数字同步网统一建模的区域电网数据同步策略

温亦浔，马 静

（华北电力大学，北京 102206）

0 引言

采用单站点配置GPS/BDS（北斗同步系统）的分散分布式同步系统为取得区域电网同一时间断面的数据，一般通过点对点主从同步方式来保持频率同步，要实现相位同步还需通过算法在报文添加修正因子（如纵联光差保护的乒乓算法），这种算法无论在专用光纤或复用SDH（同步数字系列）时，都要求通道路径一致。对于经过复杂连接的传输网的区域电网数据，现网同步技术主要基于IEEE 1588 V2（与IEC 61850-9-2兼容），没有综合计算传输网的延迟，难以满足全通道的同步时钟修正[1-8]。

传输网在承载区域电网数据的同时，也是数字同步网的时钟同步节点，若与区域电网数据同步系统融合，不仅可以很好地整合同步资源，使同步范围扩大，而且可提供容灾和极端天气同步系统的保护能力。

本文以区域保护为例，研究区域电网同步数据传输全链路跨越设备时帧格式的变换，分析同步时间戳的计算、携带、提取方法，采用“MSTP（多业务传输平台）+PTP（精准时间同步）技术”取代“HSR（高可用性无缝冗余协议）+PTP技术”，同步修正因子综合了MSTP的传输延迟，减少MSTP与HSR的延迟，建立了基于链路层的区域电网站点与传输网融合的同步系统仿真模型，通过性能测试分析，提出融合同步系统的策略，为配电网自动化实现区域数据同步提供研究依据。

1 通信数字同步网概述

数字同步网作为支撑网为传输网、业务网提供高质量定时基准信号，保证网络定时性能和网络同步运行。

1.1 数字同步网时钟源

数字同步网采用等级主从同步，分为PRC（原始参考时钟，G.811），LPR（区域基准时钟，G.812），SEC（设备时钟，G.813）三级。PRC以GPS/BDS为第一时钟源，铯原子钟为第二时钟源；LPR以BDS/GPS为第一时钟源，以通过SDH光纤通信电路传送的地面定时链路作为第二时钟源。链路时钟失去，使用设备本地晶振时钟SEC。

1.2 数字同步网时钟源性能指标

1.2.1 定时链路及总体性能指标要求

在组织同步节点之间的地面定时链路时，原则上不应超过8个传输节点和1 500 km传输距离。优先选择质量优的电路。为了保证网络滑码达到性能指标要求，设置的基准时钟频率准确度应优于±3×10-12，任何端到端同步定时链路漂移不超过5μs，如图1所示。

1.2.2 性能指标

同步性能指标主要有：滑动；Jitter（抖动）和漂移；MITE（最大时间间隔误差）；TDEV（时间偏差）；牵入和牵出范围。

图1 定时链路漂移

1.3 同步网网管系统

在变电站时钟同步网管通过时钟同步网管交换机经传输链路接入所辖地市局时钟同步网管交换机，地市时钟同步网管交换机上联网管网交换机，通过网管网，到省公司网管网交换机落地。

2 目前变电站内及站间数据同步方式

数据同步主要考虑：物理时钟获取的方法及精度；时钟同步矫正的算法。

2.1 站内时钟同步方法

变电站自动化系统的同步策略是按网络进行分层，目前，间隔层使用IRIG-B码，变电层可以使用NTP（网络时间协议）和PTP，二者都是采用分组报文传送方式，国内NTP时钟使用更为广泛。

2.2 基于IEC 61850-9-2的站内同步标识

IEC 61850标准与 IEEE 1588 C37.118.1兼容。链路层IEC 61850-9-2采样值报文是基于ISO/IEC 8802-3的以太网帧结构，包含了VLAN的序号、优先级等开销，以满足SV和GOOSE报文的单播/多播、不同优先级数据的需求。实际上采用点对点方式互联的过程层没有设置VLAN TPID，采用多播方式，优先级默认为4。GOOSE报文帧格式如图2所示。

与时钟有关的控制字有GOOSE报文的链路层arrival Time，使用基于GPS的IRIG-B接收的物理钟，frame number标识接收的帧序号；应用层APUD数据的T时标字节为SOE标识，要求精确到毫秒级、StNUM事件计数器（防止丢失事件）、sqNUM报文计数器（防止丢包）。

SV报文应用层APDU，采样同步SamSych，使用本地时钟local为UTC时钟（帧的链路层报文arrival Time），此外还包含采样频率SmpRate（频率同步）和采用序号smpCnt（满足初始相位对齐）等同步标识。

2.3 基于IEC 61850-90-5的站间同步标识

IEC 61850 ED2.0标准将覆盖范围扩大到变电站以外的所有公用电力应用领域，其中IEC 61850-90-5协议适用区域保护数据，采用可路由方式工作在站控层交互R-MSVCB和R-GOCB信息，IGMPV3实现组播路由的动态生成，R-SV的应用层协议增加了区域数据同步修正因子RefrTm，结合应用层的SmpRate和smpCnt，计算出任一帧同步向量的时标（RefrTm+Smp/SmpRate），从而完成区域同步信息提取。工作在站控层的R-GOOSE和R-SV可以减少与其他区域主站传输报文的封装时间。

2.4 基于IEEE 1588的区域电网数据同步模式

IEC推荐区域电网数据同步主要采用“MSTP+HSR+PTP”时钟方式（如图3所示）。主站、子站数据合并单元通过HSR交换机，接入MSTP设备的以太网板卡，MSTP设备开通各站点信息共享的通道。

HSR交换机的应用层封装了IEEE 1588同步信息，以太网协议上添加HSR标签（如图4所示），复制帧在双以太网接口共用MAC地址与IP，通过HSR字节中的PathID（局域网路径）区分AB口，实现无损伤切换自愈环网，达到PTP时钟双发选收。

图2 GOOSE报文帧格式

图3 区域数据通道组织

图4 PTP帧在HSR帧的封装格式

MSTP有透传、汇聚以太网板卡，分别针对以太网的点对点业务、点对多点的汇聚业务，可以实现LAN，VLAN，QinQ功能。考虑业务界线清晰，点对点通信目前主要使用透传以太网板卡，一般采用GFP-F协议封装（如图5所示），针对大于1 522字节的以太网数据业务封装到SDH帧中，可采用GFP-T协议（MSTP设备可以选择），SDH的VC连续级联方式封装。以太网也可启用SDH的SNCP（子网连接保护）无损伤切换保护环。

图5 GFP-F封装以太网业务

3 统一仿真建模的区域数据同步系统

本次研究分为同步系统优化、仿真建模、测试3个层次进行。

3.1 同步建模优化策略

优化主要实现：子站到主站的硬件集约化；同步传输控制机理的优化；同步信息备用通道、应急通道的组织[9-13]。

3.1.1 硬件优化

（1）卫星时钟共享。区域站点合并单元的卫星时钟与传输设备合并，节省设备投资。变电站通信机房的传输设备符合G.812等级，可以实现任何端到端同步定时链路漂移不超过5μs。

（2）以“MSTP+PTP”取代“HSR+PTP”。 HSR 除了封装PTP同步信息之外，其他功能与MSTP的SNCP的双发选收功能完全一致。针对通信设备与继电保护设备分别属于不同专业管理部门的界线问题，MSTP设备支持多子架，直流分区供电模式，单套MSTP设备上配置独立隶属继电保护专业子架，配置保护专用PTP时钟板卡、保护专用点对点以太网板卡各1块，启用SNCP保护。MSTP设备双重化，满足继电保护对通信的“双电源、双路由、双设备”的要求。PTP板卡与合并单元业务接入MSTP相同以太网板卡不同端口，工作、保护路径手动配置保持一致性。MSTP的2 Mbit/s输出时钟与PTP设备的FPGA时钟误差小于±20×10-6。

3.1.2 控制机理优化

仿真系统采用IEEE 1588 V2的P2P时钟。从同步信息的传递全过程来看，PTP报文经过MSTP设备的以太网板卡，将信息分装到SDH的VC颗粒中，通过光路传输到对侧站点。整个映射是“PTP以太网帧—GFP—SDH”的链路层格式变换，减少了PTP到HSR的以太网封装时间。

3.1.3 备用及应急通道

PTP时钟接入MSTP以太网板卡后，MSTP设备有3路时钟可以配置：主时钟为采用BDS/GPS形成的主链路时钟；备用时钟为MSTP保护链路备用时钟；应急时钟为PTP的2 Mbit/s输出时钟。

3.2 数学建模

网络仿真工具有OPNET，MATLAB，SPW，NS等。MATLAB和SPW适合链路层的工具，NS适合TCP层以上仿真，OPNET最专业。

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具。其中，Transfer-Fcn（线性传递函数模型）、Transport Delay（输入信号延时一个固定时间再输出）、Variable Transport Delay（输入信号延时一个可变时间再输出）、Discrete Filter（IIR与FIR滤波器）、Unit Delay（一个采样周期的延时）等模块特别适合通信系统的延迟性能分析。本次采用Simulink主要用于多路径状态下进行PTP报文端到端的迟延性能分析，只需要简单的数学模型。

3.2.1 全链路延迟模型的建立

MSTP+PTP模型为：

HSR+PTP模型为：

式中：α=[αij]m×n，β=[βij]m×n为权矩阵， αij和 βij为延迟的权值， αij=αji， αij＞0， αii=0， βij=βji， βij＞0， βii=0； dij为单MSTP节点延迟；tij为单HSR节点的延迟；n为总节点数，不小于2，继电保护跳数不大于8。

根据经验值，单节点MSTP设备以太网业务的延迟 dij=（5 μs×k+250 μs）×2+1 ms（k 为经过MSTP设备数），HSR交换机，1 024字节的帧采用100 Mbit/s速率转发，时延约125μs。

3.2.2 仿真结果

采用64～1 024字节的包分别进行测试，HSR模式的传输延迟变化比MSTP模式稍大，Simulink模型测试采用1 024字节时，HSR模式比MSTP模式大0.4 ms，HSR在每个节点都存在复制PTP报文的双发选收，MSTP只在路径首尾进行。

3.3 性能测试仿真模型

其他性能仿真测试利用实验室已有MSTP平台（当前的仿真系统都难以实现SDH全性能仿真），MSTP空槽上插入PTP时钟板卡（需考虑电源适配），区域保护数据用2个数字仿真变电站的500 kV线路间隔的合并单元模拟，仿真现场使用PTP设备的2 Mbit/s时钟输出作为测试仪同步时钟。融合区域数据的建模使用链路层模型，同步系统仿真模型见图6。

图6 融合的同步系统仿真模型

3.3.1 仿真测试仪器仪表

测试仪为安立以太网综合测试仪、SDH综合测试仪、PTP时钟分析仪。网络测试仪安立Anritsu MD1230B具有时间延迟、“PING”包、到达时间、数据包抖动等测试，Variation可以用来统计该端口在某时间段内接收不同时延数据帧的数量。仪表可对每一条数据流进行单独的编辑，编辑内容有流控制、帧设置、帧间隙、群间隙、流间隙。帧设置主要是设置流量的发送协议，帧长，VLAN ID，MPLS标签，帧类型，MAC地址（包括源和目的），IP地址，数据内容，错误插入等。“Frame Setting/General/Frame Format”以图 7的方式实时反映编辑的帧结构，编辑好的测试帧可按“Transmit”发送出去。

图7 MOD30网络测试仪的Frame Setting界面

3.3.2 测试方法

融合的同步系统仿真模型测试搭建见图8。

图8 融合的同步系统仿真模型测试

主要测试参数有：

（1）Latency性能。网络中PTP抓包，测试传输延迟。

（2）Jitter性能。采用专门的SDH综合测试仪，当采用拐角频率为20 Hz和100 kHz的单极点带通滤波器测量，指标要求60 s内在2 048 kHz和2 048 Kbit/s输出口所测得的固有抖动不应超过0.05倍UIPP（单位间隔峰峰值时间差）。

（3）TDEV。 在 τ=25 s（τ为给定的积分时间）的观察时间内，要求TDEV小于3.2 ns。

（4）同步时钟倒换测试。中断MSTP主通道，PTP时钟倒换无损伤。

（5）同步网管功能，本次没有配置。

2种方式的参数对比见表1。

表1 2种方式参数对比

4 结语

采用数字同步网与区域数据系统统一模型的同步系统，可以综合修正单站及全通道的传输时延，对传输通道结构无特殊要求；报文工作在数据链路层，减少了2层以太网的封装时间，提高了同步精度；减少了各站点卫星时钟的投资；利用数字同步网为区域数据的同步提供了备用及应急通道；“PTP+MSTP”的SNCP通道可以实现多种校验时钟方式。

本文以区域保护数据建模，测试同步性能，后续可以把模型扩到到配网自动化站点，以精准切负荷为建模对象进行区域电网数据同步优化。