CN101242231A - 面向电力系统同步相量测量的时钟同步装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了面向电力系统同步相量测量的时钟同步装置，其本地时钟同步模块通过网络协议连接组成同步授时网络，天线和GPS时间接收模块接收时间信息的信号，主模块解析出时间信息，对主模块中的本地实时时钟重新设定；主模块将其获得的时间信息通过网络协议，发送从模块，对从模块中的本地实时时钟重新设定，从而完成作为同步授时网络主从模块的本地时钟同步模块的授时。本发明的时钟同步装置采用高精度的GPS授时模式和低成本的主从网络授时模式，满足了电力系统同步相量测量对高精度时钟同步的要求，减小了全网内采用高精度GPS授时模式对GPS时间接收模块的依赖，降低了成本。

Description

面向电力系统同步相量测量的时钟同步装置

                            技术领域

本发明涉及一种时钟同步装置，具体来讲，涉及一种使电力系统同步相量测量网络中各个测量节点时钟同步的装置。

                            背景技术

现代电力系统中，同步相量测量系统用于提供具有全局同步时间印章的相量信息，为电力系统的动态状态估计、在线稳态分析提供数据。因此，该系统对确保电力系统的安全、稳定运行有着重要的意义。而作为同步相量测量系统的一个重要组成部分，时钟同步装置或者模块为其提供稳定的、高精度的时钟同步信号，以保证相量测量满足一定的精度要求。

目前在电力系统同步相量测量网络中，时钟同步方式主要有两种---广播式时钟同步和全网内采用高精度GPS授时模块式时钟同步。

广播式时钟同步在国内外变电站自动化系统中使用普遍，但由于传播过程中的延时误差，采用广播式时钟同步方式的校时精度很难得到保证，从而也限制了电力系统中全网同步相量测量的应用。近年来，随着GPS技术的发展和普及，采用全网内的高精度GPS授时模块式的时钟同步方法在电力系统同步相量测量中得到了快速地发展。全网内采用高精度GPS授时模块式时钟同步方法即是在每个相量测量节点都需要安装一个GPS高精度授时模块，从而实现所有测量节点的时钟同步。这种方法对GPS高精度授时模块的依赖性太大，而且GPS高精度授时模块价格较贵，当相量测量网络中的测量节点过多的话，整个时钟同步系统将大大增加整个相量测量系统的成本，不适合普遍推广。

近年来，随着IEEE1588协议的发展，采用IEEE1588协议实现高精度时钟同步的方法渐渐成为时钟同步领域中的研究热点。目前，IEEE1588协议普遍是由软件实现或是软件和硬件结合的方法实现，这样实现起来相对简单、经济，但是，其不足之处也是显而易见的：时钟同步精度不高，不能实现广域的高精度时钟同步等。

                            发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种经济的、高精度的、面向电力系统同步相量测量的时钟同步装置。

为实现上述发明目的，本发明的面向电力系统同步相量测量的时钟同步装置包括一天线和GPS时间接收模块，以及多个同步相量测量节点的本地时钟同步模块；

所述的本地时钟同步模块通过网络协议连接组成同步授时网络；

所述的天线和GPS时间接收模块接所述的本地时钟同步模块中的一个模块，该模块作为同步授时网络的主模块，其余本地时钟同步模块作为同步授时网络的从模块；

天线和GPS时间接收模块接收到GPS卫星发射的含有时间信息的信号，输入到同步授时网络的本地时钟同步模块中的主模块，解析出时间信息，根据解析出的时间信息，对主模块中的本地实时时钟重新设定，从而完成作为同步授时网络主模块的本地时钟同步模块的授时；

作为同步授时网络主模块的本地时钟同步模块将其获得的时间信息通过网络协议，发送到作为同步授时网络从模块的本地时钟同步模块中，对从模块中的本地实时时钟重新设定，从而完成作为同步授时网络从模块的本地时钟同步模块的授时。

作为本发明的一种实施方式，所述的作为同步授时网络主模块的本地时钟同步模块中还包括有一时间解析延时计时器；

所述的GPS时间接收模块接收到时间信息信号时，发出一脉冲，输出到时间解析延时计时器，使其清零，并重新开始计时；

所述的作为同步授时网络主模块的本地时钟同步模块解析出的时间信息与时间解析延时计时器的计时相加后，对该模块中的本地实时时钟重新设定，从而完成作为同步授时网络主模块的本地时钟同步模块的授时。

作为本发明的一种实施方式，所述的本地时钟同步模块还包括控制逻辑模块、IEEE 1588模块和实现TCP/IP协议数据链路层、网络层和传输层的TCP/IP协议栈硬件实现模块以及实现TCP/IP协议物理层的物理接口收发器PHY模块，用以实现连接组成同步授时网络；

作为同步授时网络主模块的本地时钟同步模块中的控制逻辑模块向IEEE1588模块发送一个同步开始信号，IEEE1588模块接收到同步开始信号后生成同步报文，并将该报文交由TCP/IP协议栈硬件实现模块发送，当该报文的第一个数据位被发送给PHY模块时，TCP/IP协议栈硬件实现模块对控制逻辑模块产生一个中断信号，控制逻辑模块接收到该中断信号记录住本地时钟所指示的时间Tm1；IEEE1588模块通过TCP/IP协议栈硬件实现模块发送含有所记录本地时钟时间Tm1的跟随报文；

作为同步授时网络从模块的本地时钟同步模块的TCP/IP协议栈硬件实现模块接收到同步报文和跟随报文的第一个数据位，TCP/IP协议栈硬件实现模块都向控制逻辑模块产生中断，控制逻辑模块接收到该中断信号记录住本地时钟模块所指示的时间Ts1、Ts2，同时，将报文交由IEEE1588模块解析；根据解析报文的结果，IEEE1588模块生成相应的延时请求报文，并交由TCP/IP协议栈硬件实现模块发送出去；

作为同步授时网络主模块的本地时钟同步模块接收到延时请求报文时，对IEEE1588模块和控制逻辑模块分别产生中断，记录住本地时钟所指示的时间Tm3，IEEE1588模块生成相应的延时响应报文，并交由TCP/IP协议栈硬件实现模块发送出去，延时响应报文含有Tm3信息；

作为同步授时网络从模块的本地时钟同步模块接收到延时响应报文，TCP/IP协议栈硬件实现模块对IEEE1588模块产生中断，并将该延时响应报文交由IEEE1588模块解析处理：

$\mathrm{Dealy}=\frac{(\mathrm{Ts}1-\mathrm{Tm}1)+(\mathrm{Tm}3-\mathrm{Ts}2)}{2}---\left(1\right)$

         Offset＝Ts1-Tm1-Delay                        (2)

Dealy表示从时钟与主时钟之间的网络延时，Offset表示从时钟与主时钟之间的时间偏差；

根据处理得到的Offset值，对该从模块中的本地实时时钟重新设定，从而完成作为同步授时网络从模块的本地时钟同步模块的授时。

依据本发明的面向电力系统同步相量测量的时钟同步装置，在电力系统同步相量测量系统中，根据地理等因素将整个相量测量节点构成网络划分为几个子网，各个子网之间通过GPS时间接收模块实现时钟同步，子网内部采用本发明的时钟同步装置实现时钟同步。

由于本发明的时钟同步装置采用高精度的GPS授时模式和低成本的主从网络授时模式，这种时钟同步模式既可以满足电力系统同步相量测量对高精度时钟同步的要求，又大大减小了全网内采用高精度GPS授时模式对GPS时间接收模块的依赖，降低了成本。

                            附图说明

图1是本发明面向电力系统同步相量测量的时钟同步装置原理框图；

图2是图1所示的本地时钟同步模块的一种具体实施方式原理框图；

图3是时钟特性寄存器格式；

图4是同步触发寄存器格式；

图5是IEEE1588协议的时钟同步过程示意图。

                          具体实施方式

下面结合附图，对本发明优选具体实施方式进行描述。需要提醒注意的是，尽管相似部件出现在不同附图中，但它们被赋予相似的附图标记。在以下的描述中，当采用的已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主题内容时，这些描述在这儿将被忽略。

图1是本发明面向电力系统同步相量测量的时钟同步装置原理框图。图中，该时钟同步装置包括一天线和GPS时间接收模块1，以及多个同步相量测量节点的本地时钟同步模块2。本地时钟同步模块2通过网络协议连接组成同步授时网络，与天线和GPS时间接收模块1连接的本地时钟同步模块2为同步授时网络的主模块，其余本地时钟同步模块2为从模块；

天线和GPS时间接收模块1接收到GPS卫星发射的含有时间信息的信号，输入到同步授时网络的本地时钟同步模块2中的主模块，解析出时间信息，根据解析出的时间信息，对主模块中的本地实时时钟重新设定，从而完成作为同步授时网络主模块的本地时钟同步模块的授时。作为同步授时网络主模块的本地时钟同步模块将其获得的时间信息通过网络协议，发送到作为同步授时网络从模块的本地时钟同步模块中，对从模块中的本地实时时钟重新设定，从而完成作为同步授时网络从模块的本地时钟同步模块的授时。

图2是图1所示的本地时钟同步模块的一种具体实施方式原理框图。图中的本地时钟同步模块既可以用作同步授时网络的主模块，也可以用作从模块，用户可以通过控制接口，设置对外寄存器的参数实现。

控制逻辑模块201控制波形发生及波特率产生模块202产生符合NMEA-0183协议的时钟信号，提供信号读取所需要的时钟节拍，即波特率为9600Baud的方波。该时钟信号用于GPS模块硬件接口模块203读取天线和GPS时间接收模块1输入来的含有时间信息的信号，送入GPS信息解析模块204中解析出时间信息，并转换为特定的数据格式，对本地时钟模块205内的本地实时时钟的重新设定。

在本实施例中，用于读取并解析GPS时间接收模块1内的、接收来自GPS卫星的时间信息，整个GPS时间信息的读取和解析是基于NMEA-0183协议实现的；

在本实施例中，解析出时间信息的格式为：“YYYYMMDDHHFFSS”的时间数据，其中“YYYY”为年，“MM”为月，“DD”为日，“HH”为时，“FF”为分，“SS”为秒，例如“20080220211006”即为2008年02月20日21点10分06秒。该时间数据用于本地实时时钟的年、月、日、时、分、秒重新设定。

本地时钟模块205中还有一时间解析延时计时器，天线和GPS时间接收模块1接收到时间信息信号时，发出一脉冲，输出到时间解析延时计时器，使其清零，并重新开始计时。在本实施例中，由于该脉冲每一秒发送一次，该脉冲也称为秒脉冲。

GPS模块硬件接口模块203和GPS信息解析模块204解析出的时间信息与时间解析延时计时器的计时相加后，对本地实时时钟重新设定，从而完成作为同步授时网络主模块的本地时钟同步模块的授时。

在本实施例中，本地时钟模块205内置的时间解析延时计时器对10⁹Hz的计时脉冲进行计数。每当本地时钟模块205接收到秒脉冲时，该计时器就清零，并重新开始计时，计时所得到的数即是本地实时时钟所指示时间的纳秒部分。解析出的时间信息与时间解析延时计时器的计时相加后，对本地实时时钟重新设定，从而完成作为同步授时网络主模块的本地时钟同步模块的授时。

在本实施例中，GPS模块硬件接口模块203和GPS信息解析模块204接收本身的延迟和解析的延迟，会影响授时精度。本实施例，采用硬件解析含有时间信息的GPS信号和秒脉冲控制时间解析延时计时器相结合的方式对本地实时时钟重新设定，提高授时精度。

在本实施例中，本地时钟同步模块还包括有一对外寄存器206，用户可以通过控制接口设置其存储数据。对外寄存器206包括时钟特性寄存器和同步触发寄存器，所有寄存器数据格式都为二进制格式。

图3是时钟特性寄存器格式。图中，时钟源为2位：00表示该本地时钟同步模块为同步授时网络主模块，1x表示从模块，其它数据格式保留。在本实施例中，用户可以通过现场设置时钟源的方式，将图2所示的本地时钟同步模块设定为主模块或从模块，从而实现模块的独立和生产制造的标准化。跳数是指主模块与从模块线路之间的集线器个数，3位，即是说，跳数至多为8。时钟级别是指本地时钟模块5的稳定性，3位，一律为000，即不使用，其它数据格式保留。时钟标志为该本地时钟同步模块的标志，以区别其它本地时钟同步模块，为8位，可任意设定，但同一同步授时网络的本地时钟同步模块的时钟标志不能一样。上述参数是根据IEEE1588协议要求设定的。

图4是同步触发寄存器格式。同步触发寄存器用于控制本地时钟模块205同步触发信号的脉冲信号输出。时、分、秒、微秒分别为8位、8位、8位、16位，当触发模式为单次触发模式时，它们指示当天同步触发的时刻，当触发模式为连续触发模式时，它们指示当天第一次同步触发的时刻。间隔秒、间隔微秒分别为8位、16位，它们指示当同步寄存器触发模式为连续触发模式时触发时间的间隔。触发模式为8为，0xxxxxxx表示单次触发，1xxxxxxx表示连续触发模式。同步触发信号的脉冲信号用于控制电信号采样装置的工作，电信号采样装置每接收到一个同步触发信号的脉冲信号就进行一次采样。

图5是IEEE1588协议的时钟同步过程示意图。结合图2，在本实施例中，本地时钟同步模块的控制逻辑模块201、IEEE1588模块207和实现TCP/IP协议数据链路层、网络层和传输层的TCP/IP协议栈硬件实现模块208以及实现TCP/IP协议物理层的物理接口收发器PHY模块209，用以实现连接组成同步授时网络，即本地时钟同步模块的物理接口收发器PHY模块209通过外部的交换机构成同步授时以太网。

作为同步授时网络主模块的本地时钟同步模块中的控制逻辑模块201向IEEE1588模块207发送一个同步开始信号，IEEE1588模块207接收到同步开始信号后生成同步报文，并将该报文交由TCP/IP协议栈硬件实现模块208发送，当该报文的第一个数据位被发送给PHY模块209时，TCP/IP协议栈硬件实现模块208对控制逻辑模块201产生一个中断信号，控制逻辑模块201接收到该中断信号记录住本地实时时钟所指示的时间Tm1，即同步报文发送时间；IEEE1588模块207通过TCP/IP协议栈硬件实现模块208发送含有所记录本地时钟时间Tm1，即同步报文发送时间的跟随报文，跟随报文发送时间为Tm2。

作为同步授时网络从模块的本地时钟同步模块的TCP/IP协议栈硬件实现模块208接收到同步报文和跟随报文的第一个数据位，TCP/IP协议栈硬件实现模块208都向控制逻辑模块201产生中断，控制逻辑模块201接收到该中断信号记录住本地时钟模块所指示的时间Ts1、Ts2，即同步报文接收时间和跟随报文接收时间。同时，将报文交由IEEE1588模块207解析；根据解析报文的结果，IEEE1588模块207生成相应的延时请求报文，并交由TCP/IP协议栈硬件实现模块208发送出去，延时请求报文发送时间为Ts3。

作为同步授时网络主模块的本地时钟同步模块接收到延时请求报文时，对IEEE1588模块207和控制逻辑模块201分别产生中断，记录住本地时钟所指示的时间Tm3，即延时请求报文接收时间；IEEE1588模块207生成相应的延时响应报文，并交由TCP/IP协议栈硬件实现模块208发送出去，延时响应报文含有Tm3时间信息，延时响应报文发送时间为Tm4；

作为同步授时网络从模块的本地时钟同步模块接收到延时响应报文，接收时间为Ts4；TCP/IP协议栈硬件实现模块208对IEEE1588模块207产生中断，并将该延时响应报文交由IEEE1588模块207解析处理：

$\mathrm{Dealy}=\frac{(\mathrm{Ts}1-\mathrm{Tm}1)+(\mathrm{Tm}3-\mathrm{Ts}2)}{2}---\left(1\right)$

         Offset＝Ts1-Tm1-Delay                    (2)

Dealy表示从时钟与主时钟之间的网络延时，Offset表示从时钟与主时钟之间的时间偏差；

根据处理得到的Offset值，对该从模块中的本地实时时钟重新设定，从而完成作为同步授时网络从模块的本地时钟同步模块的授时。

需要说明的是，在本实施例中，构成同步授时网络的本地时钟同步模块硬件上是完全一致的，用户可以通过现场时钟源的方式，本地时钟同步模块设定为主模块或从模块。因而，在上述说明中各硬件模块采用了相同的附图标记，在说明中用主模块或从模块加以限定。

在本实施例中，同步授时网络是被IEEE1588协议报文独享的，也就是说，该同步授时网络只进行授时相关的报文发送和接收，不用作其它数据或报文的传送，这样克服其数据或报文传送带来的延时，从而提高授时的精度。

在本实施例中，为了实现高精度的时钟同步和模块功能的独立，本发明采用硬件实现TCP/IP协议、IEEE1588协议和GPS解析：

(1)根据IEEE1588协议，时间印章的获取越接近网络物理媒介，IEEE1588协议所能实现的时钟同步精度就越高。为此，本发明采用硬件实现TCP/IP协议栈和IEEE1588协议，这样就可以在MAC层以下，PHY层以上获得较高精度的时间印章。

(2)将功能模块和本地实时时钟集成在一个电路中，并采用FPGA实现该电路，这样实现该时钟同步模块功能的独立。

在本实施中，电源模块210向时钟同步模块装置提供电源和时钟同步模块的电路复位；

晶振模块211向整个时钟同步模块装置提供初始的外部时钟信号。

本发明是对电力系统同步相量测量的时钟同步中现有技术的革新和完善，不包括物理层的TCP/IP协议、IEEE1588协议、GPS时间信息的读取和解析用硬件实现，并将它们集成在一片FPGA芯片中，通过GPS时间接收模块1、PHY模块209和FPGA模块，完成对电力系统同步相量测量系统中各个测量节点的时钟同步。同时将该FPGA芯片和GPS时间接收模块1、PHY模块209等其它功能模块集成在本地时钟同步模块2内，通过对外寄存器设置其主从模式，实现了本地时钟同步模块2的功能独立和标准化。

本发明与现有技术中面向电力系统同步相量测量的时钟同步装置相比，具有时钟同步精度高，经济，外围接口简单的特点，完全可以满足电力系统中同步相量测量对时钟同步的要求。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，但应当清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1、一种面向电力系统同步相量测量的时钟同步装置，其特征在于，包括一天线和GPS时间接收模块，以及多个同步相量测量节点的本地时钟同步模块；

所述的本地时钟同步模块通过网络协议连接组成同步授时网络；

所述的天线和GPS时间接收模块接所述的本地时钟同步模块中的一个模块，该模块作为同步授时网络的主模块，其余本地时钟同步模块作为同步授时网络的从模块；

天线和GPS时间接收模块接收到GPS卫星发射的含有时间信息的信号，输入到同步授时网络的本地时钟同步模块中的主模块，解析出时间信息，根据解析出的时间信息，对主模块中的本地实时时钟重新设定，从而完成作为同步授时网络主模块的本地时钟同步模块的授时；

作为同步授时网络主模块的本地时钟同步模块将其获得的时间信息通过网络协议，发送到作为同步授时网络从模块的本地时钟同步模块中，对从模块中的本地实时时钟重新设定，从而完成作为同步授时网络从模块的本地时钟同步模块的授时。

2、根据权利要求1所述的时钟同步装置，其特征在于，所述的作为同步授时网络主模块的本地时钟同步模块中还包括有一时间解析延时计时器；

所述的天线和GPS时间接收模块接收到时间信息信号时，发出一脉冲，输出到时间解析延时计时器，使其清零，并重新开始计时；

所述的作为同步授时网络主模块的本地时钟同步模块解析出的时间信息与时间解析延时计时器的计时相加后，对该模块中的本地实时时钟重新设定，从而完成作为同步授时网络主模块的本地时钟同步模块的授时。

3、根据权利要求1所述的时钟同步装置，其特征在于，所述的本地时钟同步模块还包括控制逻辑模块、IEEE1588模块和实现TCP/IP协议数据链路层、网络层和传输层的TCP/IP协议栈硬件实现模块以及实现TCP/IP协议物理层的物理接口收发器PHY模块，用以实现连接组成同步授时网络；

作为同步授时网络主模块的本地时钟同步模块中的控制逻辑模块向IEEE1588模块发送一个同步开始信号，IEEE1588模块接收到同步开始信号后生成同步报文，并将该报文交由TCP/IP协议栈硬件实现模块发送，当该报文的第一个数据位被发送给PHY模块时，TCP/IP协议栈硬件实现模块对控制逻辑模块产生一个中断信号，控制逻辑模块接收到该中断信号记录住本地实时时钟所指示的时间Tm1；IEEE1588模块通过TCP/IP协议栈硬件实现模块发送含有所记录本地时钟时间Tm1的跟随报文；

作为同步授时网络从模块的本地时钟同步模块的TCP/IP协议栈硬件实现模块接收到同步报文和跟随报文的第一个数据位，TCP/IP协议栈硬件实现模块都向控制逻辑模块产生中断，控制逻辑模块接收到该中断信号记录住本地时钟模块所指示的时间Ts1、Ts2，同时，将报文交由IEEE1588模块解析；根据解析报文的结果，IEEE1588模块生成相应的延时请求报文，并交由TCP/IP协议栈硬件实现模块发送出去；

作为同步授时网络主模块的本地时钟同步模块接收到延时请求报文时，对IEEE1588模块和控制逻辑模块分别产生中断，记录住本地时钟所指示的时间Tm3，IEEE1588模块生成相应的延时响应报文，并交由TCP/IP协议栈硬件实现模块发送出去，延时响应报文含有Tm3时间信息；

作为同步授时网络从模块的本地时钟同步模块接收到延时响应报文，TCP/IP协议栈硬件实现模块对IEEE1588模块产生中断，并将该延时响应报文交由IEEE1588模块解析处理：

$\mathrm{Dealy}=\frac{(\mathrm{Ts}1-\mathrm{Tm}1)+(\mathrm{Tm}3-\mathrm{Ts}2)}{2}---\left(1\right)$

         Offset＝Ts1-Tm1-Delay                        (2)

Dealy表示从时钟与主时钟之间的网络延时，Offset表示从时钟与主时钟之间的时间偏差；

根据处理得到的Offset值，对该从模块中的本地实时时钟重新设定，从而完成作为同步授时网络从模块的本地时钟同步模块的授时。

4、根据权利要求3所述的时钟同步装置，其特征在于，所述的同步授时网络是被IEEE1588协议报文独享的。

5、根据权利要求1所述的时钟同步装置，其特征在于，所述的本地时钟同步模块中有一对外寄存器，用于设定该本地时钟同步模块在同步授时网络的主从模式。

6、根据权利要求5所述的时钟同步装置，其特征在于，所述的外寄存器中有一同步触发寄存器，用于控制电信号采样装置的工作，电信号采样装置每接收到一个同步触发信号的脉冲信号就进行一次采样。

7、根据权利要求6所述的时钟同步装置，其特征在于，所述的同步触发寄存器控制采样的时间和采用为单次触发模式还是连续触发模式。

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