基于5G的電力系統時間同步方案

趙俠 陳一強 陳其銘

【摘? 要】綜合考慮成本、設備尺寸、工程安裝和運維等因素，基于5G網絡的電力系統同步技術比其他時間同步技術更具備優勢。分析了5G網絡的時間同步精度，給出基于5G網絡的電力系統同步方案及應用實例，對未來基于5G網絡同步方案的大規模應用具有指導意義。

【關鍵詞】5G;授時;時間同步;電力系統;IRIG-B碼

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.07.002? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）07-0007-06

引用格式：趙俠，陳一強，陳其銘. 基于5G的電力系統時間同步方案[J]. 移動通信， 2020，44（7）： 7-12.

0? ?引言

隨著數字化技術在電力企業的廣泛應用，電力自動化設備對時間同步的要求越來越高，電力系統繼電保護、自動化、安全穩定控制系統、能量管理系統和生產信息管理系統等均需要獲得統一的時間基準來滿足事件順序記錄（SOE）、故障錄波、實時數據采集時間一致性，確保線路故障測距、相量和功角動態監測、機組和電網參數校驗的準確[1]。為了統一全電網自動化設備的時間信息，電力企業各自建立了電力系統的時間同步系統。目前，如何應現代化電力系統需求，建設低成本、高可靠的時間同步系統已成為電力行業的重點研究內容[2-5]。

時間同步系統分為無線授時系統（如美國GPS、歐洲伽利略、中國北斗等衛星定位導航授時系統、BPM短波授時系統、BPL長波授時系統等）和有線授時系統（銣原子時間基準網絡或專線的授時系統）[2]。其中，衛星定位導航授時需要每個電力終端處都安裝衛星定位模塊和衛星接收天線，價格昂貴，施工不便;短波、長波授時系統分別存在容易受到干擾和接收系統復雜等問題，難以大規模應用;有線授時系統信號穩定，但在城區內敷設專線成本較高。當前，新一代移動通信技術5G已經投入商用，5G具有大帶寬、低延時、海量連接的特性，并且采用了基于衛星授時的高精度同步技術，只需要在電力自動化設備側安裝具備授時功能的5G通信模組，即可廣泛、快速、準確地傳遞高精度時間信號，已成為電力系統時間同步方案的一種新選擇。

本文首先對比了不同時間同步技術的時間精度，然后提出一種利用5G為電力系統提供時間同步的技術方案，并給出該方案的實際試點情況和測試數據，對電力企業降低時間同步系統建設成本，加速數字化轉型具有參考意義。

1? ? 時間同步技術精度分析

1.1? 電力系統時間同步要求

電網的電力調度和故障分析判斷對時間同步有需求，尤其在實時控制領域，電力自動化設備（系統）直接使用時間同步系統實現時間同步[1]。不同的電力自動化設備（系統）對時間同步精度有不同的等級要求，根據《電力系統時間同步技術規范》，電力系統被授時裝置對時間同步精確度要求可分為1 μs、1 ms、10 ms和1 s，不同時間同步準確度對應的被授時同步裝置（系統）如表1所示[2]。

1.2? 時間同步技術比較

目前主要的時間同步技術有衛星同步技術、網絡同步技術和基于IEEE 1588精確時間協議的同步技術。衛星同步技術時間精度最高，是常用的授時方式，但易受天氣和環境干擾，穩定性較低。網絡同步采用的NTP協議（Network Time protocol）在網絡應用中最為廣泛，但授時精度為毫秒級別。基于IEEE 1588的精確時間協議PTP協議（Precision Time Protocol）精準度比NTP協議更高，PTP協議用于與網絡各個節點進行精確時鐘同步，每個節點設備要求支持PTP同步協議[8]。各時間同步技術的同步精度及受限因素對比如表2所示。

移動通信基站具備UTC時間（協調世界時）的接收能力[9]，目前最新一代的5G移動通信網絡具有大帶寬、低延時、海量連接和網絡切片的技術特性，在滿足電力業務低時延和安全隔離要求的基礎上，基于5G網絡的時間同步技術能有效解決無線專網授時的專用頻段限制，為電力系統提供穩定可靠的時鐘源，減少因配置GPS天線所產生的投資，是電力同步系統中的一種廣覆蓋、無盲區、適應性強和低成本的時間同步方案。

1.3? 5G網絡時間精度

目前商用的5G網絡設備均采用時分雙工（TDD）模式，為了避免干擾，對時間同步精度要求很高。5G支持的增強移動寬帶（eMBB）、海量機器類通信（mMTC）、超可靠低時延通信（uRLLC）三大應用場景對時間同步精度要求各不相同。當前商用5G網絡主要服務于eMBB場景，時間同步精度需求基本與4G TDD一致。國際電聯（ITU）和中國通信標準化協會（CCSA）都進行了明確規定[6]：

（1）國際標準ITU/T G.8271對同步網時間精度的要求

參考ITU-T G.8271.1/Y.1366.1中時間同步體系架構如圖1所示。

標準ITU-T G.8271.1/Y.1366.1時間同步體系架構包括時鐘服務器（PRTC）、時鐘同步網（T-BC/TC）和時鐘同步終端（T-TSC）部分。

參考點B為時鐘服務器（PRTC）的時間精度是100 ns;參考點C為時鐘同步網（T-BC/TC）的時間精度同步，包含鏈路重組和保持的誤差和網元及線路非對稱的誤差，時間精度是1 250 ns;參考點D為時鐘同步終端（T-TSC）的時間精度，包含BBU到RRU或者BBU到AAU等用戶系統延伸誤差，時間精度是1 250 ns，根據標準ITU-T G.8271.1/Y.1366.1要求，基站的時間同步精度為1 500 ns。

基于標準ITU-T G.8271.1/Y.1366.1時間同步體系架構，時間同步網絡各部分的同步精度如表3所示[7]：

（2）國內標準YD/T2375-2011對同步網時間精度的要求

類似地，CCSA也出版了國內通信行業標準YD/T2375-2011《高精度時間同步技術要求》，基站的時間同步精度包括PRTC的授時誤差、承載網絡傳輸的誤差和用戶系統延伸的誤差，同步精度要求為1 400～1 500 ns，如表4所示[7]：

目前我國商用的5G網絡通信設備都滿足上述標準要求，時間同步精度在1 500 ns以內。隨著物聯網、車聯網、智能制造等各種垂直行業應用對5G網絡的時間同步要求越來越高，各設備廠商紛紛積極研究如何將無線基站空口時間偏差由目前±1 500 ns進一步提高。3GPP在R15 TS 36.331標準中引入TimeReferenceInfo（時間基準參數），時間分辨率由LTE的250 ns提升到10 ns，根據IMT2020發布的《5G同步組網架構及關鍵技術白皮書》介紹，未來無線基站空口時間精度將達到百納秒級別，因此，基于5G的時間同步精度可以滿足電力系統的時間同步需求。

2? ?基于5G的電力系統同步方案

基于5G的電力系統時間同步方案包括基站與5G UE的時間同步和5G UE與電力設備的時間同步兩部分，其中是基站與5G UE的時間同步是指5G UE通過空口從基站獲取到時鐘信息，5G UE與電力設備的時間同步是指電力設備通過授時端口從5G UE獲取到時鐘信息，基于5G的電力系統時間同步示意圖如圖2所示。

2.1? 基站與5G UE的時間同步

根據3GPP TS 38.331標準協議，UE在向基站獲取小區的系統信息SI（System Information）過程中，系統消息塊SIB9（SystemInformationBlocks）包含與GPS時間和協調世界時（UTC）相關的參數，如夏令時（DayLightSavingTime）、GPS時間和UTC之間的閏秒數偏移量（LeapSeconds）、UTC和當地時間之間的偏差（LocalTimeOffset）和SFN邊界對應的協調世界時（TimeInfoUTC）等參數。UE可以使用該系統信息塊中提供的參數來獲得UTC，GPS和本地時間，UE可以將時間信息用于多種目的，例如協助GPS初始化，以及同步UE時鐘。

基站與UE同步包括UE頻率和相位同步、UE時間同步兩部分，同步示意圖如圖3所示。

（1）UE頻率和相位同步

目前基站與5G UE上下行同步過程中，基站通過測量UE上行的前導序列，計算終端和基站的時間提前量TA（TimingAdvance），并在隨機接入相應消息RAR（Random Access Response）中把TA值返回給UE，UE做相應的頻率和相位調整，所以基站與UE之間只有幀的信息，不包括從基站獲得的時間信息。

（2）UE時間同步

受限于基站和UE無線授時支持能力，為了使5G UE從基站獲取精準時間信息，基站和5G UE通過改造升級支持無線授時功能，升級后的基站通過SIB消息通知終端精確時間，終端接收網絡下發的精確時間后，進行下行傳播的時延補償，實現基站和UE之間的時間同步，南方電網聯合華為已向3GPP提交5G電力授時關于時延補償的標準提案，目前正在受理當中。

2.2? 5G UE與電力設備的時間同步

電力設備接收授時信號主要有四種方式，分別為脈沖對時、編碼對時、NTP 對時和串行報文對時。其中，脈沖對時時間準確度最高，不大于1 μs;編碼對時次之，時間準確度可達到1 ms;NTP對時準確度約200 μs～10 ms;串行報文對時最差，約1 s[10]。由于脈沖對時信號中不包括年、月、日等時間信息，在實際應用中經常采用串口+脈沖兩種相結合的方式對時，這種方式的缺點是需要傳送2個信號。IRIG-B碼對時方式兼顧了兩者的優點，將脈沖對時的準時沿和串口報文對時的時間數據結合在一起，簡化了對時回路，提高了對時精度。南方電網在智能變電站技術規范中明確變電站間隔層和過程層設備宜采用IRIG-B碼（DC）直流碼方式實現對時。

5G UE通過RS-485線路接入電力設備對應時鐘輸入接口，采用IRIG-B碼（DC）方式對電力設備對時。IRIG-B碼（DC）采用脈寬編碼方式，傳輸速率為1幀/秒，每一幀的數據包含年、天、時、分、秒等信息。

IRIG-B碼（DC）每一幀數據由100個碼元組成，每個碼元的寬度為10 ms，碼元有3種，分別為碼元“P”、碼元邏輯二進制“1”和“0”。每幀從連續兩個8 ms脈沖中的第2個8 ms脈沖的前沿開始標志，分別為Pr，第0， 1， …， 99碼元。在Pr和P5之間是BCD字段，傳送的是BCD碼格式的時間信息（包含秒、分、時、天4種信息），個位在前十位在后。在P5和P7之間是CF字段，實現控制功能，可根據實際使用時制定使用方法。在P8和P9之間是SBS字段，是用二進制表示的以秒為單位的時間信息[11-12]。

電力設備通過IRIG-B碼（DC）解模塊檢測出時間信息和對時脈沖，實現電力設備的授時工作。

3? ?應用情況

基于5G的電力系統同步方案，2020年1月，中國移動聯合南方電網在深圳完成全球首條5G SA網絡差動保護配網線路測試，驗證5G承載電力業務的關鍵業務指標和網絡指標（如網絡時延和時間精度等）。

業務側深圳供電局在現網的1條110 kV線路中選用3個環網柜做測試驗證;終端側選用帶授時功能的測試UE;網絡側選用某運營商支持授時功能的2個5G宏站，傳輸選用SPN組網承載電力業務，核心網選用某運營商的SA核心網。通過搭建真實復雜的實際網絡環境，實現配網差動保護業務跨基站承載，測試網絡架構如圖4所示。

外場測試包括5G通信性能測試、接口測試和電力業務測試三部分內容。5G通信性能測試項及測試結果如表5所示。

所有測試的5G通信性能指標均達到電力業務的要求，驗證了5G滿足電網控制類業務毫秒級低時延和微秒級高精度網絡授時需求。

4? ?結束語

電力系統的故障分析、監視控制及運行管理均需要高精度的時間同步，隨著大量分布式智能終端廣泛應用在配電網各種節點上，新能源并網、廣域測控保護等業務對電力系統時間同步帶來極大的挑戰，基于5G網絡的同步方案是電力系統創新的授時方式，5G的同步精度可達到百納秒級別，可以滿足電網控制類業務高精度授時的需求，隨著基站和UE支持授時功能和5G電力授時標準的凍結，基于5G的時間同步方式將成為電力系統時間同步的最佳選擇。本文論述了基于5G電力系統時間同步方案，并進行外場5G基站環境測試，各項通信性能指標均達到測試要求，為后續其他行業的5G應用提供了很好的參考。

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收稿日期：2020-02-29

作者簡介

趙俠（orcid.org/0000-0003-0072-8424）：

現任職于中國移動通信集團廣東有限公司，從事移動通信技術創新管理，研究方向為5G新技術應用。

陳一強（orcid.org/0000-0002-9245-6763）：中級工程師，現任職于廣東省電信規劃設計院有限公司，從事運營商網絡規劃與設計，研究方向為5G新技術應用。

陳其銘：教授級高級工程師，博士畢業于華南理工大學，現任職于中國移動通信集團廣東有限公司，從事移動通信新技術試驗工作，研究方向為無線通信。