基于電力線載波通信協議的時鐘同步方法研究

王清，荊臻，代燕杰，李琮琮

(國網山東省電力公司營銷服務中心(計量中心)，濟南 250000)

0 引 言

精確的時間信息對于提高低壓配電網可靠運行、用戶用電服務管理水平十分關鍵。近年來，電網公司已建立了用電信息采集主站、采集終端、電能表之間的時間同步體系，時鐘誤差被限定在數秒以內，為用戶用電信息數據分析，分時電價、階梯電價政策執行提供了堅實保障[1]。隨著新型電源(大量分散小容量戶用光伏)、負荷(儲能、電動汽車)的接入，末端電網運行隨機性與波動性特征日益明顯[2]，為了解決新型電源與負荷需求時空不平衡的難題，加強低壓配電網精益化運行的管控，電網公司對低壓配電網提出了“可觀可測可控”的要求，目的是實現全面、敏捷、精準地掌握低壓電網設備運行狀態并實時做出響應控制。為此，電網公司將加大低壓配電網分鐘級信息采集頻率應用范圍[3]，逐步建設配變、智能開關等設備的運行狀態“微妙級”信息監測能力[4]，從而更好地為臺區互聯供需平衡、分段線損精細化計算、停電上報、用電負荷辨識等新興業務提供支撐[5-8]。

以上新興業務的發展均離不開臺區設備高精度時鐘同步的保障。自2016年以來，電網公司已在低壓臺區推廣應用了基于正交頻分復用(OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的寬帶電力線載波通信(HPLC, High-speed Power Line Communicaiton)[9-13]，HPLC技術是一種高速電力線通信技術，電力線通信技術是指利用電力線作為通信介質進行數據傳輸的一種通信技術。由于電力線是最普及、覆蓋范圍最為廣闊的一種物理媒體，利用電力線傳輸數據信息，具有極大的便捷性，無需重新布線，即可將所有與電力線相連接的電器組成一個通信網絡，進行信息交互和通信。這種方式實施簡單，維護方便，可以有效降低運營成本、減少構建新的通信網絡的支出，因而已成為智能電網、能源管理、智慧家庭、光伏發電、電動汽車充電等應用的主要通信手段。HPLC面向電力抄表的高速電力線通信工作頻率范圍包含 2.4 MHz～5.6 MHz、2 MHz～12 MHz、0.7 MHz～3 MHz、1.7 MHz～3 MHz，具有相對較寬的帶寬，能夠提供數百Kbps至幾Mbps的數據傳輸速率，且電力線在高頻段的噪聲相對較弱，相對于窄帶電力線通信，通信可靠性和穩定性顯著提升,有力支撐了低壓臺區高速數據通信需求。寬帶電力線載波通信更高的數據傳輸速率意味著更低的通信時延，為應用同步授時協議實現低壓設備時間同步提供了基礎條件。

目前，已發布的寬帶電力線載波通信協議規定了用電信息采集主站、采集終端與電能表之間時間同步方法[14-17]。采集終端和電能表均支持內部時鐘單元，用電信息采集主站可以通過實時點抄方式或通過集中器周期廣播方式對電能表進行校時。同時，通過在電能表載波模塊中增加時鐘誤差監測功能，及時發現電能表與采集終端時差越限事件，并主動生成事件報文上報給采集終端或用采主站。文獻[18]研究了針對GPS、PTP協議[19]、NTP協議等多時鐘源的時間判定方法，從而有效地提高了用電信息采集主站主時鐘精度。文獻[20]通過令采集終端主動與用采主站對時，降低了對時業務與采集業務的沖突概率，提高了對時可靠性。文獻[21]提出了在用采主站與采用終端之間通過多次對時判斷通道傳輸時延是否穩定，從而獲得信道傳輸條件良好情況下的鐘差校準值，有效減輕了因通信傳輸時延波動性導致對時不準的問題。文獻[22]提出了一種基于采集終端中繼時延越限判斷的改進同步對時協議，也有效提高了對時準確率。

電力線載波通信以電力線作為傳輸介質，載波信號傳輸電磁環境復雜，且多分支等效阻抗與載波接收模塊的耦合電路輸入阻抗難以完全匹配，導致了載波信號傳輸的多徑效應、信號衰減以及鄰區干擾等現象[23-28]，導致通信時延波動范圍大，需增加中繼節點逐級轉發，這就容易造成對時偏差大、逐級對時誤差累計等現象。多數文獻的時間傳遞主要依賴應用層業務規約攜帶時間信息的方式，忽略了載波通信時延以及采集設備解碼應用層時間戳信息處理時延。

綜上，文中綜合考慮了協議處理時延和載波中繼傳輸延遲的影響，設計了相關延遲估計和糾偏方法。特別地，針對載波通信信號傳輸延遲，文中提出在本級信標幀中增加了“前級對時誤差”數據域，本級設備可以利用該數據域提供的時間誤差信息有效抑制載波通信傳輸延時波動、以及多級中繼累計誤差給精準對時帶來的影響。

1 現有低壓載波通信時鐘同步業務

現有HPLC技術體制的時鐘同步技術已有研究機構做了全面詳盡的闡述。現有HPLC技術所包含的精準時鐘同步業務包括周期廣播對時業務、精確廣播對時業務、特定表計點抄單播校時業務以及表計時鐘誤差監測業務四種類型。周期廣播對時業務是由集中器CCO對臺區所有STA執行的。一般每天在臺區內進行一次全臺區的表計時鐘廣播同步操作，將各個表計的時鐘同步到集中器本地時鐘，通過HPLC廣播校時命令進行全網從節點的時鐘同步。精確廣播對時業務，一般認為HPLC的廣播通信時延可以忽略不計，但針對臨域干擾多、本地網絡層級深、通信質量惡劣的臺區，HPLC本地廣播通信時延可能會達到數秒，需要采用預置對時時間的方式實現高精度的廣播對時[29]。特定表計點抄單播校時業務是主站發起對某個表計的點對點對時業務。針對某些時鐘超差表計，其時鐘誤差超過廣播校時的容許范圍時，無法通過廣播校時進行校時時，采用實時點抄的方式由主站直接進行節點時鐘的校時。表計時鐘誤差監測業務是通過集中器或主站采集表計時鐘信息，并估算誤差實現的。集中器或主站可以周期性針對臺區內的所有表計進行當前時鐘信息的招測，由集中器或主站進行時鐘誤差的分析，針對誤差大的表計進行點抄單點校時；針對時鐘誤差問題比較大的臺區，可以在載波STA模塊中增加時鐘誤差監測功能，當電能表的時鐘與集中器的時鐘誤差出現超差時，主動生成事件上報報文，集中器將該事件轉發到主站，最終由主站進行超差表計時鐘的處置。

集中器CCO針對廣播校時命令則是處理1 376.2中的廣播命令報文，發起HPLC標準中的廣播校時命令。集中器CCO對精確對時命令的執行步驟包括處理1 376.2中擴展的精確對時命令報文，發起HPLC本地精確校時命令。集中器CCO針對表計時鐘超差事件的處理則是接收STA發來的表計時鐘超差事件，生成相關事件上報集中器。

采集器PCO針對廣播校時命令進行廣播轉發的同時，并向其下游電能表轉發，實現電能表時鐘與集中器的同步，忽略廣播通信的延時。采集器PCO針對精確對時機制的廣播校時命令，在轉發廣播命令后，等到報文中聲明的時刻進行下游電能表對時命令的轉發，實現全網同步的精確對時，對廣播通信延時進行屏蔽。采集器PCO執行時鐘相關的抄表命令時，針對各類抄表報文，可以執行相關的單播校時及時鐘信息采集業務。采集器PCO針對表計時鐘誤差的監測步驟包括：將集中器的時鐘和電能表的時鐘進行比對，如果超過了技術要求的規定，上報相關時鐘超差事件。

在執行以上業務時，表計STA針對廣播校時命令進行廣播轉發的同時，并向其下游電能表轉發，實現電能表時鐘與集中器的同步，忽略廣播通信的延時。表計STA針對精確對時機制的廣播校時命令，在轉發廣播命令后，等到報文中聲明的時刻進行下游電能表對時命令的轉發，實現全網同步的精確對時，對廣播通信延時進行屏蔽。表計STA針對表計時鐘誤差的監測是將集中器的時鐘和電能表的時鐘進行比對，如果超過了技術要求的規定，上報相關時鐘超差事件。

2 低壓配電網載波通信對時誤差估計方法

低壓配電網單臺區載波通信網絡拓撲如圖1所示，集中器載波通信單元作為中央協調器 (Central Coordinator, CCO)、采集器載波通信單元作為代理協調器(Proxy Coordinator, PCO)、電能表載波通信單元作為站點 (Station, STA)，所有設備均遵從載波通信數據鏈路層協議[16]組網和收發數據。CCO、PCO與STA的載波通信MAC層協議是基于信標的載波偵聽多址接入(Carrier Sense Multiple Access, CSMA)，這就要求CCO、PCO與STA之間必須存在某種物理層幀同步機制，支撐全網時隙資源占用協調。

圖1 載波通信中繼鏈路示意圖

文中第1小節介紹的低壓載波通信時鐘同步業務是基于載波通信幀同步技術實現的。載波通信幀同步是通過在COO設備中維護一個32位計時器，數值為網絡基準時間(Network Time Baseline, NTB)，其被定義為中央信標MPDU的幀控制的第一個非零樣本(采樣間隔為40 ns)出現在發射端設備的模擬輸出上的那一瞬時時刻的計時器的值，該值被封裝在中央信標中的“信標時間戳”并向全網站點廣播，全網設備同樣維持一個與COO頻率相同(25 MHz)的32位計時器，通過前導序列自相關實現信標捕獲后，將自身計時器取值與CCO的NTB取值保持一致，這樣就實現了全網站點對信標周期內的時隙分配結果的統一理解，保障了數據收發正確性。從以上載波通信物理層幀同步機制分析中發現：該機制雖然達到了40 ns同步的粒度，但僅實現了CCO、PCO與STA之間相對同步滿足全網時隙分配結果，該同步機制并未令它們的時鐘與統一世界時保持一致，而如停電上報、費控等業務需依賴事件發生、結束的絕對時刻，因此無法直接運用于業務應用的授時。

文中集中器CCO單元已通過對時協議獲取到的主站精準時鐘為TM，TCCO、TPCO、TSTA分別為CCO、PCO、STA單元時鐘時刻，它們分別作載波通信全網主時鐘、透明時鐘及從時鐘。TCCO、TPCO、TSTA參照北斗時定義，為當前時刻距2006年1月1日0時0分0秒協調世界時的累計采樣點計數，CCO、PCO、STA時鐘包含一個56位計數器記錄當前時刻的采樣點計數。TCCO、TPCO通過擴展文獻[16] 5.1.2.4.2小節“信標幀載荷字段”保留的64比特實現，這就意味著利用中央信標、代理信標周期性廣播，全網站點都可以獲取到主時鐘、透明時鐘的精確時間。

下文給出主時鐘、透明時鐘的精準對時方法的詳細設計。當集中器主時鐘獲取主站精準時鐘后，映射到中央信標的主時鐘為：

TCCO=TM+EH+ES

(1)

式中EH為集中器，將TM映射到MAC層信標幀載荷的協議處理時延，這個時延值通過事先測量獲得，事實上文獻[16] 5.2.9.2小節規定了從NTB實際發送時間與經過MAC層處理后映射到信標幀載荷BTS的處理時延誤差小于±1 250抽樣點(±50 μs)。ES為集中器獲取中央信標MPDU的幀控制的第一個非零樣本的采樣誤差，文獻[16] 5.2.9.2小節同樣規定了該誤差抖動小于0.25 μs。

(2)

(3)

為了實現對傳輸時延的估計，文中設計了一種校時確認幀發送機制：在TDMA時隙中預留一段時間片，由CCO(或PCO)向PCO(或STA)逐一發送校時確認幀，如圖2所示；校時確認幀基本結構類似于SOF確認幀的ACK反饋，如圖3所示。參照文獻[16] 5.1.2.2小節“MPDU幀控制格式”中“表9 MPDU幀控制字段”，定界符類型擴充一個值“4”代表校時確認幀，可變區域由源TEI修改為目的站點的TEI，基于校時確認的雙方對時隙分配的統一理解基礎之上，當PCO(或STA)的下行校時確認幀到達時，通過對前導的自相關捕獲可以獲得下行傳輸時延估計值。

圖2 全網校時確認幀發送示意圖

圖3 校時確認幀幀結構示意圖

此外，站點接受到該校時確認幀后，比對解碼的目的TEI判斷是否為自身校時確認幀，同時將可變區域的信標時間戳與自身已同步的NTB值比對判斷在一個信標周期內，以上條件同時滿足則認為下行傳輸時延估計值是真實可信的。在獲得各類對時誤差值后，PCO及STA就可以根據式(2)、式(3)更新自身時鐘，從而為各類具有精準授時需求的業務提供精準時間信息。

由圖2可知，校時確認幀時長是前導、控制幀及BIFS總和，根據文獻[17]規定的物理層幀結構長度，單個校時確認幀耗時總計約1.5 ms，按照臺區200個站點規模測算，全網校時確認幀耗時約占300 ms，相較于數秒～數十秒的信標周期而言增加量在可接受范圍之內。CCO根據整網節點路由信息安排自身及各級PCO校時確認幀發送次序，如圖2所示；同時，COO擴展信標載荷內容，將文獻[16] 5.1.2.4.2小節中的“表35時隙分配條目”中保留的10個比特用于指示“校時確認TDMA時隙長度”，單位為1 ms。

3 低壓配電網載波通信對時協議流程

基于上述研究，文中提出了一種基于電力線載波通信協議的時鐘同步流程，如圖4所示。

圖4 基于電力線載波通信協議的時鐘同步流程示意圖

圖4具體步驟如下：初始狀態：CCO、PCO、STA初始時鐘時刻TCCO、TPCO、TSTA；輸出結果：TPCO、TSTA更新后的時鐘時刻。

步驟1：CCO時鐘單元根據主站對時協議精準同步于主站時鐘，并將根據式(1)更新的TCCO映射至信標幀載荷字段預留比特位，傳輸至下一級PCO；

步驟4：PCO或STA未收到信標幀或校時確認幀解碼獲得信標時間戳不在當前信標周期，則判定出現了丟包或延遲超過一個以上的信標周期，則放棄本次對時，等待下一信標周期到來后重新對時。

4 實驗結果與分析

文中采用了物理層OFDM調制，信標CSMA介質訪問協議的載波通信系統。子載波間隔為24.424 kHz，采樣間隔為1/25 MHz。將MAC層處理時延測量誤差建模為高斯分布，誤差抖動均值與方差通過統計方法獲得；而將載波信號傳輸時延、采樣時刻的誤差抖動建模為[-0.25 μs ,0.25 μs]均勻分布。CCO、PCO、STA內部時鐘考慮真實的頻率偏移誤差，即內部時鐘單元頻率采用以標稱頻率(25 MHz)、固定頻偏(±25 PPM)以及頻率漂移率為系數的時間變量二次式表達，頻率漂移率可通過查找時鐘單元的產品手冊獲得。信標周期可以被設定為5.12 s或10.24 s。

圖5給出了現有基于應用層協議攜帶時間戳信息、忽略載波通信傳輸延遲的對時方法與文中提出的方法的對時誤差累計概率分布函數，信標周期為5.12 s。通過對比發現，現有方法的對時誤差在約81%的概率小于1 ms，主要原因是基于應用層協議的對時方法增加了應用層協議處理時延，同時當對時報文出現丟包重傳時，因傳輸延遲帶來的對時偏差不斷增加。文中所提對時方法的對時精度可以在97%的概率上低于30 μs，導致存在3%概率同步誤差仍大于30 μs的主要原因是MAC層與硬件層時延估計存在誤差抖動；此外， CCO、PCO、STA內部時鐘頻率偏移導致在信標周期5.12 s內存在微小的時鐘偏差。

如圖6所示，信標周期為10.24 s較5.12 s的對時誤差更大，分別約為50 μs和30 μs。原因是文中所提方法是按照信標周期進行對時，隨著對時周期的增大，由時鐘偏移帶來的影響逐漸增加。文中所提載波通信對時方法是與現有MAC層協議完全匹配融合，協議執行可靠性有保障。即使存在某個STA站點因通信丟包而無法對時，下一周期仍可以通過更新的TCCO重新對時；此外，該方法完全基于電力線載波通信協議MAC層處理機制，更加接近硬件處理過程，協議處理延遲更低；最后通過逐級對時方式有效克服了由于載波中繼帶來的對時誤差累計的問題。

圖5 對時誤差累計概率分布函數

圖6 站點對時誤差仿真結果圖

5 結束語

文中提出了一種基于電力線載波通信MAC層協議的時鐘同步方法，該方法考慮了載波信號在物理層傳輸時延、MAC層協議處理延遲以及采樣偏差(又稱作幀同步對齊偏差)等因素的影響，利用載波通信MAC層協議設計了周期性全網對時方法，為了適配PCO、STA與CCO之間精準對時需求，基于現有協議體系給出了協議報文修改升級內容，并設計了對時流程。文中所提的對時方法具有精度高、與現有協議兼容性好、易于升級實現等優勢。