基于电力线载波通信协议的时钟同步方法研究

王清，荆臻，代燕杰，李琮琮

(国网山东省电力公司营销服务中心(计量中心)，济南 250000)

0 引 言

精确的时间信息对于提高低压配电网可靠运行、用户用电服务管理水平十分关键。近年来，电网公司已建立了用电信息采集主站、采集终端、电能表之间的时间同步体系，时钟误差被限定在数秒以内，为用户用电信息数据分析，分时电价、阶梯电价政策执行提供了坚实保障[1]。随着新型电源(大量分散小容量户用光伏)、负荷(储能、电动汽车)的接入，末端电网运行随机性与波动性特征日益明显[2]，为了解决新型电源与负荷需求时空不平衡的难题，加强低压配电网精益化运行的管控，电网公司对低压配电网提出了“可观可测可控”的要求，目的是实现全面、敏捷、精准地掌握低压电网设备运行状态并实时做出响应控制。为此，电网公司将加大低压配电网分钟级信息采集频率应用范围[3]，逐步建设配变、智能开关等设备的运行状态“微妙级”信息监测能力[4]，从而更好地为台区互联供需平衡、分段线损精细化计算、停电上报、用电负荷辨识等新兴业务提供支撑[5-8]。

以上新兴业务的发展均离不开台区设备高精度时钟同步的保障。自2016年以来，电网公司已在低压台区推广应用了基于正交频分复用(OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的宽带电力线载波通信(HPLC, High-speed Power Line Communicaiton)[9-13]，HPLC技术是一种高速电力线通信技术，电力线通信技术是指利用电力线作为通信介质进行数据传输的一种通信技术。由于电力线是最普及、覆盖范围最为广阔的一种物理媒体，利用电力线传输数据信息，具有极大的便捷性，无需重新布线，即可将所有与电力线相连接的电器组成一个通信网络，进行信息交互和通信。这种方式实施简单，维护方便，可以有效降低运营成本、减少构建新的通信网络的支出，因而已成为智能电网、能源管理、智慧家庭、光伏发电、电动汽车充电等应用的主要通信手段。HPLC面向电力抄表的高速电力线通信工作频率范围包含 2.4 MHz～5.6 MHz、2 MHz～12 MHz、0.7 MHz～3 MHz、1.7 MHz～3 MHz，具有相对较宽的带宽，能够提供数百Kbps至几Mbps的数据传输速率，且电力线在高频段的噪声相对较弱，相对于窄带电力线通信，通信可靠性和稳定性显著提升,有力支撑了低压台区高速数据通信需求。宽带电力线载波通信更高的数据传输速率意味着更低的通信时延，为应用同步授时协议实现低压设备时间同步提供了基础条件。

目前，已发布的宽带电力线载波通信协议规定了用电信息采集主站、采集终端与电能表之间时间同步方法[14-17]。采集终端和电能表均支持内部时钟单元，用电信息采集主站可以通过实时点抄方式或通过集中器周期广播方式对电能表进行校时。同时，通过在电能表载波模块中增加时钟误差监测功能，及时发现电能表与采集终端时差越限事件，并主动生成事件报文上报给采集终端或用采主站。文献[18]研究了针对GPS、PTP协议[19]、NTP协议等多时钟源的时间判定方法，从而有效地提高了用电信息采集主站主时钟精度。文献[20]通过令采集终端主动与用采主站对时，降低了对时业务与采集业务的冲突概率，提高了对时可靠性。文献[21]提出了在用采主站与采用终端之间通过多次对时判断通道传输时延是否稳定，从而获得信道传输条件良好情况下的钟差校准值，有效减轻了因通信传输时延波动性导致对时不准的问题。文献[22]提出了一种基于采集终端中继时延越限判断的改进同步对时协议，也有效提高了对时准确率。

电力线载波通信以电力线作为传输介质，载波信号传输电磁环境复杂，且多分支等效阻抗与载波接收模块的耦合电路输入阻抗难以完全匹配，导致了载波信号传输的多径效应、信号衰减以及邻区干扰等现象[23-28]，导致通信时延波动范围大，需增加中继节点逐级转发，这就容易造成对时偏差大、逐级对时误差累计等现象。多数文献的时间传递主要依赖应用层业务规约携带时间信息的方式，忽略了载波通信时延以及采集设备解码应用层时间戳信息处理时延。

综上，文中综合考虑了协议处理时延和载波中继传输延迟的影响，设计了相关延迟估计和纠偏方法。特别地，针对载波通信信号传输延迟，文中提出在本级信标帧中增加了“前级对时误差”数据域，本级设备可以利用该数据域提供的时间误差信息有效抑制载波通信传输延时波动、以及多级中继累计误差给精准对时带来的影响。

1 现有低压载波通信时钟同步业务

现有HPLC技术体制的时钟同步技术已有研究机构做了全面详尽的阐述。现有HPLC技术所包含的精准时钟同步业务包括周期广播对时业务、精确广播对时业务、特定表计点抄单播校时业务以及表计时钟误差监测业务四种类型。周期广播对时业务是由集中器CCO对台区所有STA执行的。一般每天在台区内进行一次全台区的表计时钟广播同步操作，将各个表计的时钟同步到集中器本地时钟，通过HPLC广播校时命令进行全网从节点的时钟同步。精确广播对时业务，一般认为HPLC的广播通信时延可以忽略不计，但针对临域干扰多、本地网络层级深、通信质量恶劣的台区，HPLC本地广播通信时延可能会达到数秒，需要采用预置对时时间的方式实现高精度的广播对时[29]。特定表计点抄单播校时业务是主站发起对某个表计的点对点对时业务。针对某些时钟超差表计，其时钟误差超过广播校时的容许范围时，无法通过广播校时进行校时时，采用实时点抄的方式由主站直接进行节点时钟的校时。表计时钟误差监测业务是通过集中器或主站采集表计时钟信息，并估算误差实现的。集中器或主站可以周期性针对台区内的所有表计进行当前时钟信息的招测，由集中器或主站进行时钟误差的分析，针对误差大的表计进行点抄单点校时；针对时钟误差问题比较大的台区，可以在载波STA模块中增加时钟误差监测功能，当电能表的时钟与集中器的时钟误差出现超差时，主动生成事件上报报文，集中器将该事件转发到主站，最终由主站进行超差表计时钟的处置。

集中器CCO针对广播校时命令则是处理1 376.2中的广播命令报文，发起HPLC标准中的广播校时命令。集中器CCO对精确对时命令的执行步骤包括处理1 376.2中扩展的精确对时命令报文，发起HPLC本地精确校时命令。集中器CCO针对表计时钟超差事件的处理则是接收STA发来的表计时钟超差事件，生成相关事件上报集中器。

采集器PCO针对广播校时命令进行广播转发的同时，并向其下游电能表转发，实现电能表时钟与集中器的同步，忽略广播通信的延时。采集器PCO针对精确对时机制的广播校时命令，在转发广播命令后，等到报文中声明的时刻进行下游电能表对时命令的转发，实现全网同步的精确对时，对广播通信延时进行屏蔽。采集器PCO执行时钟相关的抄表命令时，针对各类抄表报文，可以执行相关的单播校时及时钟信息采集业务。采集器PCO针对表计时钟误差的监测步骤包括：将集中器的时钟和电能表的时钟进行比对，如果超过了技术要求的规定，上报相关时钟超差事件。

在执行以上业务时，表计STA针对广播校时命令进行广播转发的同时，并向其下游电能表转发，实现电能表时钟与集中器的同步，忽略广播通信的延时。表计STA针对精确对时机制的广播校时命令，在转发广播命令后，等到报文中声明的时刻进行下游电能表对时命令的转发，实现全网同步的精确对时，对广播通信延时进行屏蔽。表计STA针对表计时钟误差的监测是将集中器的时钟和电能表的时钟进行比对，如果超过了技术要求的规定，上报相关时钟超差事件。

2 低压配电网载波通信对时误差估计方法

低压配电网单台区载波通信网络拓扑如图1所示，集中器载波通信单元作为中央协调器 (Central Coordinator, CCO)、采集器载波通信单元作为代理协调器(Proxy Coordinator, PCO)、电能表载波通信单元作为站点 (Station, STA)，所有设备均遵从载波通信数据链路层协议[16]组网和收发数据。CCO、PCO与STA的载波通信MAC层协议是基于信标的载波侦听多址接入(Carrier Sense Multiple Access, CSMA)，这就要求CCO、PCO与STA之间必须存在某种物理层帧同步机制，支撑全网时隙资源占用协调。

图1 载波通信中继链路示意图

文中第1小节介绍的低压载波通信时钟同步业务是基于载波通信帧同步技术实现的。载波通信帧同步是通过在COO设备中维护一个32位计时器，数值为网络基准时间(Network Time Baseline, NTB)，其被定义为中央信标MPDU的帧控制的第一个非零样本(采样间隔为40 ns)出现在发射端设备的模拟输出上的那一瞬时时刻的计时器的值，该值被封装在中央信标中的“信标时间戳”并向全网站点广播，全网设备同样维持一个与COO频率相同(25 MHz)的32位计时器，通过前导序列自相关实现信标捕获后，将自身计时器取值与CCO的NTB取值保持一致，这样就实现了全网站点对信标周期内的时隙分配结果的统一理解，保障了数据收发正确性。从以上载波通信物理层帧同步机制分析中发现：该机制虽然达到了40 ns同步的粒度，但仅实现了CCO、PCO与STA之间相对同步满足全网时隙分配结果，该同步机制并未令它们的时钟与统一世界时保持一致，而如停电上报、费控等业务需依赖事件发生、结束的绝对时刻，因此无法直接运用于业务应用的授时。

文中集中器CCO单元已通过对时协议获取到的主站精准时钟为TM，TCCO、TPCO、TSTA分别为CCO、PCO、STA单元时钟时刻，它们分别作载波通信全网主时钟、透明时钟及从时钟。TCCO、TPCO、TSTA参照北斗时定义，为当前时刻距2006年1月1日0时0分0秒协调世界时的累计采样点计数，CCO、PCO、STA时钟包含一个56位计数器记录当前时刻的采样点计数。TCCO、TPCO通过扩展文献[16] 5.1.2.4.2小节“信标帧载荷字段”保留的64比特实现，这就意味着利用中央信标、代理信标周期性广播，全网站点都可以获取到主时钟、透明时钟的精确时间。

下文给出主时钟、透明时钟的精准对时方法的详细设计。当集中器主时钟获取主站精准时钟后，映射到中央信标的主时钟为：

TCCO=TM+EH+ES

(1)

式中EH为集中器，将TM映射到MAC层信标帧载荷的协议处理时延，这个时延值通过事先测量获得，事实上文献[16] 5.2.9.2小节规定了从NTB实际发送时间与经过MAC层处理后映射到信标帧载荷BTS的处理时延误差小于±1 250抽样点(±50 μs)。ES为集中器获取中央信标MPDU的帧控制的第一个非零样本的采样误差，文献[16] 5.2.9.2小节同样规定了该误差抖动小于0.25 μs。

(2)

(3)

为了实现对传输时延的估计，文中设计了一种校时确认帧发送机制：在TDMA时隙中预留一段时间片，由CCO(或PCO)向PCO(或STA)逐一发送校时确认帧，如图2所示；校时确认帧基本结构类似于SOF确认帧的ACK反馈，如图3所示。参照文献[16] 5.1.2.2小节“MPDU帧控制格式”中“表9 MPDU帧控制字段”，定界符类型扩充一个值“4”代表校时确认帧，可变区域由源TEI修改为目的站点的TEI，基于校时确认的双方对时隙分配的统一理解基础之上，当PCO(或STA)的下行校时确认帧到达时，通过对前导的自相关捕获可以获得下行传输时延估计值。

图2 全网校时确认帧发送示意图

图3 校时确认帧帧结构示意图

此外，站点接受到该校时确认帧后，比对解码的目的TEI判断是否为自身校时确认帧，同时将可变区域的信标时间戳与自身已同步的NTB值比对判断在一个信标周期内，以上条件同时满足则认为下行传输时延估计值是真实可信的。在获得各类对时误差值后，PCO及STA就可以根据式(2)、式(3)更新自身时钟，从而为各类具有精准授时需求的业务提供精准时间信息。

由图2可知，校时确认帧时长是前导、控制帧及BIFS总和，根据文献[17]规定的物理层帧结构长度，单个校时确认帧耗时总计约1.5 ms，按照台区200个站点规模测算，全网校时确认帧耗时约占300 ms，相较于数秒～数十秒的信标周期而言增加量在可接受范围之内。CCO根据整网节点路由信息安排自身及各级PCO校时确认帧发送次序，如图2所示；同时，COO扩展信标载荷内容，将文献[16] 5.1.2.4.2小节中的“表35时隙分配条目”中保留的10个比特用于指示“校时确认TDMA时隙长度”，单位为1 ms。

3 低压配电网载波通信对时协议流程

基于上述研究，文中提出了一种基于电力线载波通信协议的时钟同步流程，如图4所示。

图4 基于电力线载波通信协议的时钟同步流程示意图

图4具体步骤如下：初始状态：CCO、PCO、STA初始时钟时刻TCCO、TPCO、TSTA；输出结果：TPCO、TSTA更新后的时钟时刻。

步骤1：CCO时钟单元根据主站对时协议精准同步于主站时钟，并将根据式(1)更新的TCCO映射至信标帧载荷字段预留比特位，传输至下一级PCO；

步骤4：PCO或STA未收到信标帧或校时确认帧解码获得信标时间戳不在当前信标周期，则判定出现了丢包或延迟超过一个以上的信标周期，则放弃本次对时，等待下一信标周期到来后重新对时。

4 实验结果与分析

文中采用了物理层OFDM调制，信标CSMA介质访问协议的载波通信系统。子载波间隔为24.424 kHz，采样间隔为1/25 MHz。将MAC层处理时延测量误差建模为高斯分布，误差抖动均值与方差通过统计方法获得；而将载波信号传输时延、采样时刻的误差抖动建模为[-0.25 μs ,0.25 μs]均匀分布。CCO、PCO、STA内部时钟考虑真实的频率偏移误差，即内部时钟单元频率采用以标称频率(25 MHz)、固定频偏(±25 PPM)以及频率漂移率为系数的时间变量二次式表达，频率漂移率可通过查找时钟单元的产品手册获得。信标周期可以被设定为5.12 s或10.24 s。

图5给出了现有基于应用层协议携带时间戳信息、忽略载波通信传输延迟的对时方法与文中提出的方法的对时误差累计概率分布函数，信标周期为5.12 s。通过对比发现，现有方法的对时误差在约81%的概率小于1 ms，主要原因是基于应用层协议的对时方法增加了应用层协议处理时延，同时当对时报文出现丢包重传时，因传输延迟带来的对时偏差不断增加。文中所提对时方法的对时精度可以在97%的概率上低于30 μs，导致存在3%概率同步误差仍大于30 μs的主要原因是MAC层与硬件层时延估计存在误差抖动；此外， CCO、PCO、STA内部时钟频率偏移导致在信标周期5.12 s内存在微小的时钟偏差。

如图6所示，信标周期为10.24 s较5.12 s的对时误差更大，分别约为50 μs和30 μs。原因是文中所提方法是按照信标周期进行对时，随着对时周期的增大，由时钟偏移带来的影响逐渐增加。文中所提载波通信对时方法是与现有MAC层协议完全匹配融合，协议执行可靠性有保障。即使存在某个STA站点因通信丢包而无法对时，下一周期仍可以通过更新的TCCO重新对时；此外，该方法完全基于电力线载波通信协议MAC层处理机制，更加接近硬件处理过程，协议处理延迟更低；最后通过逐级对时方式有效克服了由于载波中继带来的对时误差累计的问题。

图5 对时误差累计概率分布函数

图6 站点对时误差仿真结果图

5 结束语

文中提出了一种基于电力线载波通信MAC层协议的时钟同步方法，该方法考虑了载波信号在物理层传输时延、MAC层协议处理延迟以及采样偏差(又称作帧同步对齐偏差)等因素的影响，利用载波通信MAC层协议设计了周期性全网对时方法，为了适配PCO、STA与CCO之间精准对时需求，基于现有协议体系给出了协议报文修改升级内容，并设计了对时流程。文中所提的对时方法具有精度高、与现有协议兼容性好、易于升级实现等优势。