利用SDH組建時間同步網應用研究

王純青 劉晗 張進虎

【摘要】 智能化電網的發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成為電網正常運行的必要保證。本文通過分析IEEE1588實現高精度時鐘同步的主要原理，利用PTP over SDH，在調度范圍內建立了一個以調度中心為唯一時鐘源的時鐘同步網，達到了全網時間精度優于1μs的技術指標。

【關鍵詞】 時間同步 PTP over SDH 時間精度

一、引言

從傳統意義上講，電網具有三大要素——電壓、電流和相位。他們是衡量電網質量的重要參考指標。隨著科技的發展，電力系統的不斷完善，電力市場需求更加多變，人們充分認識到電網還有一個更為關鍵的要素——時間。變電站時間同步經歷了各設備獨立配置GPS接收機到全站統一GPS系統的階段，盡管全站統一GPS系統解決了獨立配置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系統出現故障，各站時間系統將出現紊亂。只有通過組建地面時間同步網才能解決上述問題，全網時間同步網也是智能化大電網發展的必然要求。

二、IEEE1588標準概述

IEEE 1588標準的全稱是“網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準”IEEE1588標準是通用的提升網絡系統定時同步能力的規范，主要參考以太網來編制，使分布式通信網絡能夠具有嚴格的定時同步。基本構思是通過硬件和軟件將網絡設備（客戶機）的內時鐘與主控機的主時鐘實現同步，提供同步建立時間小于10μs的運用，與未執行IEEE 1588標準的以太網延遲時間1000μs相比，整個網絡額定時同步指標有顯著的改善。

IEEE 1588標準定義的PTP借鑒了互聯網網絡時間協議（NTP）技術，具有容易配置、快速收斂以及對網絡帶寬和資源消耗少等特點。IEEE 1588標準的應用環境是適合用于支持多播消息的分布式網絡通信系統（如EtherNet），且對時原理較為簡單，系統中有一個主、從時鐘，主時鐘通過周期性地向網絡中發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標準時鐘的關鍵技術

3.1 采用IEEE 1588標準時鐘同步的關鍵硬件

介質無關接口（Media Independent Interface，MII）或稱為媒體獨立接口，是IEEE-802.3定義的以太網行業標準，其包括一個數據接口，以及一個數據鏈路層（MAC）和物理層（PHY）之間的管理接口。

數據接口包括分別用于發送器和接收器的兩條獨立信道，每條信道都有自己的數據、時鐘和控制信號。

管理接口含時鐘信號和數據信號兩個接口。通過管理接口，上層能監視和控制物理層（PHY）。MAC通過MAC子層與PHY實現了無縫鏈接，不同的物理傳輸介質對于MAC而言都是通過一個共同的接口進行數據交換的，這個接口稱作介質無關接口（MII）[1]。MII傳輸信號為數字信號，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用的原子時鐘有：銫鐘，銣鐘和氫鐘這3種[2]。目前，國內電網比較適合的是銫鐘。IEEE1588標準時鐘利用銫原子內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 數據包時間戳檢測

PTP對報文發送和接收的時間戳，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、驅動程序層B和應用軟件層C處檢測和記錄報文發送和接收的時間戳；越靠近物理鏈路層，同步精度越高；越靠近應用軟件層，同步精度越低。早期的網絡時間協議（NTP）只是由軟件控制，在應用層上打時間戳，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，從而把報文從驅動程序到應用層的不確定時間延遲排除在精度的分析之外。

四、某地區全電網精確同步對時配置方案

某地區設有一處調度中心，以及4個變電站：A1，A2，B1，B2，現在該地區建立統一的時間同步網及頻率同步網，并且兩種網絡建立在一套系統設備上，互相輔助。

4.1 設備配置與同步方案組織

全網同步方案如圖2所示。

1、在調度中心配置一臺銫鐘、一臺時間/頻率基準服務器、一臺時間擴展設備、一臺BITS。（1）頻率同步網：銫鐘及時間/頻率基準服務器為頻率同步網提供主備用基準。BITS設備為SDH網提供外部時鐘輸入，以及為本地設備提供頻率同步信號。（2）時間同步網：時間/頻率基準服務器（ST2000）作為整個時間同步網的基準，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：本地的BITS設備使用滿足G.811標準的線路時鐘作為主輸入參考；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設備的備用參考。（2）時間同步網：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設備同步。

3、在變電站A2配置一面時間擴展屏。（1）頻率同步網：變電站A2的SDH設備可使用線路時鐘進行同步。如果需要外輸入參考，則可參照變電站A1的配置模式。（2）時間同步網：本地配置一臺擴展設備，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：本地的BITS設備使用滿足G.811標準的線路時鐘作為主輸入參考；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設備的備用參考。（2）時間同步網：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設備同步。

5、在變電站B1配置一面時間擴展屏。（1）頻率同步網：變電站B1的SDH設備可使用線路時鐘進行同步。如果需要外輸入參考，則可參照變電站B2的配置模式。（2）時間同步網：本地配置一臺擴展設備，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 測試結果

IEEE1588標準對時網絡測試結構示意圖如圖3所示[4]。在同步對時系統中引入一個發文機，在運行周期開始，發文機發送測試請求報文，報文采用廣播形式；系統中其他設備，包括時鐘主設備和從設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送響應報文，報文發送給評價機，評價機通過比較主從時鐘設備的接收時間戳，可以比較出系統時鐘同步效果。

本方案采用時間綜合測量儀進行同步測試，測試結果如圖4所示，連續一周精度小于1μs。

五、結語

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