陈斌
绍兴电力设备成套公司，浙江 绍兴，312071
摘要：目前，数字化变电站通信平台基本采用了由交换机网和EPON网络，用于传送SV、MMS和GOOSE三种业务。MMS业务用于间隔层设备和监控后台的通信，GOOSE和SV用于间隔层设备之间以及与过程层设备之间的通信。SV采样值用于保护和测量的采样频率是4000Hz，即两个采样点之间的相差是250us。保护和测控能容忍的SV报文抖动最大值为10us。然而，在现有的变电站内的通讯设备多采用交换机和EPON系统。两者都是采用尽力而为的传输方式，对于数据信号的传送在延时和延时抖动上都很难做到有效控制，一般的抖动都远远大于10us。在业务突发或遇到大流量时，抖动都可以达到100us的级别。所以一般的通信设备，如工业以太网交换机和EPON网络是很难满足变电站内的通信需求的。
关键词：变电站，EPON系统，通讯，延时抖动
一、业界解决延时抖动的方法
在现有的变电站内的通讯设备多采用交换机和EPON系统，，通过提高SV的业务等级，来提高业务的传输的可控性。
在输入侧，通过流分类确保SV业务为高优先级的业务，设定固定带宽和传送的优先权，不会由于限速或端口拥塞而丢包，保证输入信号的可靠性。但是在业务突发的情况下，即使有优先保证，也会导致数据拥塞缓存。虽然不至于丢包，但也会导致业务的缓存，而导致业务路径传送的延时的加大以及不确定性加大。
在输出侧，也是通过业务的优先级优先调度输出。这样在一定程度是可以保证业务输出的确定性，减少业务由于业务拥塞等情况下输出的不确定性。
以上的方法，通过提高业务优先级，在数据调度时优先调度，确保业务的传送的确定性，从而减少业务的抖动延时。但是由于以太网数据的尽力而为，不面向对象的传送机制，会导致数据网的传送时延的不确定性。虽然在各个输入和输出环节的优先调度，但在面对拥塞突发的情况下，为了保证业务不被丢掉，而会采用数据缓存的方式来先行缓存，等拥塞和突发过去后再发送报文的机制，就必然会导致业务的传送时延的不确定性，从而导致延时抖动过大。
二、具体的解决方案
本方法主要是解决变电站内的EPON系统上，实现报文的低延时抖动传输。基本思想是先同步系统中所有设备的时间及频率，为后续的延时测量和打时间戳的精度提供了保障。然后通过对每个报文打时间戳，测量每个报文在链路上传输延时以及在各设备内的驻留时间，计算出每个报文在整个链路上的延时时间。根据每个报文在整个链路上的延时时间，设定一个统一的，固定延时时间，这个固定延时时间会大于所有报文的最大线路传输延时。当报文提前到了的时候，就让报文存储来缓存里等待。只有当计时器所计时间到达到所述的固定延时时间时，才将缓存的报文从端口送出。这样就相当于所有的报文的线路传送延时都是固定。从而可以实现将报文的延时抖动控制在极小时间范围以内，很好的满足了电力系统对于报文的延时抖动的要求。
基于上述思想，设计出了一种应用于变电站内，以EPON通信设备为例，控制报文传输延时抖动的方法，如图1所示，包括：同步模块，用于同步变电站系统中所有设备的时间及频率；时钟模块，用于通过对每个报文打时间戳，测量每个报文在链路上传输延时以及在各设备内的驻留时间，计算出每个报文在整个链路上的延时时间；设定模块，用于根据每个报文在整个链路上的延时时间设定一个固定延时时间；传输模块，用于当到所述固定延时时间时传输报文。
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三、具体实施方式
1. 时间同步方案
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支持1588协议的时钟服务器通过以太网接口或1PPS+TOD接口将时钟信息传给OLT。OLT运行1588协议，将本地时钟钟表2同步与钟表1.同时将时间信息通过PON口，将相应的时间信息传递给ONU。OLT和ONU之间运行1588协议，通过测量和计算线路延时以及对时信息，最终ONU的钟表3会同步与钟表2（见图二）。
通过一级级的时钟同步，最终钟表1,2,3会同步。为了提高时钟同步的精度，通过同步以太网技术，让ONU通过恢复PON的频率，最终实现ONU和OLT的频率同步。
在实现频率同步后，时钟表1,2,3的精度达到了+/- 100ns的精度，为后续的延时测量和打时戳的精度要求提供了保障
2.时延测量
在系统平台实现了时间同步后，接下来就是做各线路和设备的驻留时间的测量和计算（见图三）。
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在ONUx的入口，通过ONUx的本地时钟3，打上报文进入ONUx的时间。在报文即将通过PON输出时，查看时钟3的时间，计算出报文在OUNx的驻留时间。在ONUx的PON出口，将驻留时间放入报文中。同时记下报文从ONUx从PON送出的时间戳，将时间戳放入MPCP报文的mpcp_rtt_ts 32bit时戳中。
报文经过OLT后，交换到另外一个ONUy上。当报文到达ONUy的PON口时，记下报文到达的时戳，用这个时戳减去报文中mpcp_rtt_ts的时戳，就得出了报文OLT交换机的驻留时间。
当报文从ONUy的PON进入后，从ONUy的GE口输出时，记下这个时候的时戳。用这个时戳减去报文从PON进入时的时戳，就得出了在ONUy的驻留时间。
这样在ONU的出口就得出报文在ONUx的驻留时间，在ONUx到ONUy的驻留时间，以及在ONUy的驻留时间。将这三份总的的驻留时间之和放入SV报文中，用于SV何时从ONUy送出的时间依据（见图四）。
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2.固定延时发送报文
由于每一SV报文在整个线路的延时不统一，因此造成了延时抖动。为了让延时抖动控制在一个较小的范围，因此让每一个SV报文都尽量一个固定延时后，才从ONU侧送给客户终端设备。
固定延时的预估：
业务报文在整个通信网络中时延计算是从业务报文的首字节进入ONU用户口开始定时，到业务报文的首字节从ONU的用户口发出结束。
1.ONU采用的是存储转发的报文处理方式，对于64字节到1518字节的报文，ONU用户口接收报文需要延时0.672us~12.304us（GE口），报文在ONU上行内部处理时间不超过5us。
2.ONU上行等待发送窗口的时间不超过125us（OLT采用125us固定周期向每一个ONU分配上行发送窗口）。
3.交换机的转发时延不超过30us；
4.OLT和ONU之间的距离不超过1公里，那么光纤延时不超过10us；
5.对于64字节到1518字节的报文，ONU PON口接收报文需要延时0.672us~12.304us（PON口），报文在ONU下行行内部处理时间不超过5us。
总延时：Tdelta=12.304+5+125+30+10+12.304+5=199.608us，假如ONU上行出现短暂拥塞，等待2个上行窗口时间，则Tdelta=12.304+5+125*2+30+10+12.304+5=324.608us。
因此选择一个整数，让SV在整个链路的固定延时确定为325us后从ONU侧发送给客户终端。
当SV提前到后，就用325us减去SV报文的驻留时间，得出在ONU还需要等待的时间。一旦等待时间结束后，就将SV报文送出ONU。
通过保证该通信系统所有终端设备的频率同步和时间同步，通过该方法，最终可以保证SV的时延抖动在1us以内。
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作者简介：陈斌 （1979.11-） 身份证号码：330682197911033117，男，浙江绍兴人，工程硕士，高级工程师，从事电力工程技术研究