（山西晋电电力科技有限公司电网技术分公司 山西太原 030001）
摘要:时钟同步网随SDH传输网而建设，但建设规模远落后于SDH传输网的要求。据有关统计，电力通信网平均144台SDH设备才配有1套时钟，大大落后于公用通信网要求的每10-12台SDH设备需要增加一套外时钟的要求。大部分时钟同步设备仅靠GPS卫星接收作为同步源，没有有效组织地面时间同步源以及北斗卫星同步源，缺乏多源同步机制。本项目的成果同样对整个行业的时钟同步网建设将起示范引领和积极的推动作用。多源同步机制的采用将推广北斗卫星同步在电力时钟同步领域的应用，推进国家电网为国家战略的服务；项目研制的基于PTP同步技术的时钟同步设备由于采用了分组交换技术，自动选择主时钟的BMC算法可方便地使从时钟从复杂的网络拓扑中选取最佳的主时钟，彻底解决传统地靠SSM来选择主时钟带来的复杂网络适应性差的问题。本项目研制的主时钟经过某省电力公司通信网的OTN、SDH、PTN传输网络验证性能后，可以解决时钟同步跨不同网络技术的传递，可以适应各种主要传输网络的组合建设。
1 系统介绍和问题提出
时钟同步网随SDH传输网而建设，但建设规模远落后于SDH传输网的要求。据有关统计，电力通信网平均144台SDH设备才配有1套时钟，大大落后于公用通信网要求的每10-12台SDH设备需要增加一套外时钟的要求。大部分时钟同步设备仅靠GPS卫星接收作为同步源，没有有效组织地面时间同步源以及北斗卫星同步源，缺乏多源同步机制。目前频率同步设备缺乏对同步性能的实时监测和统一管理，给同步网的运行管理带来很大困难，影响通信网的安全运行。
PTP是当今组织地面时间同步网的主要信号基础，也是频率同步和时间同步的主要技术。本项目的成果同样对整个行业的时钟同步网建设将起示范引领和积极的推动作用。多源同步机制的采用将推广北斗卫星同步在电力时钟同步领域的应用，本项目研制的基于PTP同步技术的时钟同步设备由于采用了分组交换技术，自动选择主时钟的BMC算法可方便地使从时钟从复杂的网络拓扑中选取最佳的主时钟，彻底解决传统地靠SSM来选择主时钟带来的复杂网络适应性差的问题。
2实现原理
时钟同步的实现主要包括建立主从关系，选取最优时钟、协商端口主从状态三个步骤。 PTP是通过端口接收到和发送Announce报文，实现端口数据集和端口状态机信息的交互。BMC（Best Master Clock）算法通过比较端口数据集和端口状态机，实现时钟主从跟踪关系。
1)PTP频率同步原理
PTP的主节点定时向从节点发送同步Sync报文，报文中有主节点发送Sync报文的时间戳。从节点每接收到一个Sync报文，都会产生一个接收时间戳。显然，如果从节点接收到两个Sync报文，可以通过比较两个接收时间戳的间隔与报文中记录的主节点发送时间戳的间隔的大小，调整从节点的频率。
假设时钟节点A要同步到时钟节点B。不考虑路径延时和驻留时间的变化，如果A和B的时钟频率相等，则在相同的时间间隔内，A和B的时间累积的偏差应该是一样的，也就是说t2N-t20 = t1N-t10。如果t2N-t20大于t1N-t10，说明A的时钟频率比B快，要调慢A的时钟频率；如果t2N-t20小于t1N-t10，说明A的时钟频率比B慢，则要调快A的时钟频率。（t1n为B点的第n个Sync报文发送的时间，t2n为A点接收第n个Sync报文的时间点。）
上述是通过PTP报文来实现频率同步的基本原理。对于一个实际的PTP同步系统，通常还需要考虑路径延时和驻留时间的变化。
2)PTP时间同步原理
上图是PTP采用E2E机制时的时间同步原理，其工作原理如下：主设备在时刻t1发送Sync报文。如果主设备为one-step模式，t1随Sync报文传送到从设备；如果主设备为two-step模式，则t1在随后的Follow_Up报文中传送到从设备；从设备在时刻t2接收到Sync报文，并从Sync报文（one-step）或者Follow_Up报文（two-step）中获取t1；从设备在时刻t3发送延时请求报文Delay_Req给主设备；主设备在时刻t4接收到Delay_Req报文；主设备随后通过延时回答报文Delay_Resp将t4发送给从设备；通过上述报文传递过程，从设备获取t1、t2、t3、t4 4个时间，并利用这4个时间计算出主从设备之间的平均路径延时，进而计算出时间偏移；然后利用这个时间偏移修正本地时间，使主从设备之间的时间实现同步。计算平均路径延时和时间偏移的公式如下所示：
平均路径延时：Delay＝[(t4 – t1) – (t3 – t2)]/2
t2= t1 + Delay + Offset＝t1 + [(t4 – t1) – (t3 – t2)]/2 + Offset，
则时间偏移：Offset =[(t2 – t1) + (t3 – t4)]/2
通过PTP协议计算出本地时钟和主时钟源的时间偏移，再修正本地时钟。
3）多源同步判决原理
根据北斗、GPS、地面PTP、地面原子钟等不同同步源的短期稳定性、长期稳定性的实时监测指标，对不同的同步源分配不同的权重，通过加权算法，得出最佳的同步源去控制本地钟，得到最佳的同步性能。
采用北斗、GPS、B码、SDH等多时间源的变换平滑滤波算法，实现高精度时钟同步技术。由于各时间源的本身精度存在着差异，为保证不同时间源切换过程中同步的稳定性和可靠性，除采用高技术硬件措施外，还采用变换平滑滤波算法，实现对多时间源过度过程中波动采取了抑制措施。
3研究结论
本项目研制的主时钟经过某省电力公司通信网的OTN、SDH、PTN传输网络验证性能后，可以解决时钟同步跨不同网络技术的传递，可以适应各种主要传输网络的组合建设。下一步在实际测试中将逐步提升时钟恢复精度的水平和稳定性。
作者简介
王峰（1980-）男，山西襄汾人，汉族，高级工程师，大学本科学历，研究方向:电力通信，自动化。
论文作者:王峰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第14期
论文发表时间:2017/9/19
标签：时钟论文; 报文论文; 时间论文; 设备论文; 主设备论文; 节点论文; 通信网论文; 《电力设备》2017年第14期论文;