基于電力線載波通信協(xié)議的時鐘同步方法研究

王清，荊臻，代燕杰，李琮琮

(國網(wǎng)山東省電力公司營銷服務(wù)中心(計量中心)，濟南 250000)

0 引 言

精確的時間信息對于提高低壓配電網(wǎng)可靠運行、用戶用電服務(wù)管理水平十分關(guān)鍵。近年來，電網(wǎng)公司已建立了用電信息采集主站、采集終端、電能表之間的時間同步體系，時鐘誤差被限定在數(shù)秒以內(nèi)，為用戶用電信息數(shù)據(jù)分析，分時電價、階梯電價政策執(zhí)行提供了堅實保障[1]。隨著新型電源(大量分散小容量戶用光伏)、負(fù)荷(儲能、電動汽車)的接入，末端電網(wǎng)運行隨機性與波動性特征日益明顯[2]，為了解決新型電源與負(fù)荷需求時空不平衡的難題，加強低壓配電網(wǎng)精益化運行的管控，電網(wǎng)公司對低壓配電網(wǎng)提出了“可觀可測可控”的要求，目的是實現(xiàn)全面、敏捷、精準(zhǔn)地掌握低壓電網(wǎng)設(shè)備運行狀態(tài)并實時做出響應(yīng)控制。為此，電網(wǎng)公司將加大低壓配電網(wǎng)分鐘級信息采集頻率應(yīng)用范圍[3]，逐步建設(shè)配變、智能開關(guān)等設(shè)備的運行狀態(tài)“微妙級”信息監(jiān)測能力[4]，從而更好地為臺區(qū)互聯(lián)供需平衡、分段線損精細化計算、停電上報、用電負(fù)荷辨識等新興業(yè)務(wù)提供支撐[5-8]。

以上新興業(yè)務(wù)的發(fā)展均離不開臺區(qū)設(shè)備高精度時鐘同步的保障。自2016年以來，電網(wǎng)公司已在低壓臺區(qū)推廣應(yīng)用了基于正交頻分復(fù)用(OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的寬帶電力線載波通信(HPLC, High-speed Power Line Communicaiton)[9-13]，HPLC技術(shù)是一種高速電力線通信技術(shù)，電力線通信技術(shù)是指利用電力線作為通信介質(zhì)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信技術(shù)。由于電力線是最普及、覆蓋范圍最為廣闊的一種物理媒體，利用電力線傳輸數(shù)據(jù)信息，具有極大的便捷性，無需重新布線，即可將所有與電力線相連接的電器組成一個通信網(wǎng)絡(luò)，進行信息交互和通信。這種方式實施簡單，維護方便，可以有效降低運營成本、減少構(gòu)建新的通信網(wǎng)絡(luò)的支出，因而已成為智能電網(wǎng)、能源管理、智慧家庭、光伏發(fā)電、電動汽車充電等應(yīng)用的主要通信手段。HPLC面向電力抄表的高速電力線通信工作頻率范圍包含 2.4 MHz～5.6 MHz、2 MHz～12 MHz、0.7 MHz～3 MHz、1.7 MHz～3 MHz，具有相對較寬的帶寬，能夠提供數(shù)百Kbps至幾Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，且電力線在高頻段的噪聲相對較弱，相對于窄帶電力線通信，通信可靠性和穩(wěn)定性顯著提升,有力支撐了低壓臺區(qū)高速數(shù)據(jù)通信需求。寬帶電力線載波通信更高的數(shù)據(jù)傳輸速率意味著更低的通信時延，為應(yīng)用同步授時協(xié)議實現(xiàn)低壓設(shè)備時間同步提供了基礎(chǔ)條件。

目前，已發(fā)布的寬帶電力線載波通信協(xié)議規(guī)定了用電信息采集主站、采集終端與電能表之間時間同步方法[14-17]。采集終端和電能表均支持內(nèi)部時鐘單元，用電信息采集主站可以通過實時點抄方式或通過集中器周期廣播方式對電能表進行校時。同時，通過在電能表載波模塊中增加時鐘誤差監(jiān)測功能，及時發(fā)現(xiàn)電能表與采集終端時差越限事件，并主動生成事件報文上報給采集終端或用采主站。文獻[18]研究了針對GPS、PTP協(xié)議[19]、NTP協(xié)議等多時鐘源的時間判定方法，從而有效地提高了用電信息采集主站主時鐘精度。文獻[20]通過令采集終端主動與用采主站對時，降低了對時業(yè)務(wù)與采集業(yè)務(wù)的沖突概率，提高了對時可靠性。文獻[21]提出了在用采主站與采用終端之間通過多次對時判斷通道傳輸時延是否穩(wěn)定，從而獲得信道傳輸條件良好情況下的鐘差校準(zhǔn)值，有效減輕了因通信傳輸時延波動性導(dǎo)致對時不準(zhǔn)的問題。文獻[22]提出了一種基于采集終端中繼時延越限判斷的改進同步對時協(xié)議，也有效提高了對時準(zhǔn)確率。

電力線載波通信以電力線作為傳輸介質(zhì)，載波信號傳輸電磁環(huán)境復(fù)雜，且多分支等效阻抗與載波接收模塊的耦合電路輸入阻抗難以完全匹配，導(dǎo)致了載波信號傳輸?shù)亩鄰叫?yīng)、信號衰減以及鄰區(qū)干擾等現(xiàn)象[23-28]，導(dǎo)致通信時延波動范圍大，需增加中繼節(jié)點逐級轉(zhuǎn)發(fā)，這就容易造成對時偏差大、逐級對時誤差累計等現(xiàn)象。多數(shù)文獻的時間傳遞主要依賴應(yīng)用層業(yè)務(wù)規(guī)約攜帶時間信息的方式，忽略了載波通信時延以及采集設(shè)備解碼應(yīng)用層時間戳信息處理時延。

綜上，文中綜合考慮了協(xié)議處理時延和載波中繼傳輸延遲的影響，設(shè)計了相關(guān)延遲估計和糾偏方法。特別地，針對載波通信信號傳輸延遲，文中提出在本級信標(biāo)幀中增加了“前級對時誤差”數(shù)據(jù)域，本級設(shè)備可以利用該數(shù)據(jù)域提供的時間誤差信息有效抑制載波通信傳輸延時波動、以及多級中繼累計誤差給精準(zhǔn)對時帶來的影響。

1 現(xiàn)有低壓載波通信時鐘同步業(yè)務(wù)

現(xiàn)有HPLC技術(shù)體制的時鐘同步技術(shù)已有研究機構(gòu)做了全面詳盡的闡述?，F(xiàn)有HPLC技術(shù)所包含的精準(zhǔn)時鐘同步業(yè)務(wù)包括周期廣播對時業(yè)務(wù)、精確廣播對時業(yè)務(wù)、特定表計點抄單播校時業(yè)務(wù)以及表計時鐘誤差監(jiān)測業(yè)務(wù)四種類型。周期廣播對時業(yè)務(wù)是由集中器CCO對臺區(qū)所有STA執(zhí)行的。一般每天在臺區(qū)內(nèi)進行一次全臺區(qū)的表計時鐘廣播同步操作，將各個表計的時鐘同步到集中器本地時鐘，通過HPLC廣播校時命令進行全網(wǎng)從節(jié)點的時鐘同步。精確廣播對時業(yè)務(wù)，一般認(rèn)為HPLC的廣播通信時延可以忽略不計，但針對臨域干擾多、本地網(wǎng)絡(luò)層級深、通信質(zhì)量惡劣的臺區(qū)，HPLC本地廣播通信時延可能會達到數(shù)秒，需要采用預(yù)置對時時間的方式實現(xiàn)高精度的廣播對時[29]。特定表計點抄單播校時業(yè)務(wù)是主站發(fā)起對某個表計的點對點對時業(yè)務(wù)。針對某些時鐘超差表計，其時鐘誤差超過廣播校時的容許范圍時，無法通過廣播校時進行校時時，采用實時點抄的方式由主站直接進行節(jié)點時鐘的校時。表計時鐘誤差監(jiān)測業(yè)務(wù)是通過集中器或主站采集表計時鐘信息，并估算誤差實現(xiàn)的。集中器或主站可以周期性針對臺區(qū)內(nèi)的所有表計進行當(dāng)前時鐘信息的招測，由集中器或主站進行時鐘誤差的分析，針對誤差大的表計進行點抄單點校時；針對時鐘誤差問題比較大的臺區(qū)，可以在載波STA模塊中增加時鐘誤差監(jiān)測功能，當(dāng)電能表的時鐘與集中器的時鐘誤差出現(xiàn)超差時，主動生成事件上報報文，集中器將該事件轉(zhuǎn)發(fā)到主站，最終由主站進行超差表計時鐘的處置。

集中器CCO針對廣播校時命令則是處理1 376.2中的廣播命令報文，發(fā)起HPLC標(biāo)準(zhǔn)中的廣播校時命令。集中器CCO對精確對時命令的執(zhí)行步驟包括處理1 376.2中擴展的精確對時命令報文，發(fā)起HPLC本地精確校時命令。集中器CCO針對表計時鐘超差事件的處理則是接收STA發(fā)來的表計時鐘超差事件，生成相關(guān)事件上報集中器。

采集器PCO針對廣播校時命令進行廣播轉(zhuǎn)發(fā)的同時，并向其下游電能表轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)電能表時鐘與集中器的同步，忽略廣播通信的延時。采集器PCO針對精確對時機制的廣播校時命令，在轉(zhuǎn)發(fā)廣播命令后，等到報文中聲明的時刻進行下游電能表對時命令的轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)全網(wǎng)同步的精確對時，對廣播通信延時進行屏蔽。采集器PCO執(zhí)行時鐘相關(guān)的抄表命令時，針對各類抄表報文，可以執(zhí)行相關(guān)的單播校時及時鐘信息采集業(yè)務(wù)。采集器PCO針對表計時鐘誤差的監(jiān)測步驟包括：將集中器的時鐘和電能表的時鐘進行比對，如果超過了技術(shù)要求的規(guī)定，上報相關(guān)時鐘超差事件。

在執(zhí)行以上業(yè)務(wù)時，表計STA針對廣播校時命令進行廣播轉(zhuǎn)發(fā)的同時，并向其下游電能表轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)電能表時鐘與集中器的同步，忽略廣播通信的延時。表計STA針對精確對時機制的廣播校時命令，在轉(zhuǎn)發(fā)廣播命令后，等到報文中聲明的時刻進行下游電能表對時命令的轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)全網(wǎng)同步的精確對時，對廣播通信延時進行屏蔽。表計STA針對表計時鐘誤差的監(jiān)測是將集中器的時鐘和電能表的時鐘進行比對，如果超過了技術(shù)要求的規(guī)定，上報相關(guān)時鐘超差事件。

2 低壓配電網(wǎng)載波通信對時誤差估計方法

低壓配電網(wǎng)單臺區(qū)載波通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示，集中器載波通信單元作為中央?yún)f(xié)調(diào)器 (Central Coordinator, CCO)、采集器載波通信單元作為代理協(xié)調(diào)器(Proxy Coordinator, PCO)、電能表載波通信單元作為站點 (Station, STA)，所有設(shè)備均遵從載波通信數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議[16]組網(wǎng)和收發(fā)數(shù)據(jù)。CCO、PCO與STA的載波通信MAC層協(xié)議是基于信標(biāo)的載波偵聽多址接入(Carrier Sense Multiple Access, CSMA)，這就要求CCO、PCO與STA之間必須存在某種物理層幀同步機制，支撐全網(wǎng)時隙資源占用協(xié)調(diào)。

圖1 載波通信中繼鏈路示意圖

文中第1小節(jié)介紹的低壓載波通信時鐘同步業(yè)務(wù)是基于載波通信幀同步技術(shù)實現(xiàn)的。載波通信幀同步是通過在COO設(shè)備中維護一個32位計時器，數(shù)值為網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)時間(Network Time Baseline, NTB)，其被定義為中央信標(biāo)MPDU的幀控制的第一個非零樣本(采樣間隔為40 ns)出現(xiàn)在發(fā)射端設(shè)備的模擬輸出上的那一瞬時時刻的計時器的值，該值被封裝在中央信標(biāo)中的“信標(biāo)時間戳”并向全網(wǎng)站點廣播，全網(wǎng)設(shè)備同樣維持一個與COO頻率相同(25 MHz)的32位計時器，通過前導(dǎo)序列自相關(guān)實現(xiàn)信標(biāo)捕獲后，將自身計時器取值與CCO的NTB取值保持一致，這樣就實現(xiàn)了全網(wǎng)站點對信標(biāo)周期內(nèi)的時隙分配結(jié)果的統(tǒng)一理解，保障了數(shù)據(jù)收發(fā)正確性。從以上載波通信物理層幀同步機制分析中發(fā)現(xiàn)：該機制雖然達到了40 ns同步的粒度，但僅實現(xiàn)了CCO、PCO與STA之間相對同步滿足全網(wǎng)時隙分配結(jié)果，該同步機制并未令它們的時鐘與統(tǒng)一世界時保持一致，而如停電上報、費控等業(yè)務(wù)需依賴事件發(fā)生、結(jié)束的絕對時刻，因此無法直接運用于業(yè)務(wù)應(yīng)用的授時。

文中集中器CCO單元已通過對時協(xié)議獲取到的主站精準(zhǔn)時鐘為TM，TCCO、TPCO、TSTA分別為CCO、PCO、STA單元時鐘時刻，它們分別作載波通信全網(wǎng)主時鐘、透明時鐘及從時鐘。TCCO、TPCO、TSTA參照北斗時定義，為當(dāng)前時刻距2006年1月1日0時0分0秒?yún)f(xié)調(diào)世界時的累計采樣點計數(shù)，CCO、PCO、STA時鐘包含一個56位計數(shù)器記錄當(dāng)前時刻的采樣點計數(shù)。TCCO、TPCO通過擴展文獻[16] 5.1.2.4.2小節(jié)“信標(biāo)幀載荷字段”保留的64比特實現(xiàn)，這就意味著利用中央信標(biāo)、代理信標(biāo)周期性廣播，全網(wǎng)站點都可以獲取到主時鐘、透明時鐘的精確時間。

下文給出主時鐘、透明時鐘的精準(zhǔn)對時方法的詳細設(shè)計。當(dāng)集中器主時鐘獲取主站精準(zhǔn)時鐘后，映射到中央信標(biāo)的主時鐘為：

TCCO=TM+EH+ES

(1)

式中EH為集中器，將TM映射到MAC層信標(biāo)幀載荷的協(xié)議處理時延，這個時延值通過事先測量獲得，事實上文獻[16] 5.2.9.2小節(jié)規(guī)定了從NTB實際發(fā)送時間與經(jīng)過MAC層處理后映射到信標(biāo)幀載荷BTS的處理時延誤差小于±1 250抽樣點(±50 μs)。ES為集中器獲取中央信標(biāo)MPDU的幀控制的第一個非零樣本的采樣誤差，文獻[16] 5.2.9.2小節(jié)同樣規(guī)定了該誤差抖動小于0.25 μs。

(2)

(3)

為了實現(xiàn)對傳輸時延的估計，文中設(shè)計了一種校時確認(rèn)幀發(fā)送機制：在TDMA時隙中預(yù)留一段時間片，由CCO(或PCO)向PCO(或STA)逐一發(fā)送校時確認(rèn)幀，如圖2所示；校時確認(rèn)幀基本結(jié)構(gòu)類似于SOF確認(rèn)幀的ACK反饋，如圖3所示。參照文獻[16] 5.1.2.2小節(jié)“MPDU幀控制格式”中“表9 MPDU幀控制字段”，定界符類型擴充一個值“4”代表校時確認(rèn)幀，可變區(qū)域由源TEI修改為目的站點的TEI，基于校時確認(rèn)的雙方對時隙分配的統(tǒng)一理解基礎(chǔ)之上，當(dāng)PCO(或STA)的下行校時確認(rèn)幀到達時，通過對前導(dǎo)的自相關(guān)捕獲可以獲得下行傳輸時延估計值。

圖2 全網(wǎng)校時確認(rèn)幀發(fā)送示意圖

圖3 校時確認(rèn)幀幀結(jié)構(gòu)示意圖

此外，站點接受到該校時確認(rèn)幀后，比對解碼的目的TEI判斷是否為自身校時確認(rèn)幀，同時將可變區(qū)域的信標(biāo)時間戳與自身已同步的NTB值比對判斷在一個信標(biāo)周期內(nèi)，以上條件同時滿足則認(rèn)為下行傳輸時延估計值是真實可信的。在獲得各類對時誤差值后，PCO及STA就可以根據(jù)式(2)、式(3)更新自身時鐘，從而為各類具有精準(zhǔn)授時需求的業(yè)務(wù)提供精準(zhǔn)時間信息。

由圖2可知，校時確認(rèn)幀時長是前導(dǎo)、控制幀及BIFS總和，根據(jù)文獻[17]規(guī)定的物理層幀結(jié)構(gòu)長度，單個校時確認(rèn)幀耗時總計約1.5 ms，按照臺區(qū)200個站點規(guī)模測算，全網(wǎng)校時確認(rèn)幀耗時約占300 ms，相較于數(shù)秒～數(shù)十秒的信標(biāo)周期而言增加量在可接受范圍之內(nèi)。CCO根據(jù)整網(wǎng)節(jié)點路由信息安排自身及各級PCO校時確認(rèn)幀發(fā)送次序，如圖2所示；同時，COO擴展信標(biāo)載荷內(nèi)容，將文獻[16] 5.1.2.4.2小節(jié)中的“表35時隙分配條目”中保留的10個比特用于指示“校時確認(rèn)TDMA時隙長度”，單位為1 ms。

3 低壓配電網(wǎng)載波通信對時協(xié)議流程

基于上述研究，文中提出了一種基于電力線載波通信協(xié)議的時鐘同步流程，如圖4所示。

圖4 基于電力線載波通信協(xié)議的時鐘同步流程示意圖

圖4具體步驟如下：初始狀態(tài)：CCO、PCO、STA初始時鐘時刻TCCO、TPCO、TSTA；輸出結(jié)果：TPCO、TSTA更新后的時鐘時刻。

步驟1：CCO時鐘單元根據(jù)主站對時協(xié)議精準(zhǔn)同步于主站時鐘，并將根據(jù)式(1)更新的TCCO映射至信標(biāo)幀載荷字段預(yù)留比特位，傳輸至下一級PCO；

步驟4：PCO或STA未收到信標(biāo)幀或校時確認(rèn)幀解碼獲得信標(biāo)時間戳不在當(dāng)前信標(biāo)周期，則判定出現(xiàn)了丟包或延遲超過一個以上的信標(biāo)周期，則放棄本次對時，等待下一信標(biāo)周期到來后重新對時。

4 實驗結(jié)果與分析

文中采用了物理層OFDM調(diào)制，信標(biāo)CSMA介質(zhì)訪問協(xié)議的載波通信系統(tǒng)。子載波間隔為24.424 kHz，采樣間隔為1/25 MHz。將MAC層處理時延測量誤差建模為高斯分布，誤差抖動均值與方差通過統(tǒng)計方法獲得；而將載波信號傳輸時延、采樣時刻的誤差抖動建模為[-0.25 μs ,0.25 μs]均勻分布。CCO、PCO、STA內(nèi)部時鐘考慮真實的頻率偏移誤差，即內(nèi)部時鐘單元頻率采用以標(biāo)稱頻率(25 MHz)、固定頻偏(±25 PPM)以及頻率漂移率為系數(shù)的時間變量二次式表達，頻率漂移率可通過查找時鐘單元的產(chǎn)品手冊獲得。信標(biāo)周期可以被設(shè)定為5.12 s或10.24 s。

圖5給出了現(xiàn)有基于應(yīng)用層協(xié)議攜帶時間戳信息、忽略載波通信傳輸延遲的對時方法與文中提出的方法的對時誤差累計概率分布函數(shù)，信標(biāo)周期為5.12 s。通過對比發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有方法的對時誤差在約81%的概率小于1 ms，主要原因是基于應(yīng)用層協(xié)議的對時方法增加了應(yīng)用層協(xié)議處理時延，同時當(dāng)對時報文出現(xiàn)丟包重傳時，因傳輸延遲帶來的對時偏差不斷增加。文中所提對時方法的對時精度可以在97%的概率上低于30 μs，導(dǎo)致存在3%概率同步誤差仍大于30 μs的主要原因是MAC層與硬件層時延估計存在誤差抖動；此外， CCO、PCO、STA內(nèi)部時鐘頻率偏移導(dǎo)致在信標(biāo)周期5.12 s內(nèi)存在微小的時鐘偏差。

如圖6所示，信標(biāo)周期為10.24 s較5.12 s的對時誤差更大，分別約為50 μs和30 μs。原因是文中所提方法是按照信標(biāo)周期進行對時，隨著對時周期的增大，由時鐘偏移帶來的影響逐漸增加。文中所提載波通信對時方法是與現(xiàn)有MAC層協(xié)議完全匹配融合，協(xié)議執(zhí)行可靠性有保障。即使存在某個STA站點因通信丟包而無法對時，下一周期仍可以通過更新的TCCO重新對時；此外，該方法完全基于電力線載波通信協(xié)議MAC層處理機制，更加接近硬件處理過程，協(xié)議處理延遲更低；最后通過逐級對時方式有效克服了由于載波中繼帶來的對時誤差累計的問題。

圖5 對時誤差累計概率分布函數(shù)

圖6 站點對時誤差仿真結(jié)果圖

5 結(jié)束語

文中提出了一種基于電力線載波通信MAC層協(xié)議的時鐘同步方法，該方法考慮了載波信號在物理層傳輸時延、MAC層協(xié)議處理延遲以及采樣偏差(又稱作幀同步對齊偏差)等因素的影響，利用載波通信MAC層協(xié)議設(shè)計了周期性全網(wǎng)對時方法，為了適配PCO、STA與CCO之間精準(zhǔn)對時需求，基于現(xiàn)有協(xié)議體系給出了協(xié)議報文修改升級內(nèi)容，并設(shè)計了對時流程。文中所提的對時方法具有精度高、與現(xiàn)有協(xié)議兼容性好、易于升級實現(xiàn)等優(yōu)勢。