电力同步网规划设计参考资料

     作者：张惠文

    电力时间同步网是电网正常运行的基础支撑网络，用来为整个电网业务提供精确统一的相位同步基准，是保障各种电网业务正常运行的重要手段。随着智能电网建设的不断推进和电网规模的不断壮大，需要时间同步的业务种类逐渐增多．对时间同步性能提出了更高的要求。迄今为止，电力时间同步系统分布在各级电网的调度机构和变电站（发电厂），尚未组成时间同步网。随着电网和电力通信网的不断发展演进，特别是特高压和智能电网的不断推进，目前孤立的时间同步系统已经显示出不适应当前电力业务发展需要的问题，比如存在时间同步源安全稳定性不高、时间同步性能缺乏监控管理等诸多问题。因此，进行电力时间同步试验网的建设是非常必要的。

    1  电力同步网概况

    1.1  时间同步系统

    电力系统的换流站、变电站及发电厂基本都配有时间同步系统。时间同步系统有多种组成方式，其典型形式有基本式、主从式、主备式3种。现阶段，电力系统调度机构、发电厂或变电站的时间同步系统多采用主备式结构，主备式时间同步系统由2台主时钟、多台从时钟和信号传输介质组成，为被授时设备或系统进行对时。

    以500 kV变电站时间同步系统拓扑结构为例。变电站主控室内有一主一备2台时钟设备作为时间同步系统的主时钟，通过卫星方式获取准确时间信息，卫星信号以北斗为主，GPS为辅。其物理输出接口有凤凰端子和卡接式网型(straight tip，ST)光纤。由凤凰端子引出的电缆为本主控室内的被授时设备传送定时信号，由ST光纤接口引出的多模光纤为其他小室内的从时钟设备传送定时信号。

    各小室也均有2台时钟设备作为时间同步系统的从时钟。各小室的从时钟设备分别有两路定时信号来自主控室的2台主时钟，小室之间互不传送定时信号。从时钟物理输出接口有凤凰端子和ST光纤。其中，由凤凰端子引出的电缆为本主控室内的被授时设备传送定时信号，由ST光纤接口引出的多模光纤为室外的母线保护、继电器保护、电能计量等被授时设备／系统传送定时信号。全站均使用IRIG-B码进行时间同步。

    目前各变电站的时间同步系统彼此独立，没有成网．没有地面链路的备用时间同步信号。一旦卫星接收信号出现问题，将直接导致电网无法正常工作．甚至出现大面积电力瘫痪等重大事故，严重影响经济社会发展和国家安全。电力通信网随着输电线路而建，网络覆盖各变电站，具有足够的资源传输变电站间互通的时间同步信号，是建设时间同步试验网最具有优势的基础网络环境。

    1.2传输网现状

    全国电力系统骨干传输网主要采用SDH、多业务传送平台(multi-service transfer platform，MSTP)技术，光传送网（optical transport network，OTN）、自动交换光网络( automatically  switched  optical network，ASON)、准同步数字系列(plesiochronous digital hierarchy，  PDH)和分组传送网(packettransport network．PTN)等传输系统占比在100%以下。光缆线路以架空为主的架空光缆所占比例在工95%以上，管道光缆和地埋光缆仅占5%以下。在所有SDH/MSTP系统中，大约900-/0的传输系统为链形结构。系统拓扑结构主要为环形带链形和格形网。

    从传输设备El、百兆以太网(fast  ethernet，FE)和千兆以太网(gigabit ethernet，GE)端口配置及其使用情况来看，全国电力系统骨干SDH/MSTP传输网通道资源比较充足，传输系统未使用的端口数占比超过50%。

    截至2013年年底，全国各省传输网已实现电力光纤传输网的覆盖，电力通信主干光缆网架结构也已形成。各省传输网结构以环形网为主、链形网为辅．各省架空光缆占比在95%以上。日前，各省传输网形成以光传输系统为主，电力线载波通信、微波通信和卫星通信系统为辅的格局。省内光传输网络呈现以SDH/MSTP为主，以大容量OTN光传输网为部署方向的态势。

    全国电力通信网几乎覆盖所有电压等级为110 kV及以上的变电站，具有足够的资源对变电站间互通的时间同步信号进行传输，这对于电力时间同步网的建设是非常有利的。

    2  时间同步试验网现状分析

    2.1  时间同步试验网关键技术

    全国电力通信网覆盖各变电站，利用现有数字同步体系(SDH)网络传输时间同步信号，将时间同步信号传输到各变电站，并提供微秒级时间同步精度，是可以实现的．IEEE 1588标准定义了一种精确时间协议：PTP协议。它可以通过以太网实现设备之间的同步，其同步精度可以达到亚微秒级，可以满足电力系统对时间同步的要求。

    当前．SDH设备本身无法支持PTP，通过SDH设备传输时间同步信号必须进行El/Ethernet协议转换。将PTP报文协议通过SDH的E1专线进行传输，需要转换E1的三阶高密度双极性码(high density bipolar of order 3，HDB3)码流和以太网协议码流的格式f 91。

    PTP协议通过E1专线进行对时的原理为：主时钟通过以太网发出协议报文，经过E1 /Ethernet协议转换器，将以太网码流转换成EIHDB3码流，然后通过SDH网络逐级传递，在达到从时钟前，经过E1/Ethernet协议转换器将EIHDB3码流转换成以太网码流，传递给从时钟。从时钟通过相似的过程将发出的报文传递到主时钟，从时钟根据这些报文的硬件时间戳来计算和调整从时钟的时间。

    PTP协议一般假设收、发信道的路径对称、时延一致。在这个假设前提下，从时钟才能准确地计算出与主时钟的时间偏差并准确对时。因此，对于SDH网络，可以利用相关仪表测量出当前通道上数据包来回传输路径的时延差，对从时钟进行人工补偿。SDH网同步性能的好坏对PTP数据包的时延抖动会造成较大的影响，数据包通过SDH时不同的时延抖动会影响PTP从时钟锁定，通过在从时钟端加入额外的抖动滤除算法便能保证微秒级的时问同步精度。

    2.2  时间同步试验网组网方案研究

    随着时间同步技术的发展，同时为满足日益增长的电力业务对时间同步的需求，近年来国家电网公司到一些省电力公司陆续开展了时间同步网的试点工作。目前部署时问同步试验网的省份所做的时间同步系统组网方案分为主从式和主备式2种，主要是通过PTP Over E1方式组网．其步精度可达微秒级，可以满足电力业务的需求．

    (1)主从式时间同步系统组网方案：电力时问同步组网以省电力公司为l级时钟节点．地区电力局和变电站为2级时钟节点，通过SDH传送PTP的方式，实现地区电力局、变电站的时间与省电力公司的时间同步精度优于1Is。省电力公司的时问同步网的1级PTP主时钟内置铷钟．除可以用CPS为参考源外，还可以接收地面链路输出的E1信号以及未来可能增加的北斗时钟输出的参考信号，确保1级PTP主时钟时间参考源的可靠性。为满足省电力公司l级PTP时钟与从时钟进行PTP对时，该网配置了PTP交换机实现PTP分配器的功能，利用PTP/EI协议转换器（将PTP的数据包转换为E1格式）实现PTP OverSDH。地区电力局每个站点各配置l台PTP/E1协议转换器和1台2级PTP从时钟。PTP/El协议转换器将SDH设备接收到包含PTP信息的E1信号转换为PTP信号，从而传送给2级PTP从时钟。2级PTP从时钟内置l套铷钟、一个高稳定晶体钟，可作为地区电力局的主时钟，亦可以作为边界时钟输出PTP信号。变电站的时间同步网结构和地区电力局的相似，区别在于变电站的2级PTP从时钟可作为主时钟，传输IRIG-B码信号给站内现有的时间同步系统对时，进而实现了站内的时间同步系统与省电力公司的时间同步。主从式时间同步试验网组网拓扑如图l所示．

    (2)主备式时间同步系统组网方案：时间同步试验网以省电力公司为1级时钟节点、地区电力局为2级时钟节点、变电站为3级时钟节点．基于“北斗+GPS”双时钟源及PTP时间同步技术进行组网。省电力公司的l级时钟采用一主一备冗余配置．1级时钟由卫星定时系统(含北斗、GPS)、铷钟+高稳晶振及时间分配单元等组成．1级时钟输出的PTP对时信号经过pTp交换机实现时钟扩展，满足地区电力局和变电站的从时钟接人需求。1级主时钟和备时钟均同步于卫星．已经实现相对同步，1级主时钟和备时钟也可通过ST光纤对接，备时钟获取主时钟的时间同步信号进行同步。经过交换机之后的PTP对时信号通过以太网E1协议转换器将PTP信号转换为E1信号，使之在SDH设备巾传输。地区电力局的2级时钟的PTP时间信号来自于1级时钟，通过多源比对校正，使2级时钟和l级时钟时间同步。变电站的3级时钟通过SDH传输通道接收来自l级时钟的PTP时间信号，并通过多源比对校正．实现与1级时钟的时间同步。

    主备式时间同步试验网组网拓扑如图2所示。

    2.3  时间同步试验网应用效果分析

    主从式时问同步网较主备式时间同步网投资少，经济性好，但可靠性不如后者高。主从式和主备式时间同步试验网进行现网测试，发现试验网同步性能指标良好，可以满足1 μs的精度要求。以主从式时间同步试验网的现网测试结果为例进行分析，对时间同步试验网的长期输出时间性能进行测试，测试结果如图3和表l所示。

    从测试结果的数据可以看出，时间变化有200 ns的时延，从时间变化的峰值来看，约有345 ns的时延，可以满足1μs同步要求，且稳定性较好。因此试验网同步性能指标良好。

    试验网采用网管系统与在线监测系统一体化设计，在各站点部署在线监测单元，采取绝对监测的方式对各站点的同步性能进行监测，将本地监测的数据／告警信号上传至省电力公司主站。该网管系统目前已实现了配置管理、告警管理、安全管理、性能管理等功能，且运行稳定，没有出现故障情况。

    时间同步试验网已运行的变电站中只有新建厂站的时钟同步装置具备B码外部时钟源对时功能．老厂站时钟同步装置主时钟大多不具备接收外部时钟源对时功能，试验网之前规划的各站点尚未完全实现接入对时业务，时间同步网未得到有效应用。且新老厂站被授时设备的时间同步接口不一致，如一些老设备无脉冲接口和B码接口，导致无法实现对所有变电站内各装置对时情况进行监测，因此该网管系统仍存在薄弱环节。

    3建议

    针对电力时间同步试验网现状，结合电力实际情况，提出如下几点建议：

    (1)电力系统时间同步网应建成主从等级结构和树形网络结构的时间同步网。积极推动中国北斗卫星系统在电力系统授时中的应用。要求时间同步设备既能跟踪GPS或北斗，又能跟踪地面参考源，形成天地互备。

    (2)不同厂站使用的时间同步系统和被授时没备的同步接口不一致，建议统一规范时间同步系统和被授时设备的时间同步接口，便于设备的授时和基准源的配置，对整个产业链和电网本身的维护都带来益处。

    (3)省电力公司时间试验网规划设计时均配有一套网管系统，但只有少数省份配置了在线监测系统．建议尽快提出时间同步网统一监测管理方案，以及制订电力同步网维护规程，实现时间同步设备的统一管理和维护及同步性能的监测。

    4结语

    国家电网公司现阶段尚未建成统一的时间同步网，各厂站的时间同步系统独立运行，缺乏对厂站间区域内时钟设备的运行管理，易形成同步孤岛。结合时间同步试验网的实际运行情况，提出在国家电网公司已建设完善的频率同步网的基础上．采用PTP over E1的方式，建设全网统一的时间同步网，为电力业务提供高精度的时间同步信号。

    5摘  要：

    随着时间同步技术的发展，同时为满足日益增长的电力业务对时间同步的需求，近年来多个省份陆续开展了电力时间同步网的试点T作。介绍了时间同步系统的组成方式和传输网的现状，分析了时间同步试验网中精确时问协议（precision time protocol．PTP）通过同步数字体系(synchronous digital hierarchy，SDH)E1专线进行传输的原理，讨论了时间同步试验网的2种组网方案，其一为主从式，其二为主备式。针对时间同步试验网的应用效果，提出了时间同步网建设的建议以及需要解决的问题，希望能为今后要进行的时间同步网规划没计和建设提供参考