基于5G的电力系统时间同步方案

赵侠 陈一强 陈其铭

【摘  要】综合考虑成本、设备尺寸、工程安装和运维等因素，基于5G网络的电力系统同步技术比其他时间同步技术更具备优势。分析了5G网络的时间同步精度，给出基于5G网络的电力系统同步方案及应用实例，对未来基于5G网络同步方案的大规模应用具有指导意义。

【关键词】5G;授时;时间同步;电力系统;IRIG-B码

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.07.002        中图分类号：TN929.5

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2020）07-0007-06

引用格式：赵侠，陈一强，陈其铭. 基于5G的电力系统时间同步方案[J]. 移动通信， 2020，44（7）： 7-12.

0   引言

随着数字化技术在电力企业的广泛应用，电力自动化设备对时间同步的要求越来越高，电力系统继电保护、自动化、安全稳定控制系统、能量管理系统和生产信息管理系统等均需要获得统一的时间基准来满足事件顺序记录（SOE）、故障录波、实时数据采集时间一致性，确保线路故障测距、相量和功角动态监测、机组和电网参数校验的准确[1]。为了统一全电网自动化设备的时间信息，电力企业各自建立了电力系统的时间同步系统。目前，如何应现代化电力系统需求，建设低成本、高可靠的时间同步系统已成为电力行业的重点研究内容[2-5]。

时间同步系统分为无线授时系统（如美国GPS、欧洲伽利略、中国北斗等卫星定位导航授时系统、BPM短波授时系统、BPL长波授时系统等）和有线授时系统（铷原子时间基准网络或专线的授时系统）[2]。其中，卫星定位导航授时需要每个电力终端处都安装卫星定位模块和卫星接收天线，价格昂贵，施工不便;短波、长波授时系统分别存在容易受到干扰和接收系统复杂等问题，难以大规模应用;有线授时系统信号稳定，但在城区内敷设专线成本较高。当前，新一代移动通信技术5G已经投入商用，5G具有大带宽、低延时、海量连接的特性，并且采用了基于卫星授时的高精度同步技术，只需要在电力自动化设备侧安装具备授时功能的5G通信模组，即可广泛、快速、准确地传递高精度时间信号，已成为电力系统时间同步方案的一种新选择。

本文首先对比了不同时间同步技术的时间精度，然后提出一种利用5G为电力系统提供时间同步的技术方案，并给出该方案的实际试点情况和测试数据，对电力企业降低时间同步系统建设成本，加速数字化转型具有参考意义。

1    时间同步技术精度分析

1.1  电力系统时间同步要求

电网的电力调度和故障分析判断对时间同步有需求，尤其在实时控制领域，电力自动化设备（系统）直接使用时间同步系统实现时间同步[1]。不同的电力自动化设备（系统）对时间同步精度有不同的等级要求，根据《电力系统时间同步技术规范》，电力系统被授时装置对时间同步精确度要求可分为1 μs、1 ms、10 ms和1 s，不同时间同步准确度对应的被授时同步装置（系统）如表1所示[2]。

1.2  时间同步技术比较

目前主要的时间同步技术有卫星同步技术、网络同步技术和基于IEEE 1588精确时间协议的同步技术。卫星同步技术时间精度最高，是常用的授时方式，但易受天气和环境干扰，稳定性较低。网络同步采用的NTP协议（Network Time protocol）在网络应用中最为广泛，但授时精度为毫秒级别。基于IEEE 1588的精确时间协议PTP协议（Precision Time Protocol）精准度比NTP协议更高，PTP协议用于与网络各个节点进行精确时钟同步，每个节点设备要求支持PTP同步协议[8]。各时间同步技术的同步精度及受限因素对比如表2所示。

移动通信基站具备UTC时间（协调世界时）的接收能力[9]，目前最新一代的5G移动通信网络具有大带宽、低延时、海量连接和网络切片的技术特性，在满足电力业务低时延和安全隔离要求的基础上，基于5G网络的时间同步技术能有效解决无线专网授时的专用频段限制，为电力系统提供稳定可靠的时钟源，减少因配置GPS天线所产生的投资，是电力同步系统中的一种广覆盖、无盲区、适应性强和低成本的时间同步方案。

1.3  5G网络时间精度

目前商用的5G网络设备均采用时分双工（TDD）模式，为了避免干扰，对时间同步精度要求很高。5G支持的增强移动宽带（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）、超可靠低时延通信（uRLLC）三大应用场景对时间同步精度要求各不相同。当前商用5G网络主要服务于eMBB场景，时间同步精度需求基本与4G TDD一致。国际电联（ITU）和中国通信标准化协会（CCSA）都进行了明确规定[6]：

（1）国际标准ITU/T G.8271对同步网时间精度的要求

参考ITU-T G.8271.1/Y.1366.1中时间同步体系架构如图1所示。

标准ITU-T G.8271.1/Y.1366.1时间同步体系架构包括时钟服务器（PRTC）、时钟同步网（T-BC/TC）和时钟同步终端（T-TSC）部分。

参考点B为时钟服务器（PRTC）的时间精度是100 ns;参考点C为时钟同步网（T-BC/TC）的时间精度同步，包含链路重组和保持的误差和网元及线路非对称的误差，时间精度是1 250 ns;参考点D为时钟同步终端（T-TSC）的時间精度，包含BBU到RRU或者BBU到AAU等用户系统延伸误差，时间精度是1 250 ns，根据标准ITU-T G.8271.1/Y.1366.1要求，基站的时间同步精度为1 500 ns。

基于标准ITU-T G.8271.1/Y.1366.1时间同步体系架构，时间同步网络各部分的同步精度如表3所示[7]：

（2）国内标准YD/T2375-2011对同步网时间精度的要求

类似地，CCSA也出版了国内通信行业标准YD/T2375-2011《高精度时间同步技术要求》，基站的时间同步精度包括PRTC的授时误差、承载网络传输的误差和用户系统延伸的误差，同步精度要求为1 400～1 500 ns，如表4所示[7]：

目前我国商用的5G网络通信设备都满足上述标准要求，时间同步精度在1 500 ns以内。随着物联网、车联网、智能制造等各种垂直行业应用对5G网络的時间同步要求越来越高，各设备厂商纷纷积极研究如何将无线基站空口时间偏差由目前±1 500 ns进一步提高。3GPP在R15 TS 36.331标准中引入TimeReferenceInfo（时间基准参数），时间分辨率由LTE的250 ns提升到10 ns，根据IMT2020发布的《5G同步组网架构及关键技术白皮书》介绍，未来无线基站空口时间精度将达到百纳秒级别，因此，基于5G的时间同步精度可以满足电力系统的时间同步需求。

2   基于5G的电力系统同步方案

基于5G的电力系统时间同步方案包括基站与5G UE的时间同步和5G UE与电力设备的时间同步两部分，其中是基站与5G UE的时间同步是指5G UE通过空口从基站获取到时钟信息，5G UE与电力设备的时间同步是指电力设备通过授时端口从5G UE获取到时钟信息，基于5G的电力系统时间同步示意图如图2所示。

2.1  基站与5G UE的时间同步

根据3GPP TS 38.331标准协议，UE在向基站获取小区的系统信息SI（System Information）过程中，系统消息块SIB9（SystemInformationBlocks）包含与GPS时间和协调世界时（UTC）相关的参数，如夏令时（DayLightSavingTime）、GPS时间和UTC之间的闰秒数偏移量（LeapSeconds）、UTC和当地时间之间的偏差（LocalTimeOffset）和SFN边界对应的协调世界时（TimeInfoUTC）等参数。UE可以使用该系统信息块中提供的参数来获得UTC，GPS和本地时间，UE可以将时间信息用于多种目的，例如协助GPS初始化，以及同步UE时钟。

基站与UE同步包括UE频率和相位同步、UE时间同步两部分，同步示意图如图3所示。

（1）UE频率和相位同步

目前基站与5G UE上下行同步过程中，基站通过测量UE上行的前导序列，计算终端和基站的时间提前量TA（TimingAdvance），并在随机接入相应消息RAR（Random Access Response）中把TA值返回给UE，UE做相应的频率和相位调整，所以基站与UE之间只有帧的信息，不包括从基站获得的时间信息。

（2）UE时间同步

受限于基站和UE无线授时支持能力，为了使5G UE从基站获取精准时间信息，基站和5G UE通过改造升级支持无线授时功能，升级后的基站通过SIB消息通知终端精确时间，终端接收网络下发的精确时间后，进行下行传播的时延补偿，实现基站和UE之间的时间同步，南方电网联合华为已向3GPP提交5G电力授时关于时延补偿的标准提案，目前正在受理当中。

2.2  5G UE与电力设备的时间同步

电力设备接收授时信号主要有四种方式，分别为脉冲对时、编码对时、NTP 对时和串行报文对时。其中，脉冲对时时间准确度最高，不大于1 μs;编码对时次之，时间准确度可达到1 ms;NTP对时准确度约200 μs～10 ms;串行报文对时最差，约1 s[10]。由于脉冲对时信号中不包括年、月、日等时间信息，在实际应用中经常采用串口+脉冲两种相结合的方式对时，这种方式的缺点是需要传送2个信号。IRIG-B码对时方式兼顾了两者的优点，将脉冲对时的准时沿和串口报文对时的时间数据结合在一起，简化了对时回路，提高了对时精度。南方电网在智能变电站技术规范中明确变电站间隔层和过程层设备宜采用IRIG-B码（DC）直流码方式实现对时。

5G UE通过RS-485线路接入电力设备对应时钟输入接口，采用IRIG-B码（DC）方式对电力设备对时。IRIG-B码（DC）采用脉宽编码方式，传输速率为1帧/秒，每一帧的数据包含年、天、时、分、秒等信息。

IRIG-B码（DC）每一帧数据由100个码元组成，每个码元的宽度为10 ms，码元有3种，分别为码元“P”、码元逻辑二进制“1”和“0”。每帧从连续两个8 ms脉冲中的第2个8 ms脉冲的前沿开始标志，分别为Pr，第0， 1， …， 99码元。在Pr和P5之间是BCD字段，传送的是BCD码格式的时间信息（包含秒、分、时、天4种信息），个位在前十位在后。在P5和P7之间是CF字段，实现控制功能，可根据实际使用时制定使用方法。在P8和P9之间是SBS字段，是用二进制表示的以秒为单位的时间信息[11-12]。

电力设备通过IRIG-B码（DC）解模块检测出时间信息和对时脉冲，实现电力设备的授时工作。

3   应用情况

基于5G的电力系统同步方案，2020年1月，中国移动联合南方电网在深圳完成全球首条5G SA网络差动保护配网线路测试，验证5G承载电力业务的关键业务指标和网络指标（如网络时延和时间精度等）。

业务侧深圳供电局在现网的1条110 kV线路中选用3个环网柜做测试验证;终端侧选用带授时功能的测试UE;网络侧选用某运营商支持授时功能的2个5G宏站，传输选用SPN组网承载电力业务，核心网选用某运营商的SA核心网。通过搭建真实复杂的实际网络环境，实现配网差动保护业务跨基站承载，测试网络架构如图4所示。

外场测试包括5G通信性能测试、接口测试和电力业务测试三部分内容。5G通信性能测试项及测试结果如表5所示。

所有测试的5G通信性能指标均达到电力业务的要求，验证了5G满足电网控制类业务毫秒级低时延和微秒级高精度网络授时需求。

4   结束语

电力系统的故障分析、监视控制及运行管理均需要高精度的时间同步，随着大量分布式智能终端广泛应用在配电网各种节点上，新能源并网、广域测控保护等业务对电力系统时间同步带来极大的挑战，基于5G网络的同步方案是电力系统创新的授时方式，5G的同步精度可达到百纳秒级别，可以满足电网控制类业务高精度授时的需求，随着基站和UE支持授时功能和5G电力授时标准的冻结，基于5G的时间同步方式将成为电力系统时间同步的最佳选择。本文论述了基于5G电力系统时间同步方案，并进行外场5G基站环境测试，各项通信性能指标均达到测试要求，为后续其他行业的5G应用提供了很好的参考。

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收稿日期：2020-02-29

作者简介

赵侠（orcid.org/0000-0003-0072-8424）：

现任职于中国移动通信集团广东有限公司，从事移动通信技术创新管理，研究方向为5G新技术应用。

陈一强（orcid.org/0000-0002-9245-6763）：中级工程师，现任职于广东省电信规划设计院有限公司，从事运营商网络规划与设计，研究方向为5G新技术应用。

陈其铭：教授级高级工程师，博士毕业于华南理工大学，现任职于中国移动通信集团广东有限公司，从事移动通信新技术试验工作，研究方向为无线通信。