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(xué)研究院有限公司,遼寧 沈陽 110006;2.東北電網(wǎng)有限公司,遼寧 沈陽 110180）

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展,設(shè)備的智能化,測控?cái)?shù)據(jù)采集、傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)化,對網(wǎng)絡(luò)授時的精度提出了更高的要求,同時將進(jìn)一步加強(qiáng)對發(fā)電、輸電、配電、調(diào)度等環(huán)節(jié)的測量和監(jiān)控,這需要在全網(wǎng)建立統(tǒng)一時鐘同步、統(tǒng)一授時的同步網(wǎng)。因此,時間同步對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、監(jiān)控保護(hù)、故障分析處理等具有重要意義。本文基于電力調(diào)度通信SDH網(wǎng)絡(luò),使用先進(jìn)的IEEE 1588精確時間協(xié)議,研究網(wǎng)絡(luò)時間的同步,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸高精度、高可靠性的時間和頻率同步。

1 SDH數(shù)據(jù)傳輸與IEEE 1588精確時間協(xié)議

1.1 SDH數(shù)據(jù)傳輸

SDH網(wǎng)絡(luò)是一個頻率同步的數(shù)字傳輸網(wǎng),頻率同步即三層網(wǎng)絡(luò)的等級主從同步。SDH設(shè)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(zhǔn)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(jù)時鐘質(zhì)量進(jìn)行實(shí)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(xié)議

IEEE 1588定義了一種用于分布式測量和控制系統(tǒng)的精密時間協(xié)議,是網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)精密時鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),也是網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)精密時間協(xié)議（PTP）標(biāo)準(zhǔn),用以建立分布式、主從、分級的同步體系,可以在以太網(wǎng)及任意基于分組的網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn),其網(wǎng)絡(luò)對時精度可達(dá)亞微秒級。鑒于IEEE 1588以上優(yōu)點(diǎn),IEC TC57第10工作組將IEEE 1588引入IEC 61850規(guī)約,因此,研究IEEE 1588在SDH通道中的應(yīng)用對智能電網(wǎng)的發(fā)展具有重要意義。本文只針對IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)時鐘同步進(jìn)行研究（討論的延遲計(jì)算機(jī)制采用peer to peer方式）。

1.3 IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)時鐘同步原理

在網(wǎng)絡(luò)中,主時鐘和從時鐘之間可能經(jīng)過單個或幾個交換機(jī)互聯(lián),由于受到交換機(jī)存儲轉(zhuǎn)發(fā)信息內(nèi)部排隊(duì)機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)中交換信息流量的影響,使網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲不確定程度增加,因此,必須對時鐘授時精度進(jìn)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(wǎng)絡(luò)時鐘同步原理如圖1所示,交換機(jī)為符合IEEE 1588的新型交換機(jī)。由于所有時標(biāo)均在物理層獲得,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧處理延遲對精度不產(chǎn)生影響。網(wǎng)絡(luò)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(jī)之間鏈路延遲（Lt1）、交換機(jī)內(nèi)部延時（St）、交換機(jī)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(jī)通過報(bào)文交互求得。St是指同步報(bào)文在交換機(jī)內(nèi)的駐留時間,由于交換機(jī)自身具備內(nèi)部時鐘,駐留時間St可精確求解,不會受交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)流量和信息排隊(duì)機(jī)制的影響。交換機(jī)在求得Lt1和St之后,將該信息作為跟隨報(bào)文發(fā)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(bào)文整個傳輸路徑上的延遲,并對時鐘偏差進(jìn)行修正。如果主時鐘與從時鐘之間存在多個交換機(jī)（即交換機(jī)級聯(lián)）,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(wǎng)絡(luò)方式的IEEE 1588時鐘同步原理

IEEE 1588網(wǎng)絡(luò)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(bào)文往返傳輸路徑相等,以提高網(wǎng)絡(luò)時鐘同步精度。

2 基于SDH通道的PTP同步對時試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案及目標(biāo)

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?fù)溥B接方式實(shí)現(xiàn)長距離連接,并實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)。

圖2 在SDH組網(wǎng)中測試時鐘的對時精度組網(wǎng)拓?fù)鋱D

當(dāng)測試完成后,由測試數(shù)據(jù)可得經(jīng)過SDH網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)PTP組網(wǎng)時間同步精度。

2.2 試驗(yàn)方法及結(jié)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?fù)溥B接方式實(shí)現(xiàn)長距離連接,并實(shí)現(xiàn)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(wěn)定后,使用TimeAcc對從時鐘1PPS信號對比GPS信號進(jìn)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(jìn)行同步,從時鐘與主時鐘第1次對時后,發(fā)現(xiàn)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(chǎn)生是由于PTP鏈路延遲計(jì)算要求PTP報(bào)文請求和應(yīng)答傳輸鏈路對稱,如果PTP報(bào)文傳輸鏈路不對稱,PTP對時在計(jì)算鏈路延時時就會產(chǎn)生誤差。在補(bǔ)償這個非對稱性誤差后,TimeAcc每秒采樣1次,記錄的網(wǎng)絡(luò)對時精度在微秒級（如圖3所示）。

圖3 主、從時鐘在SDH中組網(wǎng)時間同步的精度測試數(shù)據(jù)曲線圖

由主、從時鐘經(jīng)SDH通道PTP對時試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),產(chǎn)生非對稱性誤差根本原因是SDH通道的收、發(fā)通道不對稱、SDH通道中包含大量不支持IEEE 1588的交換機(jī)和協(xié)議轉(zhuǎn)換器,這些因素都會產(chǎn)生傳輸鏈路非對稱性誤差,影響IEEE 1588精確時間協(xié)議的對時精度。該非對稱性誤差必須進(jìn)行手動補(bǔ)償,其補(bǔ)償方式是先通過TimeAcc（TimeAcc鎖定GPS）測量由PTP經(jīng)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(bǔ)償給從時鐘,手動補(bǔ)償后,主、從時針對時精度能達(dá)到亞微秒級。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),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(chǎn)生較大影響,如果從時鐘計(jì)算得到對時信息與主時鐘有較大偏差,從時鐘認(rèn)為這時對時過程受交換網(wǎng)絡(luò)影響較大,將此對時計(jì)算結(jié)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(wǎng)絡(luò)抖動影響較大,對于這種情況,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)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(jié)論

a.由于SDH傳輸通道中的交換機(jī)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(fā)通道不對稱、SDH通道中存在大量不支持IEEE 1588的交換機(jī)、SDH通道傳輸協(xié)議和PTP傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換的協(xié)議轉(zhuǎn)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(yàn)組網(wǎng)時對非對稱性偏差進(jìn)行補(bǔ)償,但在實(shí)際工程中實(shí)施困難。

因此,建議在SDH網(wǎng)絡(luò)內(nèi)采用IEEE 1588精確時間協(xié)議（PTP）同步對時,使用支持IEEE 1588的交換機(jī)組網(wǎng),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(xié)議轉(zhuǎn)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(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

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