CN101789627B - 高精度以太网对时装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度以太网对时装置，其特征在于：硬件包括时间处理模块CPU、时间处理模块CPU通过BUS总线与时间处理FPGA相接、通过串口与GPS接收模块相接、通过对时信号与IEEE1588地面同步网模块相接，所述IEEE1588地面同步网模块包括IXP425处理器和IEEE1588FPGA接口，所述的低温漂移晶振作为晶振源接入FPGA锁相环，所述时钟接口FPGA、IEEE1588地面同步网模块和时间处理模块CPU设置有对时信号输出接口。本发明可用于建设IEEE1588地面时间同步网，支持时钟天地互备自动切换，在电力系统II区以太网中且路由器交换机等不支持IEEE1588的情况下能达到100us的对时精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种支持IEEE1588协议的高精度以太网对时装置，同步精度可达到亚微妙级别，采用该装置可以构建电力系统地面同步网，也适合其他需要高精度远程授时场合，属于网络时钟同步技术领域。
背景技术
随着电网的日趋复杂，具有统一的时间同步已成为现代电网必要技术基础之一。电网事故的发生往往会导致巨大的经济损失与社会影响，而已发生的多起大电网事故表明，现在的电网中或多或少存在着时间不同步的问题，给事故分析带来了很大的困难。目前电网中主要通过GPS在卫星时标的驱动下建立全网统一时间，无线信号易受天气、位置、电磁环境等的干扰。在GPS卫星故障、天线受损、空间电磁场干扰时，统一的时间就完全依赖装置内部的晶体振荡器时钟来保持，一般最好的晶体振荡器在4S/月(1ppm精度)，大部分在10-20S/月(3-5ppm精度)，这时统一的时间就难以维持较长时间，会很快产生偏差，导致全网时间的不统一。
因此，本发明提供后备技术手段实现GPS在失星后，当其精度偏差大于一定幅度的情况下可接收远程的中心站对变电站内时钟授时，实现天地互备的地面同步网支撑，以确保变电站内时钟与全网时钟保持高精度同步。电力系统大部分业务对时间同步的精度要求在1ms以上，采用的地面同步网技术应尽可能利用现有的通讯网络，实现低成本、低工程量的地面同步网建设方案。
发明内容
为解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高精度以太网对时装置，支持在以太网中采用IEEE1588协议实现远程授时，适用于电力系统中高精度地面同步网的建设。
为实现上述发明目的，本发明是采取以下的技术方案来实现的：
一种高精度以太网对时装置，其特征在于：硬件包括时间处理模块CPU、时间处理模块CPU通过BUS总线与时钟处理FPGA相接、通过串口与GPS接收模块相接、通过对时信号与IEEE1588地面同步网模块相接，所述IEEE1588地面同步网模块包括IXP425处理器和IEEE1588FPGA接口，所述的低温漂移晶振作为晶振源接入FPGA锁相环，所述时钟接口FPGA、IEEE1588地面同步网模块和时间处理模块CPU设置有对时信号输出接口。
前述的高精度以太网对时装置，其特征在于：所述的低温漂移晶振是精度为0.05PPM的低温漂守时晶振。
前述的高精度以太网对时装置，其特征在于：所述时钟接口FPGA与信号扩展板相连，完成各种普通对时扩展信号与时间处理模块CPU之间的接口。
前述的高精度以太网对时装置，其特征在于：所述时间处理模块CPU为32位ARM9处理器，所述ARM9处理器包括：
时间基准源判别模块：判别时间基准源，得到基准时间，在失星的情况下进入晶振守时状态，当守时出现较大偏差后，自动切换到IEEE1588工作模式；
信号处理模块：处理各种串口对时通信报文和各种接口方式的脉冲对时信号的输出。
前述的高精度以太网对时装置，其特征在于：所述的IXP425处理器包括时钟偏移处理模块，根据网络的结构采用IEEE1588V2时间跟踪算法，计算IEEE1588网络延迟测量和时钟偏移测量；滤波模块，用于将网络延迟测量和时钟偏移测量的数据滤波得到相对精确的值。
前述的高精度以太网对时装置，其特征在于：所述的IEEE1588FPGA接口包括以下功能模块：
时钟类判别模块：根据GPS时间质量判断，时间质量越高，时钟类越高；若时钟设备时钟类选择固定时钟类，则时钟设备时钟类为固定值，不会随着GPS时间质量而变化；根据最佳时钟算法选择各IEEE1588端口的最佳时钟类；
最佳主时钟判别模块：用于将时钟设备时钟类与各IEEE1588端口的最佳时钟类进行比较，若时钟设备时钟类优则时钟设备选择主时钟模式，否则时钟设备为从时钟模式；
调整时钟模块：根据网络延迟和偏差计算，不断调整本地时钟时间，使之与主时钟时间同步为止，若为主时钟模式，则不调整本地时钟；
发送IEEE1588地面同步网模块对时脉冲模块：时钟设备处于从时钟模式，并且本地时钟调整完毕，向CPU模块发送对时脉冲信号，此时若CPU模块判断IEEE1588地面同步网模块对时信号质量优于自身时间质量则切换至IEEE1588模式，若时钟设备处于主时钟模式则不发送对时脉冲。
前述的高精度以太网对时装置，其特征在于：所述各对时信号输出接口支持秒分时脉冲、串口报文、NTP协议、IRIG-B码、DCF77、IEEE1588时间信号输出。
前述的高精度以太网对时装置，其特征在于：所述的PPS/PPM/PPH/DCF77/IRIG-B脉冲信号电平接口满足TTL、24V、差分485，及无源空节点四种类型，所有输出信号均由光耦隔离，其中差分485信号不仅光耦隔离，而且通道之间通过DC-DC隔离，隔离耐压大于2500V。
前述的高精度以太网对时装置，其特征在于：所述的脉冲对时输出信号IRIG-B具有多模ST光纤同步接口，可通过光纤为扩展时钟装置提供时间基准源。
前述的高精度以太网对时装置，其特征在于：所述ARM9处理器还设置有远程配置软件，远程监视对时装置的运行状态、功能定制、参数修改。
所述装置运行状态包括装置时间、GPS接收模块的秒脉冲及串口输出是否正常、硬件自检是否正常、当前时间源为GPS时间源/内部守时/IEEE1588模块时间、装置守时时长、当前守时精度、恒温晶振频率、接收卫星数、经度纬度、电网频率测量、各个端口的对时信号输出是否正常等。
所述的装置远程配置软件可配置任意通道上的脉冲信号输出类型(秒/分/时/IRIG-B/DCF77)设置、脉宽设置、延时补偿、端口输出延时测量、串口输出报文定制等功能。
所述的装置远程配置软件，可远程配置IEEE1588相关参数，如主域、传输层、主端表等参数。
本发明的高精度以太网对时装置，支持IEEE1588第二版IPV4标准，是IEEE1588边界时钟，在与其它IEEE1588时钟装置级联的时候，可通过精度对比，自动适应作为主钟为下一级授时或作从钟接收上一级时间调整自身。具有两个时间基准源，一个为GPS卫星时间，另一个为IEEE1588地面时间源。卫星时间为主，IEEE1588地面时间为辅。具有IEEE1588地面同步网接口，实现了天地互备，在失星的情况下进入晶振守时状态，当守时出现较大偏差后，自动切换到IEEE1588工作模式，可通过IEEE1588接收中心站IEEE1588主钟的远程授时。可在调度中心主站和变电站侧分别安装高精度以太网对时装置，构成电力系统基于IEEE1588的地面同步网。在电力II区以太网络中，在交换机、路由器尚不支持IEEE1588的条件下，同步精度可达到100us以内，在交换机、路由器尚支持IEEE1588的条件下，同步精度可达到1us以内。
本发明的有益效果是：本发明可用于建设IEEE1588地面时间同步网，支持时钟天地互备自动切换，在电力系统II区以太网中且路由器交换机等不支持IEEE1588的情况下能达到100us的对时精度，能满足绝大部分电力业务时间同步要求，通过配置软件可以远程实现时钟设备的脉冲信号输出类型、脉宽、延时补偿、端口输出延时测量及串口输出报文的定制，提高了运行维护管理手段。本发明对于电网建设协调统一的电力通信时钟同步及时间同步网，形成天地互备的电力系统时间同步体系具有重要意义，有利于保障全网时间同步统一，提高了变电站的综合自动化水平，确保供电安全可靠。
附图说明
图1是本发明实施例一的装置接口示意图；
图2是本发明实施例一的硬件框架示意图；
图3是本发明实施例一的IEEE1588 FPGA接口模块硬件设计框图
图4是本发明实施例一的以太网MAC接收模块状态机转换图；
图5是本发明实施例一的以太网MAC发送模块状态机转换图；
图6是本发明实施例一的IEEE1588时钟同步过程示意图；
图7是本发明实施例一的装置电源布置示意图；
图8是本发明实施例一的装置485接口防雷设计示意图；
图9是本发明实施例一的远程配置软件界面；
图10是本发明实施例一的IEEE1588参数远程配置软件界面；
图11是本发明实施例一的电力系统II区高精度以太网对时示意图；
图12是本发明实施例一的电力系统IEEE1588地面同步网示意图。
具体实施方式
以下结合附图实例对本发明做进一步详细描述：
图1是本发明实施例一的装置接口示意图
各功能接口主要有五类：
普通对时信号接口(脉冲对时和串口对时)；
地面同步网接口，提供IEEE1588同步
如图1所示，装置具有6个以太网口。其中ETH1和ETH2为CPU模块以太网，具有调试和NTP服务功能；IEEE1588模块中的ETH3-6均可作为IEEE1588模块的调试端口，ETH4-6支持IEEE1588以太网授时。卫星同步正常时，通过卫星同步口接收卫星时间，并对外输出各种对时信号；当失星时，高精度以太网对时装置自动切换为地面同步模式，通过地面同步网接口与主站进行时间报文传递，并计算出精确的时间差，调整自身时间与主站IEEE1588主时钟相一致。
图2显示了本发明实施例一的硬件框架示意图，主要描述了时间基准源输入接口和对时信号输出接口；
●时间基准源输入接口
具有两个时间基准源，互为备用。GPS卫星时间源经由GPS接收模块接收到卫星时间之后，通过串口RS232与1PPS秒脉冲送至ARM处理器。另一个IEEE1588时间源则通过IEEE1588地面同步网模块与ARM处理器之间的对时接口获得。当ARM处理器接收到两个时间源的信息之后，选择一个作为基准时间源。原则是GPS卫星时间为主，IEEE1588时间为辅。
●对时信号输出接口
高精度以太网同步装置可以对外输出各种接口方式对时信号，如串口报文同步、PPS/PPM/PPH/IRIG/DCF77脉冲对时信号，以及NTP网络对时。其中串口接口电平满足RS232和RS485，脉冲对时信号电平接口满足TTL、差分485、24V、无源空节点四种。
所述的所有对时信号均有各种扩展板输出。高精度以太网同步装置的时间处理模块共有5个扩展端口。各端口与实践处理模块之间的信号接口保持一致，保证扩展板卡插拔任意性。如图所示，所有的脉冲输出信号均有FPGA输出。FPGA与ARM处理器之间的接口协调控制输出信号的类型及各类参数，如脉宽、延迟补偿等。一部分串口输出有ARM处理器自身串口输出，一部分由FPGA内部组成的串口模块实现。
另需要指出的是，图中4个普通扩展口，用于接各种扩展板，输出各种对时信号。另一个IEEE1588地面同步网模块接口具有两种功能。一、作为普通扩展口，接各种信号扩展板，输出各种对时信号。二、接IEEE1588地面同步网模块时，具有IEEE1588以太网对时功能，作为主钟或从钟与网络中的所有支持IEEE1588的时钟设备进行同步或被同步。
图3显示了本发明实施例一的IEEE1588FPGA接口模块硬件设计框图。接口插件通过FPGA实现支持IEEE1588的以太网MAC设计，测量并记录IEEE1588报文的发送和接收的精确时间，通过总线与主板CPU进行数据交换，完成时间校正计算，调整自身时钟时间，最终实现从站与主站时间同步的目的。
图4显示了本发明实施例一以太网MAC接收模块状态机转换图，MAC接收模块共有六个状态，具体定义如下表所示：
| 序号 | 状态 | 说明 |
| 1 | IDLE | 空闲 |
| 2 | PREAMBLE | 收到了05，等待0D(表示数据的开始) |
| 3 | SFD | 收到了0D，下个周期即进入DATA |
| 4 | DATA0 | 接收数据状态nibble0 |
| 5 | DATA1 | 接收数据状态nibble1 |
| 6 | DROP | RX_DV处于有效状态，但是本包已处于被丢弃状态。 |
表1接收模块状态机
图5显示了本发明实施例一以太网MAC发送模块状态机转换图，以太网MAC发送模块共有9个状态，具体说明如下表2所示：
| 序号 | 状态 | 说明 |
| 1 | IDLE | 空闲状态 |
| 2 | PREAMBLE | 发送前缀字节 |
| 3 | DATA | 发送数据阶段 |
| 4 | PAD | 发送补缺字节阶段 |
| 5 | FCS | 发送CRC字节阶段 |
| 6 | DEFER | 发送有关操作完成后，等待CRS为0阶段 |
| 7 | IPG | 帧间空隙阶段 |
| 8 | JAM | 发生冲突后，发送JAM字节阶段 |
| 9 | BACK_OFF | 发生冲突后，重试前等待阶段 |
表2以太网MAC发送模块状态说明图
图6显示了本发明实施例一IEEE1588时钟同步过程示意图，分为以下四个步骤：
1)时钟类的判别
时钟类分为时钟同步设备时钟类和端口时钟类两种。
时钟设备时钟类根据GPS时间质量判断，时间质量越高，时钟类级别越高。若时钟设备时钟类选择固定时钟类，则时钟设备时钟类为固定值，不会随着GPS时间质量而变化。
IEEE1588模块具有三个支持IEEE1588端口，各个端口根据最佳时钟算法选择各端口的最佳时钟类，共三个端口的最佳时钟类。
2)最佳主时钟判别
时钟设备时钟类与三个端口的最佳时钟类进行比较。若时钟设备时钟类优则时钟设备选择主时钟模式，否则时钟设备为从时钟模式。
3)调整时钟
若时钟设备处于从时钟模式，则根据网络延迟和偏差计算，不断调整本地时钟时间，使之与主时钟时间同步为止。若为主时钟模式，则不必调整本地时钟。
4)发送IEEE1588模块对时脉冲
时钟设备处于从时钟模式，并且本地时钟调整完毕，向CPU模块发送对时脉冲信号，此时若CPU模块判断IEEE1588模块对时信号质量优于自身时间质量则切换至IEEE1588模式。若时钟设备处于主时钟模式则不发送对时脉冲。
图7显示了本发明实施例一装置电源布置示意图，GPS天线弱信号与GPS模块以及测试信号共地，并且接至机箱外壳地。接收机装置内部地与外壳地间通过电源模块的电容一点连接。当大地电流(通常一次系统短路或雷击放电时产生)流过装置外壳时，不会与内部系统间产生分流效果，内部弱信号电源平面等不会流过大电流而把内部系统损毁；不会由于电流的流过产生地电位差的干扰。GPS天线和模块的电源由独立的24V提供，与主板的3.3V和5V相隔离，使得GPS模块和主板之间的干扰降到最低。
图8显示了本发明实施例一装置485接口防雷设计示意图，485串口和差分脉冲信号采用双绞线作传输线，在雷雨季节，常发生因雷电在传输线上引起瞬变干扰而损坏器件的事件。装置以TED-485防雷管为基础，对RS485接口芯片构建初级和次级两级防雷电路。初级的三个TED-485防雷管，分别提供线线间和线地间的防雷击过压保护。次级保护使用TVS管，其作用是吸收上述的尖峰电压，将电压可靠地箝位在安全范围内。初级和次级之间通过自恢复保险丝实现对电路的隔离。该电路实现对RS-485接口的整体防雷击和过压保护。
图9显示了本发明实施例一的远程配置软件界面，该远程配置软件可以支持任意通道上的脉冲信号输出类型(秒/分/时/IRIG-B/DCF77)设置、脉宽设置、延时补偿、端口输出延时测量、串口输出报文定制等功能。
图10显示了本发明实施例一装置的IEEE1588参数远程配置软件界面，可远程灵活配置IEEE1588所需的参数，实现对域配置、传输层配置、主端表配置等。
图11、图12显示了本发明实施例一在电力系统II区以太网上搭建IEEE1588地面同步网示意图，构成以调度中心为IEEE1588主站、变电站为IEEE1588从站的同步网络，支持天地互备自动切换，在GPS失星后偏差过大的情况下，自动切换到IEEE1588网络对时，在网络交换机、路由器不支持IEEE1588标准的情况下，能达到100us的对时精度，在网络交换机、路由器支持IEEE1588标准的情况下，能达到1us以内的对时精度。
上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种高精度以太网对时装置，其特征在于：硬件包括时间处理模块CPU，时间处理模块CPU通过BUS总线与时钟处理FPGA相接、通过串口与GPS接收模块相接、通过对时信号与IEEE1588地面同步网模块相接，所述IEEE1588地面同步网模块包括IXP425处理器和IEEE1588FPGA接口，低温漂移晶振作为晶振源接入FPGA锁相环，时钟处理FPGA、IEEE1588地面同步网模块和时间处理模块CPU设置有对时信号输出接口，所述时间处理模块CPU为32位ARM9处理器，所述ARM9处理器包括：
时间基准源判别模块：判别时间基准源，得到基准时间，在失星的情况下进入晶振守时状态，当守时出现较大偏差后，自动切换到IEEE1588工作模式；
信号处理模块：处理各种串口对时通信报文和各种接口方式的脉冲对时信号的输出；
所述的IEEE1588FPGA接口包括以下功能模块：
时钟类判别模块：根据GPS时间质量判断，时间质量越高，时钟类越高；若时钟设备时钟类选择固定时钟类，则时钟设备时钟类为固定值，不会随着GPS时间质量而变化；根据最佳时钟算法选择各IEEE1588端口的最佳时钟类；
最佳主时钟判别模块：用于将时钟设备时钟类与各IEEE1588端口的最佳时钟类进行比较，若时钟设备时钟类优则时钟设备选择主时钟模式，否则时钟设备为从时钟模式；
调整时钟模块：根据网络延迟和偏差计算，不断调整本地时钟时间，使之与主时钟时间同步为止，若为主时钟模式，则不调整本地时钟；
发送IEEE1588地面同步网模块对时脉冲模块：时钟设备处于从时钟模式，并且本地时钟调整完毕，向时间处理模块CPU发送对时脉冲信号，此时若时间处理模块CPU判断IEEE1588地面同步网模块对时信号质量优于自身时间质量则切换至IEEE1588模式，若时钟设备处于主时钟模式则不发送对时脉冲。
2.根据权利要求1所述的高精度以太网对时装置，其特征在于：所述的低温漂移晶振是精度为0.05PPM的低温漂守时晶振。
3.根据权利要求1或2所述的高精度以太网对时装置，其特征在于：所述时钟处理FPGA与信号扩展板相连，完成各种普通对时扩展信号与时间处理模块CPU之间的接口。
4.根据权利要求1或2所述的高精度以太网对时装置，其特征在于：所述的IXP425处理器包括时钟偏移处理模块，根据网络的结构采用IEEE1588V2时间跟踪算法，计算IEEE1588网络延迟测量和时钟偏移测量；
滤波模块，用于将网络延迟测量和时钟偏移测量的数据滤波得到相对精确的值。
5.根据权利要求1或2所述的高精度以太网对时装置，其特征在于：所述对时信号输出接口包括PPS/PPM/PPH/DCF77/IRIG-B脉冲信号电平接口，支持秒分时脉冲、串口报文、NTP协议、IRIG-B码、DCF77、IEEE1588时间信号输出。
6.根据权利要求5所述的高精度以太网对时装置，其特征在于：所述的PPS/PPM/PPH/DCF77/IRIG-B脉冲信号电平接口满足TTL、24V、差分485及无源空节点四种类型，所有输出信号均由光耦隔离，其中差分485信号不仅光耦隔离，而且通道之间通过DC-DC隔离，隔离耐压大于2500V。
7.根据权利要求6所述的高精度以太网对时装置，其特征在于：所述IRIG-B脉冲信号电平接口具有多模ST光纤同步接口，可通过光纤为扩展时钟装置提供时间基准源。
8.根据权利要求1或2所述的高精度以太网对时装置，其特征在于：所述ARM9处理器还设置有远程配置软件，远程监视对时装置的运行状态、功能定制、参数修改。
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