǒng)的故障分析、監(jiān)視控制及運行管理均需要高精度的時間同步，隨著大量分布式智能終端廣泛應用在配電網(wǎng)各種節(jié)點上，新能源并網(wǎng)、廣域測控保護等業(yè)務對電力系統(tǒng)時間同步帶來極大的挑戰(zhàn)，基于5G網(wǎng)絡(luò)的同步方案是電力系統(tǒng)創(chuàng)新的授時方式，5G的同步精度可達到百納秒級別，可以滿足電網(wǎng)控制類業(yè)務高精度授時的需求，隨著基站和UE支持授時功能和5G電力授時標準的凍結(jié)，基于5G的時間同步方式將成為電力系統(tǒng)時間同步的最佳選擇。本文論述了基于5G電力系統(tǒng)時間同步方案，并進行外場5G基站環(huán)境測試，各項通信性能指標均達到測試要求，為后續(xù)其他行業(yè)的5G應用提供了很好的參考。

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收稿日期：2020-02-29

作者簡介

趙俠（orcid.org/0000-0003-0072-8424）：

現(xiàn)任職于中國移動通信集團廣東有限公司，從事移動通信技術(shù)創(chuàng)新管理，研究方向為5G新技術(shù)應用。

陳一強（orcid.org/0000-0002-9245-6763）：中級工程師，現(xiàn)任職于廣東省電信規(guī)劃設(shè)計院有限公司，從事運營商網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計，研究方向為5G新技術(shù)應用。

陳其銘：教授級高級工程師，博士畢業(yè)于華南理工大學，現(xiàn)任職于中國移動通信集團廣東有限公司，從事移動通信新技術(shù)試驗工作，研究方向為無線通信。