时钟同步技术（共8篇）
时钟同步技术 篇1
我国的智能电网是以特高压电网为骨干网架, 各电压等级电网协调发展, 将现代先进的传感测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术、控制技术与物理电网高度集成, 形成具有信息化、自动化、互动化特征的自主创新、国际领先的坚强电网。智能变电站是统一坚强智能电网的重要基础和支撑, 时钟同步系统的精度将直接影响智能变电站的控制精度和性能。为解决电力系统的时间同步难题, 国家电网公司于2009年在《智能电网关键技术研究框架》中明确提出“研发适合智能电网应用特点的时间统一系统”。本文介绍一种基于PTP (IEEE 1588) 协议的同步时钟技术, 首先详细介绍IEEE 1588的授时原理, 其次分析传统变电站站内时钟同步系统架构的不足, 最后提出智能变电站时间同步系统的建设方案。
1 IEEE 1588精密时钟授时原理
1.1 概述
IEC 61588定义了一个能够在测量和控制系统中实现高精度时钟同步的协议——PTP (IEEE 1588) 协议。2002年底发布的IEEE 1588是一个集成通信网络和在线修正计算的精密时钟授时协议, 该协议通过多播报文的形式向网络中各个节点授时, 所以尤其适合在以太网上使用, 能够达到亚微秒级的同步精度。2008年, IEEE重新修订了这个标准, IEEE 1588授时协议更进一步完善, 使其满足智能变电站IEC一61850通信网络授时精度的要求。
PTP系统是由同步时钟设备和网络设备组成的分布式授时系统, 同步时钟设备包括普通时钟、边界时钟和透明时钟;系统设备包括在网络中不参与时钟同步过程的路由器、交换机、计算机及其他设备。
普通时钟 (Ordinary Clock, OC) 。分为主时钟和从时钟, 其特性是只有1个PTP端口的时钟授时源或授时终端, 普通时钟授时应满足网络对称性原则, 通过“最佳主时钟算法”选取网络中精度最高、稳定性最好的节点作为系统主时钟, 从时钟同步主时钟后, 则作为下一个从时钟的主时钟, 进行全网时钟节点的精确同步。
边界时钟 (Boundary Clock, BC) 则实现了网络非对称性精确时钟同步要求, 是一个具有多个PTP端口的设备, 每个PTP端口可独立进行授时。对于空间距离较远的主从时钟同步系统, 为了降低线路延迟量, 引入了透明时钟设备 (Transparent Clock, TC) 。透明时钟在通信网络中相当于普通的网桥、中继器, 转发所有类型的报文, 透明时钟本身不参与同步过程, 也没有主从状态。
1.2 IEEE 1588授时算法分析
IEEE 1588的时钟同步过程通过两个步骤来实现:时钟偏移量测量和线路延迟量测量。假设传输延时线路是对称的, 主时钟的时间原点为M, 从时钟的时间原点为N, 时钟偏移量为Toff-delay, 线路延时量为Tdelay。
首先进行时钟偏移量测量, 主时钟周期性的向网络发送一个包含时间信息的信息包 (简称为Sync) , 同时在物理层记录好精确发送时间Ta1, 如图1 (a) 。在Tb1时刻从时钟收到Sync时间同步报文, 并且精确记录接收时间Tb1。然后主时钟通过Follow_up报文格式发送之前记录的精确时间信息Ta1, 从时钟接收Follow_up报文后, 计算从时钟与主时钟的时钟偏差为:
这样就完成了时钟偏移时差的测量, 其中, 在理想条件下, Toff-delay、Tdelay值是一个定值。
然后进行线路延时量的计算, 如图1 (b) 。从时钟在接收到Follow_up报文后在Tb2时刻发送一个延时请求信息包Delay_Req并记录精确发送时间Tb2, 主时钟收到Delay_Req报文后, 记录精确接收时间Ta2, 把精确时间Ta2标记在延时响应信息包Delay_Resp中并发送给从时钟, 从时钟接收到Delay_Resp后, 则网络延时误差为:
由式 (1) 和式 (2) 可得:
基于式 (3) 求出来Toff-delay和Tdelay, 对时钟偏移时差和线路延时误差进行精确时钟在线修正, 这样就完成了主从时钟的时间同步, 通过“最佳主时钟算法”计算出网络中最佳主时钟进行全网授时。当主时钟出现故障或者不稳定的情况下, 立即启动“最佳主时钟算法”计算出网络中其他节点中最稳定的时钟作为新的主时钟, 利用时钟偏移测量算法修正从时钟与主时钟的时钟偏差, 线路传输延时量测量算法修正线路延时误差, 通过光纤以太网连接各个时钟节点, 实现全网亚微秒级时钟精确同步。
2 传统时钟同步系统架构的不足
传统时钟同步系统是在各个变电站安装独立的GPS时钟进行授时, 其基本架构如图2所示。在变电站架设GPS作为时钟同步源, 然后通过电缆把GPS数据流分发到各个用时设备中进行授时。
随着智能变电站的发展, 传统时钟同步系统已经暴露出一定的局限性:
(1) GPS信号是通过无线电波传输的, 会受到不同程度的干扰, 特别在特殊情况下, 如战争则可能导致同步系统的完全崩溃, 产生严重的后果。
(2) 站内授时接口种类多, 信息编码形式不标准、不规范。在传统变电站时钟同步系统中, 常见的授时标准接口有1PPS和IRIG-B码 (简称B码) 2种。其存在组网不灵活, 需要进行点对点传输等问题。
(3) 因为各个变电站都是安装独立的GPS授时源, 如遇到GPS时钟丢星或者失锁等故障情况下, 各个变电站之间时钟很难保证时间上的统一。
(4) 传统时钟同步系统授时电缆和通信电缆非常多, 采集资源重复, 运行维护难度大。这些都会影响变电站生产运行的效率, 不利于电网安全运行水平的进一步提高。
(5) 与传统变电站相比, 智能变电站的结构体系存在巨大的差异。变电站智能化的发展趋势使得站内二次硬接线被串行通信线所取代, 它是各个设备之间交互信息的基础平台。保护测控设备的电流、电压等采样值输入也由模拟信号转变为数字信号输入, 这些变化对智能变电站的时钟同步系统提出了更严格的要求。
针对智能变电站一体化的通信网络和更高的同步精度要求, 采用IEEE 1588高精度授时技术将会在保持高精度授时的前提下, 简化并统一授时网络架构, 可应用性强。
3 智能变电站的时间同步建设方案
智能变电站实现了过程层、间隔层和站控层所有设备的数字化和智能化, 使得整个变电站内所有设备之间交互数据都是通过站内光纤以太网, PTP作为一种网络对时技术, 其所有功能或设备都会布置在变电站光纤以太网中, 不再单独组网。依托光纤以太网实现智能变电站时钟同步系统的构建, 能为全网提供高精度、高可靠性的时间同步。智能变电站站内授时基本框架如图3。
选择北斗时钟和GPS时钟组成双模授时作为智能变电站站内的时钟源, 即为系统中的根时钟节点, 提供精确、稳定的时间标准。站级监控中心作为PTP服务器, Boundary Clock 1 (边界时钟) 作为主时钟向全站授时, 变电站层设备, 间隔层IED及过程层智能组件设备、电子式互感器等都作为对时终端, 同时调度中心通过基于电力通信SDH链路传输的PTP时钟同步网络向各个智能变电站提供精确铯原子时钟进行监控与校正, 以此实现全网时间统一。
4 结语
智能变电站实现了全站通信平台网络化、信息数字化、信息共享标准化, 各个设备和各子系统之间统一利用光纤以太网交换测量和控制数据, 这对于变电站的设备时间同步提出了很高要求。由于精确时间协议PTP (IEEE1588) 在网络及对时精度方面存在的优势, 随着对PTP授时方法的深入研究, 智能变电站的对时系统将逐步过渡到采用IEEE 1588标准构建的网络授时平台, 为保障智能电网稳定、可靠、安全运行发挥出更大的作用。
时钟同步技术 篇2
关键词：变电站;电力自动化;GPS时钟同步技术
中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）35-0054-01
近年来，随着电力自动化程度不断提高，各种电力控制、测量、保护、记录等装置的正常运行对时钟基准的要求也越来越高，全球定位系统GPS时钟同步信号能全天候为用户提供高效、精准的时钟信息，GPS时钟同步技术具有准确性高、实用性强的特点，将GPS时钟同步技术应用在变电站电力自动化系统中，能实现变电站之间的准确对时，对变电站的稳定运行有十分重要的作用。
1 GPS时钟同步技术的优越性
由于变电站采用的计算机监控系统、自动化系统、电能计量装置、故障录波装置等来自不同的厂家，而各个厂家的时钟存在一定的差异，在对时精度上存在一定的偏差，导致在同一时间基准上变电站的各系统不能进行数据分析和对比，这可能会为事后故障分析判断留下很大的隐患。将GPS时钟同步技术应用在变电站中有明显的优势，它能让保证变电站各系统在统一的GPS时间基准下进行运行及事后故障分析处理。变电站自动化设备会根据GPS提供的精准时钟同步信号进行运行，当系统出现故障后，能极大的提高SOE时间准确性，提高故障诊断能力，极大地提高了电力系统的稳定性。
2 GPS时钟同步系统的概述及原理
2.1 GPS时钟同步系统概述
GPS时钟同步系统主要由电源、人机交互系统、卫星信号接收系统、CPU处理系统、输出系统等部分组成。GPS时钟同步系统是接收GPS卫星信号的是RS232接口，通过CPU中央处理单元对GPS卫星信号进行规约转换，转换成符合相关要求的时间信息，然后输出时间信息。
2.2 GPS时钟同步系统原理
GPS时钟同步系统主要有三种对时方式，分别是串行同步输出对时、脉冲同步输出对时、IRIG—B码输出对时。
串行同步输出对时是以串行数据流的方式将时间信息输出，串行同步输出对时方式比较复杂，在处理接收到的信息时，需要耗费一定的时间，这有可能对系统对时精度造成一定的影响，因此，串行同步输出对时主要用于添加时间标记。
脉冲同步输出对时是采用同步时钟，定期输出一个精确的脉冲，当装置接收到脉冲信息后，装置会自动进行对时，从而将装置存在的走时误差消除，脉冲同步输出方式不能直接提供时间信息，如果时间源出现错误，被授时装置就会错误走时。
IRIG—B码输出对时是以BCD码方式输出，每次输出都含有100个脉冲，输出的时间信息为s、min、h等，IRIG—B码输出对时是一种高精度、含有标准时间信息的对时方式。
3 GPS时钟同步技术在变电站电力系统中的应用
3.1 GPS时钟同步技术的应用
目前，GPS时钟同步系统支持编码对时、硬对时、网络NTP对时，变电站中很多装置都能接入GPS时钟同步系统中进行对时，如测控装置、自动化系统站控层设备、故障录波器、微机保护装置等。GPS时钟对时接口有RS232串口输出、RS485串口输出、秒脉冲1PPS输出、分脉冲1PPM输出、非调制IRIG—B输出等几种情况。为保证变电站电自动化系统能准确的运行，有很多装置需要接入GPS时钟同步系统中进行对时，加上装置的接口类型也不尽相同，因此，在实际应用中，经常会结合使用多种对时接口方式。下面以110 kV变电站改造为例，分析GPS时钟同步技术的应用。
将GPS时间同步系统屏安装在变电站高压室和保护室，然后配备具有接收、处理GPS卫星信号、提供标准同步时间信号等功能一个标准同步主时钟。当主时钟接收到GPS时间同步系统发出的基准信号时，会根据基准信号进行对时，当主时钟不能接收到GPS时间同步系统发出的基准信号后，会自动走时，并保持走时的精度，当时间基准恢复到正常状态后，主时钟会自动进行对时。该变电站改造后是用以太网的形式进行组网，部分设备只有RS232接口和RS485接口，而新安装的主变线路控制装置、高压室线路保护、#1主变保护、#2主变保护都是IRIC—B接口。在变电站改造中，采用IRIG—B码输出对时，选用RVVP两芯屏蔽通讯电缆，其中“+”用1表示，“-”用2表示，依次将各装置接入GPS时钟同步系统的IRIG—B输出接口;由于一些老设备没有IRIC—B接口，只有RS232接口，因此，将这些设备接入GPS时钟同步系统的RS232接口;110 kV变电站故障录波器没有IRIG—B码，分别将秒脉冲和分脉冲接入空接点，从而实现硬接点对时。
3.2 GPS时钟同步系统运行过程中的注意事项
为确保GPS时钟同步系统能安全稳定的运行，保证GPS时钟同步系统的功能、效率、精度都符合相关要求，必须做好GPS时钟同步系统的日常维护保养工作。工作人员要制定合理的检修计划，定期检查GPS时钟同步系统，在进行检查时，首先要检查显示面板上的天线信号，然后要对显示面板中锁定的卫星数量进行检查，该检查内容正常后，用显示面板上显示的时间对各个设备显示的时间进行可对时，从而确保参与对时系统的所有设备都处于正常工作状态。定期对GPS时钟同步系统进行检查，能有效地提高系统的运行可靠性。
GPS时钟同步系统在运行过程中还需要在GPS屏中安装监视装置，从而对GPS时钟同步系统的运行状态进行监控，发现电源消失、装置自检异常、IRIG—B信号异常等现象时，及时发出报警，让工作人员及时进行故障处理，从而保证GPS时钟同步系统的稳定运行。当GPS时钟同步系统处于正常运行状态时，电源指示处于正常状态，并且IPPS脉冲指示灯每隔一秒会闪烁一次，当IRIG—B信号消失报警时，说明没有收到正确的IRIG—B输入信号，这时需要对系统进行详细的检查。
4 结 语
GPS时钟同步系统能让变电站电力自动化在统一的时间基准中进行运行，这极大地提高了变电站的运行安全，因此，电力企业要根据实际情况，合理的运用GPS时钟同步系统，从而为变电站的稳定运行提供保障。
参考文献：
[1] 郭威.GPS时钟同步技术在变电站电力自动化中的应用[J].黑龙江科技信息，2014，（8）.
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微电网精密时钟同步技术 篇3
微电网作为一种将分布式能源、负荷、储能以及控制装置等有机结合在一起的小型发配送电系统,被普遍认为是利用分布式能源的有效方式之一[1,2]。微电网的稳定运行对微电网中的测量、控制设备提出了新的要求,特别是时钟同步。这些设备在运行时实时采样、监测、记录各类电能质量数据(如电压、电流、频率、有功),如果没有一个统一的时序和时钟标准将难以满足微电网系统实时数据采样、系统稳定性判别、线路故障定位、故障录波、故障分析、事件顺序记录(SOE)等时间一致性的要求[3]。随着微电网规模的增大和设备数量的增加,微电网系统结构也将趋于复杂。在微电网公共连接点(PCC)接入的智能网关断路器不仅需要快速接受微电网控制中心的调度实现并离网切换,还需要对电网侧与微电网侧的电能质量数据进行实时采集。快速傅里叶变换(FFT)算法采样在工频周期20 ms内采集128个数据,需要快速实时的以太网通信和统一的时序以满足在采集端和微电网控制器端的数据有效性。微电网中逆变器采集数据并上传到微元控制器,由微元控制器下发调度控制指令,如果没有统一的时序和实时的以太网功能,数据采集到控制指令的下发将严重滞后数个工频周期,将给调压、调频等控制算法带来问题[4,5]。采用分层控制的微电网系统,不同层级的自动化设备对微电网系统时钟同步的精度要求也不一致。目前国内微电网技术的研究还处于实验、示范阶段,微电网时钟同步没有统一的技术规范和精度要求,在实际工程中并没有有效解决时钟同步问题。
传统电力系统中主要采用3种方式实现时钟同步:利用全球定位系统(GPS)同步、编码同步、报文同步[6,7]。前两者需要设备添加接收机装置,并且需要单独的硬接线来支持时钟同步的时间数据传输。随着以太网通信在工业现场总线中的应用,基于以太网通信实现的数据报文同步成为应用最广的时钟同步技术。IEC61850中引入了简单网络时间协议(SNTP)作为网络报文对时协议,SNTP是互联网网络时间协议NTP(Network Time Protocol)的简化标准,在局域网中的同步精度在1 ms左右。为满足更高同步精度的要求,网络精密时钟同步委员会在2002年提出第1版精密时钟同步标准IEEE1588标准,2008年提出第2版IEEE1588标准[8,9,10,11,12]。传统电力系统中需要进行时钟同步的智能设备功能简单,主要设备是智能开关与合并单元,而微电网中的设备种类较多、功能复杂。如逆变器、智能网关断路器需要进行针对性的以太网通信功能设计和基于以太网通信的IEEE1588功能设计以满足高精度时钟同步实现的要求。将IEEE1588协议应用于微电网能够很好地解决微电网时钟同步问题,一方面基于以太网的通信方式无需单独的硬接线,更易在工程中应用,另一方面高达亚微秒的时钟同步精度满足对同步精度的要求。
针对微电网一体化的通信网络和高同步精度的需求,本文提出一种基于IEEE1588协议的时钟同步方案。搭建时钟同步平台测试了所提方案下系统的时钟同步精度,并且通过在PCC的智能网关断路器添加事件时序记录功能实现时钟同步技术在微电网中的实际应用。
1 IEEE1588精密时钟同步协议机理
1.1 时钟同步原理
IEEE1588是应用于工业控制和测量领域的具有亚微秒级同步功能的精确时钟同步协议PTP(Precise Time Protocol)。核心算法包括最佳主时钟(BMC)算法和本地时钟同步(LCS)算法[13]。PTP网络中包括普通时钟、边界时钟和透明时钟:定义仅有1个PTP端口的时钟为普通时钟,有多个PTP端口的时钟为边界时钟和透明时钟,网络中的每个节点均被认为是1个时钟。网络中的源时钟称为超主时钟GC(Grandmaster Clock)。每个时钟的工作状态由BMC算法决定,包括主时钟MC(Master Clock)、从时钟SC(Slave Clock)和无源时钟PC(Passive Clock)3种状态。BMC算法完成选举主时钟和生成拓扑结构,通过比较时钟的属性等参数来确定哪一个时钟节点会工作在主时钟状态,进而生成拓扑结构。LCS算法完成本地时钟节点与主时钟的校准[14],如图1所示。
a.在Tm1时刻,主时钟发送Sync报文,当Sync报文到达从时钟时,从时钟记录下报文到达的时刻Ts1。Sync报文的发送时刻会通过Follow Up报文发送给从时钟,这样从时钟就获取了Sync报文从主时钟发送的时刻Tm1和在从时钟接收的时刻Ts1。
b.在Ts3时刻,从时钟向主时钟发送Delay Req报文,并且记录Delay Req报文发送的时刻Ts3,主时钟接收到该Delay Req报文的同时记录该报文的到达时刻Tm3。主时钟将Tm3时刻通过Delay Resp报文发送给从时钟。
c.从时钟接收到Delay Resp报文,至此完成一次同步过程,共获取4个时间信息,分别是Tm1、Ts1、Ts3、Tm3。从时钟根据这4个时间戳信息,计算主从时钟间的时钟偏移(TOffset)和路径延时(TDelay),如式(1)所示。
IEEE1588协议中假定报文的往返路径延时对称,根据式(1)可以推导出时钟偏移和路径延时,如式(2)所示。根据计算的时钟偏移,从时钟可以调节自身时间与主时钟同步。
1.2 硬件时间戳获取
精确的设备发送和接收PTP报文的时刻直接影响同步的精度。在IEC61850通信协议中将记录PTP同步报文离开或到达设备的时刻称为打时间戳,时间戳位置不同,得到的同步精度差别很大。软件时间戳网络时钟同步协议在局域网网络中的对时精度仅为1000μs,而IEC61850标准对电力系统中智能设备的时钟精度按功能要求划分为5个等级(T1—T5),其中用于计量的T5等级精度达到±1μs[15,16]。具备打硬件时间戳功能的IEEE1588协议能实现亚微秒的对时精度,完全能够满足IEC61850标准中的T3等级精度(25μs)。如图2所示,IEEE1588协议利用以太网媒体访问控制(MAC)层打硬件时间戳技术[17],消除了设备响应PTP同步报文的不确定延时,从而极大地提高了时间同步精度。
2 微电网精密时钟同步应用方案
从微电网分层结构特点、具体设备功能和对时钟同步高精度的要求出发,将IEEE1588协议引入微电网系统应综合考虑可靠性、稳定性、冗余性和易维护性[18]。微电网中微电网中央控制器与电网调度中心对数据同步精度的要求仅为毫秒级,逆变器和智能网关断路器由于需要传输采样值信息和并离网切换控制,其需要达到微秒级的同步精度。逆变器采用双核心(DSP与ARM芯片)的设计方案,DSP芯片TMS-320F28335用于实现数据采集与运算,ARM芯片用于实现以太网通信功能及IEEE1588功能。逆变器与智能网关断路器均采用ARM芯片STM32F407,该芯片支持IEEE1588功能。将逆变器和智能网关断路器定义为从时钟设备,将通信网络中的交换设备定义为边界时钟参与整个对时过程,根主时钟作为系统的时钟源,提供北斗卫星时间。由以上定义可以配置如图3所示的微电网精密时钟同步系统。
图3中,微电网中央控制器与电网调度中心由IEC61850协议实现1 ms的时钟同步。设计一台根主时钟作为系统时钟源,通过北斗卫星系统向根主时钟提供标准卫星时间,然后根主时钟将该时间转换成64位格式的IEEE1588时间以UDP/IP数据报文的形式向从时钟设备发送,与从时钟设备完成PTP报文的交换,实现亚微秒级别的时钟同步。当根主时钟不可用时,备用根主时钟将作为系统时钟源代替根主时钟实现系统授时。
根主时钟不仅是微电网系统精确时间来源,同时也是时钟同步系统的监控设备,通过根主时钟可以监控时钟同步系统的从时钟设备数量、北斗卫星时间是否可用等。具体的功能设计如图4所示。
根主时钟能够保证为系统提供精确的卫星时间,而底层从时钟设备采用IEEE1588协议也能保证时钟同步的高精度,但是在实际网络中数据报文通过交换机时会因为网络流量大小出现冲突、丢包等情况,无法确定报文在交换机中的驻留时间。当网络中有多级交换设备时,网络延时的不确定性会使测量的路径延时和时钟偏移与实际情况产生很大偏差。
3 实验验证
3.1 时钟同步精度的验证
为了测试微电网系统时钟同步方案的可行性,搭建了由根主时钟、子微电网控制器、智能网关断路器、逆变器、计算机和示波器组成的时钟同步测试平台。测试实验平台如图5所示。对系统内以太网通信功能进行验证后测量了系统的时钟同步的精度。
根主时钟每隔1 s(可设置)以多播方式向2台从时钟设备发送同步报文,同步报文经过根主时钟和从时钟设备的MAC层与物理(PHY)层之间的介质独立接口(MII)时,直接内存访问(DMA)中断将报文离开或到达设备的精确时间通过以太网描述符的方式发送到应用层中。从时钟设备得到4个时间戳,计算出时钟偏移和路径延时并在下一个CPU时钟周期内将时间调整与主时钟同步,同时从时钟设备的时钟频率相对主时钟的偏移将在数个时钟周期内进行校准,校准时间越长越有助于保持线性时间。
从时钟设备将路径延时和时钟偏移输出显示到计算机上,记录统计了121个数据,时钟偏移维持在4μs内,路径延时维持在14~16μs,如图6所示。
根主时钟和从时钟设备输出自身系统时间的秒脉冲信号,比较两者脉冲信号上升沿间的时间差值可以精确地测量设备之间的同步误差。示波器测量得到主从时钟的同步精度误差约为10μs,2台从时钟设备之间的同步精度误差约为8μs,实验结果如图7所示。图7各子图中,下面的波形为秒脉冲信号的局部(虚线框内波形)放大图。
对比以上2种不同的验证实验结果可以看出,经过同步后的测试系统内时钟同步精度可以维持在10μs以下,2种验证方法都能很好地验证该时钟同步方案应用于微电网中具备高同步精度,并且可以互为佐证。
3.2 微电网时钟同步技术应用
微电网时钟同步技术仅为微电网添加统一时序没有太大的实际工程应用价值,需要将时钟同步以具体的如同步采样、事件时序记录等功能在微电网中应用才能体现时钟同步的意义。智能网关断路器作为微电网接入电网的并离网切换设备,实时采集电网侧和微电网侧的电能质量数据。在数据采集中断中加入电网侧电压故障记录,当出现过电压的情况时,智能网关断路器断开电网并且记录故障时刻,实现微电网PCC故障事件时序记录。
在500 k W微电网工程中将2台经过时钟同步后的智能网关断路器过压值设为200 V后同时接入220 V电网交流母线,2台智能网关断路器出现过压故障,记录下的过压故障时刻发送到子微电网控制器后显示相差约为30μs,由此可以判断2台智能网关断路器在同一时刻发生故障。将故障信息清除,按先后顺序将2台智能网关断路器再接入交流母线,记录的故障时刻与故障发生的先后顺序一致。通过上述对比实验验证和实现了事件时序记录功能,将时钟同步技术以事件时序记录功能的形式初步应用于微电网中。
4 时钟同步系统分析
实验验证发现影响微电网时钟同步精度的因素主要有网络延时的不对称性和时钟的时钟源稳定性两方面。
(1)网络延时不对称。网络延时分为数据报文在传输线路上的延时和数据报文通过交换设备产生的延时,传输线路上的延时在实际网络中可以忽略不计。实验中采用的是普通的交换机,无法确定报文在交换机中的驻留时间。对实验中使用的交换机网络延时测量发现,在一级交换机的网络中路径延时约为14μs,而使用两级交换机时路径延时会高达160μs。解决网络延时不对称的方法主要有运用数字信号处理手段在计算网络延时中加入滤波平滑算法和使用IEEE1588协议定义的透明时钟功能的交换设备。
(2)时钟源稳定性。微电网中根主时钟和从时钟设备采用的是50 MHz外部晶振,晶振的稳定性良好。时钟频率偏差很小,但采用倍频和分频的方式会使频率偏差增大。根主时钟作为时钟源,其稳定性和安全性还需要进行压力测试、冗余测试和实际工业网络环境测试才能保证其作为系统时钟源的安全可靠。
5 结论
时钟同步技术 篇4
GPS即全球定位系统(Gl obal Pos i t i oni ng Sys t em)是美国从20世纪70年代开始研制,历时20年,耗资200亿美元,于1994年全面建成,具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统，具有高精度、全天候、全球覆盖、连续实时等诸多优点，已渗透到各应用领域，且已取得了明显的经济效益和社会效益。
在电力系统的许多领域，诸如时间顺序记录、继电保护、故障测距、相位测量、频率监视等等都需要有一个统一的、高精度的时间基准。利用GPS卫星信号进行对时是常用的方法之一。
本文研制了一种GPS同步时钟，它将提供高精度高稳定性的秒、分、时同步脉冲，并通过RS232口及RS484/422口输出标准北京时间、日期等信息。
1 硬件电路设计
GPS同步时钟包括GPS卫星信号接收模块、中心处理单元、RS232/485接口、同步脉冲信号发生电路、LED显示电路等几个部分，GPS同步时钟结构框图如图一所示。
采用单片机很容易解决GPS接收与解码问题，本装置采用AT89S51单片机来接收GPS时间信息并解码。GPS卫星信号接收模块的1PPS脉冲接入AT89S51的中断I NTO。当I NT0有中断产生时，AT89S51从GPS接收模块串口读取GPS信息。
1. l GPS卫星信号接收模块
本装置选用美国GARMI N公司的GPS15L/H模块作为卫星信号接收器，GPS15L/H模块为12通道的GPS接收机，也就是同时可以跟踪多达12颗GPS卫星，从而能够快速的定位。GARMI N的GPS接收机功耗非常小，数据更新率为每秒一次，GPS接收机OEM板中可以将卫星轨道参数、上次定位位置、时间和日期等数据保存在静态存储器，接收机内部有备用电池来为存储器供电。GPS15L/H模块为串口RS232输出，它的波特率可调，其输出为美国国家海洋电子协会制定的NMEA 0183通信标准格式，采用ASCI I码。根据需要我们在其输出中只选用$GPRMC语句，其格式可表示为：
具体内容是：语句标识头、世界时间、定位状态、纬度、纬度方位、经度、经度方位、地面速度、地面航向、日期、磁偏角、磁偏角方向、校验和及结束标记，在传输时连同各数据项之间的逗号也一同传输。由于每条语句都是以字符“$”开始，以ASCI I字符“回车”(0DH)和“换行”(0AH)结束，在程序中就可以此来判断语句的开始和结束。
1.2 中心处理单元
采用AT89S51作为系统的CPU。AT89S51是一个低功耗、高性能CMOS8位单片机，片内含4kByt es I SP(I n-syst empr ogr ammabl e)的可反复擦写1000次的Fl as h只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和I SPFl ash存储单元，可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Byt es Fl as h片内程序存储器，128 byt es的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口，5个中断优先级，2层中断嵌套，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗(WDT)电路，片内时钟振荡器。
1.3 同步脉冲信号发生电路
AT89S51的P3.5和P1.7是l PPM(1Pul s e Per Mi nut e)和l PPH(1 Pul se Per Hour)脉冲的选通信号输出端(为禁止发送1PPS脉冲，这两个控制端在平时均置高电平)。以产生1PPM脉冲为例：当由串行口0读人UTC时间信息，并判断其为某一分钟的59秒时刻之后，CPU将P3.5置低，从而在整分时刻发送一个脉冲。当再一次读人时间信息，并判断其为整分时刻时，重又将P3.5置高，以禁止发出脉冲。依次循环，即可得到精确的1PPM脉冲信号。采用同样的方法，也可以产生l PPH的脉冲信号。由于静态空节点方式控制端与信号通道隔离较好，耐压高，所以GPS同步时钟将同步脉冲信号作为一个开关量以静态空节点方式输出。
1.4 RS232/485接口
GPS同步时钟具有RS232与RS485两个通信接口，以满足不同的通信系统的要求。通过这两个接口，同步时钟可以输出每秒一次包括年、月、日、时、分、秒在内的完整UTC时间信息，也可以作为通信下位机在需要的时候为处于上位机的电网自动化装置提供准确的时间信息。
2 同步时钟的应用
2.1 故障测距
在输电线路发生故障的一瞬间，从故障点向线路两端会产生一个电压的瞬变，这就是通常所说的行波。当采用行波原理进行故障测距时，1μs的时间误差就会引起150m的测距误差。GPS同步时钟的出现，为研制双端行波测距原理的装置创造了条件，用行波传输到两端测得的时间差，可直接算出故障点到测量点之间的距离。假设线路全长为L，行波在线路中传播速度为V，故障后在线路S、R两端接收到故障初始行波浪涌的时间分别为TS、TR，可以计算出故障点到S、R端的距离为:
这种测距方法适用范围广，不受过渡电阻、系统参数、串补电容、线路不对称及互感器变换误差等因素的影响，简单易懂，测距精度高而稳定，无疑是对传统的故障测距技术的革命，目前已研制出检测输电线路故障距离的双端行波测距装置。
2.2 继电保护装置试验
目前，在我国220kV以上高电压网中，输电线路在正式投运以前，都必须对线路两侧的继电保护和通道设备装置进行联调实验。线路纵联保护安装在线路两端的电站里，为了达到在两侧同时加故障，真正模拟短路故障的目的，必须使两端的试验仪器实现同步，并且同步精度要达到10μs。采用GPS同步时钟实现系统时钟的统一和同步后，两端的继电保护试验装置可按预先约定的时间顺序启动，产生模拟线路故障的电压、电流信号，可以准确地检验纵联保护装置的动作行为，以及测量高频信号在通道的传输延迟，对线路高频保护装置进行校验。
2.3 发电机功角和母线电压相角的实时监测
测量电力系统各节点之间的电压相位关系，可以更好地了解电力系统的静态和动态行为，帮助调度人员进行合理的发电量及负荷调度，采取有针对性的稳定措施。如果系统的时钟统一，就能实现各电站输入信号的采样脉冲同步，易于测出电站间电压的相位关系。传统方法的对时误差较大，一般在毫秒量级，而1ms的时间误差对50Hz的系统来说就是18°的相角差，这样大的相角误差显然无法接受。使用GPS同步时钟对时，每台GPS同步时钟之间的时间误差为1μs，对应的电气角度差为0.018°，完全可满足电力工业监测控制应用的要求。
2.4 为电力系统自动化装置提供时间标记
电力系统内安装了各种微机自动化装置，如故障录波器、事件记录仪、微机继电保护及安全自动装置、远动及微机监控系统。当这些装置的时间用GPS同步时钟精确统一后，有助于分析电力系统故障与操作时各种装置动作情况及系统行为，确认事故的起因与发展过程，保证安全运行，提高运行水平。
2.5 频率监视
调度上经常通过比较电钟(也称工频钟)与标准时间的差异计算出系统频率误差积累情况。若标准时间不准，比较就无意义。用GPS同步时钟，这一问题将得以解决。
3 结束语
本文所讨论的基于AT89S51的GPS同步时钟已用于变电站自动化系统中。运行结果表明，该GPS同步时钟装置授时精度完全符合设计要求。此外还具体论述了GPS同步时钟在电力系统中的应用。相信GPS同步时钟的应用必将对电力系统的安全检测、稳定控制等带来革命性的变革,GPS技术的采用将大大促进和带动变电站自动化技术的发展和提高。
参考文献
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分组传送网中时钟同步技术的研究 篇5
为适应移动业务从以语音为主的单一业务向多业务转变,IP化和宽带化逐渐成为未来网络和业务发展的趋势。对于承载网而言亦是如此,作为基础网络的承载网已经由传统电路交换向分组交换方式演进[1],分组传送网(PTN)已经成为未来承载网络的最佳选择,将担当多业务、高质量的传送,而同步又是保证网络性能的必要手段,所以研究分组网中的时钟同步有着极其重要的意义。
1 时钟同步技术概述
同步是指两个或多个信号之间在频率或相位上保持某种特定的关系。在数字通信网中,同步通常是指网内所有的数字设备的时钟在频率或相位上都控制在预定的容差范围内[2]。
同步一般包含两种:频率同步和时间同步。频率同步,即时钟同步,是指信号之间在频率和相位上保持某种严格的特定的关系,如,某个固定的位差,以维持通信网络中的所有设备以相同的速率运行。数字通信网中传递的信息是经过离散化脉冲编码调制(PCM)的,若两个数字设备的频率不一致,则会引起数字比特流因干扰、损伤而导致的叠加和抖动,会在缓存器中造成码元的丢失和重复,从而在传输中出现滑动损伤[3]。而时间同步,即相位同步,它要求信号之间有相同的时间起点和时间间隔,两者会同时经过每一个时刻,若两个信号经过同一个时刻点的时间有固定不变的位差,则它们之间只能说保持了频率同步,并没有保持时间同步。一般将通信网中的各种通信设备或者计算机设备的时间信息,基于协调世界时(UTC)时间偏差限定在足够小的范围内,然后按照接收到的时间来调控设备内部的时钟和时刻,力求将本地时钟与标准时钟相位同步,所以,时间同步既调控时钟的频率也调控时钟的相位,同时将时钟的相位以时刻来表示。时间同步和频率同步唯一的不同在于,时间同步接收的是非连续的时间信息,非连续调控设备时钟。
2 PTN中同步技术分析
2.1 PTN概述
随着光纤到户(FTTH)的迅速发展和视频传送等业务的出现,用户对网络带宽的需求也在急剧增长,导致对城域网传送带宽的需要一直在扩大。随着10 Gbit/s以太网接口技术的日益成熟,在城域网中引入10 Gbit/s的以太网速率,构建大容量全业务分组交换的电信级以太网的市场需求一直非常强烈[4]。未来的市场需要一种能够有效传递分组业务,并提供电信级运营、管理、维护(OAM)和保护的分组传送技术,但是,传统的在物理层和业务层之间的传输技术都是以固定的时隙交换、波分交换或者空分交换为基础的,并不能很好地适应以包交换为主的分组网的需求,因此,大容量PTN便应运而生。
PTN的分组时钟同步是3G等分组业务对于组网的客观需求。分组网时间同步的实现主要有3个步骤:建立主从关系、频率同步和时间同步。在实现方式上,目前比较常见的技术有同步以太网技术和基于IEEE1588 V2的分组时钟技术[5]。
2.2 同步以太网技术
同步以太网技术是基于物理层的同步技术,物理层同步技术在传统的同步数字体系(SDH)网络中应用比较广泛,其特点是同步网络节点具有较高频率准确度和稳定性的本地时钟,每个节点可以从物理链路上提取线路时钟或从外部同步接口获取时钟,然后从多个时钟源中进行时钟质量选择,将本地时钟锁定在最高质量的时钟源,再将锁定后的时钟传递到下游设备,通过逐级锁定,将全网逐级同步到主参考时钟(PRC),实现全网同步。
同步以太网技术主要是以太网链路码流恢复时钟的技术。以太网通过物理层芯片从串行数据码流中恢复出发送端的时钟,如图1所示。具体的说,是在发送侧电连接器(CX)将高精度时钟灌入以太网物理层(PHY)芯片,PHY芯片利用高精度的时钟将数据发送出去,接收侧CX的PHY芯片将时钟恢复出来,分频后送给时钟板,时钟板判断各个接口上报的时钟质量,从其中选择一个精度最高的,将系统时钟与其同步。
为了正确选择高精度的时钟源,在传递时钟信息的同时,也要将时钟质量等级(QL)等信息上报。对于SDH,这些时钟信息是通过SDH中的带外开销字节完成;而在同步以太网中,没有带外通道,所以同步以太网接口就通过以太网同步消息信道(ESMC)传递专有的携带时钟信息的同步状态信息(SSM)报文,来告知下游设备。
虽然,以太网同步技术与SDH恢复时钟方式类似,但是,因为以太网的物理层编码是8B/10B(GE)和4B/5B(FE)编码,即每4个bit(字节)就要插入一个附加比特,所以它比SDH的随机扰码方式能更好地避免长连0和长连1,更加方便时钟的提取,从而不会受到数据网络拥塞、丢包和时延等的影响。
2.3 IEEE 1588 V2技术
IEEE 1588属于分组协议同步技术,其特点是采用分组协议数据单元作为时钟或者时间信息的载体,实现主从时钟之间的同步。它既支持频率同步,也支持时间同步,并且,它的精度极高,可以达到亚微秒级。IEEE 1588 V2是精确时间同步协议(PTP),它是一种主从同步系统。众所周知,在PTN中实现时间同步有两点至关重要:一是线路延时的测量,二是时间信息的发送。而IEEE 1588 V2解决这两个关键点的核心方法是采用主从时钟方式,对时间进行信息编码。它可以记录同步时钟信息的发出时间和接收时间,并且给每一条信息加上时间戳,这样接收方就可以通过时间记录计算出传输时网络中的延时和主从时钟的偏移量,从而修正从设备时钟,使之与主时钟同步。
具体来说,在系统同步过程中,主时钟周期性发布PTP及时间信息,从时钟端口接收主时钟端口发来的时间戳信息,系统据此计算出主从线路时间延迟及主从时间偏移,并利用该时间差调整本地时间,使从设备时间保持与主设备时间一致的频率与相位,如图2所示。
IEEE 1588 V2实现时间同步的过程如下:
(1) 主时钟发送同步(sync)信息
主时钟的PTP应用层向所有的从时钟周期性地发送Sync消息(因为主从时钟的漂移是相互独立的,所以同步过程必须周期性地进行,一般是每隔100 ms就发送一次Sync报文),Sync中包含精确描述数据包发出的预计时间的时间戳t1, 由于信息包含的是预计的发出时间而不是真实的发出时间,所以主时钟记录下的Sync消息离开本端口的精确时间t1在随后的Follow_Up信息中发出。
(2) 主从时钟比较
从时钟端记录Sync消息到达的时刻t2,并把t2存入寄存器,同时报告给PTP应用层。此时从时钟就知道了Sync消息的发送时刻t1和接收时刻t2。然后,从时钟计算Sync报文的本地时间戳和Follow_up报文中时间戳的差异,作为主从时钟的偏移量Offset,对本地时钟进行修正,而主时钟发送到从时钟的延迟记作MS_Delay。
(3) 从时钟发送时钟延时信息
利用Delay_Req信息来定义网络的传输延时,即在一个随机的时间间隔中,从时钟的PTP应用层会发出延时请求消息Delay_Req给主时钟,并记录Delay_Req消息离开该端口的时刻值t3。
(4) 主时钟记录时间延时
主时钟从每个从时钟那得到Delay_Req消息后,并记录消息到达时刻值t4,然后通过带时标的Delay_Resp消息把t4值传给每个从时钟。此时从时钟就知道了Delay_Req消息的发送时刻t3和接收时刻t4。同时,也会计算Delay_Req报文和Delay_Resp报文中各自携带的时间戳的差值,记作SM_Delay时延。
(5) 最终计算
通过上述时间戳消息应答过程之后,可以得到如下计算公式:
在链路对称的前提下,即发送和接收延时一样,可以得出:
在整个同步系统中,同步时间信息的传送一般是分级传递,由一个主时钟将时间参考信息传递给一个或者多个从设备,然后这些从设备又可以在下一级中充当主设备的角色,将时间信息同样传递给下游的一个或者多个从设备。
2.4 两种技术的结合
同步以太网虽然能达到较高精度的频率同步,但以太网同步技术只支持频率信号的传送,不支持时间信号的传送。而IEEE 1588 V2虽然可以解决通用以太网延迟时间长和同步能力差的瓶颈,但是IEEE 1588因为涉及到软件层面的算法,所以在来回传递报文时,频率同步收敛性不好,而且报文经过复杂的数据网络,抖动和非对称性的不可控导致从IEEE 1588报文中恢复的频率和时间精确度难以保证。
综上所述,可将二者的优点结合在一起,共同实现PTN全网同步。在PTN中,同步以太网技术主要在物理层实现高精度的频率同步,如图3所示,BCM56520交换芯片和物理层设备可以在任何串并行转换模块中输出恢复时钟,且主时钟和从时钟都可以在任何输入端口被提取,在所有的恢复时钟中选择一个精度最高的作为全网的PRC。同步以太网可以消除任何本地从参考时钟的不稳定性,提供较高质量的参考时钟,保证时间同步的性能。而IEEE 1588 V2技术则在数据链路层实现精确的相位和时间同步,如图4所示,BCM交换芯片对PTP报文进行分类和加盖时间戳后,传送给主中央处理器(CPU)进行处理,即在每个接收模块的数据链路层的媒体独立接口处先获得时间戳,然后在解析模块中通过解析和分类从数据业务中获得Sync,所有的Sync信息就在调度模块中排队等待被发送到CPU中,最后CPU会根据Sync信息计算出时钟的偏移量和线路延时。BCM芯片会为本地时钟提供基于硬件和基于软件的时钟偏移的调整。
3 结束语
PTN作为下一代新型传输承载网,将有很大的发展空间。而时钟和时间同步技术又是以太网应用于电信级承载网的关键技术之一。在PTN中,将同步以太网技术和IEEE 1588 V2技术相结合,既可以实现全网的频率同步,又可以将高精度的时间同步添加到以太网应用中,两者相互配合可以有效地保障传送业务的质量和准确性。在PTN中实现时间同步对于广泛应用于工程测量中的IEEE 1588协议也将是一次很好的技术移植和创新。
参考文献
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时钟同步技术 篇6
1 地铁综控系统框架构成
在分层、分布式地铁综控系统中, 网络框架分三层:最顶层是中心监控层, 负责监视、控制和管理全线各个站点所有设备的运行状况;中间层是站点层, 只负责监视、管理本站点的设备;最下层是现场设备层, 是各个站点中最基本的现场设备 (见图1) 。
2 地铁综控系统时钟同步的必要性
地铁综控系统采用集中控制、分散采集数据的方式, 数据采集设备分布在全线各个站点, 检测的数据、报警和事件信息来自不同的设备。设备运行状态瞬息万变, 发生状态变化, 特别是在发生事故或者故障之后, 经常利用报警信息、日志信息和事件顺序记录 (SOE) 等进行分析、查找原因, 因此, 在不同站点、不同设备保持时钟的一致性就尤为重要。只有地铁监控各个层级保持一致的时钟, 才能确保系统安全、稳定、经济运行, 及时掌握实时信息, 才能分析各类事件特别是系统故障的发生、发展过程, 为优化保护和控制, 防止灾难性事故发生提供依据。
3 时钟同步技术
3.1 GPS技术
全球定位系统GPS (Global Positioning System) 是一种以人造地球卫星为载体的全球覆盖、全天候工作的无线电导航定位系统, 可以实现精确导航、定位和授时。GPS是一种硬时钟同步方式, GPS系统每秒发送一次信号, 其误差相对于世界协调时UTC (Universal Time Coordinated) 时间不超过1μs, 在全球任何位置均能可靠接收到信号, 是理想的同步时钟源。
地铁综合监控系统是一个大型的地理上分散的SCADA系统, 中心级监控和站点级监控形成了一个广域网, 同时由于地铁综合监控系统地理位置分布的特殊性, 即车站级的综控子系统大多位于城市的地下, 不利于GPS信号接收装置的安装, 因此, 尽管GPS最大的优点就是同步精度高, 但是硬件设备成本高且不易安装, 要在地铁全线都使用GPS时钟同步的方案显然是难于实现。可以在网络中为其中的一台或者几台计算机配备GPS硬件同步设备, 通过他们采用软件同步的方式对其它的计算机进行时钟同步。
3.2 NTP技术
软对时方式具有代表性的有NTP (Network Time Protocol) 网络时间协议和SNTP (Simple Network Time Protocol) 简单网络时间协议。
NTP协议采用了统计学和概率论的方法, 对来自不同时间服务器的信息根据一定的策略进行筛选, 选出最接近本地时钟真实偏移值的偏移量, 然后用其来调整本地时间。NTP消息包传输采用UDP协议, 产生的网络开销比较小, 精度在局域网内可以达到亚毫秒级别。SNTP是NTP的一个子集, 适用于时间精度低于NTP的客户端。SNTP的实现比较简单, 在客户端省略了很多对时算法, 且SNTP的客户端也不能应对多个服务器的情景。显然SNTP也不适用于像地铁综控系统这样多层次的网络结构。NTP的设计充分考虑了互联网上时间同步的复杂性, 提供了分层次概念, 适用于像地铁综控系统这样分层次的网络架构。
NTP协议最典型的操作模式是客户端/服务器模式, 在该模式下, 客户端周期性地向服务器发送NTP包的方式, 向服务器请求时间信息。
假设有设备A和设备B通过网络相连, 他们都有自己独立的系统时钟, 通过NTP协议实现设备A向设备B请求时间同步, 即将设备B作为NTP时间服务器, 设备A为NTP客户端 (见图2) , 具体的同步过程如下:
1) 设备A发送一个NTP报文给设备B, 该报文带有它离开设备A时的时间戳T1;
2) 当此NTP报文到达设备B时, 设备B加上自己的时间戳T2;
3) 设备B处理报文后, 再加上它的当前时间戳T3, 并把报文发送给设备A;
4) 设备A收到响应报文, 此时设备A的本地时间为T4。
至此, 设备A通过收到的响应报文信息就能计算出两个重要的参数:NTP报文的往返时延Delay和两个设备之间的时间差Offset。这样, 设备A就能够根据这些信息来设定自己的时钟, 使之与设备B的时钟同步。其计算公式为
4 地铁综控系统对时方案
地铁综控系统是分层次、分布式框架, 地铁沿线的站点一般都是分布在地下, 这些分布在地下的站点是没有条件架设GPS接收天线, 但是在地铁综控系统的中心一般是分布在地面上, 是可以架设GPS接收机。
现在很多系统平台, 如UNIX、Linux、Windows NT等平台都实现了NTP协议。NTP将是一个不错的选择, 其好处是不用另外的对时电缆, 而且对时精度也比较高。这样将GPS和NTP相结合, 是分布式地铁综控系统中时钟同步最理想的方案。搭建的网络架构如图3所示。
中心级的服务器连接到GPS接收机上, 以GPS时钟源作为中心同步的时钟源, 此时中心有2个服务器, 分别作为主、备服务器。在主服务器上运行一个GPS驱动进程, 负责解析从GPS接收机收到的报文, 当主服务器上的时钟信息与GPS时钟的差值超过一定得阈值就进行调整, 当超过更大的阈值, 就产生报警信息提示用户系统可能存在的潜在问题;备服务器上的时间是通过主服务器同步进程负责管理更新, 当主服务故障时, 备服务器能够接管GPS接收机的信息, 成为主服务器, 负责全网的时钟同步工作。
地铁综控系统采用的是Solaris操作系统平台, NTP在UNIX中最重要的是后台程序xntpd, xntpd可同时用于服务器和客户端。在Solaris中可以通过编辑/etc/inet/ntp.conf来设置xntpd:
1) 中心级的两个服务器都配置为NTP服务器, 完成对全线各个站点进行时钟同步的功能;
2) 对于车站级的设备, 只配置为NTP客户端, 与站点的服务器进行时钟同步;
3) 对于车站级的服务器, 对于中心服务器而言, 是作为NTP客户端的角色, 而对于站点的现场设备, 它们又充当NTP服务器的角色, 所以站点的服务器配置双重的角色。
这样, 就利用NTP协议分层次的思想。最高一层为0层 (参考时钟) , 往下依次为1层、2层、3层 (时间服务器) 。下一层的时间服务器可以作为上一层时间服务器的客户请求对时, 如图4所示。
在实际搭建的测试环境中, 由于缺乏现场设备, 我们使用GPS结合NTP的客户端/服务器模式, 只进行了中心服务器和站点服务器之间的时钟同步测试。GPS时钟为0层, 中心服务器配置为1层, 站点服务器配置为2层。GPS每秒向服务器发送一次时间报文, 确保中心服务器时钟的正确性。在中心服务器与站点服务器对时的测试过程中, 当时差在15min之内, 对时消耗大约5min就能完成对时功能。但当时差相差15 min以上时, 5min之内无法完成对时, 超过5min, NTP就认为连接需要维护, 进入维护状态。
为解决NTP由于对时耗时较长进入维护状态的状况, 通过编写SHELL脚本, 周期性 (一般配置为10s) 检测NTP的状态, 如果NTP进入维护状态, 就立即重新启动NTP协议, NTP协议每次在重新启动后, 立即修改本地时间与上层服务器时间保持一致。使用SHELL脚本解决了在时差较大的情况下时钟如何快速完成同步。
5 结束语
地铁综控系统是一个复杂的分层、分布式系统, 如果地铁全线站点全部都采用GPS硬件的对时方式, 不仅成本太高, 而且很多地下站点所处的地里位置, 也决定了不适合GPS方式。通过NTP协议结合GPS构建一个分层式混合时钟同步方案, 基本可以满足地铁综合监控系统对时钟同步的要求, 具有一定的应用价值。但是对于时间相差较大的情况下, NTP协议经常进入维护状态, 导致系统要花费一些额外的资源来维护NTP进程。如何缩短NTP同步所耗费的时间, 也将是今后研究的一个重要课题方向。
摘要：介绍当前城市地铁综控系统分层、分布式的特点, 并指出保持全线站点时钟一致性的重大意义, 分析当前世界上主要的GPS和NTP协议对时方式。最后针对地铁综控系统的网络拓扑结构和特点提出NTP协议和GPS相结合的时钟同步方案, 测试结果证明这种混合对时方案基本可以满足地铁综合监控系统对时钟同步的要求, 具有一定的应用价值。
关键词：地铁综控系统,网络拓扑,时钟同步,NTP,GPS
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时钟同步技术 篇7
随着现代通信技术的飞速发展, 以数字集群通信系统为代表的新一代专用移动通信系统在社会通信保障中发挥越来越关键的作用。数字集群通信系统是一种专用高级指挥调度系统, 系统内的全体用户共享无线信道, 并具有自动选择信道功能。由于集群系统偏向于指挥和调度, 因此它广泛的应用于铁路运输、民航航运、公安消防以及各种重大突发应急场合。
目前世界上主流的数字通信标准有欧洲的TETRA (陆地集群无线电系统) 、美国摩托罗拉公司iDEN (集成数字增强型网络) 、中国中兴通讯的GOTA (开放式集群架构) 和中国华为的GT800。其中, GOTA是基于CDMA技术的数字集群系统, 而TETRA和GT800是基于TDMA技术的数字集群系统。GT800集群通信系统标准的发展分为两个阶段[2]:第一阶段, 以TDMA技术为基础, 针对集群用户的业务需求对TDMA网络的信令流程和网络结构进行优化扩展, 提供快速呼叫、组呼、动态重组、优先级控制、环境的监听、故障弱化、虚拟专网等业务特性, 满足共网集群用户的需求。第二阶段:应用TD-SCDMA技术, 提供高速的数据业务, 同时增强网络、终端功能、提供端到端加密、终端直通等安全保密特性, 满足特殊行业用户的需求。
2 TD集群直通模式下的时钟同步分析
TD-SCDMA集群通信直通模式是在TD-SCDMA网络的覆盖范围之内或者网络覆盖范围之外, 移动用户之间不通过基站而进行的一种端到端的通信模式。直通模式广泛的应用于TD-SCDMA网络覆盖信号微弱的地方, 并能在网络负荷过重时提高系统的容量[4]。由于没有中心基站来为各直通移动台提供标准的时基, 它是一种分布式的系统[3], 因此在这种模式下, 节点间的时间同步技术的研究显得尤为重要。
TD-SCDMA系统的帧结构是由超帧、无线帧、子帧和时隙/码组成, 如图1所示[1]。一个超帧长720ms, 由72个无线帧组成。每个无线帧长10ms。包括两个5ms的子帧, 每个子帧由7个长度为675us的主时隙和3个特殊时隙组成。3个特殊时隙分别为下行导频时隙 (DwPTS, 75us) 、上行导频时隙 (UpPTS, 125us) 和保护时隙 (GP, 75us) 构成。下行导频时隙 (DwPTS) 由64比特正交码组成, 它是无线基站 (小区) 的导频信号, 也是下行同步的信号。而上行导频时隙 (UpPTS) 由128比特正交码组成, 它是用户终端 (小区) 的导频信号, 主要做上行同步。
在网络节点的通信中, 从信息的发送到接收之间总存在着各种时延, 这些时延中有的是通过计算确定的如广播时延, 有些是不确定的如发送接收时延, 而这些确定的和不确定的时延构成了节点间时间同步误差的主要因素。时间同步技术中存在的时延主要有如下6种:
(1) 发送时延又称传输时延是指结点在发送数据时使数据块从结点进入到传输媒体所需的时间, 也就是从数据块的第一个比特开始发送算起, 到最后一个比特发送完毕所需的时间。
(2) 访问时延又称信道接入时延是指MAC协议等待信道空闲的时间。
(3) 发射时延是指物理层发送数据包的时间, 受包长和物理层信息发送速率的影响, 一般比较确定。
(4) 传播时延是指数据在信道中传输所产生的时延, 如果节点之间距离较远, 该时延是不容忽视的。
(5) 接收时延是指物理层为了完成数据包的接收所花费的时间, 通常与发射时延有重叠。
(6) 接收处理时延是指节点处理数据包需要的时间, 其不确定性和发送时延类似。
为了快速有效的建立起节点间时钟同步, 我们必须测定和估算各种确定及不确定度的时延。节点间通信中的各类时延如图2。
3直通模式节点时钟同步研究
3.1节点网络的建立方法
首先, 由根节点A (主控节点) 向四周发送等级为0的时标信息。在其附近的节点B, C, D, E, F收到此信息后与根节点A建立时钟同步, 规定自己的节点等级为1, 并记录本等级节点ID。接着, 等级为1的节点B向周围发送时标为1的时标信息, 收到此信息的节点G, H, I与节点A建立时钟同步, 规定自己的节点为等级2, 并记录本等级节点ID。其中, 由于节点F已与高级节点A进行时钟同步, 因此当节点F收到节点B的同步信息时做自动丢弃处理。
如此循环下去, 直到建立一个N层等级结构的网络结构, 如图3所示。
3.2网络建立过程中节点时延的测定
由图4可知, 为节点A发送信息时刻;为节点B接收信息时刻;T为节点B发送反馈信息时刻;为节点A接收反馈信息时刻;为节点A发送同步调整控制信息时刻;为节点B接收同步信息时刻;为节点A, B的时钟偏差;∆d为广播时延, 与节点间的距离有关, 为一个常量;∆f为发送和接收时延, 它是一个服从高斯分布的随机变量, 可通过发送训练序列来得到。
由上公式可推出
其中,
由此可推出节点的时钟基准换算公式为:
其中, iT为第i个节点的时钟基准, Ti+1为第i+1个节点的时钟基准, 为第i与i+1节点的时钟偏差, ∆d为广播时延, ∆f为发送和接收时延。
节点间时延的测定过程:
(1) 首先由高级节点如根节点A在T1, 1 (A) 时刻向周围广播发送Grade 0的时基信息, 此时根节点A的等级为0, ID号为1;周围的低级节点如子节点B在T1, 2 (B) 时刻收到信息, 读取节点A的时基信息后, 确定自己的等级为Grade 1。
(2) 接着低级节点如子节点B将自己的时基信息在) 时刻发送给它的高级节点如节点A;节点A在时刻收到节点B反馈信息, 读取节点B的时基信息后, 通过与其他节点的收到时刻做比较, 从而确定节点B及其他节点在Grade 1的ID号。
(3) 节点A通过记录与节点B通信的发送时刻和接收时刻来估算出节点B与其的时钟偏移, 并在时刻向节点B发送时钟调整信息;节点B在时刻受到同步控制信息后, 调整时钟从而达到与高级节点A的同步。
(4) 接着低级节点如节点B按照同样的同步方法建立下层的节点同步。如果在节点B发送时基信息后, 其通信的范围内存在与其等级相等或更高级别的节点时, 该节点丢弃来自节点B的时基信息。
(5) 如此循环最终使得所有的节点达到时基同步, 如图4所示。
4结论
在TD-SCDMA集群系统直通模式下, 由于没有中心基站来为所有节点提供统一的标准时钟, 因此要实现所有节点间通信就必须建立起一个通信网络[5]。本文通过分析时间同步技术中的各类时延, 进而提出了一种在TD数字集群直通模式下的分级网络构建的方法, 并给出了实现节点间时延的测定步骤过程。此方法能在一帧 (5ms) 内就能实现相邻节点间的时钟同步, 因此非常适合GT800系统的节点快速呼叫建立过程 (快速呼叫建立时间小于1s, PTT抢占时间小于500ms) 。
参考文献
[1]谢显中.TD-SCDMA第三代移动通信系统技术与实现.北京:电子工业出版社, 2004, 6
[2]颜迎春.数字集群技术及GT800系统新技术[J].广西通信技术, 2004 (3) :39-42
[3]苏燕, 季飞, 韦岗.基于TD-SCDMA集群直通模式的时钟同步[J].微计算机信息, 2008, 24 (15)
[4]孙冬梅, 韩令军, 罗磊.基于TD-SCDMA网络的集群直通模式[J].无线通信技术, 2008, 17 (3)
时钟同步技术 篇8
目前数字化变电站内的时钟同步技术主要有GPS同步、SNTP简单网络时间协议同步以及IEEE1588 PTP网络精确时间同步协议。
全球定位系统(GPS)在变电站自动化系统(SAS)中应用很多，GPS同步设备通过硬接线利用脉冲信号进行对时，具有精度高、成本低的特点，其相关技术已很成熟。但对于站内其它设备和系统对时，在通信协议和对时接口的兼容性上存在不足。
随着变电站的数字化发展，站内二次硬接线被串行通信线所取代，为此IEC 61850标准引入了简单网络时间协议(SNTP)作为网络对时协议。SNTP是互联网网络时间协议(NTP)的简化标准，在一定的网络结构下，NTP对时精度可达Tl等级(1ms)，广域网内误差范围为10觸100ms。NTP/SNTP的网络应用虽然较成熟且方便，但是实现T3等级精度很困难。
IEEE 1588标准用于数字化变电站内通信设备的时钟同步。IEEE 1588定义了一种用于分布式测量和控制系统的精密时间协议(PTP)，其网络对时精度可达μs级，具有高精度的分布式网络对时特点，其精度能够达到数字化变电站通信业务对时钟同步的要求。因此研究IEEE 1588在数字化变电站中的具体应用具有重要意义。
2 PTP精密时钟同步协议[1]
PTP系统中的时钟在结构上分为普通时钟(OC)与边界时钟(BC)，功能上解释为主时钟与从时钟。OC为只有一个PTP端口的对时源端或终端设备，BC为有多个PTP端口的交换机、路由器或智能设备。系统中的源时钟称为根时钟(GC)。
IEEE1588有三种工作模式：BC(Boundary Clock边界时钟模式)、TC E2E和TC P2P。
(1)BC模式
BC模式采用主从层次式结构来同步时钟，实现机制如图1所示。图中T1为主端发送同步报文的时间;T2为从端收到同步报文的时间;T3为从端发送延迟请求报文的时间;T4为主端收到延迟请求报文的时间。这里假设同步报文的收到延迟与延迟请求报文的发送延迟相同，即路径是对称的。
主从时钟间的偏移量Offset和传输延迟Delay的计算公式为：
BC模式的工作特点：必须内置高精度可调时钟源，以确保网络交换机PTP时钟的精确度。
(1)网络交换机分别作为主、从设备收发各种IEEE1588帧，其必须完全支持IEEE1588协议。
(2)BC网络交换机时钟传递的方式是逐级传递，会产生时间误差积累。
(2)TC E2E模式
E2E模式中网络交换机并不传递时钟，只是简单记录同步报文及延迟请求报文在交换机中的驻留时间，并且在后续报文的时间戳标记中把这部分时间扣除，其实现机制如图2所示。图中ΔS是SYNC报文在交换机中的驻留时间，ΔR是Delay_Req报文在交换机中的驻留时间。
主从时钟间的偏移量和传输延迟的计算公式为：
E2E模式的工作特点：
(1)网络交换机并不传递时钟，只是简单记录同步报文及延迟请求报文进出网络交换机的时间。
(2)E2E模式下的计算量要小于P2P模式，精度却要高于P2P模式。
(3)E2E模式下在局域网内有很多终端设备时，所有的延时请求报文都会汇聚给根时钟，对其造成较大响应负担，导致来不及响应，影响终端设备时钟同步精度。
(3)TC P2P模式
P2P模式对同步报文和跟随报文的处理方式与E2E模式大致相同，区别在于P2P网络交换机还需要事先测出主设备到交换机的线路时延，并将其加到Follow_up包的时间中。P2P网络交换机将延时请求和响应报文当作普通报文处理。其实现机制如图3所示。图3中主设备到网络交换机之间的线路延时定义为Delay_1，网络交换机到从设备之间的线路延时定义为Delay_2，从设备和网络交换机的时间差定义为Offset_2，ΔS为SYNC报文在网络交换机内的驻留时间，TS1、TS2分别是延时请求报文的时间接收时间和延时响应报文的实际发送时间。
主从时钟间的偏移量Offset和传输延迟Delay的计算公式为：
P2P模式的工作特点：
(1)P2P模式要求网络交换机测量主设备到其线路延时，并将延时值和SYNC包驻留时间加到Follow_up包中。
(2)P2P模式需计算和测量的时间量远多于E2E模式，因此其测量精度不如E2E。
(3)P2P模式下网络交换机将过滤所有的延时请求和响应报文，根时钟只需处理和其直接相连的网络交换机发出的延时请求报文。
3 IEEE1588 PTP在变电站内的应用分析
用于数字化变电站内设备的时钟同步的手段有多种多样，只有研究和分析数字化变电站各层设备对时钟同步精度的要求，比较各种时钟同步技术的优缺点，才提出适合于数字化变电站内设备间时钟同步的完整解决方案。
数字化变电站系统分为过程层、间隔层和站控层三层网络[2]，不同网络之间需要统一的全站统一同步时钟源作为授时和同步的基准。过程层对同步精度要求：过程层对同步精度要求最高，为us级。过程层要求信号具有实时性和一致性，而保证采集数据的实时性和一致性的基础和关键就是高精度的同步信号。间隔层对同步精度要求为ms级;站控层对同步精度要求为ms级。
IEEE 1588是网络对时方式，变电站通信网络拓扑的不同对其应用有较大影响。基于IEC 61850的数字化变电站典型的网络结构如图4所示[3]，图中虚线及虚线框分别为冗余网络和设备，router为路由器，switch为交换机。
4 IEEE1588在数字化变电站的应用解决方案[4]
为便于对同步过程的掌控，对IEEE 1588的站内应用做出几点限制：
(1)过程层、间隔层以及变电站层设备只作为对时网络末节点，扮演从时钟角色。
(2)通信网络中的交换机或路由器作为BC或从时钟参与整个对时过程。
(3)设置专用GC作为整个对时网络的时钟参考源，该GC可以有多个网口，但不是交换机或路由器。经过上述限制，数字化变电站对时网络的层次变得清晰，功能明确，通用性更强。
对于图4所示的网络结构，由于过程网络与站级网络相互独立，且有前面所述限制，过程网络与站级网络的对时将被隔开，对此有以下2种解决方法[5](见图5、图6)。
方案一：过程网络与站级网络都采用IEEE 1588进行高精度对时。专用GC分别连接到过程网络与站级网络，如图5所示。GC接入过程网络与站级网络中的交换机，如图4中的switch5和switch7，对时报文经由这些BC在GC与从时钟间进行交互，完成对时。此方法需要全站过程层和间隔层设备的以太网芯片、变电站层计算机的网卡以及通信网络中的交换机或路由器都支持IEEE 1588硬件对时，投资较大，但全站设备都能实现高精度时钟同步。
方案二：过程网络采用IEEE 1588对时，站级网络采用SNTP对时，如图6所示。SNTP服务器通过一个支持IEEE1588的网口作为从时钟与GC对时，通过另一不需支持IEEE 1588的网口接入站级网络，以SNTP方式对变电站层设备对时。过程网络的对时方法与方案一相同。此处的SNTP服务器可以和GC优化成一个时钟服务器，该时钟服务器一个网口以SNTP对时，一个网口以IEEE 1588对时，这样可以优化功能配置，节省投资。此方法针对变电站层设备对时钟同步精度要求较低的特点，省去了变电站层计算机网卡以及站级网络中的交换机或路由器对IEEE 1588的支持，将功能实现与经济性很好地结合在一起。
5 时钟同步系统冗余的实现
鉴于数字化变电站在电网中的重要地位，在组建站内通信网络和配置对时设备时，冗余措施必不可少，如图4中虚线所示。以图5过程网络对时为例，IEEE 1588对时的冗余备用可按下述方式配置：站内装设2套GC(命名为：GCl与GC2)，GC上可以有多个支持IEEE 1588的网口。GCl与GC2各有一个网口接至图4中的switch7，另一个网口接至switch8。GCl作为主GC在主过程网络与冗余过程网络上发送对时报文，GC2作为备用。当GCl正常工作时，GC2能接收到GCl发送的正确报文;当GCI工作不正常时，GC2可能收不到GCl发送的对时报文或者收到错误的报文，据此可以判断GCI出现故障并接替GCl进行对时服务。对于过程层与间隔层设备，主网口与冗余网口都会收到对时报文。如果主网口正常工作时冗余网口不工作，冗余网口MAC层收到的报文直接被后续报文覆盖，当主网口故障时，设备CPU判断后切换到冗余网口;如果主网口与冗余网口相互独立工作，则由设备CPU进行判别后对报文做出取舍。
6 结束语
在实际应用中，通信网络是比较复杂的，而解决方案都是类似的。
摘要：介绍了数字化变电站通信设备采用的三种时钟同步技术,分析了优缺点。重点研究了数字化变电站时钟同步技术国际标准IEEE1588PTP精密时钟同步协议,分析了工作模式,结合实际情况,给出了数字化变电站通信设备时钟同步的解决方案,最后给出了对时钟同步系统的冗余考虑。
关键词：数字变电站,时钟同步,通信设备
参考文献
[1]IEC61588,precision clock synchronization protocol for net wo-oked measurement and control systems[S].2004.
[2]TC57-WG57,IEC61850-5,Communication Requirements for F-unctions and Device Models[S].
[3]TC57-WG57,IEC61850-7,Communication networks and syste-ms in substations[S].
[4]赵上林,胡敏强,窦晓波,等.基于IEEE1588的数字化变电站时钟同步技术研究[J].北京:电网技术,2008,32(21).