數(shù)字同步網(wǎng)統(tǒng)一建模的區(qū)域電網(wǎng)數(shù)據(jù)同步策略

溫亦潯，馬 靜

（華北電力大學，北京 102206）

0 引言

采用單站點配置GPS/BDS（北斗同步系統(tǒng)）的分散分布式同步系統(tǒng)為取得區(qū)域電網(wǎng)同一時間斷面的數(shù)據(jù)，一般通過點對點主從同步方式來保持頻率同步，要實現(xiàn)相位同步還需通過算法在報文添加修正因子（如縱聯(lián)光差保護的乒乓算法），這種算法無論在專用光纖或復用SDH（同步數(shù)字系列）時，都要求通道路徑一致。對于經(jīng)過復雜連接的傳輸網(wǎng)的區(qū)域電網(wǎng)數(shù)據(jù)，現(xiàn)網(wǎng)同步技術主要基于IEEE 1588 V2（與IEC 61850-9-2兼容），沒有綜合計算傳輸網(wǎng)的延遲，難以滿足全通道的同步時鐘修正[1-8]。

傳輸網(wǎng)在承載區(qū)域電網(wǎng)數(shù)據(jù)的同時，也是數(shù)字同步網(wǎng)的時鐘同步節(jié)點，若與區(qū)域電網(wǎng)數(shù)據(jù)同步系統(tǒng)融合，不僅可以很好地整合同步資源，使同步范圍擴大，而且可提供容災和極端天氣同步系統(tǒng)的保護能力。

本文以區(qū)域保護為例，研究區(qū)域電網(wǎng)同步數(shù)據(jù)傳輸全鏈路跨越設備時幀格式的變換，分析同步時間戳的計算、攜帶、提取方法，采用“MSTP（多業(yè)務傳輸平臺）+PTP（精準時間同步）技術”取代“HSR（高可用性無縫冗余協(xié)議）+PTP技術”，同步修正因子綜合了MSTP的傳輸延遲，減少MSTP與HSR的延遲，建立了基于鏈路層的區(qū)域電網(wǎng)站點與傳輸網(wǎng)融合的同步系統(tǒng)仿真模型，通過性能測試分析，提出融合同步系統(tǒng)的策略，為配電網(wǎng)自動化實現(xiàn)區(qū)域數(shù)據(jù)同步提供研究依據(jù)。

1 通信數(shù)字同步網(wǎng)概述

數(shù)字同步網(wǎng)作為支撐網(wǎng)為傳輸網(wǎng)、業(yè)務網(wǎng)提供高質(zhì)量定時基準信號，保證網(wǎng)絡定時性能和網(wǎng)絡同步運行。

1.1 數(shù)字同步網(wǎng)時鐘源

數(shù)字同步網(wǎng)采用等級主從同步，分為PRC（原始參考時鐘，G.811），LPR（區(qū)域基準時鐘，G.812），SEC（設備時鐘，G.813）三級。PRC以GPS/BDS為第一時鐘源，銫原子鐘為第二時鐘源；LPR以BDS/GPS為第一時鐘源，以通過SDH光纖通信電路傳送的地面定時鏈路作為第二時鐘源。鏈路時鐘失去，使用設備本地晶振時鐘SEC。

1.2 數(shù)字同步網(wǎng)時鐘源性能指標

1.2.1 定時鏈路及總體性能指標要求

在組織同步節(jié)點之間的地面定時鏈路時，原則上不應超過8個傳輸節(jié)點和1 500 km傳輸距離。優(yōu)先選擇質(zhì)量優(yōu)的電路。為了保證網(wǎng)絡滑碼達到性能指標要求，設置的基準時鐘頻率準確度應優(yōu)于±3×10-12，任何端到端同步定時鏈路漂移不超過5μs，如圖1所示。

1.2.2 性能指標

同步性能指標主要有：滑動；Jitter（抖動）和漂移；MITE（最大時間間隔誤差）；TDEV（時間偏差）；牽入和牽出范圍。

圖1 定時鏈路漂移

1.3 同步網(wǎng)網(wǎng)管系統(tǒng)

在變電站時鐘同步網(wǎng)管通過時鐘同步網(wǎng)管交換機經(jīng)傳輸鏈路接入所轄地市局時鐘同步網(wǎng)管交換機，地市時鐘同步網(wǎng)管交換機上聯(lián)網(wǎng)管網(wǎng)交換機，通過網(wǎng)管網(wǎng)，到省公司網(wǎng)管網(wǎng)交換機落地。

2 目前變電站內(nèi)及站間數(shù)據(jù)同步方式

數(shù)據(jù)同步主要考慮：物理時鐘獲取的方法及精度；時鐘同步矯正的算法。

2.1 站內(nèi)時鐘同步方法

變電站自動化系統(tǒng)的同步策略是按網(wǎng)絡進行分層，目前，間隔層使用IRIG-B碼，變電層可以使用NTP（網(wǎng)絡時間協(xié)議）和PTP，二者都是采用分組報文傳送方式，國內(nèi)NTP時鐘使用更為廣泛。

2.2 基于IEC 61850-9-2的站內(nèi)同步標識

IEC 61850標準與 IEEE 1588 C37.118.1兼容。鏈路層IEC 61850-9-2采樣值報文是基于ISO/IEC 8802-3的以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，包含了VLAN的序號、優(yōu)先級等開銷，以滿足SV和GOOSE報文的單播/多播、不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)的需求。實際上采用點對點方式互聯(lián)的過程層沒有設置VLAN TPID，采用多播方式，優(yōu)先級默認為4。GOOSE報文幀格式如圖2所示。

與時鐘有關的控制字有GOOSE報文的鏈路層arrival Time，使用基于GPS的IRIG-B接收的物理鐘，frame number標識接收的幀序號；應用層APUD數(shù)據(jù)的T時標字節(jié)為SOE標識，要求精確到毫秒級、StNUM事件計數(shù)器（防止丟失事件）、sqNUM報文計數(shù)器（防止丟包）。

SV報文應用層APDU，采樣同步SamSych，使用本地時鐘local為UTC時鐘（幀的鏈路層報文arrival Time），此外還包含采樣頻率SmpRate（頻率同步）和采用序號smpCnt（滿足初始相位對齊）等同步標識。

2.3 基于IEC 61850-90-5的站間同步標識

IEC 61850 ED2.0標準將覆蓋范圍擴大到變電站以外的所有公用電力應用領域，其中IEC 61850-90-5協(xié)議適用區(qū)域保護數(shù)據(jù)，采用可路由方式工作在站控層交互R-MSVCB和R-GOCB信息，IGMPV3實現(xiàn)組播路由的動態(tài)生成，R-SV的應用層協(xié)議增加了區(qū)域數(shù)據(jù)同步修正因子RefrTm，結(jié)合應用層的SmpRate和smpCnt，計算出任一幀同步向量的時標（RefrTm+Smp/SmpRate），從而完成區(qū)域同步信息提取。工作在站控層的R-GOOSE和R-SV可以減少與其他區(qū)域主站傳輸報文的封裝時間。

2.4 基于IEEE 1588的區(qū)域電網(wǎng)數(shù)據(jù)同步模式

IEC推薦區(qū)域電網(wǎng)數(shù)據(jù)同步主要采用“MSTP+HSR+PTP”時鐘方式（如圖3所示）。主站、子站數(shù)據(jù)合并單元通過HSR交換機，接入MSTP設備的以太網(wǎng)板卡，MSTP設備開通各站點信息共享的通道。

HSR交換機的應用層封裝了IEEE 1588同步信息，以太網(wǎng)協(xié)議上添加HSR標簽（如圖4所示），復制幀在雙以太網(wǎng)接口共用MAC地址與IP，通過HSR字節(jié)中的PathID（局域網(wǎng)路徑）區(qū)分AB口，實現(xiàn)無損傷切換自愈環(huán)網(wǎng)，達到PTP時鐘雙發(fā)選收。

圖2 GOOSE報文幀格式

圖3 區(qū)域數(shù)據(jù)通道組織

圖4 PTP幀在HSR幀的封裝格式

MSTP有透傳、匯聚以太網(wǎng)板卡，分別針對以太網(wǎng)的點對點業(yè)務、點對多點的匯聚業(yè)務，可以實現(xiàn)LAN，VLAN，QinQ功能。考慮業(yè)務界線清晰，點對點通信目前主要使用透傳以太網(wǎng)板卡，一般采用GFP-F協(xié)議封裝（如圖5所示），針對大于1 522字節(jié)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務封裝到SDH幀中，可采用GFP-T協(xié)議（MSTP設備可以選擇），SDH的VC連續(xù)級聯(lián)方式封裝。以太網(wǎng)也可啟用SDH的SNCP（子網(wǎng)連接保護）無損傷切換保護環(huán)。

圖5 GFP-F封裝以太網(wǎng)業(yè)務

3 統(tǒng)一仿真建模的區(qū)域數(shù)據(jù)同步系統(tǒng)

本次研究分為同步系統(tǒng)優(yōu)化、仿真建模、測試3個層次進行。

3.1 同步建模優(yōu)化策略

優(yōu)化主要實現(xiàn)：子站到主站的硬件集約化；同步傳輸控制機理的優(yōu)化；同步信息備用通道、應急通道的組織[9-13]。

3.1.1 硬件優(yōu)化

（1）衛(wèi)星時鐘共享。區(qū)域站點合并單元的衛(wèi)星時鐘與傳輸設備合并，節(jié)省設備投資。變電站通信機房的傳輸設備符合G.812等級，可以實現(xiàn)任何端到端同步定時鏈路漂移不超過5μs。

（2）以“MSTP+PTP”取代“HSR+PTP”。 HSR 除了封裝PTP同步信息之外，其他功能與MSTP的SNCP的雙發(fā)選收功能完全一致。針對通信設備與繼電保護設備分別屬于不同專業(yè)管理部門的界線問題，MSTP設備支持多子架，直流分區(qū)供電模式，單套MSTP設備上配置獨立隸屬繼電保護專業(yè)子架，配置保護專用PTP時鐘板卡、保護專用點對點以太網(wǎng)板卡各1塊，啟用SNCP保護。MSTP設備雙重化，滿足繼電保護對通信的“雙電源、雙路由、雙設備”的要求。PTP板卡與合并單元業(yè)務接入MSTP相同以太網(wǎng)板卡不同端口，工作、保護路徑手動配置保持一致性。MSTP的2 Mbit/s輸出時鐘與PTP設備的FPGA時鐘誤差小于±20×10-6。

3.1.2 控制機理優(yōu)化

仿真系統(tǒng)采用IEEE 1588 V2的P2P時鐘。從同步信息的傳遞全過程來看，PTP報文經(jīng)過MSTP設備的以太網(wǎng)板卡，將信息分裝到SDH的VC顆粒中，通過光路傳輸?shù)綄?cè)站點。整個映射是“PTP以太網(wǎng)幀—GFP—SDH”的鏈路層格式變換，減少了PTP到HSR的以太網(wǎng)封裝時間。

3.1.3 備用及應急通道

PTP時鐘接入MSTP以太網(wǎng)板卡后，MSTP設備有3路時鐘可以配置：主時鐘為采用BDS/GPS形成的主鏈路時鐘；備用時鐘為MSTP保護鏈路備用時鐘；應急時鐘為PTP的2 Mbit/s輸出時鐘。

3.2 數(shù)學建模

網(wǎng)絡仿真工具有OPNET，MATLAB，SPW，NS等。MATLAB和SPW適合鏈路層的工具，NS適合TCP層以上仿真，OPNET最專業(yè)。

Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具。其中，Transfer-Fcn（線性傳遞函數(shù)模型）、Transport Delay（輸入信號延時一個固定時間再輸出）、Variable Transport Delay（輸入信號延時一個可變時間再輸出）、Discrete Filter（IIR與FIR濾波器）、Unit Delay（一個采樣周期的延時）等模塊特別適合通信系統(tǒng)的延遲性能分析。本次采用Simulink主要用于多路徑狀態(tài)下進行PTP報文端到端的遲延性能分析，只需要簡單的數(shù)學模型。

3.2.1 全鏈路延遲模型的建立

MSTP+PTP模型為：

HSR+PTP模型為：

式中：α=[αij]m×n，β=[βij]m×n為權(quán)矩陣， αij和 βij為延遲的權(quán)值， αij=αji， αij＞0， αii=0， βij=βji， βij＞0， βii=0； dij為單MSTP節(jié)點延遲；tij為單HSR節(jié)點的延遲；n為總節(jié)點數(shù)，不小于2，繼電保護跳數(shù)不大于8。

根據(jù)經(jīng)驗值，單節(jié)點MSTP設備以太網(wǎng)業(yè)務的延遲 dij=（5 μs×k+250 μs）×2+1 ms（k 為經(jīng)過MSTP設備數(shù)），HSR交換機，1 024字節(jié)的幀采用100 Mbit/s速率轉(zhuǎn)發(fā)，時延約125μs。

3.2.2 仿真結(jié)果

采用64～1 024字節(jié)的包分別進行測試，HSR模式的傳輸延遲變化比MSTP模式稍大，Simulink模型測試采用1 024字節(jié)時，HSR模式比MSTP模式大0.4 ms，HSR在每個節(jié)點都存在復制PTP報文的雙發(fā)選收，MSTP只在路徑首尾進行。

3.3 性能測試仿真模型

其他性能仿真測試利用實驗室已有MSTP平臺（當前的仿真系統(tǒng)都難以實現(xiàn)SDH全性能仿真），MSTP空槽上插入PTP時鐘板卡（需考慮電源適配），區(qū)域保護數(shù)據(jù)用2個數(shù)字仿真變電站的500 kV線路間隔的合并單元模擬，仿真現(xiàn)場使用PTP設備的2 Mbit/s時鐘輸出作為測試儀同步時鐘。融合區(qū)域數(shù)據(jù)的建模使用鏈路層模型，同步系統(tǒng)仿真模型見圖6。

圖6 融合的同步系統(tǒng)仿真模型

3.3.1 仿真測試儀器儀表

測試儀為安立以太網(wǎng)綜合測試儀、SDH綜合測試儀、PTP時鐘分析儀。網(wǎng)絡測試儀安立Anritsu MD1230B具有時間延遲、“PING”包、到達時間、數(shù)據(jù)包抖動等測試，Variation可以用來統(tǒng)計該端口在某時間段內(nèi)接收不同時延數(shù)據(jù)幀的數(shù)量。儀表可對每一條數(shù)據(jù)流進行單獨的編輯，編輯內(nèi)容有流控制、幀設置、幀間隙、群間隙、流間隙。幀設置主要是設置流量的發(fā)送協(xié)議，幀長，VLAN ID，MPLS標簽，幀類型，MAC地址（包括源和目的），IP地址，數(shù)據(jù)內(nèi)容，錯誤插入等。“Frame Setting/General/Frame Format”以圖 7的方式實時反映編輯的幀結(jié)構(gòu)，編輯好的測試幀可按“Transmit”發(fā)送出去。

圖7 MOD30網(wǎng)絡測試儀的Frame Setting界面

3.3.2 測試方法

融合的同步系統(tǒng)仿真模型測試搭建見圖8。

圖8 融合的同步系統(tǒng)仿真模型測試

主要測試參數(shù)有：

（1）Latency性能。網(wǎng)絡中PTP抓包，測試傳輸延遲。

（2）Jitter性能。采用專門的SDH綜合測試儀，當采用拐角頻率為20 Hz和100 kHz的單極點帶通濾波器測量，指標要求60 s內(nèi)在2 048 kHz和2 048 Kbit/s輸出口所測得的固有抖動不應超過0.05倍UIPP（單位間隔峰峰值時間差）。

（3）TDEV。 在 τ=25 s（τ為給定的積分時間）的觀察時間內(nèi)，要求TDEV小于3.2 ns。

（4）同步時鐘倒換測試。中斷MSTP主通道，PTP時鐘倒換無損傷。

（5）同步網(wǎng)管功能，本次沒有配置。

2種方式的參數(shù)對比見表1。

表1 2種方式參數(shù)對比

4 結(jié)語

采用數(shù)字同步網(wǎng)與區(qū)域數(shù)據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)一模型的同步系統(tǒng)，可以綜合修正單站及全通道的傳輸時延，對傳輸通道結(jié)構(gòu)無特殊要求；報文工作在數(shù)據(jù)鏈路層，減少了2層以太網(wǎng)的封裝時間，提高了同步精度；減少了各站點衛(wèi)星時鐘的投資；利用數(shù)字同步網(wǎng)為區(qū)域數(shù)據(jù)的同步提供了備用及應急通道；“PTP+MSTP”的SNCP通道可以實現(xiàn)多種校驗時鐘方式。

本文以區(qū)域保護數(shù)據(jù)建模，測試同步性能，后續(xù)可以把模型擴到到配網(wǎng)自動化站點，以精準切負荷為建模對象進行區(qū)域電網(wǎng)數(shù)據(jù)同步優(yōu)化。