电力时间同步组网技术研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２Ｏ卷第６期　２００７年６月　广东电力　ＧＵＡＮＧＤＯＮＧ　ＥＬＥＣｎＵＣ　ＰＯＷＥＲ　Ｖｏ１．２０　ＮＯ．６　Ｊｕｎ．２００７　文章编号：１００７—２９０Ｘ（２００７）０６—００４１—０４　电力时间同步组网技术研究　陈业钊　（广东省电力通信有限公司，广州５１０６００）　摘要：对时间同步信号类型和时间同步组网技术做了全面的介绍和分析，根据电力系统应用需求和电力通信网　特点，提出了ＤＣＬＳ＋Ｅｌ，ＩＰ＋ＮＴＰ，Ｅｌ＋ＮＴＰ三种时间同步组网方案，并依照方案搭建实验网，对每种方案　进行了测试，得出三种组网技术的时间精度及存在问题。最后根据测试结果提出电力时间同步系统的建设意见　及未来的发展方向。　关键词：时间同步；ＤＣＬＳ；电力通信；测试　中图分类号：ＴＮ９１５　文献标志码：Ａ　Ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ　ｏｎ　Ｔｉｍｅ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　ＣＨＥＮ　Ｙｅ．ｚｈａｏ　（Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１　０６００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｏｆｆｅｒｓ　ａ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｔｙｐｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ、Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｏｗｅｒ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ，ｔｈｒｅｅ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　ｔｉｐｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｏｐｏｓａｌｓ　ａｒｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒｔｈ，ｎａｍｅｌｙ，ＤＣＬＳ＋　Ｅ１。ＩＰ＋ＮＴＰ　ａｎｄ　Ｅｌ＋ＮＴＰ．Ｂｙ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｔｅｓｔ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ。ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓａｌｓ　ａｒｅ　ｔｅｓｔｅｄ　ｔｏ　ｇｅｔ　ｔｈｅ　ｅｘａｃｔ　ｔｉｍｉｎｇ　ｄａｔａ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ｔｈｒｅｅ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｔｈｅ　ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｄｅａｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ；ＤＣＬＳ；ｐｏｗｅｒ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｔｅｓｔ　在通信技术领域，同步网主要是为各种通信设　备提供频率同步，即时钟频率和相位同步。作为电　１需求分析　电力生产业务对时间同步的需求如表１所示。　从表１可以看出，各节点不仅对时间同步的需求量　大，而且对时间精度要求较高，基本达到微秒级　别，且设备时间接口类型多样。　电力管理业务对时间同步的需求主要在省电力　力通信网的支撑网，目前国内的电网企业大多已经　建了数字同步网。本文所指的时间同步是指网络各　个节点时钟以及通过网络连接的各个应用界面时钟　的时刻和时间间隔与协调世界时（ＵＴＣ）同步，或　者在一定范围内与某一节点的时间同步。现阶段电　力企业主要依赖全球卫星定位系统（ＧＰＳ）时间同步　调度中心和各供电局调度中心，时间精度要求基本　在毫秒级别，设备时间信号为网络时间协议　（ＮＴＰ）。　技术，但ＧＰＳ受美国控制，且ＧＰＳ是免费使用　的，美国对各地ＧＰＳ用户没有任何正式承诺，　因此可靠性低，自主性差。为了满足在电力生产业　务及管理业务等方面对时间同步的需求和安全需　要，有必要对时间同步技术进行研究。　２时间同步技术　２．１时间信号类型　目前常用的时间信号格式主要有２种：时间码　和ＮＴＰ。时问码又包括ＩＲＩＧ，ＤＣＬＳ和ＡＣＴＳ等　收稿日期：２００７—０１—１６　几种　维普资讯 http://www.cqvip.com ４２　表１　电力生产业务时间同步需求表　业务系统　线路行波故　广东电力　第２０卷　于ＵＤＰ报文。其准确度在局域网内为１０　ｓ～１０　ｍｓ，在Ｉｎｔｅｒｎｅｔ内为１（）（】～１　０００　ｍｓ。　２．２时间同步组网方式　信号类型　秒脉冲及时问报文　信号精度信号接口　１，ｕｓ　静态空接点　２．２．１　ＧＰＳ时间同步技术　障测距装置　雷电定位系统　秒脉冲及时间报文　１，ｕｓ　ＲＳ．２３２　功角测量系统　秒脉冲及时间报文　４０，ｕｓ　ＲＳ．２３２　故障录波器　ＩＲＩＧ．Ｂ或分脉冲及时间报文　１　ｍｓ　ＲＳ．４２２　事件顺序　记录装置　ＩＲＩＧ＿Ｂ或分脉冲及时间报文　１　ｍｓ　ＲＳ．４２２　微机保　护装置　ＩＲＩＯ－Ｂ或分脉冲及时问报文　１０　ｍｓ　ＲＳ一２３２　ＲＴＵ　ＩＲＩＧ．Ｂ或分脉冲及时问报文　１　ｍｓ　ＲＳ．４２２　各级调度　自动化系统　ＩＲＩＧ－Ｂ或分脉冲及时问报文　１　ｍｓ　ＲＳ．２３２　变电站　监控系统　ＩＲＩＧ－Ｂ或分脉冲及时问报文　１　ｍｓ　ＲＳ．４２２　电能量　计费系统　ＩＲＩＧ－Ｂ或分脉冲及时间报文　１　ｍｓ　ＲＳ．２３２　电力市场　交易系统　ＩＲＩＧ－Ｂ或分脉冲及时问报文　１　ｍｓ　ＲＳ一４２２　自动记　录仪表　ＩＲＩＧ－Ｂ或分脉冲及时问报文　１０　ｍｓ　ＲＳ．２３２　各级ＭＩＳ　时问报文　≤Ｏ．５　Ｓ　ＲＳ．４２２　负荷监控系统　时间报文　≤０．５　Ｓ　ＲＳ．４２２　ＩＲＩＧ（ｉｎｔｅｒ　ｒａｎｇｅ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｇｒｏｕｐ）：　由ＩＲＩＧ组织于１９５６年开发，其最新版本为ＩＲＩＧ　Ｓｔａｎｄａｒｄ２００—９５。又分为Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｅ，Ｇ和Ｈ　几种，常用的为ＩＲＩＧ．Ｂ，其传输介质可用双绞线　（１．２　ｋｍ）和同轴电缆，准确度为１０～１００　ｓ。　ＤＣＬＳ（ＤＣ　ｌｅｖｅｌ　ｓｈｉｆｔ）：是ＩＲＩＧ－Ｂ的一种特　殊形式，通过６４　Ｋｂｐｓ的ＤＤＮ专线进行传输，无　传输距离，准确度为１（）（】～１　０００　ｓ。　ＡＣＴＳ（ａｕｔｏｍａｔｅｄ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｔｉｍｅ）：由ＮＩＳＴ　（ｎａｔｉｏｎａｌ　ｉｎｓｔｉｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）发明，　通过Ｍｏｄｅｍ／ＩＳＤＮ终端适配器的拨号方法进行传　输，无传输距离，准确度为１（）（】～１　０００　ｍｓ。　ＮＴＰ（ｎｅｔｗｏｒｋ　ｔｉｍｅ　ｐｒｏｔｏｃｏ１）：用来在网络中　提供高精度、可靠时间的标准Ｉｎｔｅｒｎｅｔ协议，基　ＧＰＳ时间同步技术是比较成熟并在国际上广　泛使用的时间同步技术，也是电力系统应用最广泛　的一种技术，其精度可达到１Ｏ０　ａｓ。但是，该技术　存在一些安全问题：ＧＰＳ系统受美方控制，　安全性没有保障；ＧＰＳ信号通过无线方式传输，　易受外界干扰；ＧＰＳ接收机的时刻信号是通过标　准接口（如ＲＳ．２３２接口）输出的，很多网上在用设　备（如交换机）并没有这种专用接口。　与ＧＰＳ技术类似的还有前苏联的ＧＬＡＮＡＳＳ　系统和我国的“北斗”系统。ＧＬＡＮＡＳＳ系统由于　经济原因，健康星的数量有限，稳定性和可靠性无　法保障。“北斗”系统北斗卫星已经发射了３颗星，　单向授时可以达到１００　ａｓ，应用逐渐开始变广，终　端接收机成本也越来越低。　２．２．２短波授时和长波授时时间同步技术　利用无线电发播信号授时，其覆盖范围广，接　收和发送设备相对简单，价格相对低廉，其精度达　１～１０　ｍｓ。　２．２．３电话拨号时间同步技术　电话拨号授时（ＡｃＴＳ）使用的设备相对简单，　只需要电话线、模拟调制解调器、普通的个人计算　机和简单的用户端软件即可。电话拨号授时不具备　实时性，在国内，中国计量科学研究院和中国科学　院陕西天文台都提供这种授时服务，其精度较低。　２．２．４互联网时间同步技术　使用互联网同步个人计算机的时间是十分方便　的，目前国内外都免费提供这种服务。只要计算机　能联到互联网，就能进行远程计算机时钟校准。标　准的ＮＴＰ采用的是ＲＦＣ　１３５０标准，简化的网络　时间协议（ＳＮＴＰ）采用的是ＲＦＣ　１７６９标准。ＮＴＰ　包含一个６４　ｂｉｔ的协调世界时时间戳，时间分辨率　是２００　ｐｓ，并可以提供１～５０　ｍｓ的时间校准精度。　ＮＴＰ也可以估算往返路由的时延差，以减小时延　差所引起的误差。ＰＴＰ（ｐｒｅｃｉｓｅ　ｔｉｍｅ　ｐｒｏｔｏｃａ１）是对　ＮＴＰ的一种改进，它采用的是ＩＥＥＥ　１５８８标准，　时间精度到达１０～１００　ａｓ，但目前支持ＰＴＰ的产　品尚未成熟。　维普资讯 http://www.cqvip.com 第６期　陈业钊：电力时间同步组网技术研究　２．２．５同步数字体系（ＳＤＨ）网络时间同步技术　在开始大规模建设ＳＤＨ网络时，人们就提出　利用ＳＤＨ网络传送高精度时间编码信号。ＩＴＵ—Ｒ　Ｓ７组随后正式立项研究，美国、欧洲、Ｅｔ本等国　家和地区也进行了大量相关的研究。这种技术的主　要原理是把与铯钟同步的时间编码信号嵌入到　ＳＤＨ的ＳＴＭ．Ｎ的复用段开销（ＭＳＯＨ）的空闲字　节，信息长度为５　ｂｉｔ，其帧结构符合ＩＴＵ—Ｔ　Ｇ．７０８建议。用ＳＤＨ的ＳＴＭ－Ｎ信号传送时间频　率信息的优点是对抖动的过滤能力强，不受支路指　针调整的影响，因此，可以在ＳＴＭ—Ｎ端口之间实　现时间信息的透明传输。但现有的ＳＤＨ产品支持　很少。另一种方式是利用ＳＤＨ的Ｅ１通道传送时　间信号，其精度受支路指针调整的影响。　３时间同步组网测试　根据对时间同步技术的分析，结合电力生产业　务对时间同步的需求以及电力通信网实际情况，我　们对电力组建同步时间组网提出３种方案：ＤＣＬＳ　＋Ｅ１；ＮＴＰ＋ＩＰ；ＮＴＰ＋Ｅ１。　ＤＣＬＳ＋Ｅ１方式为目前比较成熟的时间同步　组网技术，即采用同步设备的ＤＣＬＳ接口，通过　ＳＤＨ网络的Ｅ１通道将ＤＣＬＳ时间编码信号传输　到各需要同步的节点，并通过手工或自动补偿机制　消除传输时延，该方案的理论精度为微秒级别，见　图１。　图１　ＤＣＬＳ＋Ｅ１组网方案示意图　ＮＴＰ＋ＩＰ方式目前已在电信、移动通信、地　铁等行业作为时间同步滤延时的ＮＴＰ，其同步性　能理论上可达到１０　ｍｓ的精度要求。其基本原理　是：网元客户端首先向时间服务器发送一个ＮＴＰ　数据包，这个数据包被打上发送时的客户端本机时　间标签丁　，服务器接收到这个数据包后也向客户　端发送一个ＮＴＰ数据包，这个数据包中含服务器　接收到客户端ＮＴＰ数据包时的时间标签丁　、服务　器发出ＮＴＰ数据包时的时间标签　、客户端　ＮＴＰ数据包中原有的时间标签丁　，客户端接收到　这个数据包后也打上一个本机时间标签丁　，根据　这４个时间标签就可以算出服务器一客户问的时钟　偏差　。岫和传输时延　ｄｅＩａ　。即　１　０ｏｒｆ　ｔ＝｛［（Ｔ２一Ｔ１）＋（Ｔ３一Ｔ４）］，　厶　ｄｅｌａｖ＝（Ｔ４一Ｔ１）一（Ｔ３一Ｔ２）．　通过这两个公式得出的网元时钟与时间服务器　的时钟偏差，再将两端时延进行补偿，客户端就得　到了时间服务器中的标准时间。　ＮＴＰ＋ＩＰ组网方案示意图如图２所示。　图２　ＮＴＰ＋ｌＰ组网方案示意图　ＮＴＰ＋Ｅ１方式是ＮＴＰ＋ＩＰ方式和ＤＣＬＳ＋Ｅ１　方式的一种折中形式，它消除了ＮＴＰ＋ＩＰ方式中　ＩＰ网络路由延时的不确定性问题，因此其精度理　论上应高于ＮＴＰ＋ＩＰ方式。此外，该方式在线实　现了ＤＣＬＳ＋Ｅ１方式中的延时计算与消除，且采　用专线后其网络可控性较好，若忽略Ｅ１的传输延　迟（ＮＴＰ补偿算法），这就相当于局域网内两个直　连的节点，因此，其精度理论上也应高于ＤＣＬＳ＋　Ｅ１方式。目前该方案在电信中有些应用。但此种　方法比ＮＴＰ＋ＩＰ方式造价高，因为这占用如同　ＤＣＬＳ＋Ｅ１方式一样多的２　Ｍｂｐｓ资源。　ＮＴＰ＋Ｅ１组网方案示意图如图３所示。　为了验证上述方案的可行性，我们进一步组建　维普资讯 http://www.cqvip.com 广东电力　第２０卷　图３　ＮＴＰ＋Ｅ１组网方案示意图　实验网进行测试。　时问同步测试采用三级组网模式，一级时间服　务器从ＧＰＳ卫星或铯钟获得时间信号（由于现有的　铯钟无法提取时间信号接口，只用ＧＰＳ来取得时　间信号）；一级时间服务器提供ＤＣＬＳ信号通过　ＳＤＨ或网络传送到二级服务器，形成树形结构主　从式时间同步网；同样二级时间信号再作为一个基　准的时间，提供ＤＣＬＳ信号至变电站的统一时间　服务器，组建三级时间同步网；在变电站最终时间　同步服务器通过光纤接口，通过扩展单元提供各系　统的时间应用。　测试网络如图４所示。　－．１　ｐｐｓ　…－．ＩＲＩＧ—Ｂ（Ｄｃ）　Ｏ＇坝４试点　图４时间同步测试组网图　测试结果表明，用ＮＴＰ组网方式从扩展时钟输出　的时间精度达到（１５０±１００）ｆｆｓ。而利用ＤＣＬＳ组　网精度与ＳＤＨ网络的同步性能和网元数量有关，　在最坏情况下并经过时延误差补偿之后，精度能够　达到（１４±５）ｆｆｓ。　单从技术上讲，利用ＤＣＬＳ组网性能较ＮＴＰ　好，能够满足电力系统二次监控大部分的应用需　求，但ＤＣＬＳ组网技术目前还存在以下几个问题：　ａ）不能满足线路行波故障测距、雷电定位业　务的时间精度要求。　ｂ）目前绝大部分产品无法自动补偿传输时　延，只适用于传输链路相对不变的场合。但是电力　系统传输网络因电网的发展，网络结构在不断变　化，用ＤＣＬＳ传输地面时间信号显得可操作性不　是很强。即使人工手动补偿也存在着精度问题，因　为Ｅ１线路输出是存在一定抖动的，即时间传输的　时延不是恒定的，如何改善时间补偿算法，提高补　偿精度需要进一步研究。　ｃ）采用ＤＣＬＳ方式需要占用电力系统很多通　信资源，每个站点至上一个站点需要多开通一个　Ｅ１通道，给整个传输网带来一定的压力。　４结束语　ＤＬＣＳ＋Ｅ１能满足大部分电力应用系统的需　求，但其产品尚不成熟，目前仍需解决一些技术细　节才能大面积推广，ＮＴＰ技术精度略低，能满足　管理信息系统的需求，不满足生产系统精度要求。　所以为了保证电力安全生产的需要，现阶段仍需继　续以ＧＰＳ同步技术为主建立和完善变电站的时问　同步系统，另一方面应密切关注新技术的发展，如　ＰＴＰ（精确同步时钟的协议，ＩＥＥＥ　１５８８协议）、　１　ｐｐｓ＋ＳＴＭ．Ｎ等新技术在电力系统的应用，一旦　这些技术成熟，可在电力系统中推广应用。　参考文献－　Ｅｌｉ　Ｑ／ＧＤ　００１．１１５４．３－２００５，广东电网变电站ＧＰＳ时间同步系　统技术规范Ｅｓ］．　作者简介：陈业钊（１９７５一），男，广东揭阳人。电力通信工程师，　工学学士，从事电力通信技术管理工作。