基于NTP技术的全网时间同步的试验研究
中图分类号：TU 文献标识码：A文章编号：1008-925X(2011)12-0081-02
摘要：准确的时间信号可以保证全网设备和系统的时间一致性，这对于电网的监视、控制和故障分析尤为重要。重点介绍了基于NTP的组网技术、组网试验方案的实施及结果分析。
关键词：GPS对时NTP技术时间同步网
1、引言
变电站的统一对时信号，人们曾经尝试了各种手段，如采用租用线路、微波、无线电广播等方式，但由于这些方法精度不够，不能达到统一对时的需求。近年来，随着GPS技术的发展及GPS对时装置价格的下调，一些综自厂家开始把GPS对时装置集成在他们的综自装置中，这样在整个变电站中会存在着多个独立的GPS对时装置，但由于生产厂家不同，质量层次不穷，对时误差很大，有时甚至达几个小时，这样就失去了统一对时的意义。此时，人们又尝试了组建变电站统一对时的主分屏方式，并取得了很大的成功，同步了全站的对时信号。随着电网的日趋复杂，电网的监控、调度离不开实时信息，同步相角测量单元（PMU）正在日益普及，该装置的正常运行必须建立在高精度的同步时间基础上，这些都迫使我们不能将眼光局限于各变电站内部，而应在更大范围内实现时间同步。 因此，组建全省网络范围的时间同步系统是电力系统发展的必然趋势。
2、时间同步网
2.1建立时间同步网的网络资源
a)DDN/DCN网的64K透明通道
其特点有：
（1）不必对所传数据进行协议封装，也不必进行分组交换式的存储转发，故网络时延很小，而且可以获得较高的时间精度
（2）可传输DCLS硬件信号编码协议
（3）它具有网络传输的透明性,而且不受网络负荷的影响
（4）通道一旦由网管生成后，用户两端之间的连接便是固定不变的，适合为用户建立点对点和多点对点的通信联接，两端设备一般通过基带Modem、DTU采用DTE直连方式。
（5）采用固定补偿方式，也就是根据固定的传输距离，用标准的时钟做基准，测量出传输实际造成的时延，然后在设备上预先设置好补偿值，在运行中一直采用该值进行补偿。由于DDN/DCN网的传输通道是固定的，因此时间延迟也相对固定，采用固定补偿方式完全能够满足传输需求。
b)IP网的Internet/Ethernet/Lan通道
其特点有：
（1）采用自动寻址的方式传输数据
（2）面向无连接，通道不固定
（3）传输NTP或SNTP格式的时间信号
（4）NTP可以获得并且分发时间，用复杂的算法以增强时钟的准确性
（5）NTP协议还支持MD5加密技术，能够有效地保障数据的安全性。
（6）采用动态补偿方式，通过算法取得网络阻塞引起的时间延迟与设备反应速度造成的时间耽搁并进行延迟补偿。由于网络的阻塞与设备的反应速度是一种实时的动态机制，因此NTP的算法也是动态的，可以适应各种各样的计算机网络。
2.2NTP（网络时间协议）技术
Network Time Protocol（NTP）是用来使计算机时间同步化的一种协议，它可以使计算机对其服务器或时钟源（如石英钟，GPS等等)做同步化，它可以提供高精准度的时间校正（LAN上与标准间差小于1毫秒，WAN上几十毫秒），且可介由加密确认的方式来防止恶毒的协议攻击。
NTP提供准确时间，首先要有准确的时间来源，这一时间应该是国际标准时间UTC。 NTP获得UTC的时间来源可以是原子钟、天文台、卫星，也可以从Internet上获取。这样就有了准确而可靠的时间源。时间按NTP服务器的等级传播。按照离外部UTC 源的远近将所有服务器归入不同的Stratun（层）中。Stratum-1在顶层，有外部UTC接入，而Stratum-2则从Stratum-1获取时间，Stratum-3从Stratum-2获取时间，以此类推，但Stratum层的总数限制在15以内。所有这些服务器在逻辑上形成阶梯式的架构相互连接，而Stratum-1的时间服务器是整个系统的基础。
计算机主机一般同多个时间服务器连接， 利用统计学的算法过滤来自不同服务器的时间，以选择最佳的路径和来源来校正主机时间。即使主机在长时间无法与某一时间服务器相联系的情况下，NTP服务依然有效运转。
为防止对时间服务器的恶意破坏，NTP使用了识别(Authentication)机制，检查来对时的信息是否是真正来自所宣称的服务器并检查资料的返回路径，以提供对抗干扰的保护机制。
时间信息的传输都使用UDP协议。每一个时间包内包含最近一次的事件的时间信息、包括上次事件的发送与接收时间、传递现在事件的当地时间、及此包的接收时间。在收到上述包后即可计算出时间的偏差量与传递资料的时间延迟。时间服务器利用一个过滤演算法，及先前八个校时资料计算出时间参考值，判断后续校时包的精确性，一个相对较高的离散程度，表示一个对时资料的可信度比较低。仅从一个时间服务器获得校时信息，不能校正通讯过程所造成的时间偏差，而同时与许多时间服务器通信校时，就可利用过滤算法找出相对较可靠的时间来源，然后采用它的时间来校时。
3、试验及结果分析
为了实现全省的电网时间同步，使福建电力设备更安全、高效的运行和使用，保障福建电网的正常运行和维护，福建省电力公司进行了组网试验，选取福州东台、泉州西湖、泉州新塘及龙岩连冠等变电站作为组网试点。具体的组网配置为：在省局设置一套主时钟设备M210，该设备为国外进口设备。具有稳定的NTP信号输出，同时又有较为理想的时间精度。其余选作测试的站点内现有的主时钟设备LEDI NETWORK TWIN均作为二级主时钟，接收来自省局的上游NTP信号，此时，TWIN的另一路输入接收外部GPS同步信号，并在站内通过扩展装置为本站设备提供时钟同步信号，如图所示。
3.1测试方案及测试内容
（1）在各变电站将提供时间同步服务的设备接入网络，合理分配端口IP地址。并打开防火墙的UDP123端口。
（2）在Twin连接上外部GPS天线及外部NTP信号后，先让设备同步于外部GPS信号半小时，通过GPS信号对其内部晶振进行训练，使其达到高精度的稳定状态。然后可通过软件转换的方式或去掉外部GPS信号源的方式，是Twin同步于上游链路提供的NTP信号，完成NTP组网，准备进行测试。
（3）在NTP服务器所在站直接测试NTP服务器NTP信号输出精度，以获知NTP服务器输出信号的精度及稳定度。若服务器同时有1PPS信号或DCLS信号输出，则可同时测试他们的输出精度。此项测试，对于每类时间信号可测试1-2小时。
在选定的测试站内，分别测试以下内容：
（1）来自服务器的NTP信号。以检测在经过复杂网络环境的信号传输后，NTP时间同步信号质量是否有大的劣变。此测试可进行1-2小时。
（2）站内作为二级主时钟的Twin在跟踪GPS时的1PPS精度及DCLS精度。记录此时的数据，以便进行比较。此测试每类信号可进行2-3小时。
（3）站内二级主时钟跟踪外部NTP输入时的1PPS精度及DCLS输出精度测试。通过此步测试，我们就能获知NTP时间同步网的同步效果。此测试每类信号可持续测试半天至一天。
3.2结果分析
以龙岩连冠变的测试数据为参考数据，如下表。
GPS主时钟检测记录
从记录的数据中，我们可以看出主时钟的保持精度非常好，可以达到3.33×10－10（20ns/min）。其技术指标满足规范要求，部分指标远优于规范要求，例如：主时钟的保持精度每分钟十几纳秒，规范为4.2μs/min。
综上所述，在全省范围内组建基于NTP技术的电力系统时间同步网是可行的。
参考文献：
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