电力PTN网络时间传递特性试验研究

2019-06-27李大鹏朱哲然丁东坡雷炜卿杨孟娟

西安邮电大学学报 2019年6期

李大鹏, 朱哲然, 杨林, 丁东坡, 龙洁, 雷炜卿, 杨孟娟

(国网河南省电力公司焦作供电公司，河南焦作 454000)

统一的时间基准为构筑信息互通、资源共享、能力协同、开放合作的电力行业新体系提供了最基础统一的时间物理量。在2009年，电力行业已经发布了第一版行业的时间同步系统技术规范DL/T1100.1-2009[1]。在该规范的术语与定义中对时间同步网的基准进行了描述，涉及到在满足技术要求的条件下，网内的时间同步系统可通过通信网络接收上一级时间同步系统发出的有线时间基准信号。

在20世纪80年代，数字微波、光纤通信、程控交换等是电力通信使用的主要技术，90年代后同步数字通信网(synchronous digital hierarchy，SDH)为代表的光通讯网技术发展比较成熟，21世纪以来分组传送通信网络[2-8](packet transport network，PTN)也日趋成熟。上述技术推动了电力系统通信网络技术的发展与建设，通信网从地基授时的方式也随之变化，旨在寻求最佳方式，降低时间信号准确度附加值，建设以天基为主，地基为辅的稳定可靠、自主可控的电力时间同步系统。

在电力系统的时间同步工程应用中，90年代后期因SDH网络资源丰富，且具有同步通信的特点，在地基授时中多采用电力行业的SDH的2M通道[9-10]，按2M传输机制编码时间信息，将时间信号从上级时钟传递到下级时钟。这种方式传递恢复出的时间信号，其准确度附加值受传输通道路径切换、传输设备重启动、线路中断恢复等因素的影响较大，不能满足电力行业对时间信号同步准确度优于1μs的应用要求[1]。文献[10-12]提出在光传送网(optical transport network，OTN )中透明传输精确时间协议(precision time protocol，PTP)，该方案实现起来较为便捷，投资较低,但是，与在 SDH中实现 PTP 相类似，都存在往返路径的不对称导致的网络时延不确定性，对时的精度仍然无法达到亚微秒级，不能满足电力系统最高对时精度的要求。

为了满足电力通信网络对时间同步的要求，拟采用分组传送通信网络技术，使用研制的PTP主钟和从钟，搭建电力PTN网络的时间传递特性试验验证系统，研究电力PTN网络在传输通道路径切换、传输设备重启动、线路中断恢复以及最佳主时钟算法(best master clock，BMC)时间源切换等4种情况对时间信号准确度附加值的影响。

1 试验系统的搭建

搭建基于PTN的PTP时间同步系统。该系统由1台带两路PTP输出的PTP主时钟，1台带两路PTP输入接口PTP从时钟，3台支持PTP的PTN传输电力网通信设备，1台支持PTP技术的以太网交换机以及1台记录监测数据的计算机组成，试验系统组成示意如图1所示。

图1所示时间信号传递路径有2个，即时间信号通过路径1和路径2分别传递到PTP SLAVE的两个PTP输入接口。

路径1由PTP GRANDMASTER 主时钟设备HN-TSS-4200、PTP TC 设备PTP SWITCH、2个 PTP BC设备 OPTIX PTN910即 PTN网元1和PTN网元2、PTP SLAVE 从时钟设备 HN-TSS-4 200等级联而成。

路径2由主时钟设备、PTP TC 设备PTP SWITCH、3个PTP BC设备 OPTIX PTN910即 PTN网元1、PTN网元2和PTP网元3以及从时钟设备级联而成。

主时钟提供一路光B码到从时钟，从时钟对输入的一路光B码、两路不同路径传递的PTP时间信号进行测量比对，测量时间信号通过不同PTN路径传递后准确度附加值的范围[13]。

从时钟完成时间信号准确度附加值测量。从时钟以光信号传递的B码时间信号为标准，比对测量通过PTN传递的PTP时间信号偏差值，这些差值即为时间信号准确度附加值。

为了确保光信号传递的时延不影响PTN时间信号传递的准确度附加值的测量结果，在从时钟对该路输入进行了时延补偿。

从时钟测量的准确度附加值通过设计的管理模块输出到PC的管理系统，将测量数据和各输入源的状态信息、从时钟频率源的校准情况等进行持续监测和数据保存，为试验分析提供基础数据。

2 实验测试结果和分析

2.1 不同路径测试

根据如图1试验系统所搭建的路径1和路径2，研究两条不同的时间传递路径的时间信号的准确度附加值情况。在系统正常运行情况下，2018年8月30日所测出两条不同路径传递的时间信号的准确度附加值结果分别如图2～图5所示。

图2 IRIG-B、PTP1、PTP2时间偏差测试结果

图3 IRIG-B时间偏差测试结果

图4 PTP1时间偏差测试结果

图5 PTP2时间偏差测试结果

图2 是试验过程中测得IRIG-B、路径1传输的时间信号PTP1、路径2传输的时间信号PTP2与从钟输出的时间偏差。可以看出，范围均在300 ns以内，说明两条不同路径传输的时间信号PTP1、PTP2的准确度附加值差均在300 ns内。图3、图4和图5为相同比例情况下，IRIG-B、PTP1、PTP2的3个时间信号测量结果，反映了经过不同传输节点数对时间准确度的影响。可以看出，不同PTN路径情况下的时间同步精度均优于1 μs，符合电力行业标准要求。

2.2 设备重启测试

设备重启动试验主要是通信设备重启动，验证每次重启PTN设备系统恢复正常后与重启前的时间准确度附加值的一致性。

第1次重启试验在2018年8月31日9:19:00关机冷却，9:48:00开机到10:01:38恢复正常用时共计13分38秒。

第2次重启试验在2018年8月31日11:09:00关机冷却，11:45:30开机到11:59:59恢复正常用时共计14分29秒。

第3次重启试验在2018年8月31日14:02:10关机冷却，16:39:40开机，16:52:39恢复正常用时共计13分钟；

上述3次重启期间持续测量的IRIG-B时间信号与从时钟时间的时间偏差，即表征主钟从钟输出时间偏差测量结果如图6所示。可见，时间偏差在120 ns范围内，过程中未发生时间跳变。

图6 主钟从钟时间偏差测试结果

上述3次重启期间持续测量的PTP1、PTP2与从钟输出的时间偏差结果图7所示。可以清楚地看到在3次重启的时刻PTP1、PTP2发生了跳变，原因是通信设备重启时，PTP从钟与HN-TSS-4200之间的通信中断，选用了就近的PTN设备作为其参考主钟所导致。

图8是提取了3次试验前和3次试验后IRIG-B、PTP1、PTP2 与从钟输出时间的时间偏差测量结果。可以看出，输出时间的时间偏差范围均在300 ns内，即3次试验在系统恢复正常后时间准确度附加值均小于300 ns，这个结果证明PTN网元设备重启情况下时间同步精度优于1 μs，符合电力行业标准要求。

图7 PTP1、PTP2时间偏差测试结果

图8 试验前后时间偏差测试结果

2.3 线路中断恢复测试

为研究线路中断过程对时间信号偏差的影响，采用断开网元2与网元3之间的线路1分钟以后恢复连接的方式。进行了3次测试，其结果如图9所示。可以看出，测试结果时间准确度附加值小于300 ns。

图9 线路中断恢复过程测试结果

在图9中，黑色的曲线为主时钟输出的IRIG-B码与从钟输出时间的相位偏差；灰色的曲线为从时钟的PTP2在线路正常到中断到恢复的过程中，其时间信号与从钟输出时间的相位偏差。可以看出，两者的输出时间的相位偏差值均小于300 ns，证明PTN线路中断恢复正常的情况下时间同步精度优于1 μs，符合电力行业标准要求。

2.4 BMC时间源切换测试

BMC时间源切换试验，设置主时钟输出的两路PTP均连接在TC交换机上，当变化其中一路PTP优先级的高低，全网都会进行最佳主时钟算法，并自动切换到优先级高的那一路PTP上。共进行了3次测试，测试了IRIG-B、PTP1、PTP2 与从钟输出时间的相位偏差，测试结果如图10 所示。可以看出，3次测试中IRIG-B、PTP1、PTP2 与从钟输出时间的时间偏差范围均在300 ns以内，说明在BMC试验过程中时间信号PTP1、PTP2的准确度附加值在300 ns以内，从时钟输出的时间信号准确度情况并未有明显的抖动。其结果证明BMC时间源切换情况下时间同步精度优于1 μs，符合电力行业标准要求。