基于SDH通道的PTP同步對時研究

張武洋,趙振宇,于同偉

（1.東北電力科學研究院有限公司,遼寧 沈陽 110006;2.東北電網有限公司,遼寧 沈陽 110180）

隨著智能電網的發展,設備的智能化,測控數據采集、傳輸的網絡化,對網絡授時的精度提出了更高的要求,同時將進一步加強對發電、輸電、配電、調度等環節的測量和監控,這需要在全網建立統一時鐘同步、統一授時的同步網。因此,時間同步對電力系統穩定運行、監控保護、故障分析處理等具有重要意義。本文基于電力調度通信SDH網絡,使用先進的IEEE 1588精確時間協議,研究網絡時間的同步,以實現數據傳輸高精度、高可靠性的時間和頻率同步。

1 SDH數據傳輸與IEEE 1588精確時間協議

1.1 SDH數據傳輸

SDH網絡是一個頻率同步的數字傳輸網,頻率同步即三層網絡的等級主從同步。SDH設備具有時鐘接口和模塊,正常工作時下級時鐘跟蹤鎖定上級時鐘,能夠通過STM-N線路碼流傳送同步基準信號,也可接收外部時鐘信號或提供外部時鐘信號,并可根據時鐘質量進行實時自動時鐘倒換。因此,SDH既是頻率同步信號的使用者,又是頻率同步信號的傳輸者。

1.2 IEEE 1588精確時間協議

IEEE 1588定義了一種用于分布式測量和控制系統的精密時間協議,是網絡測量和控制系統精密時鐘同步協議標準,也是網絡測量和控制系統精密時間協議（PTP）標準,用以建立分布式、主從、分級的同步體系,可以在以太網及任意基于分組的網絡上實現,其網絡對時精度可達亞微秒級。鑒于IEEE 1588以上優點,IEC TC57第10工作組將IEEE 1588引入IEC 61850規約,因此,研究IEEE 1588在SDH通道中的應用對智能電網的發展具有重要意義。本文只針對IEEE 1588網絡時鐘同步進行研究（討論的延遲計算機制采用peer to peer方式）。

1.3 IEEE 1588網絡時鐘同步原理

在網絡中,主時鐘和從時鐘之間可能經過單個或幾個交換機互聯,由于受到交換機存儲轉發信息內部排隊機制、網絡中交換信息流量的影響,使網絡傳輸延遲不確定程度增加,因此,必須對時鐘授時精度進行修正,IEEE 1588針對此情況采用分段測量和修正的方法。

IEEE 1588網絡時鐘同步原理如圖1所示,交換機為符合IEEE 1588的新型交換機。由于所有時標均在物理層獲得,網絡協議棧處理延遲對精度不產生影響。網絡中主時鐘與從時鐘之間的傳輸路徑延遲包括主時鐘和交換機之間鏈路延遲（Lt1）、交換機內部延時（St）、交換機和從時鐘之間鏈路延遲（Lt2）三部分。Lt1和Lt2可由主時鐘（或從時鐘）與交換機通過報文交互求得。St是指同步報文在交換機內的駐留時間,由于交換機自身具備內部時鐘,駐留時間St可精確求解,不會受交換機網絡流量和信息排隊機制的影響。交換機在求得Lt1和St之后,將該信息作為跟隨報文發送給從時鐘,此時從時鐘可以精確求得主從時鐘之間同步報文整個傳輸路徑上的延遲,并對時鐘偏差進行修正。如果主時鐘與從時鐘之間存在多個交換機（即交換機級聯）,仍可按照上述分段求解方法獲得主從時鐘之間的傳輸延遲。

圖1 網絡方式的IEEE 1588時鐘同步原理

IEEE 1588網絡時鐘同步對傳輸路徑的延遲采用分段求解方法,該方法要求報文往返傳輸路徑相等,以提高網絡時鐘同步精度。

2 基于SDH通道的PTP同步對時試驗

2.1 試驗方案及目標

將主時鐘及TimeAcc（時間綜合測試儀）分別連接GPS天線,接收GPS信號。主時鐘和從時鐘通過圖2的拓撲連接方式實現長距離連接,并實現從時鐘和主時鐘同步,時鐘同步信號為PTP信號。同步完成后,將從時鐘的1PPS輸出至TimeAcc,并記錄2 h測試數據。

圖2 在SDH組網中測試時鐘的對時精度組網拓撲圖

當測試完成后,由測試數據可得經過SDH網絡實現PTP組網時間同步精度。

2.2 試驗方法及結果分析

將主時鐘及TimeAcc分別連接上GPS天線,接收GPS信號。主時鐘和從時鐘通過圖2的拓撲連接方式實現長距離連接,并實現從時鐘和主時鐘同步,同步信號為PTP信號。從時鐘跟蹤主時鐘穩定后,使用TimeAcc對從時鐘1PPS信號對比GPS信號進行測試,TimeAcc每秒采樣1次并記錄。

通過SDH傳輸PTP從時鐘與PTP主時鐘進行同步,從時鐘與主時鐘第1次對時后,發現從時鐘與GPS的偏差為幾十微秒,通過分析可知該誤差是非對稱性誤差。非對稱性誤差產生是由于PTP鏈路延遲計算要求PTP報文請求和應答傳輸鏈路對稱,如果PTP報文傳輸鏈路不對稱,PTP對時在計算鏈路延時時就會產生誤差。在補償這個非對稱性誤差后,TimeAcc每秒采樣1次,記錄的網絡對時精度在微秒級（如圖3所示）。

圖3 主、從時鐘在SDH中組網時間同步的精度測試數據曲線圖

由主、從時鐘經SDH通道PTP對時試驗發現,產生非對稱性誤差根本原因是SDH通道的收、發通道不對稱、SDH通道中包含大量不支持IEEE 1588的交換機和協議轉換器,這些因素都會產生傳輸鏈路非對稱性誤差,影響IEEE 1588精確時間協議的對時精度。該非對稱性誤差必須進行手動補償,其補償方式是先通過TimeAcc（TimeAcc鎖定GPS）測量由PTP經SDH通道對時引起的從時鐘與主時鐘的非對稱性誤差,然后把此非對稱性誤差補償給從時鐘,手動補償后,主、從時針對時精度能達到亞微秒級。

試驗發現,不同的時鐘采用不同的同步對時算法也會對從時鐘和主時鐘對時精度產生較大影響,如果從時鐘計算得到對時信息與主時鐘有較大偏差,從時鐘認為這時對時過程受交換網絡影響較大,將此對時計算結果過濾掉,從時鐘會自己守時而不和主時鐘對時。還有一種算法是無論主時鐘有多大的偏差,從時鐘都會和主時鐘對時,這樣從時鐘就受網絡抖動影響較大,對于這種情況,試驗發現從時鐘與主時鐘的偏差需較長時間的收斂,從時鐘才能和主時鐘同步。

3 結論

a.由于SDH傳輸通道中的交換機不支持IEEE 1588,因此引入的傳輸延遲抖動較大。

b.SDH通道的收、發通道不對稱、SDH通道中存在大量不支持IEEE 1588的交換機、SDH通道傳輸協議和PTP傳輸協議轉換的協議轉換器等都會造成傳輸鏈路的非對稱性誤差,造成PTP對時偏差。

c.傳輸鏈路的非對稱性造成PTP對時誤差,可以在試驗組網時對非對稱性偏差進行補償,但在實際工程中實施困難。

因此,建議在SDH網絡內采用IEEE 1588精確時間協議（PTP）同步對時,使用支持IEEE 1588的交換機組網,并盡可能使SDH通道對稱,以減少非對稱性誤差對PTP對時的影響。此外協議轉換器所帶來的非對稱性誤差和主、從時鐘同步的算法還需進一步試驗驗證。

[1] 趙上林,胡敏強,竇曉波,等.基于IEEE 1588的數字化變電站時鐘同步技術研究[J].電網技術,2008,32（21）：97-102.

[2] 黃小耘.NTP在電力自動化設備時鐘同步中的應用探討[J].電力系統自動化,2005,29（15）：93-95.

[3] 殷志良,劉萬順,楊奇遜,等.基于IEEE 1588實現變電站過程總線采樣值同步新技術[J].電力系統自動化,2005, 29（13）：60-63.

[4] 潘勇偉,李萬林,沈 冰,等.星地多源授時和PTP網絡精確對時的關鍵技術研究和應用[J].華東電力,2010, 38（07）：959-963.