课题10——同步网优化提升专题研究

同步网优化提升专题研究
2014年
1 概述
频率同步网作为基础支撑网络，是通信网必不可少的组成部分。

它是面向传输网和各种业务网提供高质量高可靠的定时基准信号、保证网络定时性能质量和通信网同步运行的关键网络。

近年来，SDH/MSTP和OTN等新技术在电力传输网中得到了广泛应用，对频率同步网在稳定性和同步质量上都提出了新的更高要求，传输设备时钟要求精度由PDH的±50ppm提高到SDH的±4.6ppm，以及网络端到端24小时漂移限值从原来网同步定时链路的10µs提高到现在同步网定时链路的5µs等。

随着智能电网建设的不断推进，电网电压等级不断提升，装机容量不断扩大，以及区互连区域电网的互连等，电网业务对时间同步的需求也提出了时间精度优于1µs的更高要求。

迄今为止，国网公司不断建设频率同步网来满足电力通信网对频率同步的需求。

自从2002年开始建设国网骨干频率同步网以来，随着电网和电力通信网的不断发展，电力频率同步网节点时钟设备已经达到近400套的规模，但由于缺乏完整的标准体系规范，缺少统一规划和统筹建设，电力频率同步网已经突显出建设模式不统一、各级频率同步网设备独立运行、传输网同步定时安排与同步网定时链路组织未能协调统一、频率同步源过分依赖GPS、缺少有效的频率同步网络监管和性能监控手段等诸多问题。

电力时间同步网是电网正常运行的基础支撑网络，用来为整个电网业务提供精确统一的相位同步基准，是保障各种电网业务正常运行的重要手段。

随着智能电网建设的不断推进和电网规模的不断壮大，需要时间同步的业务种类逐渐增多，对时间同步性能提出了更高的要求。

迄今为止，电力时间同步系统分布在各级电网的调度机构和变电站（发电厂），尚未组成时间同步网。

随着电网和电力通信网的不断发展演进，特别是特高压和智能电网的不断推进，目前孤立的时间同步系统已经显示出不适应当前电力业务发展需要的问题，比如存在时间同步源安全稳定性不高、时间同步性能缺乏监控管理等诸多问题。

首先，时间同步系统主要依赖于卫星授时系统，特别是大量采用了美国的GPS授时终端，2011年前后才开始采用北斗卫星授时终
端，还没有形成地面授时的时间同步网。

其次，时间同步网和频率同步网分别建设，独立进行维护管理，不仅网络资源综合利用率不高，而且监控管理效率也较低。

电网的安全稳定运行既有频率同步的需求又有时间同步的需求，独立建设频率同步网和时间同步系统，网络资源综合利用率不高，运行管理效率低。

因此，为了满足高标准、高可靠的时间和频率同步需求，保障各种电网业务的安全稳定运行，同时也为了从根本上解决目前电力同步网标准体系不完整、缺少统一规划和统筹建设所带来的诸多问题，国网公司组织开展了十三五“同步网优化提升”专题研究，重点研究通信网时间和时钟同步网整体方案及技术政策；研究时钟区域划分及节点部署方式、各级同步时钟同步方案、时钟信号地面传送方式；全网同步方案及演进路线、技术政策及现有网络的改造路线；研究统一监控和管理平台，规范设备与网管接口，提升监控和管理水平。

2 规范性引用文件
本报告主要参考国家电网相关规划文件、频率同步网现状调研分析报告、频率同步网现网测试报告以及国内外频率同步网相关标准进行制定。

具体参考文件包括：
1)《国家电网公司“十二五”通信网规划》
2)《国家电网公司频率同步网现状调研分析报告》
3)《国家电网公司频率同步网现网测试报告》
4)《国家电网公司时间同步网现状及需求调研分析报告》
5) ITU-T G.810《同步网的概貌和术语》
6) ITU-T G.811《基准时钟的定时特性》
7) ITU-T G.812《适用于同步网节点从钟的定时特性》
8) ITU-T G.813《SDH设备从钟的定时要求》
9) ITU-T G.822 国际数字连接上的受控滑动率指标
10) ITU-T G.825 以SDH为基础的数字网抖动和漂动的控制
11) YDN 117-1999《数字同步网的规划方法和组织原则》
12) YD/T 1267-2003《基于SDH传输网的同步网技术要求》
13) YD/T 1012-1999《数字同步网节点时钟系列及其定时特性定时的方法》
14) YD/T 5089-2000《数字同步网工程设计规范》
15) DL/T 5391-2007《电力系统通信设计技术规定》
16) DL/T 5392-2007《电力系统数字同步网工程设计规范》
3 术语、定义和缩略语
（1）PRTC（T&F）（Primary Reference Time Clock）
基准时频时钟，由单个或多个铯钟+两个卫星接收机+双铷钟时频单元构
成，属于自主基准时频时钟，能够同时输出时间和频率信号，简称PRTC。

（2）LPRTC（T&F）（Local Primary Reference Time Clock）
区域基准时频时钟，由两个卫星接收机+双铷钟时频单元构成，属于非
自主基准时频时钟，能够同时输出时间和频率信号，简称LPRTC。

（3）STC（T&F）（Slave Time Clock）
从时频时钟，内置铷钟或高稳晶振，需从基准时频时钟获得时间和频率
输入参考信号，能够同时输出时间和频率信号，简称STC。

（4）PRC（Primary Reference Clock）
基准时钟，由单个或多个铯钟+两个卫星接收机+2级节点从钟设备构成，属于自主基准时钟，只输出频率信号，简称PRC。

（5）LPR（Local Primary Reference clock）
区域基准时钟，由两个卫星接收机+ 2级节点从钟设备构成，属于非自
主基准时钟，只输出频率信号，简称LPR。

（6）SSU-T（Synchronisation Supply Unit -Transit）
2级节点从钟单元，内置铷钟，只输出频率信号，需从基准时钟获得频
率输入参考信号。

（7）SSU-L（Synchronisation Supply Unit -Local）
3级节点从钟单元，内置高稳晶振，只输出频率信号，需从上级时钟获
得频率输入参考信号。

（8）BITS（Building Integrated Timing Supply）
大楼综合定时供给设备，可以内置铷钟或高稳晶振，只输出频率信号。

若内置铷钟，称为2级BITS，在本文中等同于SSU-T，若内置高稳晶振，
称为3级BITS，在本文中等同于SSU-L。

（9）SEC（SDH Equipment Clock）
SDH设备时钟，内置普通晶振，为SDH设备提供频率同步信号。

（10）第一基准时钟
第一基准时钟是同步区内的第一优选基准源头。

在基于时频融合的目标
网络中，第一基准时钟是指PRTC；在频率同步网优化方案中，第一基
准时钟可以是PRC或LPR。

（11）第二基准时钟
第二基准时钟是同步区内的第二优选基准源头。

在基于时频融合的目标
网络中，第二基准时钟是指LPRTC；在频率同步网优化方案中，第二基
准时钟则是LPR。

（12）辅助基准时钟
辅助基准时钟根据实际网络情况设置在传输长链系统上，用于控制极长
定时链路的漂移累积，或是作为传输长链系统的备用定时来源。

在基于
时频融合的目标网络中，辅助基准时钟是指LPRTC；在频率同步网优化
方案中，辅助基准时钟则是LPR。

4 运营商同步网现状
4.1 运营商频率同步网现状
国内运营商频率同步网组网技术同样涉及组网方式、组网结构、定时链路组织等方面，发展历程与国外相比总体上比较类似，只是时间点上存在一定差异，从80年代末至今，国内运营商频率同步组网技术发展大致也可分为以下三个阶段。

第一阶段是从80年代末到90年代初，无独立数字频率同步网，同步信号基于交换机进行分配。

在这个阶段，在90年代初，原邮电部颁布了《邮电部电话交换设备总技术规范书》和《数字网内时钟和同步设备的进网要求》，对数字网内各级时钟性能作了规定。

当时国内电信网上存在8国9制的交换机，其时钟性能大多存在不符合技术规范的地方。

例如：法国 ALCATEL公司的E10B时钟缺少必要的维护功能；加拿大北方电讯公司的 DMS-100 和美国 AT&T公司的No.5ESS的三级时钟，既不符合CCITT兰皮书G.812建议，也不符合我国国家标准；部分德国西门子公司的EWSD的时钟无快捕功能，且仅有二级时钟一个品种；瑞典爱立信公司的 AXE10的时钟无快捕功能，且部分AXE10的时钟无保持功能；比利时ALCATEL公司S-1240时钟部分性能和富士通公司的F-150的时钟部分性能与我国国家标准和 CCITT G.812建议不符。

总的来说，这一阶段既是电话交换网网同步发展阶段，也是发展数字频率同步网的起步阶段，其标准的制定也滞后于业务网的建设与发展；而且，因为国内运营商数字网发展迅猛，交换机时钟不能适应和满足其发展需求，所以，国内运营商网络同步很快跨越了这一阶段。

第二阶段是从90年代中到90年代末，基于PDH链路组建独立的数字频率同步网。

在这个阶段，频率同步信号不再依附于数字交换设备时钟进行分配，而是主要依靠PDH系统组建独立的同步网，由其统一向各种需要频率同步的通信设备提供参考定时。

在此期间，原邮电部相应颁布了《数字同步网的规划方法与组织原则（暂行规定）》。

该标准的制定，大大促进了国内高质量的独立数字同步网的组建。

由于随着SDH技术应用的迅速发展，以及PDH传输系统的迅速退网，所以，国内运营商数字频率同步网也很快就跨越了这一阶段。

第三阶段是从90年代末至今，基于SDH传输网络组建独立的数字频率同步网，并开始研究基于分组网络的频率同步网组网技术。

SDH传输网需要频率同步（否则，会出现指针调整损伤），而且对短稳（相位短期变化）要求比较高，而数字交换网交换机时钟已不能满足SDH的要求，并且PDH系统迅速从运营商传
送网中退出，因此，数字同步网必须基于SDH传送网组建。

这一点在国内表现得尤其突出，特别是一些新的运营商，因为其所有的传送网都是基于SDH建设的。

如何基于SDH传送网组建一个高质量、高可靠的数字同步网也就成了各运营商需要解决的重要课题。

因此，信息产业部对《数字同步网的规划方法与组织原则（暂行规定）》进行了修订，规定了从单一基准的主从同步组网方式到多基准混合同步组网方式的演变和从基于PDH组建同步网到基于SDH组建同步网的逐步过渡等重要内容。

2003年，信息产业部还颁布了《基于SDH传送网的同步网技术要求》，规范了基于SDH组建多基准分布式同步网的技术要求，明确了基于SDH 传送网进行定时传送的方法。

2010年前后，随着网络分组化趋势日益显著，以PTN和POTN为代表的分组传输网技术在国内各个运营商开始得到部署和应用。

从近期来看，不同运营商对于传输技术的演进策略存在差异，比如传输分组化得到了中国移动极大的重视，PTN技术在网络中得到大量应用；而中国联通所采用的策略则截然不同，仍以MSTP技术为主来承载各种业务，只是对原有MSTP技术进行了部分功能增强，以更好地实现对分组业务的承载；中国电信则采用了PTN、POTN和IPRAN等技术并举且更加灵活的发展策略。

然而，从长远来看，传输网络分组化趋势非常明显，基于分组网络组建频率同步网将成为今后同步网的发展趋势。

国内运营商适时开展基于分组网络的频率同步网组网技术研究和试点，业界根据国内实际网络现状和需求，着手进行分组同步相关标准的研究工作。

在2013年，通信行业标准YD/T 2551-2013《基于分组网络的频率同步网技术要求》正式发布，规范了基于分组网络组建频率同步网的技术要求，明确了基于分组传输网络进行定时传送的方法。

为今后各运营商基于分组网络建设频率同步网提供了依据。

从上世纪90年代中期开始，经过多年的建设和发展，各运营商已形成了较为完善的频率同步网，为需要同步的通信设备提供了安全可靠的定时保障，确保整个通信网络的高质量运行。

根据上述同步网发展演进过程，目前国内运营商频率同步网仍主要处于第三阶段。

在组网技术方面，国内运营商频率同步网采用混合同步方式，在全国按省、直辖市和自治区划分同步区，每个同步区内采用主从同步方式，处于全同步工作状态，同步区之间以准同步运行。

在混合同步工作方式下，为了满足规范要
求，明确规定一级基准时钟频率准确度应优于±3E-12（高于ITU-T G.811的要求），以确保达到国外通信的滑码指标要求。

在等级结构和节点设置方面，国内运营商频率同步网的等级结构为三级，每个等级均有明确的节点时钟设备设置要求。

1)一级节点设置一级基准时钟。

一级基准时钟包括全国基准时钟(PRC)和
区域基准时钟(LPR)两种。

PRC是由铯原子钟组或铯原子钟与全球定位系
统GPS(或其它卫星定位系统)而构成。

它产生的定时基准信号通过定时
基准传输链路送到各省、自治区、直辖市(以下简称省中心)。

我国幅员
辽阔，数字网覆盖范围广，考虑到定时基准传输的安全和可靠并保证全
国同步网性能等因素，目前各运营商在全国均设置了5个PRC。

考虑到
各自实际网络情况，不同运营商对于PRC的设置位置存在差异：a）中
国电信5个PRC的设置位置分别为：北京、武汉、沈阳、广州和兰州，
除了北京PRC采用铯钟组（3个铯钟）+双GPS+比对系统外，其它铯钟
均采用常规配置，即双铯钟+双GPS；b）中国移动5个PRC的设置位置
分别为：北京、沈阳、武汉、广州和西安，均采用常规配置（双铯钟+
双GPS）；c）中国联通5个PRC的设置位置分别为：北京、上海、武汉、
广州和兰州，均采用常规配置（双铯钟+双GPS）。

LPR是由同步供给单
元（二级节点时钟）和全球卫星定位系统GPS 或其它卫星定位系统（双
GPS或其它）而构成。

其同步供给单元既能接受GPS的同步，也能接受
PRC的同步。

目前，各运营商在每个省设置2~3个LPR，每个运营商在
全国配置的LPR总数约为100个。

2)二级节点设置二级节点时钟。

二级节点时钟一般配置铷钟或高性能的高
稳晶振。

运营商一般将其设置在长途通信楼、重要的汇接局、省二干与
城域核心传输交换局等位置，中国移动和中国联通在全国设置的二级节
点时钟总数为1000个左右，而中国电信设置总数为2000个左右。

3)三级节点设置三级节点时钟。

三级节点时钟一般配置高稳晶振。

运营商
主要将其设置在本地汇接局与端局、城域核心层与汇聚层交汇点等位置，中国移动和中国联通在全国设置的三级节点时钟总数为1500个左右，
而中国电信设置总数为3000个左右。

在定时信号的传送技术方面，目前国内运营商都采用SDH物理层传送方式，通常称之为线路同步方式。

为了获得高质量的网同步时钟信号和有效地控制传送系统自身出现的定时环，在SDH段开销中采用了同步状态信息（SSM—Synchronization Status Message）技术。

SSM技术结合网络规划可以避免大型网络中出现高等级时钟同步低等级时钟和定时环的问题。

随着分组网络部署应用不断展开，未来数字同步网将基于分组网络的定时分配技术，进行同步链路的组织。

基于分组网络的定时分配技术主要包括基于物理层的同步和基于分组包的同步。

基于物理层的同步分配技术即采用同步以太技术，要求传送路径的所有网元均支持同步以太网功能，其与传统的基于SDH线路的同步技术类似。

基于分组包的定时分配方法依赖于通过分组包承载定时信息，定时信号由专门的时间戳消息（即分组报文）进行承载，采用不同时间戳协议进行传送，在接收端，由分组设备采用一定的算法将其恢复出来。

在国内已经开展在以太网中采用基于分组报文恢复频率的相关技术研究，但目前还没有应用。

在同步网网管维护方面，目前国内运营商的同步网管主要以省际骨干同步网和省内同步网为管理对象进行配置。

全国性的省际骨干同步网采用第三方网管系统，其通过TL1或SNMP接口与同步设备直接，实现对多个厂家设备的统一管理，一般省际骨干同步网的管理规模在200套设备左右。

若省内同步网采用相同厂家的同步设备，则直接采用该厂家的同步网管进行管理，若省内采用了多个厂家的同步设备，则采用第三方网管系统进行统一管理，省内同步网的管理规模一般在100套左右。

4.2 运营商时间同步网现状
随着通信网技术日新月异的发展，其对同步的需求不仅仅是频率的同步，时间同步对于各种通信网络也越来越重要，尤其是移动基站对高精度时间同步的需求，更是3G网络及未来移动通信网络必须重点解决的问题。

国内各运营商对于时间同步技术的应用以及时间同步网的建设，经历了从无到有、从普通精度时间同步到高精度时间同步、从天上卫星授时到通过地面组网的过程。

截至2000年初，国内各电信运营公司的频率同步骨干网均已基本建成，省内同步网也在逐步建设和完善中。

组建的频率同步网主要是为了满足通信网上
各种通信设备频率同步的要求，并在少数带有卫星接收机设备的同步节点设备上预留了少数的时间输出接口。

随着通信网中各种业务对时间同步提出的新要求，以及时间同步技术的不断发展，通信网计费、网络管理系统、七号信令网、网间结算等均对时间同步提出了要求，尤其是3G网络和未来的无线通信网络，提出了微秒级的高精度时间同步需求。

在2004年前后，国内运营商采用NTP、IRIG-B等时间同步技术基本建成普通精度时间同步骨干网，并开始提供毫秒级的时间同步服务，但无法提供高精度的时间同步服务。

对于具有高精度时间同步需求的无线通信系统，一直以来均是通过在基站侧加装GPS卫星接收机来获取时间同步，由于完全依靠天上卫星系统存在安全隐患，从2008年开始，以中国移动为代表的国内运营商基于IEEE 1588技术开展了高精度时间同步传送技术的实验室测试及小规模现网试验。

从2010年开始，中国移动开始在本地网采购部署高精度时间服务器，截至2012年底，在全国300多个本地网完成了约600套时间服务器设备的部署建设。

目前，中国移动本地网部署的高精度时间服务器正在逐步进行TD-SCDMA基站割接和开通IEEE 1588时间同步。

5 公司同步网现状及存在问题
5.1 局点设备现状
频率同步网方面，电力频率同步网同步节点分为三级。

一级节点按照华北、华中、华东、西北和东北五个区域来设置全国基准时钟PRC，按照省、直辖市和自治区来设置区域基准时钟LPR；二级节点和三级节点根据各同步区内组网要求和局内定时分配的需要分别设置二级节点时钟BITS和三级节点时钟BITS。

其同步定时链路由传输网组织。

截止2013年底，国网公司在全网范围内共建有405套节点时钟设备。

其中国网骨干同步网为47套，即PRC设备6套（总部3套，分部3套），LPR设备23套，二级BITS设备18套；全网各省总共为358套，即PRC设备4套，LPR设备122套，BITS 设备232套。

设置在国网骨干层的一级基准时钟PRC，以铯钟为主用基准源，GPS或北斗为备用基准源，PRC作为全网同步的根本保证，采用以地面传输为主的定时信号传送方式，逐级向下传送。

省内频率同步网覆盖省内所有区域，由省内传输网连接的一级、二级和三级同步节点构成。

省目前省内频率同步网已基本形成，但其网络结构较简单，约33%的省公司成网且有同步网网管。

目前，省公司普遍存在将LPR作为BITS使用，也有将BITS作为LPR使用的现象，即节点时钟等级使用较为混乱。

因此，在统计各省公司调研数据时，将严格按照如下定义来进行时钟分类：①一级时钟主要包括PRC和LPR，PRC为铯钟+卫星接收机+双铷钟BITS，LPR为双铷钟+双卫星接收机；②二级时钟为铷钟或高稳晶体钟BITS，③三级时钟为晶体钟BITS。

时间同步网方面，根据各省公司反馈的调研数据和“电力通信基础数据统计”台账结果显示，截止2013年底，国网公司目前有32个换流站，47647个变电站，29108个开关站，16540个电厂。

各级电网的换流站、变电站及发电厂基本都配有时间同步系统，时间系统的时间同步设备一般接收无线时间基准信号作为外部时间基准，并预留地面时间基准源接收接口，用以组网运行时接收上级同步系统的地面基准源。

变电站内的卫星接收机早期都是GPS，自2010年末开始的大部分新建变电站都是北斗或北斗+GPS。

项目组对国网27个省公司的变电站卫星接收机的配置情况进行了汇总统计，根据调研数据显示，110kV的变电站共11817个，卫星接收机的总数为7931个，北斗卫星接收机（含北斗和GPS+北斗）为1821个；220kV的变电站共3958个，卫星接收机的总数为4069个，北斗卫星接收机数量为1814个；330kV的变电站共132个，卫星接收机的总数为132个，北斗卫星接收机数量为38个；500kV的变电站共393个，卫星接收机的总数为487个，北斗卫星接收机数量为249个；750kV的变电站共29个，卫星接收机的总数为29个，北斗卫星接收机数量为11个。

已经配置了北斗卫星接收机的变电站都是以北斗为主用，GPS卫星信号作为备用。

无论变电站电压等级大小，时间同步系统至少应有两个卫星接收机作为主备，但早期对时间精度要求较高的装置都自带了一套卫星接收机。

5.2 组网现状
频率同步信号传递链路，截止2013年底，国网骨干同步网在北京白广路、华中分部、华东分部、西北分部设置PRC，分别作为华北区域、华中区域、华东区域、西北区域的地面同步时钟基准源。

在国调中心、东北分部、河南省公司、河北省公司、天津市调、山东省公司、重庆市调、安徽省公司、江苏省公司、福建省公司、湖南省公司、湖北省公司、江西省公司13个节点设置LPR，用以给省内SDH网络注入同步定时信号，同时接收来自国网骨干SDH传输网的同步定时信号（溯源至PRC）。

另外在龙泉站设置一套LPR，为整个三峡配套通信提供基准时钟源。

在特高压示范工程中，又在荆门、长治各设置一套LPR。

在辛安、江陵和政平设置BITS，用于过滤定时链路相位噪声。

在奉贤、复龙各设置一套LPR，为复奉光传输系统提供基准时钟源，在板桥站设置BITS，用于过滤定时链路相位噪声。

在京辽呼光传输系统伊敏站点设置一套LPR，为内蒙古伊敏下游的各站点提供基准时钟源。

在银东光传输系统银川东和青岛站点各设置一套LPR，为其提供基准时钟源。

在青藏光传输系统西藏区调设置一套LPR，为其提供基准时钟源。

在沱沱河站点设置一套BITS，过滤定时链路相位噪声。

在哈郑光传输系统哈密南换、平凉、河西、中州换站点各设置一套BITS，过滤定时链路相位噪声。

国网骨干网频率同步网拓扑呈树型结构，节点时钟设备由PRC、LPR和二级BITS组成，同步定时链路由国网骨干传输网组成。

国网骨干同步网已基本建成，其规模为6个PRC、23个LPR和18个二级BITS。

国网骨干同步网拓扑结构是一个以五大分部的PRC为基准源头并逐级向下辐射的树型结构，而且只设有一级节点时钟和二级节点时钟。

国网骨干层设置的LPR时钟设备以两种方式连接至两个PRC。

一种方式是直接与本大区的PRC相连；另一种方式是直接与临近大区的PRC相连，或者通过临近的LPR再连接至临近大区的PRC。

所有的LPR和二级BITS都至少有两个定时输入参考源。

省内频率同步网拓扑主要呈现星型和树型两种结构，以省、直辖市和自治区同步区内的PRC/LPR为基准，通过省骨干传输网连接的一级节点时钟和二级节点时钟构成。

省内频率同步网节点时钟设备主要由LPR和二级/三级BITS组成，在湖北、上海、辽宁和浙江省内还各有一个自建PRC，其规模为4个PRC、122个LPR和232个BITS。