CN201127028Y - 通过同步数字体系光通信网络传递时间的时间同步系统 - Google Patents

通过同步数字体系光通信网络传递时间的时间同步系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了时间同步系统,建立了高精度、高可靠性的标准时间网络。其技术方案为:该时间同步系统包括时间同步主设备和从设备。其中时间同步主设备进一步包括:时间跟踪单元、主设备时延误差测量单元、主设备误差数据处理单元、主设备误差数据传送单元、主设备同步数字体系通道接口单元、时钟同步跟踪单元和本地时钟单元、主设备控制单元。时间同步从设备进一步包括:本地守时单元、时间同步单元、从设备时延误差测量单元、从设备误差数据处理单元、从设备误差数据传送单元、时间分配单元、本地时钟和频率同步接口单元、从设备同步数字体系通道接口单元、从设备控制单元。本实用新型应用于电力系统领域。

Description

通过同步数字体系光通信网络传递时间的时间同步系统 技术领域本实用新型涉及一种时间同步系统,尤其涉及一种通过同步数字体系(SDH) 光通信网络系统传递高精度时间的时间同步系统。背景技术随着电力系统继电保护系统的发展,广域继电保护系统概念的提出,随着电 力系统安全稳定系统的推广应用,随着电力系统大范围高精度测量系统的建立,例 如,功角测量系统,广域电网同步状态监测系统,统一高精度标准时间问题的解决 显得越来越重要。因此,研究建立高精度、高可靠性的标准时间网络十分有意义。从我国电网 和电力通信发展的现状来看,研究利用现有的SDH网络传递标准时间信号,保证其 精度和稳定度相当于甚至超过GPS,对解决电力系统控制和测量问题有实际的意 义。发明内容本实用新型的目的在于提供一种时间同步系统,建立了高精度、高可靠性的 标准时间网络,对解决电力系统控制和测量问题有实际意义。本实用新型的技术方案为:本实用新型揭示了一种通过同步数字体系光通信 网络传递时间的时间同步系统,其特征在于,该系统包括位于该同步数字体系光通 信网络的主节点的时间同步主设备以及位于该同步数字体系光通信网络的从节点 的时间同步从设备,该时间同步主设备进一步包括:时间跟踪单元,提供时间源接口,接入外部标准时间以跟踪时间; 主设备时延误差测量单元,连接该时钟跟踪单元,测量时间传送过程中 的信号传输时延;主设备误差数据处理单元,连接该主设备时延误差测量单元,对测量到 的时延数据进行处理,得到时间误差数据;主设备误差数据传送单元,连接该主设备误差数据处理单元,向该时间 同步从设备传送处理后的时间误差数据;主设备同步数字体系通道接口单元,连接该主设备误差数据传送单元, 提供业务通道的接口,针对各种同步数字体系光通信系统提供开销通道的接口;时钟同步跟踪单元和本地时钟单元,产生该时钟同步主设备的所需的时钟;主设备控制单元,控制该时钟同步主设备的运作、监视运作状态以及管 理数据通信;该时间同步从设备进一步包括-本地守时单元,通过本地守时时钟或外接GPS接口实现守时,在授时通 信中断时通过守时延续时间服务;时间同步单元,通过调整输出的时间脉冲相位补偿传输时延,输出该时间同步从设备的时间;从设备时延误差测量单元,测量时间传送过程中的信号传输时延; 从设备误差数据处理单元,处理测量的时延数据,计算时间调整和补偿数据;从设备误差数据传送单元,接收该时间同步主设备发送的时间误差数据; 时间分配单元,在本地分配标准时间,提供时间分配接口; 本地时钟和频率同步接口单元,产生该时间同步从设备所需的时钟,接收主节点的频率同步;从设备同步数字体系通道接口单元,提供业务通道的接口,针对各种同步数字体系系统提供开销通道的接口;从设备控制单元,控制该时钟同步从设备的运作、监视运作状态以及管理数据通信。上述的通过同步数字体系光通信网络传递时间的时间同步系统,其中,该时 间同步从设备中的该时间同步单元通过该主节点和该从节点组成的闭环完成自适 应补偿。上述的通过同步数字体系光通信网络传递时间的时间同步系统,其中,该时 间同步单元是应用双向脉冲法的时延补偿方法的单元。上述的通过同步数字体系光通信网络传递时间的时间同步系统,其中,该主 设备时延误差测量单元和该从设备时延误差测量单元还各自包括脉冲间隔时间测 量单元,通过频率计数测时间间隔的方式进行时延测量。上述的通过同步数字体系光通信网络传递时间的时间同步系统,其中,该时 间同步单元还包括脉冲相位调整单元,通过调整相位实现时间补偿。本实用新型对比现有技术有如下的有益效果:本实用新型的时间同步系统包 括时间同步主设备和时间同步从设备,通过SDH提供的通道(开销时隙SOH或业务通道E1)传送时间信号。在现有的SDH系统的主节点上增加时间同步主设备以 接收标准时间信号(例如UTC时间),在现有SDH系统的从节点上增加时间同步 从设备以接收主节点的同步,时间信号经过这样的主从接力传递到整个网络。附图说明图1是本实用新型的系统在现有SDH系统中的结构示意图。图2是本实用新型的时间同步主设备的较佳实施例的原理图。图3是本实用新型的时间同步从设备的较佳实施例的原理图。图4是本实用新型的时间同步主设备和时间同步从设备的功能框图。图5是本实用新型的传输系统时延补偿的示意图。图6是双向脉冲法时延计算原理图。图7是双向脉冲时延补偿的原理图。图8是时间测量的示意图。图9是脉冲相位调整的原理图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述。本实用新型的时间同步系统如图1所示的设置在现有的SDH系统中。请参 见图1中,细实箭头表示业务信号,虚线箭头…"> 表示开销S0H,粗实 箭头^►表示时间数据加时间脉冲。在主节点中,时钟同步设备(TSE) 12a连接SDH终端设备(STE) lla,时钟同步设备12a连接时间同步主设备(TSE) 10a。业务终端(TE) 13a与SDH终端设备lla互连,时间同步主设备10a与 SDH终端设备lla互连。在从节点中,业务终端13b与SDH终端设备llb互连, 时间同步从设备(TSE) lOb与SDH终端设备llb互连。SDH终端设备llb连接 时钟同步设备12b,时钟同步设备12b连接时间同步从设备10b。另两个SDH 终端设备llc、 lld与时间同步从设备10b互连。这两个SDH终端设备llc、 lid 又连往下一级的节点。本实用新型的通过SDH光通信网络传递时间的时间同步系统包括位于SDH 光通信网络的主节点的时间同步主设备和位于SDH光通信网络的从节点的时间 同步从设备。主从设备组成的时间同步系统可以同时通过SDH提供的通道(开 销时隙S0H或业务通道E1)以主从同步的方式传送时间信号,包括表示高精度 时间的脉冲信号和表示时间数据的时间报信号(年、月、日、时、分、秒数据)。图2示出了本实用新型的时间同步主设备10a的原理。请参见图2,时间 同步主设备10a包括时间跟踪单元202、主设备时延误差测量单元203、主设 备误差数据处理单元204、主设备误差数据传送单元205、主设备SDH通道接 口单元206、时钟同步跟踪单元201和本地时钟单元200、主设备控制单元207。 其中时间跟踪单元202提供时间源接口,接入外部标准时间(例如标准时间210 和GPS209)跟踪高精度时间。主设备时延误差测量单元203测量时间传送过程 中的信号传输时延。主设备误差数据处理单元204对测量到的时延数据进行处 理,得到时间误差数据。主设备误差数据传送单元205向时间同步从设备10b 传送处理后的时间误差数据。主设备SDH通道接口单元,提供业务通道的接口, 针对各种型号的SDH系统提供开销通道的接口 。时钟同步跟踪单元201接收本 地时钟单元200和一级时钟(标准频率)208,产生时钟同步主设备10a所需 的时钟。主设备控制单元207控制时钟同步主设备10a的运作、监视其运作状 态以及管理数据通信等。时间同步主设备lOa的主要功能包括:产生或者跟踪本地高精度标准时间 和频率信号;作为时间网络中的主节点设备负责传递时间,同步从节点;与从 节点配合,测量和计算传输时延误差;提供多种数据通道接口适应各种SDH系 统;实现管理节点功能,实现管理网络通信功能。图3示出了本实用新型的时间同步从设备10b的原理。请参见图3,时间 同步从设备10b包括本地守时单元300、时间同步单元305、从设备时延误差 测量单元302、从设备误差数据处理单元303、从设备误差传送单元304、时间 分屏单元306、本地时钟和频率同步接口单元307、从设备SDH接口单元301、 从设备控制单元308。其中本地守时单元300通过本地守时时钟或外接守时时钟310或外接GPS 接口 309实现守时,在授时通信中断时通过守时延续时间服务。从设备时延误 差测量单元302测量传送过程中的信号传输时延。从设备误差数据传送单元304 接收时间同步主设备10a发送的时间误差数据。从设备误差数据处理单元303 处理测量的时延数据,计算时间调整和补偿数据。时间同步单元305通过调整 输出的时间脉冲相位补偿传输时延,输出时间同步从设备10b的时间。本地时 钟和频率同步接口单元307产生时间同步从设备10b所需的时钟,接收主节点 的频率同步。从设备SDH接口单元301提供业务通道的接口,针对各种SDH系 统提供开销通道的接口 。从设备控制单元308控制时钟同步从设备10b的运作、 监视运作状态以及管理数据通信。时间同步从设备10b的主要功能包括:接受主节点的时间同步;本地守时、 接收GPS同步守时;接受主节点的频率同步;时间网络终端节点设备,负责在 本地分发时间信号;提供多种数据通道接口适应各种SDH系统;实现管理节 点功能,实现管理网络通信功能。主从时间同步设备10a、 10b的功能框见图4,系统包括通信模块、频率合 成模块41、相位调整模块42、处理器模块43和时间频率接口模块,系统包括 时间总线(Tbus)、脉冲信号(sp)、频率信号(fp)等。主从设备的区别在 于:1)处理器模块配置的软件不同;2)作为主设备时有外同步信号,秒脉冲 信号和时间信号(RS232)输入,作为从设备时无外同步信号,秒脉冲和时间 信号(RS232)输出,3)作为主设备J跳在l一2位置,作为从设备J跳在1 一3位置。请继续参见图4,通信模块包括业务通道接口 (CT El) 40a和开销通道接 口 (CTV11) 40b。以业务通道接口 40a为例,通信模块对应通信卡,包括SDH 接口 400a、接收模块401a、发送模块402a、计时测量模块403a。同样的,对开销通道接口 40b,包括SDH接口 400b、接收模块401b、发送模块402b、计 时测量模块403b。其中El业务的SDH接口 400a实现E1G. 703 2M信号的接入、 电平转换、分离同步信号、成帧和解帧,输出ST —BUS。 Vll业务的SDH接口 400b负责实现64k Vll码元整形,电平转换,同步信号接收等功能,输出64k 信号和同步时钟。接收模块401a接收SDH接口 400a送来的串行数字信号,提供判断时间脉 冲信号的位置,接收时间测量数据,分离时间报文,分离管理数据等功能,输 出脉冲位置信号,时间测量数据,时间报文,管理数据等。接收模块401b亦 是如此。发送模块402a发送串行数据信号的SDH接口 400a,提供发送时间脉冲信 号、发送时间测量数据、插入时间报文、插入管理数据等功能,输出脉冲位置 信号,输入时间测量数据,输入时间报文,输入管理数据。计时测量模块403a测量发送脉冲时间,接收时间脉冲数据,输出测量数据。数据总线功能包括测量数据、时间报文、管理数据输入输出总线等。时间 同步模块对应时间卡,包括:本地时钟、频率合成、时标接口 (外同步)、时 间接口 (秒脉冲)、受控调频和移相(APC)、数据处理、时间输出(秒脉冲输出)功能模块。各功能模块的功能如下:本地时钟功能,产生本地标准频率信号(10腿z)。频率合成模块,通过频率合成产生各种时钟信号(FP)。时 标输入接口 (外同步),输入高精度标准频率信号。时间输入接口,输入高精 度标准时间(秒脉冲和时间报)。受控调频和移相,受控实时调整秒脉冲信号 相位和调频。时间的分配输出(秒脉冲输出),将时间信号转换成适合应用的形 式发送到各个时间应用设备,时间输出形式,秒脉冲输出、IRIG-B、 NTP。管理模块对应管理卡,包括管理CPU、管理总线、管理数据通信功能。各 功能模块的功能如下:管理CPU,负责设备管理的中央处理器系统。管理总线, 管理的中央处理器系统与各个板卡、功能模块的连接总线,包括数据总线和地 址总线。管理数据通信功能,负责管理远程管理数据通信,转发多级主从设备 之间的远程管理数据。时间是不断流失的,任何传送过程都会带来时延,在接收端补偿传送时延是有效的校正方法,而且时延补偿性能决定了时间传送系统的精度。任何通信 系统在传送信号时都会引起信号的延迟和延时的变化(飘移,抖动),这些延 时、漂移和抖动对标准时间信号来说都是致命的,要想获得高精度的时间就必 须对延时和延时的变化进行实时补偿,通过补偿使得从节点中的时间与主节点 的完全一致,排除信号传输通道的影响。对于电力系统这样精度要求比较高的系统必须采用自适应时延补偿的方 法。自适应时延补偿的原理是通过时延测试过程测量和计算传输系统的时延, 在时间接收端对传输系统的时延进行补偿,参见图5。测量、计算、补偿的过 程如下:发送端50独立授时;发送端50或者发送端50和接收端51同时测量、 计算;误差数据通过通信电路传送到接收端51,在接收端51调整;自适应补 偿过程通过发送端50和接收端51共同闭环完成;授时过程简单,授时调整的 实时性强。时间同步从设备10b中的时间同步单元305通过主节点和从节点组 成的闭环完成自适应补偿。本实用新型采用目前流行的改进的双向脉冲法的时延补偿方法,其原理请参见图6。调整过程如下:调整周期T;主节点M和从节点S同时通过通信系统互发测量脉冲,测量TM和TS值;对称传输系统时延补偿计算公式仍为(TM 一TS) /2;在APC中立即调整时间脉冲的相位,调整后从节点APC输出的脉冲 相位(时间)与主节点端RTG发出的时间脉冲完全一致,完成了时间的同步; 测量、传输、计算全部动作在一个测量周期内完成。改进的双向脉冲法的时延 补偿原理框图请参见图7,标准脉冲时间产生器(RTG) 70连接第一方向信号 传输时延单元72和主节点的脉冲间隔时间测量单元(M-TIC) 71。第二方向信 号传输时延单元73连接脉冲间隔时间测量单元71。第一方向信号传输时延单 元72连接脉冲相位调整单元(APC) 74和从节点的脉冲间隔时间测量单元 (S-TIC) 75。计算单元76接收主节点的脉冲间隔时间测量单元(M-TIC) 71 和从节点的脉冲间隔时间测量单元(S-TIC) 75,计算得到(TM — TS) /2,其 中TM是主节点侧M-TIC 71测量的时间值,TS是从节点侧S-TIC 75测量的时 间值。计算结果输出至脉冲相位调整单元74。本实用新型中的时间同步单元 305是应用这种该改进的双向脉冲法的时延补偿方法的单元。在主设备时延误差测量单元203和从设备时延误差测量单元302中还各自包括脉冲间隔时间测量单元,其工作原理参见图8所示,对Fc频率直接计数, 测得时间间隔。测量的精度直接取决于Fc的周期,Fc=100MHz,测量的精度 为10ns。时间同步单元305还包括脉冲相位调整单元(亦即图7中的脉冲相位调整 单元74),通过该脉冲相位调整单元实现时间补偿。通过增加和减少分频脉冲 数量M的方法实现调频;通过增加和减少移相脉冲数量N的方法实现移相。最 终的目的都是通过调整相位实现时间补偿。时间补偿的精度取决于相位调整的 颗粒度。脉冲相位调整单元的最小调整尺度为1/Fc, Fc = 100MHz时调整的颗 粒度为10ns。上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现或使用本实用新型的,本领 域普通技术人员可在不脱离本实用新型的发明思想的情况下,对上述实施例做出种 种修改或变化,因而本实用新型的保护范围并不被上述实施例所限,而应该是符合 权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (5)

1、一种通过同步数字体系光通信网络传递时间的时间同步系统,其特征在于,该系统包括位于该同步数字体系光通信网络的主节点的时间同步主设备以及位于该同步数字体系光通信网络的从节点的时间同步从设备, 该时间同步主设备进一步包括: 时间跟踪单元,提供时间源接口,接入外部标准时间以跟踪时间; 主设备时延误差测量单元,连接该时钟跟踪单元,测量时间传送过程中的信号传输时延; 主设备误差数据处理单元,连接该主设备时延误差测量单元,对测量到的时延数据进行处理,得到时间误差数据; 主设备误差数据传送单元,连接该主设备误差数据处理单元,向该时间同步从设备传送处理后的时间误差数据; 主设备同步数字体系通道接口单元,连接该主设备误差数据传送单元,提供业务通道的接口,针对各种同步数字体系光通信系统提供开销通道的接口; 时钟同步跟踪单元和本地时钟单元,产生该时钟同步主设备的所需的时钟; 主设备控制单元,控制该时钟同步主设备的运作、监视运作状态以及管理数据通信; 该时间同步从设备进一步包括: 本地守时单元,通过本地守时时钟或外接GPS接口实现守时,在授时通信中断时通过守时延续时间服务; 时间同步单元,通过调整输出的时间脉冲相位补偿传输时延,输出该时间同步从设备的时间; 从设备时延误差测量单元,测量时间传送过程中的信号传输时延; 从设备误差数据处理单元,处理测量的时延数据,计算时间调整和补偿数据; 从设备误差数据传送单元,接收该时间同步主设备发送的时间误差数据; 时间分配单元,在本地分配标准时间,提供时间分配接口; 本地时钟和频率同步接口单元,产生该时间同步从设备所需的时钟,接收主节点的频率同步; 从设备同步数字体系通道接口单元,提供业务通道的接口,针对各种同步数字体系系统提供开销通道的接口; 从设备控制单元,控制该时钟同步从设备的运作、监视运作状态以及管理数据通信。
2、 根据权利要求1所述的通过同步数字体系光通信网络传递时间的时间同步 系统,其特征在于,该时间同步从设备中的该时间同步单元通过该主节点和该从节点组成的闭环完成自适应补偿。
3、 根据权利要求2所述的通过同步数字体系光通信网络传递时间的时间同步 系统,其特征在于,该时间同步单元是应用双向脉冲法的时延补偿方法的单元。
4、 根据权利要求2所述的通过同步数字体系光通信网络传递时间的时间同步 系统,其特征在于,该主设备时延误差测量单元和该从设备时延误差测量单元还各 自包括脉冲间隔时间测量单元,通过频率计数测时间间隔的方式进行时延测量。
5、 根据权利要求2所述的通过同步数字体系光通信网络传递时间的时间同步 系统,其特征在于,该时间同步单元还包括脉冲相位调整单元,通过调整相位实现 时间补偿。
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