SDH通信网的同步网解决方案研究

丁慧霞，卢 锟，滕 玲，汪 洋

（中国电力科学研究院 北京 100192）

1 概述

智能电网的快速推进，要求全网协调一致，对时间同步的要求日益迫切，需要准确、安全、可靠的时钟信号，为电力系统各类运行设备和业务提供精确的时间服务。但目前电力系统具有时间同步需求的站点多采用自建GPS天线获取时间信号，不成网络体系，无法统一管理，将无法满足智能电网建设的进一步要求。

在通信专业，“同步”概念是指频率的同步，即数字通信网络各个节点的时钟频率同步，其误差应符合标准的规定。目前，在通信网中，频率同步问题已经基本解决，而时间的同步还没有得到很好的解决。时间同步是指网络各个节点时钟以及通过网络连接的各个应用界面的时钟的时刻和时间间隔与协调世界时间（UTC）同步，最起码在全国范围内要和北京时间同步。时间同步网络是保证时间同步的基础，构成时间同步网络可以采取有线方式，也可以采取无线方式。

本论文根据我国电网的各级调度机构、发电厂、变电站、集控中心的各种系统(如调度自动化系统、能量管理系统、生产信息管理系统、监控系统)和设备(如继电保护装置、智能电子设备、事件顺序记录(SOE)、厂站自动控制设备、安全稳定控制装置、故障录波器)对时间同步的要求，提出采用电力SDH光纤通信系统传输时间同步信号的方案，提供统一的时间基准，以满足确保实时数据时间一致性，提高线路故障测距、相量和功角动态监测、机组和电网参数校验的准确性，从而提高电网事故分析和稳定控制的水平，提高电网运行效率和可靠性，适应我国智能电网的发展需要[1～5]。同时，对该方案进行试验研究，提出利用电力SDH系统传输时间同步信号组网中需注意的关键环节。

2 时间同步技术

时间同步技术是解决相位同步问题。时间同步可采用多种通信技术，每一种技术都各有特色，不同技术的时间同步准确度也有较大差异，具体见表1。

2.1 卫星系统同步技术

GPS时间同步技术是当前比较成熟并在国际上广泛使用的时间同步技术。电力系统的时间同步也采用该方式。但是，该技术存在3个问题：第一，GPS系统受美国军方控制，其P码仅对美国军方和授权用户开放,民用C/A码的时间同步精度比P码低两个数量级，而且其安全性没有保障；第二，GPS信号通过无线方式传输，易受外界干扰；第三，GPS接收机的时刻信号是通过标准接口 （如RS-232接口）输出的，很多网上在用设备（如交换机）并没有这种专用接口。与GPS技术类似的还有前苏联的GLANASS系统和我国的“北斗”系统。 GLANASS系统由于经济原因，星的数量有限，不能够24小时全天候地观察到卫星，稳定性和可靠性无法保障。“北斗”系统民用正在推广，星数量正逐步增加，在我国未来将成为GPS的替代或备用系统。

表1 各种常用的时间同步技术

2.2 短波收时和长波授时时间同步技术

利用无线电信号授时已有至少80年的历史，其覆盖范围广，接收和发送设备相对简单，价格相对低廉。与互联网授时技术相比，该技术最大的优点是可以实时地校准本地时钟。一般这种接收设备都具有IEEE-488、RS-232等标准接口，以便于连接。目前,国内只有中科院陕西天文台使用短波信号授时。国际上，长波授时主要使用罗兰-C系统，国内发射台设在沿海地区，主要用于军用和导航，尚不适合民用。

2.3 电话拨号时间同步技术

电话拨号授时（ACTS）使用的设备相对简单，只需要电话线、模拟调制解调器、普通的个人计算机和简单的用户端软件即可。同时，ACTS还提供反馈技术，它可以部分地抵消电话线的传输时延。目前,这种技术主要用于校准个人计算机时间，若想用来校准其他本地设备时钟还需要进一步开发设备的接口硬件以及相应的软件。电话拨号授时不具备实时性，通常是免费的，用户端软件也可以通过互联网免费下载。在国内，中国计量科学研究院和中科院陕西天文台都提供这种授时服务。

2.4 互联网时间同步技术

使用互联网同步个人计算机的时间是十分方便的，目前国内外都免费提供这种服务。微软公司已将网络时间协议（NTP）嵌入到Windows XP操作系统中，只要计算机能联到互联网，就能进行远程计算机时钟校准。标准的NTP采用的是RFC 1350标准简化的网络时间协议（SNTP）采用的是RFC 1769标准。NTP协议包含一个64 bit的协调世界时时间戳，时间分辨率是200 ps，并可以提供1～50 ms的时间校准精度。NTP也可以估算往返路由的时延差，以减小时延差所引起的误差。但实验表明：这种技术在洲际间的时间校准精度只能达到几百毫秒，甚至只能达到秒的量级。其准确度和NTP服务器与用户间的距离有关，一般在国内或区域内可以获得1～50 ms的时间校准精度。目前，国际上有几百台一级时间服务器提供这种时间同步服务，其中美国国家标准技术研究院（NIST）的性能最好。

另外，还有两个相对简单的、低精度的互联网时间协议：Time 协议（RFC 868）和 Daytime 协议（RFC 867），可以提供1 s校准精度的广域网时间同步。

2.5 SDH网络时间同步技术

国际上刚开始大规模建设SDH或SONET网络时，人们就提出利用SDH或SONET网络传送高精度时间编码信号。ITU-R S7组织随后正式立项研究，美国、欧洲、日本等国家和地区也进行了大量相关的研究。这种技术的主要原理是把与铯钟同步的时间编码信号嵌入到SDH或SONET STM-N的复用段开销（MSOH）的空闲字节，信息长度为5 bit，其帧结构符合ITU-T G.708建议。因此，只要不阻断MSOH信息，就可以实现长距离传输。该信息可以通过再生段，但是不能通过复用段。用SDH的STM-N信号传送时间频率信息的优点是对抖动的过滤能力强，不受支路指针调整的影响，因此，可以在STM-N端口之间实现时间信息的透明传输。

在该方式下，时间同步网络依靠SDH网络传送，传送网络延伸到的地方都能够传输时间同步信息[6]。

3 电力同步网现状

3.1 电力时间同步网建设现状

目前，电力系统没有时间同步网，各变电站普遍采用GPS接收系统解决基站时间同步，常用的GPS/北斗星接收机的时间同步精度在±200 ns以内。

GPS接收系统成本较低，但部分站点的天线选址、施工难度较大、GPS故障，且完全依赖不受控的卫星系统使系统安全难以得到保证，因此建立地面时间传送系统成为保证电网安全运行的必然选择。

现有GPS同步的方式，存在以下问题：

·完全依赖于美国GPS卫星提供的时间同步信号，安全性和可靠性存在隐患；

·每个基站都要配一套GPS天线，大大增加了密集城区基站选址和工程安装的难度；

·卫星信号存在易受干扰、自身震荡等问题，造成故障和安全性隐患。

鉴于此，利用现有SDH传送时间同步的方案，不仅能解决以上问题，还能节省GPS站点建设成本。

3.2 电力时间同步精度要求

目前，在国际基准和国家基准层面所使用的主要是铯原子钟。铯原子钟已从70年代的磁选态铯原子钟发展到后来的光抽运铯原子钟以及近期的冷原子喷泉铯原子钟，原子秒的不确定度已经提高到2×10-15。中国计量科学研究院建立的冷原子喷泉铯原子钟于2003年底通过了专家鉴定，其频率复现性为5×10-15，已接近国际先进水平。目前商用的小铯钟的频率复现性已达到或优于5×10-13的水平。其实，在电力系统时间信号应用层面上并不需要国家基准这样高的时间和频率准确度，不同的应用对准确度的要求是不同的。表2列举了电力系统的常用设备和系统对时钟同步准确度的要求（这里所谈的时间准确度是应用界面时间相对于协调世界时的误差）。

4 电力通信网利用SDH链路传输时间同步方案分析

4.1 资源优势分析

目前，电力通信系统中光纤SDH网络占据主导地位，电力SDH光纤网络基本覆盖全网省。经过网络的不断发展，已基本覆盖220 kV及以上的变电站。

SDH网络具有天然的频率同步性能，网络大规模地成熟应用，可靠性高。在SDH网络频率同步的基础上实现时间同步功能，不额外增加成本，并且实现频率同步和时间同步的网管统一管理，为地面链路传输时间同步信号提供良好的资源优势。

4.2 IEEE1588V2协议

IEEE 1588V2协议是网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准，定义了以太网络的PTP（精密时钟同步）协议，精度可达到亚微秒级，实现频率同步和时间同步。

表2 电力系统常用设备和系统对时间同步准确度的要求

IEEE 1588V2部署的网络节点模型有OC、BC和TC。

OC（ordinary clock）：普通时钟，OC模式下只能接收时间信号，用于整个网络的时间源或时钟宿，不能同时作为始端和终端。

BC （boundary clock）：边界时钟，BC模式相当于时间中继器，是OC两种类型的混合体，既可以恢复时钟，又可以作为时钟源往下游传递时钟。

TC（transparent clock）：透明时钟，TC 模式下自身不能恢复时间和频率，只对1588报文做延时修正,是网络中的中间传输节点，可以不需要进行频率或时间的回复，只需补偿在网元中的驻留时间。

OC应用于首末端节点，BC和OC原理基本一致，需要频率同步和时间同步恢复。

主从同步算法是重要的基本原理，又称为双向法[7]。如图1所示。该方法在电力系统的光纤电流差动保护中也有应用[8]。

t1时刻主时钟向从时钟发送带有t1时刻信息的报文，t2时刻从时钟收到该报文后，t3时刻向主时钟回应报文，t4时刻主机收到该报文。定义offset为主从时钟差，delay为传输延时,则:

1588V2的另一关键技术是 BMC（best master clock，最佳时钟算法），各端口定期发送时钟通告信息，每单板上的端口比较收到的时钟信息，得出这个单板上的最佳时钟源；时钟板比较各单板选出的最佳时钟源，决定出最佳时钟源，并下发给各端口进行同步；同时根据相关信息，BMC算法和端口状态机决定出端口的状态。BMC的目的旨在避免同时出现多个或没有时钟源，并对整网时钟生成时钟树，产生一级级的主从关系，从而消除时钟环路。

4.3 网络结构

时间同步网的网络结构可根据通信网的需求采用不同的网络结构。对于大型通信网络来说，可以考虑采用分级分层结构，如图2所示。与基准时间源直连的时间服务器称为一级时间服务器，一级时间服务器同时又将时间基准传送给与之相连的网元或二级时间服务器。二级时间服务器只接受一级时间服务器提供的时间基准，它完成时间的分配和协议转换功能，为其所在网络提供时间服务，同时向下游的时间服务器传送时间。依此类推，实现整个时间同步的主从等级结构。通常我们也称一级时间服务器为主时间服务器，二级或二级以下的时间服务器为从时间服务器。

5 利用SDH传输时间同步测试研究

5.1 测试环境描述

利用SDH链路传输时间同步方案的测试环境主要包含4大部分，即时间同步源、传送网、时间服务器和电力保护设备。

时间同步源采用BITS内置铷原子钟，从北斗卫星或GPS提取参考时间同步信号，实现全网BITS设备之间的时间同步，提供同步时间输出。

传送网MSTP实现全网时间同步信息的分发，各站之间的时间同步精度优于1 μs。

时间服务器可从传送网提取时间同步信息，实现时间同步功能对GPS的备份或者替代，并将时间信号传授给电力二次终端设备。

测试环境中的传输设备采用华为OSN3500，时间服务器采用上海汉鼎时间服务器，传输设备的时间源采用华为BITS，支持同步时间输出(1PPS+TOD)。传输设备和时间服务器之间，使用标准的B码接口。测试环境描述如图3所示。

5.2 测试内容及结果分析

5.2.1 传输时间同步精度偏差测试

按照电力业务时间精度的最高要求，端到端时间输出的1PPS与铷钟同步参考源之间的最大相差在 1.0 μs以内。为检验经过4跳传输设备的时间跟踪精度与GPS时间精度对比，特进行本项测试。

1h测试结果表明末端传输设备输出的1PPS与铷钟同步参考源之间的相差约50 ns；时间服务器（以自身GPS为基准）1 pps输出与铷钟同步参考源的相差约150 ns。

4h测试结果表明：末端时间服务器输出的1 PPS与铷钟同步参考源之间的相差约220 ns；末端SDH设备输出的1 pps与铷钟同步参考源之间的相差约50 ns。

5.2.2 时间服务器GPS与传输B码时间信号倒换性能测试

测试时如图4搭建测试组网拓扑，红色时间传输路径上各端口启用BMC算法；时间服务器默认使用GPS时间信号；断开时间服务器的GPS信号，时间服务器自动切换到传输B码输入信号，在切换过程中利用示波器测量时间输出的精度（1PPS），测试时间 1 h；恢复设备GPS信号，稳定后时间源自动切回GPS；在切换过程中利用示波器测量时间输出的精度（1PPS），测试时间1 h。

时间服务器在GPS信号异常时，输出的时间变化约128 ns。时间服务器在GPS信号恢复过程中，输出的时间变化约120 ns。

5.2.3 SDH传输路径倒换性能测试

测试时间同步路径发生倒换时的时间输出精度。测试时如图3搭建测试组网拓扑，各端口启用BMC算法；时间服务器选择使用传输输入的B码接口时间信号；传输环进行拔纤倒换，模拟时间同步路径发生变化（保证在拨纤前后频率全网同步）；拨纤后，时间同步路径会自动切换到上备用（图4中红色虚线）路径；在倒换过程中利用示波器测量末端 OSN3500时间输出的精度（1PPS），测试时间2 h；在倒换过程中时间服务器跟踪B码接口，测量1 pps输出精度，测试时间为2 h。

测试结果显示传输设备末端输出的1PPS与铷钟同步参考源之间的相差小于20 ns；时间服务器跟踪传输B码接口，测量1PPS与铷钟同步输出的相差约110 ns。

沙坡滑坡：位于沟域左岸中部，平面近似“簸箕形”，斜坡坡向为280°，地形整体坡度为15°～30°，局部坡度为35°～65°；斜坡前缘高程约为805.0～840.0m，后缘高程为930.0m，前后缘相对高差约为100.0m，该滑坡体横宽度约为180m，纵长约为200m，面积约为3.6×104 m2，滑体为该滑坡平均厚度约为7.0m，体积约为25.2×104 m3，为中型土质滑坡。

5.2.4 电力系统二次设备对时测试

利用基准时间服务器给电力二次设备校正时间。测试时如图3所示搭建测试环境；设置电力二次设备时钟为一个错误的时间(与BITS时间不一致)；BITS接收来自GPS或者北斗卫星传送来的时间信号；经过MSTP传送网络传输后，时间信号从D网元通过B码接口传入时间服务器，时间服务器同样也经过B码方式送入电力二次设备中。

测试结果表明电力二次设备时间显示被校正，与BITS时间保持一致。

综合以上测试结果，可以得出以下重要结论：

·利用SDH网络传输时间同步信号是可行的，时间精度能够满足现有电力业务的需求；

· 对于支持1588V2协议的BITS/基站来说，通过业务接口FE、GE可实现和承载设备互联，即可实现1588V2的布署连接要求；

·BITS/基站不支持1588V2，那么可通过业务接口之外的外接口（1PPS＋TOD）实现 BITS/基站和承载设备的连接；

·不同厂家设备对1588V2的理解和应用存在差异，互通时可能存在可靠性问题；

·利用SDH构建的时间同步网络要求所有相邻站点的双向光纤距离等长，差别超过5 m就需要进行校准，因此对双向传输光纤的距离提出严格要求。

6 结束语

电力系统的时间同步网络建设相对滞后，时间统一问题是电力系统自动化技术发展的障碍。随着智能电网建设的推进，时间同步需求越来越迫切。电力SDH光纤传输网络覆盖面广，应用广泛成熟，利用SDH网络同时传输频率同步和时间同步信号，是解决当前各变电站单一依靠GPS/北斗授时所带来的安全、工程安装、维护等问题的快速、有效的方案，不仅可实现各变电站授时系统的天（GPS）地（传输）备份，增强系统安全和可靠性，而且将实现时间同步网的网络管理。本论文从理论分析了方案的可行性，并通过测试试验，验证了利用具有良好的频率同步性能的SDH传送网络传输时间同步信号可以满足电力业务的时间同步要求，同时也指出了设备在组网过程中需具备的基本配置要求。但在实际组网过程中，应注意以下重要问题：明确现有设备是否支持时间同步功能的额外要求，或是通过软硬件升级支持该功能；双向光纤长度差异将影响时间同步的精确度；网络中时间服务器设备的精确度是否满足要求；网络中尽量避免不同厂家的设备采用1588V2协议互通等。

总之，利用SDH传送网综合传输时间同步和频率同步的方案，具有理论可行性，对该方案的不断完善和改进，将加强电力时间同步网络的建设，提高电网的协同一致性。

1 Kendal R H,Sivaram Balasubramanian,Anatily Moldovansky.The application of IEEE 1588 to a distributed motion control system.In:Proceeding of ODVA CIP Networks Conference&10th Annual Meeting，Rockwell Automation，November 2004

2 Time Synchronization for Ethernet.Raif Messerschmidt

3 Ken Harris,Steve Zuponicic.CIP Sync time synchronisation for CIP network.Rockwell Automation

4 John C E.Recent advances in IEEE 1588 technology and its application.Agilent Technology

5 IEC61588 Standard-2004. Precision clock synchronization protocol for networked measurement and control system

6 史佩敏.SDH系统传递时间技术的研究.华东电力，2010，38（3）

7 李志刚，李焕信，张 虹.双通道终端进行卫星双向法时间比对的归算方法.陕西天文台台刊，2002，25(2)：81～89

8 李永丽，李仲青，李斌等.超、特高压长线路光纤纵差保护数据同步.天津大学学报，2007，40(2)：168～172