0 引言

时钟同步网作为电力通信系统的重要支撑网之一, 担负着为电力通信系统提供同步时钟信号的重要职责。一旦同步信号劣化, 将造成通信设备大面积告警, 严重影响电力通信系统的稳定运行。目前对时钟同步网的维护和管理仍处于起步阶段, 没有相应的测试和管理系统对时钟同步网的运行情况和质量进行实时监测。如果想了解某个变电站通信设备时钟信号的质量, 只能由维护人员携带时间测试仪到设备所在地进行实地测试, 整个测试过程成本高、精度差。如果测试是受现网故障驱动的, 那么该次测试只能看到测试设备故障后的时间/频率信号质量, 看不到故障时与故障前的设备运行情况, 也无法看到其他设备的信号情况, 不利于问题查找。现网结构复杂, 一旦某设备发生故障会引发一系列连锁反应, 形成一系列的故障, 如果只监测某设备而无法同时看到其他设备的时钟信号情况, 往往很难找到问题的根本原因。因此, 建立1套电力通信时钟同步网在线监测系统, 对变电站多设备的时间/频率信号质量进行实时监测, 具有现实意义^[1-5]。本文以呼和浩特地区为例, 建立电力通信时钟同步网在线监测系统。

1 电力通信时钟同步网在线监测系统理想模型

1套电力通信时钟同步网在线监测系统需具备3个要素:

(1) 绝对可靠的时钟源;

(2) 优良的时间传递系统, 可进行长距离、多节点、高精度监测, 将可靠的时间源复制到监测端, 并以此时间源为参考对被测设备进行监测;

(3) 可靠合理的时间监测系统, 要求监测信号可覆盖常用的时间/频率信号, 分析指标满足对时间/频率的性能分析, 可实时在线监测、实时上报告警, 甚至可预测告警。

基于以上3个要素, 采用绝对参考源对时间频率监测点进行测量和比对, 建立电力通信时钟同步网, 电力通信时钟同步网在线监测系统理想模型如图 1所示。该系统采用铯钟+GNSS作为绝对参考源, 利用光纤时频传递技术形成时间传递设备(TF设备)连接组网, 输出的基准源精度可达到频率变化偏差≤5×10^-14、时间偏差≤±10 ns。利用该基准源再对现网设备的时钟同步性能进行比对, 则可监控同步性能, 实现多节点实时在线监测, 进而同时监测多个设备的时间/频率信号质量, 查看任意设备的历史监测数据, 并根据监测数据或分析后得到的性能数据自动实时上报告警。

2 电力通信时钟同步网在线监测系统组网方式及功能介绍 2.1 典型组网模型

时钟同步网在线监测系统主要由时间源、TF设备和被监测设备(XX设备)组成, 其中TF设备根据功能可分为中心授时设备、中继节点和授时设备, 整个系统可根据需要进行灵活的扩展和裁减, 系统典型组网模型如图 2所示。

组网环境要求2个设备之间的光纤衰耗 < 32 dB, 并占用1个单独的双向可通的波(光纤不加放大器或者加双向放大器), 对波长及光纤种类无要求。

2.2 基于光纤时频传递技术的组网方式

上述组网模型为典型的直链式组网方式, 根据电力通信方向多、网络结构复杂、同一变电站内传输设备类型多样等特点, 采用光纤时频传递技术组成时钟同步网在线监测系统, 按重要节点监测、疑难故障站点长期监控的原则组网, 基于光纤时频传递技术的电力通信时钟同步网在线监测系统的组网方式如图 3所示。同步信号网络可分为采集层和分析层; 整个监测系统按其功能可分为设备综合管理网、光纤传递频率网和频率监测分析网3个网络。

2.2.1 同步信号分层结构功能 2.2.1.1 采集层

基于高精度频率传递网络, 采集层对需要监控的远端被监测设备进行同步信号(2 MHz、2 Mbit/s等信号)采集。采集层需完成光纤时频传递设备频率信号同源组网和被测设备频率输出信号与频率监测设备的对接。

2.2.1.2 分析层

分析层的功能是实时在线采集各监测设备的信号并进行远程分析, 上报至中心同步信号实时监测网管系统, 中心同步信号实时监测网管系统实时监测频率信号性能。分析层需完成监测设备自身组网, 实现综合网络管理; 在中心同步信号实时监测网管系统建立各站点网元级管理, 根据同步网络性能的相关标准建立频率信号分析模型; 根据站点需求设置告警阀值, 实现预警功能。

2.2.2 网络组成 2.2.2.1 设备综合管理网

根据节点功能的不同, 设备综合管理网主要分为中心站点和其他站点, 其配置要求如表 1所示。频率传递设备通过远距离光纤的方式组网, 各监测设备以此为基础形成网络, 实现远程同步信号的综合管理。呼和浩特地区电力通信时钟同步网在线实时监测站点分布图见图 4。其具体配置如下。

(1) 选取呼和浩特供电局区调作为中心站点。在区调机房一端设置光纤时频传递设备, 基本配置按双电源、双铷钟、双卫星接收盘(接收北斗、GPS卫星信号及其他可使用的地面参考信号作为参考信号, 包括可用的本系统铯钟信号), 设备工作稳定性高; 配置光纤时频传递接口盘, 多方向传递高精度时间/频率信号作为其他站点的光纤时间/频率参考源; 配置监测板卡, 对接入被测通信设备的频率输出信号进行监测; 配置同步信号监测网管系统, 实时在线搜集被测信号的相关性能数据并分析。其他站点的被测信号也通过频率监测网管远程进行接入并分析。

(2) 其他站点设备的参考源配置分2种情况, 一种是站点光纤直达, 设备参考源为中心机房通过光纤通道传递的高精度时频参考信号; 另一种是光纤资源不可直达的情况, 配置卫星参考。

根据呼和浩特地区电力通信光纤网络的实际结构, 在重要站点安装频率在线监测设备, 如图 4所示。区调作为中心站点安装频率监测设备和同步信号实时监测网管系统, 其他站点(信通中心、昭君变电站、永圣域变电站、燕山营变电站、乌素图变电站、台阁牧变电站、旗下营变电站、航天变电站)安装频率监测设备。

2.2.2.2 光纤传递频率网

根据实际光纤网络结构, 组建相切环+链的光纤传递频率网, 呼和浩特地区电力通信光纤传递频率网结构图如图 5所示。

其中区调、信通中心、昭君变电站、永圣域变电站、台阁牧变电站、乌素图变电站形成1个环网; 区调、信通中心、昭君变电站、航天变电站、旗下营变电站形成1个环网。各环网内通过光纤方式进行远距离高精准频率传递组成高精度时频网络, 实现搬运钟功能, 满足各站点对频率参考源的同源、高精度需求。

位于各节点的光纤授时设备通过光纤频率传递协议接收至少2个光方向的频率信息, 根据最优算法锁定光方向并作为被监测信号的对比信号。在任一光纤链路出现故障的情况下, 其他站点设备仍能完成频率监测功能, 不影响连续测试。

2.2.2.3 频率监测分析网

各节点频率传递设备通过监测板卡接收其他时间/频率同步设备、通信设备、自动化设备、保护设备等输出信号, 监测该信号的实时运行状况, 由中心同步信号实时监测网管系统进行分析, 实现实时监测同步信号的功能; 可在同步信号实时监测网管系统设置告警阀值, 提前进行故障处理。

2.3 系统组件及功能 2.3.1 系统组件

监测系统主要包括时间测试卡、频率测试卡和同步信号实时监测网管系统3种组件。时间测试卡主要完成时间信号的监测、数据存储、性能分析、告警产生等, 1个时间测试板卡可完成1路时间信号的监测, 时间信号类型可选; 频率测试卡完成频率信号的监测、数据存储、性能分析、告警产生等, 1个频率测试板卡可完成1路频率信号的监测, 频率信号类型可选。同步信号实时监测网管系统完成监测数据及性能数据的显示。

1台TF授时设备有12个扩展槽位, 可随意混插不同类型测试卡, 同时对12路时间/频率信号进行监测。可监测的信号类型包括时间信号(PPS+ TOD、PTP)和频率信号(2 Mbit、2 MHz、10 MHz)。

2.3.2 监测指标

时间信号的监测指标包括时间间隔误差TIE, 最大时间间隔误差MTIE, 时间偏差TDEV。频率信号的监测指标包括频率准确度Δf, 阿伦方差ADEV, TIE, MTIE, TDEV。其中, MTIE, ADEV, TDEV除支持标准模板以外, 还支持添加自定义模板(添加自定义模板可以作为系统预警条件)。

(1)  Δf为时钟的长期频偏。

(2)  TIE:在一段规定时间内, 测量数字信号的各有效瞬时相对其理想时间位置的积累偏移, TIE值为被测时钟与参考源的时间偏差。

(3)  MTIE:被测时钟信号(与参考时钟比较)在指定的观测时间t中的最大时间间隔误差。

(4)  TDEV:是对比整体时间相位误差的量度, 如统计值。TDEV的分析提供了关于相位变化的频谱方面的信息。

(5)  ADEV用来表征频率稳定度。

2.3.3 系统功能

(1)  告警上报及预警功能。通信调度员在同步信号实时监测网管系统端配置告警产生的条件, 可根据测试数据产生, 也可根据性能数据产生。由于监测卡一直在实时产生测试数据并实时分析数据, 一旦告警条件被触发, 监测卡会第一时间向同步信号实时监测网管系统上报告警事件。同步信号实时监测网管系统端可根据告警类型调取对应的测试数据进行分析。同时监测卡可根据性能指标的走向来触发预警事件, 将事故扼制在最早期。发生告警时, 通信调度员可同时查看多台设备的测试数据(包括历史数据), 利用数据之间的关联性准确快速定位问题原因。

(2)  离线监测功能。如果同步信号实时监测网管系统断开, 测试卡的监测动作并不会停止, 测试数据也不会丢失, 只要同步信号实时监测网管系统恢复, 依然可以调阅过去一段时间的测试数据与性能数据。

(3)  测试卡支持自动监测及手动监测功能。自动监测为测试卡持续自动监测被测信号并循环保存数据, 当前可以保存最近7 d的测试数据, 如果持续测试超过7 d, 最新数据会覆盖7 d之前的数据, 通信调度员在同步信号实时监测网管系统端可以随时查看当前测试卡内保存的最近7 d内任意时长的数据。手动测试可以自定义开始时间、测试时长, 测试卡监测时间满足设定时长后测试自动停止。

(4)  测试数据保存与重阅功能。同步信号实时监测网管系统端支持数据的手动保存功能。通信调度员如果认为某个测试卡的测试数据有意义, 可能会用于事故分析或者其他用途, 可以选择将此数据保存, 放置于自定义的位置。通过软件的历史数据分析功能可随时查看已保存的数据。

(5)  实时监测功能。通信调度员可在同步信号实时监测网管系统端实时看到当时的测试数据上报, 主要是TIE值上报, 可以实时看到数据的变化特性。由于对实时性要求较高且数据量较大, 整个测试系统只能同时开启1个实时监测窗口。

(6)  带内网管功能。可以支持对设备的基本配置以及接收设备产生的告警事件, 对于需要带宽较大的测试结果查看功能暂不支持。

3 结语

本文提出的电力通信时钟同步网在线监测系统采用基于光纤时频传递技术的时间传递系统和高精度的时钟源, 使得可靠的时钟源能够复制到监测端。以此时钟源为参考对被测设备进行监测, 得到的结果更加准确可信。该系统可以对多设备同时在线监测, 根据工作人员预置条件进行自动告警及预警; 通过回看故障发生前的历史数据, 快速准确定位并分析设备故障, 提高人员对故障的快速反应能力, 为电力通信系统安全、稳定运行提供可靠的保证。