CN101795020A - 变电站智能电子设备的自动对时同步系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电力行业的变电站智能电子设备的自动对时技术领域中的一种变电站智能电子设备的自动对时同步系统。包括对时服务器和安装在变电站智能电子设备上的对时终端；对时服务器包括UTC获取单元、支持IEEE1588协议的中央处理器和支持IEEE1588协议通信的网络接口；对时终端包括基于IEC61850建模的保护单元、支持IEEE1588协议的中央处理器和支持IEEE1588协议通信的网络接口；对时服务器和对时终端通过支持IEEE1588协议通信的网络接口相连。本发明避免了传统对时系统网络结构复杂、成本过高的问题；提高了时钟同步的精确性。

Description

变电站智能电子设备的自动对时同步系统

技术领域

本发明属于电力行业的变电站智能电子设备的自动对时技术领域，尤其涉及一种变电站智能电子设备的自动对时同步系统。

背景技术

目前常规变电站综合自动化设备的对时系统，基本采用直接对时和网络对时相结合的方法。变电站各种IED(Intelligent Electronic Device：智能电子设备)均采用数字化处理技术，内部晶振回路可以在输出信息时附以时标信息，但这种方法在实际应用中，会出现不同IED的时间累计，导致时间误差增大的问题。传统的对时方法是首先对主站进行对时，然后以时间报文的形式对子站进行对时，实际应用中时间同步误差容易产生积累，而且通讯负担十分严重。因此，传统的时间同步方案通常只能实现站内同步或系统时间同步，对要求较高的时间同步，往往束手无策。

对故障分析来说，时间分辨率要求精确到1毫秒之内，而在实际应用中发现，采用GPS技术后不能保证装置之间的同步误差小于1毫秒。另外，基于GPS的秒脉冲对时，在主控室和每个保护小间里也需要安装GPS接收装置，其绝对时间要通过网络的传输方式送给终端装置。这种对时方式，要求GPS接收装置的数量多，并且成本高，对网络的依赖性也强。

针对以上问题，国外率先开展了对标准和符合标准的产品的研究。首先，IEC61850标准的颁布为变电和配电自动化产品、电网监控和保护产品等的开发指明了方向。其次，IEEE1588精确时钟协议的诞生，即满足IEC61850的同步要求，也为过程层网络化通信的实现奠定了基础，使得变电站通信网络体系的优化构建更容易实现。国外许多组织都已将该协议用于基于现场总线的以太网络，而国内还未发现有相关应用。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种变电站智能电子设备的自动对时同步系统，解决目前使用的对时系统存在的对时精度低、消耗网络资源以及成本过高的问题。

一种变电站智能电子设备的自动对时同步系统，其特征是所述对时同步系统包括对时服务器和安装在变电站智能电子设备上的对时终端；

所述对时服务器包括UTC获取单元、支持IEEE1588协议的中央处理器和支持IEEE1588协议通信的网络接口；

所述对时终端包括基于IEC61850建模的保护单元、支持IEEE1588协议的中央处理器和支持IEEE1588协议通信的网络接口；

所述对时服务器和所述安装在变电站智能电子设备上的对时终端，通过支持IEEE1588协议通信的网络接口相连；

所述UTC获取单元与GPS接收器相连，用于获取世界标准时间UTC；

所述支持IEEE1588协议的中央处理器用于发送和接收报文；

所述支持IEEE1588协议的中央处理器还包括：高精度时钟单元、时间戳单元和时标生成器；

所述高精度时钟单元用于存储时间并进行漂移补偿；

所述时间戳单元用于在发送报文时，为报文加盖时间戳；

所述时标生成器用于在报文到达时，解析并生成准确的时间；

所述基于IEC61850建模的保护单元，用于为变电站智能电子设备对时。

所述支持IEEE1588协议的中央处理器，运行支持IEEE1588协议的POWEPC嵌入式系统。

所述支持IEEE1588协议的POWEPC嵌入式系统，包括实时多任务操作系统RTOS和精确时钟协议PTP软件。

所述实时多任务操作系统RTOS，通过集成开发环境Workbench 3.0，对VxWorks 6.6实时操作系统进行移植和裁剪获得。

所述精确时钟协议PTP软件，用于根据IEEE1588协议规定的报文组织格式、通讯方式和报文交互的方式发送和接收报文。

所述高精度时钟单元还包括飘移补偿寄存器，用于进行飘移补偿。

所述支持IEEE1588协议通信的网络接口，是采用带交换功能的以太网网络接口。

所述基于IEC61850建模的保护单元，通过特殊通信服务映射SCSM实现变电站智能电子设备的对时。

所述UTC获取单元通过RS232接口与GPS接收器相连。

本发明的有益效果在于，本发明以时间服务器作为变电站智能电子设备的时钟同步源，避免了传统对时系统网络结构复杂、成本过高的问题；采用IEEE1588协议进行对时，提高了时钟同步的精确性；IEC61850标准的使用，使得智能电子设备不必再采用单独的硬接线，满足了过程总线采样值同步的要求。

附图说明

图1是本发明提供的变电站智能电子设备的自动对时同步系统结构图；

图2是使用本发明提供的变电站智能电子设备的自动对时同步系统进行对时的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是本发明提供的变电站智能电子设备的自动对时同步系统结构图。图1中，变电站智能电子设备的自动对时同步系统，包括对时服务器和安装在变电站智能电子设备上的对时终端。安装在变电站智能电子设备上的对时终端为1台或者多台。对时服务器包括UTC获取单元、支持IEEE1588(Standard for a precision clock synchronization protocol for networkedmeasurement and control system：网络测控系统精确时钟同步协议)协议的中央处理器和支持IEEE1588协议通信的网络接口。对时终端包括基于IEC61850(由IEC，International Electro technical Commission国际电工委员会制定的基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准)建模的保护单元、支持IEEE1588协议的中央处理器和支持IEEE1588协议通信的网络接口。对时服务器和所述安装在变电站智能电子设备上的对时终端，通过支持IEEE1588协议通信的网络接口相连。

其中，UTC获取单元通过RS232接口与GPS接收器相连，用于获取UTC(Coordinated Universal Time：世界标准时间)时间。在本发明中，UTC获取单元获取时间通过mktime函数实现，获取的时间值是一个整数，该整数是从1970年1月1号晚上0点开始到当前时间的秒数。

支持IEEE1588协议的中央处理器用于发送和接收报文。该中央处理器中，运行支持IEEE1588协议的POWEPC嵌入式系统。支持IEEE1588协议的POWEPC嵌入式系统，包括实时多任务操作系统RTOS和运行在该操作系统上的精确时钟协议PTP软件。实时多任务操作系统RTOS，优选使用VxWorks 6.6实时操作系统，可以根据实际使用的需要，通过集成开发环境Workbench 3.0，对VxWorks 6.6实时操作系统进行移植和裁剪，获得功能适当的VxWorks 6.6实时操作系统。精确时钟协议PTP软件，用于根据IEEE1588协议规定的报文组织格式、通讯方式和报文交互的方式发送和接收报文。

该中央处理器还包括：高精度时钟单元、时间戳单元和时标生成器。

高精度时钟单元用于存储时间并进行漂移补偿。高精度时钟单元包括两个用于存储高精度时间的寄存器，两个寄存器均为32位，共64位，用来存储纳秒计数。UTC获取单元获取的秒数转换为纳秒数直接写入中央处理器的高精度时钟单元的寄存器，即可完成对PowePC系统的对时。高精度时钟单元可以包括飘移补偿寄存器，用于对时间进行飘移补偿。飘移补偿的精确级别采用纳秒级别。

时间戳单元用于在发送报文时，为报文加盖时间戳。

时标生成器用于在报文到达时，解析并生成准确的时间。

基于IEC61850建模的保护单元，用于为变电站智能电子设备对时。基于IEC61850建模的保护单元的对时通过特殊通信服务映射SCSM实现。IEC61850从建模到通信采用了面向对象的方式，可以实现保护设备的自描述和互操作，对时服务器和对时终端的高精度对时，为IEC61850提供了更好的时间精度，可以在这个更好的时间精度的基础上来实现更加科学快速的智能电子设备的保护功能。

支持IEEE1588协议通信的网络接口，是采用带交换功能的以太网网络接口。

图2是使用本发明提供的变电站智能电子设备的自动对时同步系统进行对时的示意图。如图2所示，本发明提供的系统的对时过程是：

首先，对时服务器的UTC获取单元先通过GPS获取第一UTC时间，将获取的第一UTC时间T₁发送到对时服务器的支持IEEE1588协议的中央处理器的高精度时钟单元；高精度时钟单元对接收的第一UTC时间T₁进行存储；利用对时服务器的精确时钟协议PTP软件，生成同步时间报文，并由时间戳单元对同步时间报文加盖时间戳，然后通过精确时钟协议PTP软件，将加盖了时间戳的同步时间报文，通过支持IEEE1588协议通信的网络接口发送到对时终端。

其次，对时服务器的UTC获取单元通过GPS获取第二UTC时间，将获取的第二UTC时间T₂发送到对时服务器的支持IEEE1588协议的中央处理器的高精度时钟单元；高精度时钟单元对接收的第二UTC时间T₂进行存储；利用对时服务器的精确时钟协议PTP软件，生成跟随时间报文，并由时间戳单元对跟随时间报文加盖时间戳，然后通过精确时钟协议PTP软件，将加盖了时间戳的跟随时间报文，通过支持IEEE1588协议通信的网络接口发送到对时终端。

对时终端的支持IEEE1588协议通信的网络接口接收到加盖了时间戳的同步时间报文和跟随时间报文后，发送到对时终端的支持IEEE1588协议的中央处理器。

对时终端的支持IEEE1588协议的中央处理器的时标生成器，分别为在同步时间报文和跟随时间报文到达时，根据同步时间报文和跟随时间报文加盖的时间戳，解析生成同步时间报文到达时间T₁和跟随时间报文到达时间T₂。

对时终端通过对时终端上运行的PTP软件，向对时服务器发送延时要求报文；在发送延时要求报文之前，对时终端的支持IEEE1588协议的中央处理器的时间戳单元还要对延时要求报文加盖时间戳T₃。

对时服务器收到对时终端发送的加盖了时间戳T₃的延时要求报文后，通过对时服务器的支持IEEE1588协议的中央处理器的时标生成器，解析生成延时要求报文到达时间T₃；然后，对时服务器向对时终端发送延时回应报文；在发送延时要求报文之前，对时服务器的支持IEEE1588协议的中央处理器的时间戳单元还要对延时回应报文加盖时间戳T₄。

对时终端接收到对时服务器发送的加盖了时间戳T₄的延时回应报文后，通过对时终端的支持IEEE1588协议的中央处理器的时标生成器，解析生成延时回应报文到达时间T₄。

之后，对时终端根据下述公式：

T₂-T₁＝Delay+Offset

T₃-T₄＝Delay-Offset

$\mathrm{Delay}=\frac{(A+B)}{2}$

$\mathrm{Offset}=\frac{(A-B)}{2}$

计算延时Delay和漂移补偿Offset的值。

最后，基于IEC61850建模的保护单元实现对智能电子设备的对时。

本发明以时间服务器作为变电站智能电子设备的时钟同步源，避免了传统对时系统网络结构复杂、成本过高的问题；采用IEEE1588协议进行对时，提高了时钟同步的精确性；IEC61850标准的使用，使得智能电子设备不必再采用单独的硬接线，实现了过程总线采样值同步的要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种变电站智能电子设备的自动对时同步系统，其特征是所述对时同步系统包括对时服务器和安装在变电站智能电子设备上的对时终端；

所述对时服务器包括UTC获取单元、支持IEEE1588协议的中央处理器和支持IEEE1588协议通信的网络接口；

所述对时终端包括基于IEC61850建模的保护单元、支持IEEE1588协议的中央处理器和支持IEEE1588协议通信的网络接口；

所述对时服务器和所述安装在变电站智能电子设备上的对时终端，通过支持IEEE1588协议通信的网络接口相连；

所述UTC获取单元与GPS接收器相连，用于获取世界标准时间UTC；

所述支持IEEE1588协议的中央处理器用于发送和接收报文；

所述支持IEEE1588协议的中央处理器还包括：高精度时钟单元、时间戳单元和时标生成器；

所述高精度时钟单元用于存储时间并进行漂移补偿；

所述时间戳单元用于在发送报文时，为报文加盖时间戳；

所述时标生成器用于在报文到达时，解析并生成准确的时间；

所述基于IEC61850建模的保护单元，用于为变电站智能电子设备对时。

2.根据权利要求1所述的一种变电站智能电子设备的自动对时同步系统，其特征是所述支持IEEE1588协议的中央处理器，运行支持IEEE1588协议的POWEPC嵌入式系统。

3.根据权利要求2所述的一种变电站智能电子设备的自动对时同步系统，其特征是所述支持IEEE1588协议的POWEPC嵌入式系统，包括实时多任务操作系统RTOS和精确时钟协议PTP软件。

4.根据权利要求3所述的一种变电站智能电子设备的自动对时同步系统，其特征是所述实时多任务操作系统RTOS，通过集成开发环境Workbench 3.0，对VxWorks 6.6实时操作系统进行移植和裁剪获得。

5.根据权利要求3所述的一种变电站智能电子设备的自动对时同步系统，其特征是所述精确时钟协议PTP软件，用于根据IEEE1588协议规定的报文组织格式、通讯方式和报文交互的方式发送和接收报文。

6.根据权利要求1或2所述的一种变电站智能电子设备的自动对时同步系统，其特征是所述高精度时钟单元还包括飘移补偿寄存器，用于进行飘移补偿。

7.根据权利要求1或2所述的一种变电站智能电子设备的自动对时同步系统，其特征是所述支持IEEE1588协议通信的网络接口，是采用带交换功能的以太网网络接口。

8.根据权利要求1或2所述的一种变电站智能电子设备的自动对时同步系统，其特征是所述基于IEC61850建模的保护单元，通过特殊通信服务映射SCSM实现变电站智能电子设备的对时。

9.根据权利要求1或2所述的一种变电站智能电子设备的自动对时同步系统，其特征是所述UTC获取单元通过RS232接口与GPS接收器相连。

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