利用SDH组建时间同步网应用研究

王纯青 刘晗 张进虎

【摘要】 智能化电网的发展对时间同步提出了越来越高的要求，高精度、大范围、高性能的时间同步系统成为电网正常运行的必要保证。本文通过分析IEEE1588实现高精度时钟同步的主要原理，利用PTP over SDH，在调度范围内建立了一个以调度中心为唯一时钟源的时钟同步网，达到了全网时间精度优于1μs的技术指标。

【关键词】 时间同步 PTP over SDH 时间精度

一、引言

从传统意义上讲，电网具有三大要素——电压、电流和相位。他们是衡量电网质量的重要参考指标。随着科技的发展，电力系统的不断完善，电力市场需求更加多变，人们充分认识到电网还有一个更为关键的要素——时间。变电站时间同步经历了各设备独立配置GPS接收机到全站统一GPS系统的阶段，尽管全站统一GPS系统解决了独立配置GPS接收机的诸多弊端，但不能确保各变电站之间的时间同步，并且一旦GPS系统出现故障，各站时间系统将出现紊乱。只有通过组建地面时间同步网才能解决上述问题，全网时间同步网也是智能化大电网发展的必然要求。

二、IEEE1588标准概述

IEEE 1588标准的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”IEEE1588标准是通用的提升网络系统定时同步能力的规范，主要参考以太网来编制，使分布式通信网络能够具有严格的定时同步。基本构思是通过硬件和软件将网络设备（客户机）的内时钟与主控机的主时钟实现同步，提供同步建立时间小于10μs的运用，与未执行IEEE 1588标准的以太网延迟时间1000μs相比，整个网络额定时同步指标有显著的改善。

IEEE 1588标准定义的PTP借鉴了互联网网络时间协议（NTP）技术，具有容易配置、快速收敛以及对网络带宽和资源消耗少等特点。IEEE 1588标准的应用环境是适合用于支持多播消息的分布式网络通信系统（如EtherNet），且对时原理较为简单，系统中有一个主、从时钟，主时钟通过周期性地向网络中发送一个包含时间信息的信息包，从时钟收到后，进行时钟偏移测量和延迟测量，利用偏移测量来修正从时钟的本地时钟，利用延迟测量来解决线路延迟量的影响。

三、IEEE 1588标准时钟的关键技术

3.1 采用IEEE 1588标准时钟同步的关键硬件

介质无关接口（Media Independent Interface，MII）或称为媒体独立接口，是IEEE-802.3定义的以太网行业标准，其包括一个数据接口，以及一个数据链路层（MAC）和物理层（PHY）之间的管理接口。

数据接口包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道，每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。

管理接口含时钟信号和数据信号两个接口。通过管理接口，上层能监视和控制物理层（PHY）。MAC通过MAC子层与PHY实现了无缝链接，不同的物理传输介质对于MAC而言都是通过一个共同的接口进行数据交换的，这个接口称作介质无关接口（MII）[1]。MII传输信号为数字信号，这在原理上证明了在物理层对IEEE1588时钟同步报文进行时间标记是可行的。

IEEE1588标准时钟中可供空间应用的原子时钟有：铯钟，铷钟和氢钟这3种[2]。目前，国内电网比较适合的是铯钟。IEEE1588标准时钟利用铯原子内部的电子在两个能级间跳跃时辐射出来的电磁波作为标准，去控制校准电子振荡器，进而控制钟的走动。目前，铯原子钟可以达到500万年才相差1s。

3.2 数据包时间戳检测

PTP对报文发送和接收的时间戳，支持由软件生成或硬件生成的方式[3]。如图1所示，PTP支持在物理链路层A、驱动程序层B和应用软件层C处检测和记录报文发送和接收的时间戳；越靠近物理链路层，同步精度越高；越靠近应用软件层，同步精度越低。早期的网络时间协议（NTP）只是由软件控制，在应用层上打时间戳，因此同步精度不高；而PTP为了提高同步精度，既使用软件，也支持硬件辅助在物理链路层检测和记录报文的时间，从而把报文从驱动程序到应用层的不确定时间延迟排除在精度的分析之外。

四、某地区全电网精确同步对时配置方案

某地区设有一处调度中心，以及4个变电站：A1，A2，B1，B2，现在该地区建立统一的时间同步网及频率同步网，并且两种网络建立在一套系统设备上，互相辅助。

4.1 设备配置与同步方案组织

全网同步方案如图2所示。

1、在调度中心配置一台铯钟、一台时间/频率基准服务器、一台时间扩展设备、一台BITS。（1）频率同步网：铯钟及时间/频率基准服务器为频率同步网提供主备用基准。BITS设备为SDH网提供外部时钟输入，以及为本地设备提供频率同步信号。（2）时间同步网：时间/频率基准服务器（ST2000）作为整个时间同步网的基准，既为扩展时钟提供B码基准，同时为下游变电站的从时钟（ST2000）提供时间基准。扩展时钟为本地设备提供各类时间同步信号。

2、在变电站A1配置一台时间/频率从时钟，一台时间扩展装置，以及一台BITS。（1）频率同步网：本地的BITS设备使用满足G.811标准的线路时钟作为主输入参考；时间/频率从时钟可以使用本地GPS信号及上游PTP信号作为主备基准，并输出满足G.812要求的E1信号作为本地BITS设备的备用参考。（2）时间同步网：时间/频率从时钟输出B码给本地时间扩展装置，时间扩展装置使用GPS/北斗卫星信号及B码作为主备冗余输入，并输出各类时间信号给站内设备同步。

3、在变电站A2配置一面时间扩展屏。（1）频率同步网：变电站A2的SDH设备可使用线路时钟进行同步。如果需要外输入参考，则可参照变电站A1的配置模式。（2）时间同步网：本地配置一台扩展设备，通过光纤与变电站A1的 时间/频率从时钟进行同步。并输出各类时间信号给本地装置。

4、变电站B2配置一台时间/频率从时钟，一台时间扩展装置，以及一台BITS。（1）频率同步网：本地的BITS设备使用满足G.811标准的线路时钟作为主输入参考；时间/频率从时钟可以使用本地GPS信号及上游PTP信号作为主备基准，并输出满足G.812要求的E1信号作为本地BITS设备的备用参考。（2）时间同步网：时间/频率从时钟输出B码给本地时间扩展装置，时间扩展装置使用GPS/北斗卫星信号及B码作为主备冗余输入，并输出各类时间信号给站内设备同步。

5、在变电站B1配置一面时间扩展屏。（1）频率同步网：变电站B1的SDH设备可使用线路时钟进行同步。如果需要外输入参考，则可参照变电站B2的配置模式。（2）时间同步网：本地配置一台扩展设备，通过光纤与变电站B1的 时间/频率从时钟进行同步。并输出各类时间信号给本地装置。

4.2 测试结果

IEEE1588标准对时网络测试结构示意图如图3所示[4]。在同步对时系统中引入一个发文机，在运行周期开始，发文机发送测试请求报文，报文采用广播形式；系统中其他设备，包括时钟主设备和从设备接收到请求报文之后，记录接收报文的当前时间，并在同一周期时段发送响应报文，报文发送给评价机，评价机通过比较主从时钟设备的接收时间戳，可以比较出系统时钟同步效果。

本方案采用时间综合测量仪进行同步测试，测试结果如图4所示，连续一周精度小于1μs。

五、结语

本文利用现有的传输网同步数字体系（SDH），通过IEEE1588标准同步时钟协议，在调度范围内建立了一个以调度中心为唯一时钟源的时钟同步网。组建高精度的地面授时网络将彻底改变目前对于GPS等卫星授时系统的完全依赖，具有重要战略意义。PTP over SDH时间同步网可以大大减少变电站对时系统的重复建设，达到较高的对时精度（<1μs），将成为未来智能电网时钟同步的可靠途径。