技术白皮书 --  用ns级的测量，见证ns级的同步

技术白皮书

目录

一：时间精度测量——告别示波器的时代.......................................... 1
TimeAcc特点简介............................................................... 1
TimeAcc多种时间信号测试....................................................... 2
TimeAcc NTP组网测试 ...........................................................3
TimeAcc时间精度测试数据分析................................................... 3

二：NTP——纳秒级同步，不再游走在电力时间同步的边缘 ...........................4
网同步，才是真正的同步 ........................................................4
NTP时间同步网的特点 ...........................................................5
NTP时间同步网的性能 ...........................................................7
NTP时间同步网的结构 ...........................................................8

三：PTP——精密时间协议，同步精度更上层楼 .................................... 10
PTP时间同步组网结构 ...........................................................10
PTP时间同步网性能 .............................................................11
PTP网络时间同步的应用 .........................................................12

四：网管——全省监控，远程管理，告别混沌的时代 ................................13
现代化网管，已刻不容缓 ........................................................13
网管系统结构及功能 ............................................................13


一、 时间精度测量——告别示波器的时代
   
     当前已组建的时间同步系统是否符合技术要求？需要改建时间同步系统又从哪里开始入手？新建成的时间同步系统如何验收？对如此众多的时钟信号质量如何监管？
一系列问题凸显了时间精度测量的重要性，没有了测量，我们便生活在模糊的世界里。传统的时间精度测量，是通过示波器进行的，通过将被测设备的输出波形与标准波形进行比对，实现时间精度的测量。但是这样的测试存在几个问题，一是标准波形本身能达到多少精度？二是如需长时间测量该怎么办，因为我们无法24小时始终监视示波器；三是如果需要测量B码、串口报文等信号又该怎么测？
    一系列实际测量中发现的问题催生了新一代的多功能时间精度测量工具——TimeACC。全球第一台时间综合测试仪“TimeAcc-007”由上海泰坦通信工程有限公司和英国“TIME & FREQUENCY SOLUTIONS”公司联合开发研制。该产品内置铷钟，通过GPS获得UTC时间，可对1PPS、1PPM、1PPH、IRIG-B、NTP、串口报文等多种时间信号进行精确测量。产品设计轻巧便携，Windows操作系统，液晶触摸屏显示。“TimeAcc-007”通过了上海市高新技术成果转化认证，并已取得国家专利局专利申请受理号。

TimeAcc特点简介

• 全球第一款时间综合测试仪

• 内置铷钟，通过GPS获取世界协调时(UTC)

• 测量并显示与世界协调时(UTC)的时间差

• 时间解析度优于1纳秒

• 相对UTC绝对精度优于50纳秒

• 测试脉冲、DCLS，NTP信号可达纳秒级测试精度

• 便携，可靠，适宜于不同领域的时间精度测试

• 真彩触摸屏显示

• 1 x USB端口便于数据存储、打印及QA分析

TimeAcc多种时间信号测试

    电力时间同步系统所涉及的设备种类较多，各种设备接收的时间信号格式又不尽相同。TimeAcc-007的独特设计，涵盖了电力系统所需的各种时间信号格式的测量，其中包括：1PPS(TTL)、1PPM(TTL)、1PPH(TTL)、IRIG-B(交流)、IRIG-B(直流)、RS232时间报文、RS422时间报文、RS485时间报文、NTP、DCF-77、空接点信号等。此外，通过TimeAcc-007直接测试PTP时间信号，不久也将设计开发完成。

图2 TimeAcc-007前面板

    TimeAcc-007不仅可精确测量多种时间信号，由于其内置铷钟，同时它还能够输出10Mhz和1PPS，为手机晶振厂商等提供高精度的频率同步源。

图3 TimeAcc-007后面板

TimeAcc NTP组网测试

    TimeAcc在设计时便考虑到了NTP时间同步网的性能测试，其NTP信号测试精度优于70ns。
上海泰坦在2006年完成了通过NTP方式实现XX地区局7个220KV变电站时间同步的组案实施，并对其进行了精度测试，NTP从钟锁定上游NTP信号后输出的1PPS精度范围50~60μs（NTP组网缩略拓扑图见下节）。2007年在某省公司经过IP封装为E1、经SDH传输1000KM左右，NTP从钟达到了2μs左右的同步精度（1PPS）。

TimeAcc时间精度测试数据分析

    TimeACC在测试数据的同时，还能通过USB盘将数据实时存储，实现测试时无人值守，其数据以EXCEL格式存储，当测试完毕时，只需调出U盘内数据，便可分析。
其存储的数据表如下图所示：（此图为测试某时钟设备NTP精度时的数据记录，测试其它格式信号时记录的数据内容有所不同）

由图可见，测试数据记录了被测设备的IP地址，T1,T2,T3,T4四个时间戳的详细时间，以及相关offset时间及RTT时间，数据分析十分方便。


由以上测试数据可通过EXCEL软件绘出数据图，如下所示：图上纵坐标单位：纳秒（ns）

二：NTP——纳秒级同步，不再游走在电力时间同步的边缘

     在许多人眼中，NTP同步是毫秒级时间同步的代名词，是不登“大雅之堂”的低精度时间同步技术。殊不知随着时间的推进，技术的革新，如今的NTP时间同步已完全能达到优于25us的精度，通过采用特殊技术，某些NTP Time Server的NTP输出精度已实现纳秒级的精度！把毫秒级精度的“旧帽子”再强加于NTP技术身上已脱离了当前最新的技术水平！

网同步，才是真正的同步

    电厂、电站建立时间同步系统的重要性已被各方广为接受。但如何才能真正发挥时间同步技术的优势以保障电力系统的安全？什么样的时间同步系统才是最有效的系统？

    向前回溯的5年内，北半球多个国家大面积的停电事件震惊了世界。美国、加拿大、英国、意大利、法国、北欧诸国和马来西亚相继发生了断电事件。尽管人们已高度重视电力系统的安全问题，2006年及2007年美国纽约又接连发生大范围停电事故。但事故发生后对于事故原因的调查又困难重重，原因很简单——虽然单个站内设备能做到时间同步，但由于没有实现全网同步，造成大范围区域范围内各电力设备时间不同步！原本可以抑制在小范围内的停电事故却因为各区域间设备的时间不同步而无法在事故后以最快速度排查原因，导致事故波及范围不断蔓延！北美电网可靠性委员会NERC主席Michel R. Gent在北美大停电事故中接受CNN采访时说过：“如果失去同步，就会失去电网。”
    随着电力系统现代化改造的进行，各种昂贵的设备相继投入使用，一旦发生大规模停电事故，不仅对电力公司是个沉重的打击，对于人民生活甚至是社会稳定同样是一个巨大的打击。如何避免发生国外类似的大范围停电事故，有一个基本的要求需要满足，那就是数百平方英里范围内的电压探测器和断路器必须相互之间同步，换句话说，就像分配电力一样分配时间。而这是变电站局部同步远远不能做到的。因此我们说，只有网同步才是真正的同步。
    全网同步使用的技术：NTP，PTP，DCLS时延补偿
    如同一颗颗散落的珍珠，需要有线的串联才能成为华丽的项链，变电站内建设的局部时间同步系统，也需要有相应技术将之串联，以逐步形成全网统一时间同步系统。就目前来讲，能用在长距离组网上的时间信号只有NTP、PTP和DCLS（采用时延补偿技术），DCLS技术通常情况下只能传数公里的距离，若要长距离传送，必须依赖DDN/DCN网络资源；PTP技术是一种高精度的用于网络的时间信号，其精度足以满足当前电站内设备的对时需求，然而虽然PTP技术升级速度加快，但目前仍不能支持路由，其传送只能依靠点对点的传输，相信随着PTP技术的进一步升级，其在电力系统中的应用将只是时间问题； NTP信号是一种极其适合大范围组网的时间同步技术，但长期以来一直以低精度的概念出现在人们眼中，因此在电力时间同步网中并没有得到足够多的重视和应用，但随着技术的进步，如今的NTP技术已能实现纳秒级的精度，能够满足电力系统时间同步的应用，相信随着一些细节问题的不断改善，NTP技术将是电力时间同步网不可或缺的技术。

NTP时间同步网的特点

    NTP时间同步，是采用NTP协议通过以太网实现设备的时间同步，是一种基于软件协议的同步方式。早在上世纪80年代，美国便开发出了NTP协议以通过以太网实现设备的时间同步，在几十年的发展中，NTP同步能实现的对时精度越来越高，应用的范围也日益扩大，并且对于NTP协议的研究仍然在不断的进行和深入。
    NTP格式的时间同步信号是一种与传统的B码同步信号、串口信号作用类似的信号。都是一种能实现时间同步的信号格式。它们之间能通过简单的设备实现互相转换。
在电力系统中采用NTP协议实现时间同步组网存在哪些优点？NTP同步组网对实际系统的运行会产生哪些具体影响？这些都是我们一直关心的问题。

NTP同步的优点：
    （1）采用NTP协议实现时间同步，最大的优点便是其网络性。通过丰富的以太网资源，能将时间同步信号传送到任何一个存在网络的角落。只要有以太网的地方，便能实现时间的同步，因此NTP时间同步十分适合于大范围的组网应用。
    （2）易扩展性——网络扩展方便、廉价，是NTP同步的另一大优点。由于NTP时间同步信号是通过以太网传输，而不管是在已经建成的电站（厂）还是在将要建的电站（厂），电力数据网网络资源都是极其丰富且廉价，因此若要在已建成的时间同步网络中增加新的节点（电站），只要使新节点的时钟接入网络并分配IP网络地址就可以实现同步。另外，有一些老式的通过以太网实现对时的设备使用的是SNTP接口，而SNTP协议是简单化的NTP协议，因此现在提供NTP对时的时钟设备，能完全兼容以前的SNTP接口。
    （3）易管理性——方便、灵活、实时、多功能的网络管理是NTP时间同步网又一大特色。目前，世界知名GPS时钟生产商所生产的GPS时钟设备大都能提供多钟形式的告警及网管软件。通过以太网连接，能方便的监控设备的运行状态和信号质量。以便对异常情况作出及时的反应，减少用户的损失。
    （4）易实现性也是NTP时间同步网一大显著特点。NTP协议已经有了二十年的演变与应用，因此当前使用的交换机、路由器及装有各类操作系统的PC终端都能很好的支持NTP协议。另外由于为了传输NTP时间同步信号而产生的数据流所占用的带宽资源非常小，因此对于现在正在使用中的以太网网络所增加的传输负担可以忽略不计。
    （5）易升级性是组建时间同步网时需要考虑的另一大要素。由于NTP是一种软件协议，因此基于NTP的时间同步网的升级十分简便。一旦NTP协议进行了更新，我们只需要对应升级相应时钟设备的软件版本即可达到时间同步网性能升级的目的
    （6）多点冗余基准能力也是NTP时间同步网的一大特色。传统的时钟同步系统中，从钟只能依靠固定的2条物理链路接收2路外部时间基准信号，做为同步的主备用信号。在NTP时间同步网中，信号是通过以太网传输，因此从钟接收的外部NTP信号可以通过选择IP实现在多个主钟间手动或自动切换，实现2个以上冗余基准信号的配置，冗余能力视从钟种类而定。NTP时间同步网的这种特性大大提高了系统的可靠性。
    因此，NTP时间同步方式适合大范围组网应用，适合实现设备统一监控管理，是一种较为先进的，能较好的适应将来电站技术革新的时间同步方式。

NTP时间同步网的性能

    在目前的技术条件和设备条件下，已有某些服务器设备其NTP输出精度可稳定在纳秒级的精度，从钟的跟踪NTP后其输出精度也已能保证优于25us，并且在电力系统实际网络通信环境中，某些产品已能实现≤12us的NTP网络对时精度。相关测试数据如下：

图示纵轴单位为ns
由上图可以看出，在经过一小段时间的设备启动阶段和时钟晶振校正以后，NTP从钟
的输出信号精度已能很好的稳定在12us以下。并且保持了很好的稳定度。

    在我们搭建的实验环境下（网络环境相对电力系统现场环境稍有简单），通过采用品质较好的时间同步设备，我们已经能够实现≤3us的NTP网络对时精度。相关测试数据如下：

图示纵轴单位为ns
由上图可以看出，通过采用某些优秀的时钟设备，在简单的网络环境下NTP从钟
的输出信号精度甚至能保持优于2.9us的良好表现。
　

    目前通过NTP实现网络对时的技术正在不断的改进中，支持NTP信号输入输出的设备也越来越多，并且性能越来越优异。从原理上讲，目前的NTP技术在协议方面已有了新的突破，并且各类先进的设备当前普遍使用了处理能力更强，处理速度更快的硬件，处理延时和抖动的能力也大大增强，这些都带来了更小的时间延迟和设备更好的滤除抖动的性能，为进一步提高NTP时间同步的精度带来了明确的前景。
    下图为某NTP Server的实测NTP输出精度，由图可见，此Server的输出精度已能稳定在ns级。（纵坐标单位：ns）

    通过目前的探索、理论研究和简单环境下的小范围测试，我们应该完全有信心在实际应用中获得1us 的NTP网络对时精度。与此同时，另一种基于以太网的时间协议PTP协议也已接近实际应用。设备的研发及生产已经完成，在电力系统实际网络环境下测试的PTP从钟输出精度已经达到优于3us。因此，通过以太网组网实现优于1us同步精度的目标已近在眼前，实现全网时间同步也不再是遥远的风景。

NTP时间同步网的结构

    采用NTP时间同步组网的系统能方便的实现将多个需要同步的从时钟通过网络同步于同一个时间基准源。对于省级的时间同步网来说，NTP时间同步网是一种理想的选择。不仅NTP组网技术能实现大范围的同步，而且还可以通过设置多个基准源，让网内时钟自动选择较为可靠的信号实现同步。另外，通过以太网组网，还能方便的实现远程管理，建立一套基于以太网的网管系统。
通常NTP所建立起的网络基本结构是分层管理的类树形结构。网络中的节点有两种可能：时钟源或客户。每一层上的时钟源或客户可向上一层或本层的时钟源请求时间校正，但一般作为第一层的一级主时钟源层内，只配置主钟源，这些钟源之间相互不允许校正，各自独立接受GPS信号。一级钟源的任务就是将时间信息向第二层的钟源或客户发布。

电力系统中NTP时间同步网的组网结构为：
    在省局设立高精度NTP Time Server，输出NTP时间同步信号做为整个同步网的时间基准信号（可设立超过2套的PRC主时钟，为全网提供多个时间基准源，网内各同步于PRC的二级时钟可进行人工或自动切换选择主基准源，从而通过NTP时间同步网独特的多冗余基准源能力保障同步网的稳定运行，若要人工切换，可在现场操作或通过省局网管中心实现远程切换），在以太网内的各主要地区局设立地区二级主时钟，接收来自省局的NTP时间基准信号。地区二级主时钟可根据现场的实际需要，输出所需要格式的信号同步下一级时钟，或是直接通过扩展装置输出各类时间信号使站内各设备实现同步。在省中心机房内，可设立省级监控终端，以统一监测全省设备的信号质量和设备运行状态，并且对于设备的某些参数设置，可通过监控终端实现对设备的远程参数配置和管理，极大的提高了控制中心对全省设备的整体监控能力，若有必要，还可在地区局设立地区网管中心，以详细监测该地区范围各变电站内时钟的运行状况。如此通过层层树状拓扑结构，便能实现全省电力设备真正具有统一时间基准源的时间同步。
    NTP时间同步网的主要网络结构拓扑图如下：

三：PTP——精密时间协议，同步精度更上层楼

    IEEE1588标准在提出之出便是致力于工控和测量的精密时钟同步协议标准，起初其目标是提供同步建立亚微秒精度的运用， 后来受到自动化领域尤其是分布式运动控制领域的关注，而且在国际上其军事应用的初始计划也已经起步，远程通信和电力系统等相关组织也对其表现出浓厚的兴趣。目前应用在电力系统中的采用PTP技术的时钟设备，其PTP同步精度在电力系统实际传输环境下的应用已达到优于3us。并且IEEE1588是既使用软件，亦同时使用硬件和软件配合，来获得更精确的定时同步，因此通过软件及硬件的进一步升级，其还存在相当大的提高精度的潜力。

PTP时间同步组网结构

    就目前来讲，虽然PTP时间同步精度较高，但当前的PTP协议版本尚不支持路由能力（下一版本的PTP协议将有望实现路由功能），其同步信号的传输主要依靠点对点的固定链路传输方式。当前国内多个省份电力系统内SDH通信网已具有相当的规模，并且2M通道资源较丰富，因此可利用现有的SDH链路传输PTP时间同步信号。
    当前电力系统PTP时间同步网的组网主要以如下结构：
    在省局设立高精度时钟源，为PTP时钟提供高精度的时间基准源，PTP时钟输出高精度PTP时间同步信号，进入支持PTP的交换机（若省局的高精度时钟本身即可提供PTP输出，则可将此PTP信号直接接入交换机），同时由交换机提供足够路数的PTP信号输出至协议转换器，将基于以太网的PTP时间同步信号转换为2M数字信号，并通过SDH通信链路传送至各地区局或各变电站的SDH设备，再经过协议转换器的转换，将2M数字信号转换为以太网信号并输入设在各地区局或变电站的PTP从钟，再经过扩展输出各类时间信号给站内设备实现全网的时间同步。
    PTP时间同步网网络拓扑图如下:


PTP时间同步网性能

    为了进一步验证PTP技术在电力时间同步网中的可行性，我们在某电力局做了实地测试，通过采用先进的PTP时钟，我们已能获得优于3us的精度，整个测试持续一个星期，测试设备为TimeACC，测试时，主钟输出的PTP信号经过电力系统SDH设备环回传输500公里，提供给本地PTP从钟。
    以下为根据其中一部分连续的测试数据绘出的精度图：（纵坐标单位ns）

PTP网络时间同步的应用

    PTP技术在问世之初，便被定位为亚微秒级的高精度时间同步技术，也是目前基于Ethernet的最高精度时间同步技术。随着人们对时间同步精度要求不断提升，PTP技术也在全世界范围内被广泛研究，并获得了大幅度的性能提升。
    该协议对内存及CPU性能没有特殊的要求，只需要最小限度的网络带宽。因此其对网络资源的占用几乎可以忽略不计。
    目前，IEEE1588典型应用领域是实验室或产品测量和控制系统、工业自动化、电力系统或远程通信系统以及包含多个传感器、执行器、仪器仪表和控制器的分布式运动控制系统。
    国外方面，许多组织都已决定将该协议用于其基于现场总线的以太网络。而国内至目前为止还未有大规模的正式应用。
    早在2003年，ODVA（开放式网络设备供应商协会）计划在其实时控制应用的通用工业协议CIP（Common Industrial Protocol）中加入时间同步服务，称之为CIP Sync，作为对Ethernet/IP-CIP的实时扩展。测试表明，如果采用100Mbps交换式以太网系统，CIP Sync可以在设备间传递小于500ns的时间同步精度，符合最严格的实时应用的要求。
    EPSG（Ethernet Powerlink 标准联盟）已经计划将该协议作为EPL（Ethernet Powerlink）第三版本规范的固定内容。在第三版本中，IEEE 1588将用在跨越多个实时段的同步通信上，提供分布式的EPL应用。EPL只需要标准以太网硬件，不需要专用的ASICs（专用集成电路），但必须通过网桥或路由器将实时通信与非实时通信分离。
    西门子公司也致力于用IEEE 1588修改其PROFInet V3；Beckhoff和Jetter的实时工业以太网解决方案EtherCAT也研究采用该协议或类似的方法来保证时间同步。这两种方案都需要专用的ASICs。
从目前的原型实验和应用来看，IEEE 1588中标准化的精确时间协议可以达到亚微妙级的同步精度，并且有可能达到更高的精度。IEEE 1588为基于多播技术的标准以太网的实时应用提供了有效的解决方案，但同时也存在一些尚待进一步研究的问题，如主时钟的容错性能，振荡器的稳定性对时钟的影响等。在最近几年中，NIST（国际标准技术协会）已经举行了关于IEEE 1588的多次专题研讨会，相信今后该标准会更加完善，也会有更多的具体应用可以参考。



四：网管——全省监控，远程管理，告别混沌的时代

现代化网管，已刻不容缓

    一个现代化网管系统，是整个系统内设备正常运行的保障，也是系统出现故障后，能第一时间获取故障告警的保证。
    在电力系统中建立的时间同步系统，应该也必须逐步建立一个能满足监控要求的网管系统。以保证所建立的时间同步系统不会因为缺乏监管和维护而成为一个昂贵的花架子。
    考虑到变电站无人值守的特殊要求，网管系统，应该具备以下几个特征：
(1) 能通过远程方式及时反映出所辖时钟设备的告警及事件状态。
(2) 对各级时钟设备具有配置管理功能， 既能设置输入端口的主备用状态，又能设置输出端口的信号格式。
(3) 应能轮询各级时钟的运行状态，尤其是主时钟的精度数据。
(4) 应能轮询各级时钟的输出模块的运行状态。
(5) 具有容纳系统扩容的能力。
    只有这样的网管系统，才能大大减少现场巡检的工作强度，才能迅速提升对设备故障的快速反应能力，才能最大限度的对整个时间同步网实行统一而有效的监管。

网管系统结构及功能

    做为一个省级的时间同步系统，有必要搭建起一个统一管理整个网络的高级技术服务平台，以支撑和保障电力系统网络化、信息化和现代化的发展。
    对于传统的、各个变电站互为独立的GPS统一时钟系统，很难建立起一个完善的、统一的、易于管理的网管系统。主要原因是GPS主时钟所能提供的通信接口不统一。
    在NTP时间同步网中，所有的主时钟都具备相同的通信接口－RJ45口。在网管中心配置一台专门的时钟精度实时监控装置，该装置通过以太网请求读取任何一个主时钟的NTP数据包，对比一个默认的基准时间，得出所有被访问的主时钟的精度。管理员可以设置告警门限，当被监控的设备出现异常（时间精度偏差较高或是参数配置被改变或是其他更多更详细的状况），监控设备又可通过多种告警方式在终端显示器上显示告警信息，以方便网管人员随时监控系统的运行和及时维护。目前通过Wmail或者web方式能获知时间同步异常，装置配置改变，NTP同步停止等数十钟告警。通过web监控，更是能清晰的看到每一台设备的同步情况和错误信息，具体显示如下图所示：（图中所监控的网内时钟单元仅为8个，实际应用时可监控网内所有设备）

如图所示：从图中可以清楚的看到各装置的名称，在网络中所处的层次，时间偏移，网络延迟状态和出错信息
    WMAIL告警方式，是一种简单易操作的告警。网管人员可经过简单的设置通过windows messenger机制在普通PC终端上显示告警信息。当网络中被监控的时钟出现超过门限参数的异常时，在预先设定的PC终端上就会自动弹出告警信息。
    SNMP（简单网络管理协议），是一个标准的用于管理IP网络上结点的协议。通过时钟监控装置所提供的SNMP告警方式，能在终端上获得更详细更丰富的网络内时钟设备的运行状态信息。网管人员只需在网络监控管理终端上配置相应的软件，并配置提供的MIB库文件，就可通过软件获得丰富的设备运行状态信息。实现真正全面多功能状态监控。