用于SDH多时间源PTP数据同步及时间监测算法的设计

【摘 要】随着多时间源时钟同步系统在电力系统通信中的广泛应用，利用SDH传输PTP高精度标准时间成为保证时间同步可靠性的重要手段之一。本文对多时间源的滤波、测量、最佳时间源选择与转换、E1/Ethernet协议的算法进行了设计，对基于linux的局域网同步时间监测管理APP的应用开发提供了接口。基于DSP内核实现多路时间源信息的高速解析、，实时比对、排序，自动选择最准确时间信号作为输出时间信息。基于FPGA实现时间源信号滤波和协议转换算法。通过linux为开发满足IEC61850标准的时间监测软件提供平台。

【关键词】 SDH；PTP；E1；Ethernet；协议转换；linux；IEC61850；APP

1引言

1.1 电力行业时间同步的必要性

随着电力系统大范围高精度测量系统的发展，需要为全系统建立一个更精确、更易管理的的标准时间系统。用以满足电力系统中各监控装置，如电网调度自动化、广域电网监测与控制保护、智能化变电站、微机保护、故障录波、行波故障测距、雷电定位系统对时间同步精度的要求，与所关联自动化装置应保持同一时间基准，以便于系统或设备运行分析与故障定位等。有利于查找事故原因，对减少事故隐患起，提高对

一、二次设备在线状态监测的质量。

目前，电力系统的统一时间基准主要依靠天基的GPS和北斗，由于安全性和自主性的因素，需要建立一套基于地面时间同步网络的统一时间基准作为空中授时的备份，以提高电力全网时间同步系统的可靠性。利用电力系统现有的数字同步体系（SDH，Synchronous Digital Hierarchy）网络，将时间基准从上级调度机构传送到下级各变电站和调度节点，提供微秒级时间同步精度，是现实可行的途径。高精度时间协议（PTP，Precision Time Protocol）由美国电气和电子工程师协会（IEEE，Institute of Electrical and Electronics Engineers）于2002年11月批准。PTP通过主从设备间进行消息传递，计算时间偏差以达到主从设备同步的目的。因此，通过SDH来传递PTP协议成为目前时间同步系统最重要的技术手段之一。由于PTP是在以太网基础上运行的，在SDH上传输需要进行E1/Ethernet协议转换。

1.3 建设时间同步监测系统的必要性

时钟系统授时采用的是单向传递，授时正确度及精度，均取决于传递过程，若有任何一个环节出现问题，最终将导致被授时设备时间偏差或未被授时。时间同步监测是将监测范围的时钟装置运行状态、时间精度，以及厂站内测控、保护装置等被授时设备的时间同步精度等实施集中监测、报警提示和运行管理，以保障全网时间同步的准确性。

2 算法设计

基于DSP内核实现此算法，此算法实现了多路时间源信息的高速解析、，实时比对、排序，自动选择最准确时间信号作为输出时间信息。基于FPGA实现时间源信号滤波和协议转换算法。通过运行于linux上的，满足IEC61850标准的时间监测软件，建立多路时间源信息采集统计表，供远传及就地校核、查询用。

2.1 基于FPGA时间源信号滤波算法

受制造工艺技术水平和无线电信号体制的限制，晶振和无线电授时系统都存在一定的授时误差。其总体而言可以分为随机噪声及随机漂移误差两个大类，若能有效对这两类误差进行处理则可有效提高授时系统的输出精度。 采用自适应步长调整小波阈值去噪法对各路时间源信号进行滤波去噪法去除随机噪声，提高时间源信号的信噪比；而随机漂移误差则可建模为FAR模型，并通过组合授时滤波器进行实时估计。实现多时间源的平滑稳定滤波，降低不同类型时间源的偏差。

2.1.1 多时间源信息融合技术

本项目拟开展的组合授时系统根据所采用时间源观测量的不同可分为三种组合模式：基于北斗/∞晶振的组合模式、基于北斗/GPS的组合模式和基于GPS/晶振的组合模式。考虑到联邦式组合滤波模式具有结构简单，便于工程实现的特点，采用EKF算法实现信息融合以及反馈校正方式即可满足组合授时系统的信息融合要求。

为解决系统运行过程中各个时间源误差模型的动态变化的问题，需要引入自适应交互式多模型的方法进行融合滤波，以实现各种时间源模型的动态切换。自适应交互式多模型由并行的滤波器组和似然检验算法组成：首先建立子系统正常工作时的模型以及典型故障时的模型，每个模型对于一个粒子滤波器单元；然后计算每个滤波器的似然函数，通过在线比较各个似然函数的大小，从而确定最可能发生故障的模型。对于各个时间源的误差模型，按照先验概率密度随机抽取一组粒子，这组粒子经过输入交互、粒子滤波后进行重采样，再进行输出交互。如此不断循环递推传播更新这些粒子以完成状态变量的估计。

为提高复杂环境下组合授时精度和容错性能的自适应调整能力，对影响联邦滤波精度和容错性能的主要因素进行理论分析，根据联邦滤波不同融合结构的性能特点，采用两级反馈式联邦滤波融合容错结构，实现组合授时系统的分布式信息融合容错。 本项目的组合授时系统故障检测方法主要采用 检验法，根据所构造的随机向量的不同而有不同的 检验法，主要包括残差 检验法、状态 检验法和双状态 检验法。针对多时间源信息融合容错选用的无重置的联合滤波结构，拟采用一种新的两级故障检测结构：在子、主滤波器中分别选用残差 检验法和双状态 检验法。这种方法将残差 检测法易于检测突变故障和双状态 检测法易于检测缓变故障的优势相结合，可以达到很好的检测效果。

2.2 基于DSP的时间源控制算法

2.2.1 时间源信号间隔测量

采用DSP计量两个脉冲间的偏差。DSP内包括倍频单元、双内插值单元、计数器和双口存储器，倍频单元将输入的10MHz频率倍频；插值单元用于计量间隔计数小于100ns的部分，即采用倍频的1GHz频率获取分辨率更高的部分。计数器用于计量100ns为单位的间隔计数值，双口存储器用于缓存间隔计数值和高分辨率计数值。通过高精度时间间隔测量技术，使时间间隔分辨率从100ns提到到1ns。

本地发送和接收的两个1pps 信号通过同轴电缆输入时间间隔测量系统，经过阻抗匹配与信号隔离电路之后进入两路高速比较器。两路高速比较器获得差分ECL 电平的START 和STOP 脉冲同时送入DSP 芯片。在DSP内部采用双内插时间间隔计数法精确测量时间间隔，下图是双内插计数法的时序图。STARTA 上跳沿与STOPA 上跳沿之间是待测量的时间间隔T，将STARTA 与STOPA异或可以得到主计数器的计数使能区间。主计数器时间段的前后两个不大于主计数器时钟周期的时间区间分别送入两路TDC 做精确时间量化，量化值分别为NA 和NB，量化步长分别为τA和τB。主计数器时钟周期为T0，计数结果为NC。则待测时间间隔T 可以由下式表示。

T = NAτA?N BτB+ NC T0

图1 双内插计数法时序图

START 和STOP 脉冲与参考时钟的第一个上升沿之间的待量化时间间隔送入DSP芯片的作用是测量START 和STOP 脉冲与第一个参考时钟上升沿之间的时间间隔，两次测量可以时分复用同一个通道，由DSP给出控制信号选通两路高速比较器即可以实✔现复用。DSP内部实现双内插器、主计数器以及其他一些外围电路接口。主计数器以参考时钟计数并将计数结果存入双口RAM，之后中断CPU，由CPU 到预定地址读取主计数器结果。CPU 主要完成对整个系统的控制功能、时间测量值的计算和测量数据的后续处理工作，包括通过DSP调节DAC 的输出电平；将测量数据通过串口输出等功能。

2.2.2 最佳时钟选择算法

PTP中进行选择最佳主时钟算法，包括状态决定算法和数据集比较算法。在PTP时钟体系建立起来后，通过保文交互，选择体系中精度、稳定度、优先级等指标最好的时钟作为主时钟，其他的时钟作为从时钟同步于主时钟。

状态决定算法：用来计算每个时钟端口的状态。

数据集比较算法：用来计算两个相关时钟端口数据集的二进制关系。

而这两种算法进行计算所需要的信息主要来自两部分：时钟端口的默认数据集D0和时钟端口接收到的Sync报文中包含的信息。在这里我们使用IEEE1588 标准的设定，假设某一具有N 个PTP时钟端口的时钟C0的默认数据集为D0 ，则BMC算法计算时钟状态所需要的信息具体为：

时钟的默认数据集D0 ；

时钟端口r的E rbest数据集；

N 个时钟端口的Ebest数据集。

其中，数据集E rbest是通过数据集比较算法计算和r端口相连的来自不同时钟端口的有效Sync报文所包含的信息得到的。而数据集Ebest则是通过数据集比较算法选择N 个端口中最好的E rbest，作为时钟C0的信息更新来源。在这里E rbest和Ebest所包含的信息主要是指， Sync报文中所携带的最高级主时钟（ grandmaster， GM）的相关信息，如GMUU ID， GMStratum， GM Identifier等。

图2 PTP状态机

2.3 基于FPGA的输出协议转换算法

将PTP报文协议通过SDH进行传输，在时间源处，主¡时钟通过以太网络发出协议报文，经过E1/Ethernet协议转换器，将以太网码流转换成E1 HDB3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E1 HDB3码流转换成以太网码流，传递给从时钟。从时钟发出的报文也经过类似的过程传递到主时钟处，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。

框图3中主要包括4部分组成

（1）以太网收发电路（DM9000AEP完成）。负责以太网硬件接口和协议的转换；

（4）DSP部分。负责和上位机通信，完成上位机对设备的查询功能和参数配置功能；

3 基于linux提供满足IEC61850标准的局域时间同步监测管理APP的开发

提供linux平台，可为以后开发满足IEC61850标准的局域网同步时间监测管理APP（应用软件），建立多路时间源信息采集统计表，供远传及就地校核、查询用。地调运行管理人员可通过此APP实现对其管理范围内的所有时钟设备监控和管理。此APP也可将地调（局域网）的时间数据，接入调度数据网中， 将对变电站内配置的时钟系统和被授时设备的时间同步精度、运行状况等时间同步状态进行实时监测；各局域网之间的多种时间源同步精度与判据进行比对，确保广域最佳时间源的正确性；接入自动化或保护设备时间顺序记录（SOE）信息，基于分析SOE监测被授时设备的时间同步状况，并将被授时设备SOE信息传回监控中心；再通过调度数据网将局域网的汇总时间同步数据上传至全网时间同步管理系统，降低调度数据网占用，提高数据传输速度，与全网时间同步管理系统的数据交互，实现对电力全网进行统一管理。

图3 PTP时间同步系统中E1/Ethernet协议转换器设计框图

4 结束语

本文分析了对多时间源的滤波、测量、最佳时间源选择与转换算法，多路时间源信息的高速解析、，实时比对、排序，自动选择最准确时间信号作为输出时间信息。基于DSP内核实现；分析了用于SDH传输PTP高精度标准时间的E1/Ethernet协议的转换算法，基于FPGA实现时间源信号滤波和协议转换算法；提供linux系统平台，对基于linux的局域网同步时间监测管理APP的应用开发提供了接口分析。有利于建立一套基于地面时间同步网络☃的统一时间基准，便于开发局域网时间同步监测管理APP，用于监测时钟装置运行状态、时间精度，以及厂站内测控、保护装置等被授时设备的时间同步精度等实施集中监测、报警提示和运行管理。

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