基于SDH通道的PTP同步对时研究

2011-04-21张武洋赵振宇于同伟

东北电力技术 2011年1期

张武洋,赵振宇,于同伟

（1.东北电力科学研究院有限公司,辽宁沈阳 110006;2.东北电网有限公司,辽宁沈阳 110180）

随着智能电网的发展,设备的智能化,测控数据采集、传输的网络化,对网络授时的精度提出了更高的要求,同时将进一步加强对发电、输电、配电、调度等环节的测量和监控,这需要在全网建立统一时钟同步、统一授时的同步网。因此,时间同步对电力系统稳定运行、监控保护、故障分析处理等具有重要意义。本文基于电力调度通信SDH网络,使用先进的IEEE 1588精确时间协议,研究网络时间的同步,以实现数据传输高精度、高可靠性的时间和频率同步。

1 SDH数据传输与IEEE 1588精确时间协议

1.1 SDH数据传输

SDH网络是一个频率同步的数字传输网,频率同步即三层网络的等级主从同步。SDH设备具有时钟接口和模块,正常工作时下级时钟跟踪锁定上级时钟,能够通过STM-N线路码流传送同步基准信号,也可接收外部时钟信号或提供外部时钟信号,并可根据时钟质量进行实时自动时钟倒换。因此,SDH既是频率同步信号的使用者,又是频率同步信号的传输者。

1.2 IEEE 1588精确时间协议

IEEE 1588定义了一种用于分布式测量和控制系统的精密时间协议,是网络测量和控制系统精密时钟同步协议标准,也是网络测量和控制系统精密时间协议（PTP）标准,用以建立分布式、主从、分级的同步体系,可以在以太网及任意基于分组的网络上实现,其网络对时精度可达亚微秒级。鉴于IEEE 1588以上优点,IEC TC57第10工作组将IEEE 1588引入IEC 61850规约,因此,研究IEEE 1588在SDH通道中的应用对智能电网的发展具有重要意义。本文只针对IEEE 1588网络时钟同步进行研究（讨论的延迟计算机制采用peer to peer方式）。

1.3 IEEE 1588网络时钟同步原理

在网络中,主时钟和从时钟之间可能经过单个或几个交换机互联,由于受到交换机存储转发信息内部排队机制、网络中交换信息流量的影响,使网络传输延迟不确定程度增加,因此,必须对时钟授时精度进行修正,IEEE 1588针对此情况采用分段测量和修正的方法。

IEEE 1588网络时钟同步原理如图1所示,交换机为符合IEEE 1588的新型交换机。由于所有时标均在物理层获得,网络协议栈处理延迟对精度不产生影响。网络中主时钟与从时钟之间的传输路径延迟包括主时钟和交换机之间链路延迟（Lt1）、交换机内部延时（St）、交换机和从时钟之间链路延迟（Lt2）三部分。Lt1和Lt2可由主时钟（或从时钟）与交换机通过报文交互求得。St是指同步报文在交换机内的驻留时间,由于交换机自身具备内部时钟,驻留时间St可精确求解,不会受交换机网络流量和信息排队机制的影响。交换机在求得Lt1和St之后,将该信息作为跟随报文发送给从时钟,此时从时钟可以精确求得主从时钟之间同步报文整个传输路径上的延迟,并对时钟偏差进行修正。如果主时钟与从时钟之间存在多个交换机（即交换机级联）,仍可按照上述分段求解方法获得主从时钟之间的传输延迟。

图1 网络方式的IEEE 1588时钟同步原理

IEEE 1588网络时钟同步对传输路径的延迟采用分段求解方法,该方法要求报文往返传输路径相等,以提高网络时钟同步精度。

2 基于SDH通道的PTP同步对时试验

2.1 试验方案及目标

将主时钟及TimeAcc（时间综合测试仪）分别连接GPS天线,接收GPS信号。主时钟和从时钟通过图2的拓扑连接方式实现长距离连接,并实现从时钟和主时钟同步,时钟同步信号为PTP信号。同步完成后,将从时钟的1PPS输出至TimeAcc,并记录2 h测试数据。

图2 在SDH组网中测试时钟的对时精度组网拓扑图

当测试完成后,由测试数据可得经过SDH网络实现PTP组网时间同步精度。

2.2 试验方法及结果分析

将主时钟及TimeAcc分别连接上GPS天线,接收GPS信号。主时钟和从时钟通过图2的拓扑连接方式实现长距离连接,并实现从时钟和主时钟同步,同步信号为PTP信号。从时钟跟踪主时钟稳定后,使用TimeAcc对从时钟1PPS信号对比GPS信号进行测试,TimeAcc每秒采样1次并记录。

通过SDH传输PTP从时钟与PTP主时钟进行同步,从时钟与主时钟第1次对时后,发现从时钟与GPS的偏差为几十微秒,通过分析可知该误差是非对称性误差。非对称性误差产生是由于PTP链路延迟计算要求PTP报文请求和应答传输链路对称,如果PTP报文传输链路不对称,PTP对时在计算链路延时时就会产生误差。在补偿这个非对称性误差后,TimeAcc每秒采样1次,记录的网络对时精度在微秒级（如图3所示）。

图3 主、从时钟在SDH中组网时间同步的精度测试数据曲线图

由主、从时钟经SDH通道PTP对时试验发现,产生非对称性误差根本原因是SDH通道的收、发通道不对称、SDH通道中包含大量不支持IEEE 1588的交换机和协议转换器,这些因素都会产生传输链路非对称性误差,影响IEEE 1588精确时间协议的对时精度。该非对称性误差必须进行手动补偿,其补偿方式是先通过TimeAcc（TimeAcc锁定GPS）测量由PTP经SDH通道对时引起的从时钟与主时钟的非对称性误差,然后把此非对称性误差补偿给从时钟,手动补偿后,主、从时针对时精度能达到亚微秒级。

试验发现,不同的时钟采用不同的同步对时算法也会对从时钟和主时钟对时精度产生较大影响,如果从时钟计算得到对时信息与主时钟有较大偏差,从时钟认为这时对时过程受交换网络影响较大,将此对时计算结果过滤掉,从时钟会自己守时而不和主时钟对时。还有一种算法是无论主时钟有多大的偏差,从时钟都会和主时钟对时,这样从时钟就受网络抖动影响较大,对于这种情况,试验发现从时钟与主时钟的偏差需较长时间的收敛,从时钟才能和主时钟同步。