CN102769908A - 一种应用于电力系统保护测试设备的时间同步装置与方法 - Google Patents

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甄威
吴杰
周传瑞
王彪
井实
张华�
杨舒玮
郭巍
江正涛
罗必露
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Abstract

本发明公开了一种应用于电力系统保护测试设备的时间同步装置，其特征在于：设有一个带有主时钟时间同步硬件模块的无线控制主机，无线控制主机直接与上位机软件仿真平台相连，从时钟时间同步硬件模块置于保护测试终端之中；所述主时钟时间同步硬件模块与从时钟时间同步硬件模块之间通过无线通信应用IEEE1588时间同步协议实现时间同步。本技术将无线IEEE1588时间同步协议应用于电力系统变电站二次侧测试保护装置，使得仿真得到的互感器网络信号可以进行实时同步输出，这样就可以更真实的模拟电力系统的信号网络输出以同时测试多个变电站二次侧测试保护装置。

Description

一种应用于电力系统保护测试设备的时间同步装置与方法
技术领域
本发明涉及实现电力系统变电站中保护测试终端装置分布式系统的时间同步领域，具体来讲是一种无线IEEE1588时间同步技术在全场景保护测试终端上的时间同步模块。
背景技术
当前分布式系统中广泛使用的时间同步技术主要有：网络时钟协议NTP、基于GPS硬件授时的时间同步技术以及新兴的IEEE1588时间同步协议。其中网络时钟协议NTP是一种纯软件时间同步技术，在网络传输的软件应用层实现时间同步，对于网络延时无法进行处理，因而稳定性不高，且同步精度仅在毫秒级别。网络时钟协议NTP在很多对时间同步精度要求高的系统中都是不适用的。
基于GPS硬件授时的时间同步技术即通过在每个分布式系统节点安装硬件GPS授时模块以实现全局时间同步的技术。该技术的同步精度非常之高，可以达到纳秒级别。但是该方法的缺点是硬件的成本非常之高，特别是对于一些节点非常多的分布式控制系统，因而其应用也受到了制约。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，在此提供一种应用于电力系统保护测试设备的时间同步装置，使用无线IEEE1588的时间同步实现电力系统变电站中保护测试终端装置分布式系统的时间同步。
本发明是这样实现的，构造一种应用于电力系统保护测试设备的时间同步装置，其特征在于：该时间同步装置包括置于无线控制主机中的主时钟时间同步硬件模块，无线控制主机直接与上位机仿真平台相连，该时间同步模块还包括置于保护测试终端之中的从时钟时间同步硬件模块；所述从时钟时间同步硬件模块包括恒温晶振103a、无线收发模块103b、报文收发芯片103c以及主控制器103d，所述主时钟时间同步硬件模块与从时钟时间同步硬件模块之间通过无线通信实现时间同步，所述无线控制主机中主时钟时间同步硬件模块包括恒温晶振105a、无线收发模块105b、报文收发芯片105c、主控制器105d以及GPS授时模块105e。
一种应用于电力系统保护测试设备的时间同步方法，其特征在于：在整个设备系统中，整体的时间同步方案采用组播单点对时，具体为；
a、首先主时钟时间同步硬件模块建立组播，用于轮流与每个从时钟时间同步硬件模块进行时间同步，主时钟时间同步硬件模块根据从时钟时间同步硬件模块IP进行轮询邀请从时钟时间同步硬件模块进入组播进行对时，每次只允许一个从时钟时间同步硬件模块进入组播；
b、当对应的从时钟时间同步硬件模块进入组播后才能与主时钟时间同步硬件模块进行报文交互并进行相应的本地时钟修正，当从时钟时间同步硬件模块完成对时后，就开始进行本地时钟守时，并发送退出组播请求提示主时钟时间同步硬件模块进行下一个从时钟时间同步硬件模块的对时；
c、主时钟时间同步硬件模块对所有的从时钟时间同步硬件模块进行了时间同步，使得所有保护测试终端都运行在误差在微秒级的时间系统中，这样保护测试终端能够进行同步模拟输出。
根据本发明所述的应用于电力系统保护测试设备的时间同步方法，其特征在于：所述报文交互并进行相应的本地时钟修正过程如下；
对时过程由主时钟时间同步硬件模块主发，由主时钟时间同步硬件模块中报文收发芯片105c通过无线收发模块105b向从时钟时间同步硬件模块103发送Sync报文开始；
假设主时钟时间同步硬件模块发送Sync的时间节点为Tm1，主时钟时间同步硬件模块的主控制器105d会在主时钟系统中记录Tm1的时间戳，并包含在Tm2时发送的Follow-up报文之中到从时钟时间同步硬件模块，从时钟时间同步硬件模块中Sync报文和Follow-up报文在从时钟系统中的时间分别为Ts1和Ts2，从时钟时间同步硬件模块的主控制器103d会记录下Ts1时间戳；
接着，从时钟时间同步硬件模块在Ts3向主时钟时间同步硬件模块发送Delay-req报文并且同时记录Ts3时间戳，主时钟时间同步硬件模块在Tm3这个时刻接收到Delay-req报文并记录Tm3时间戳，包含在Delay-resp中发送至从时钟时间同步硬件模块，从时钟时间同步硬件模块根据主时钟报文中的Tm1、Tm3信息以及本地的Ts1、Ts3信息来计算与主时钟之间的偏差以修正本地时钟。
根据本发明所述的应用于电力系统保护测试设备的时间同步方法，其特征在于：可假设此时的网络延时是对称的，可得到如下的公式：
Figure 2012102454137100002DEST_PATH_IMAGE001
Figure 162721DEST_PATH_IMAGE002
Figure 2012102454137100002DEST_PATH_IMAGE003
即为从时钟相对主时钟的偏差，从时钟系统根据
Figure 437844DEST_PATH_IMAGE003
值来修正本地时钟。
IEEE1588时间同步协议是一种软硬件结合的新兴的分布式系统时间同步技术。实现该协议需要有专用的硬件时钟管理模块，并且通过网络传输交互报文时间戳来进行时间同步的算法实现。IEEE1588时间同步协议是一种主从(master-slave)结构的时间同步协议，由主机与从机直接的报文交互实现从机对主机的对时。这种方法特别适合类似变电站测试系统的封闭式分布式系统，既可以实现以主机为基准时间的相对时间对时，也可以在主机中添加GPS授时模块实现世界基准时间对时。
      IEEE1588时间同步协议按实现介质来划分又分为有线方式和无线方式。有线1588时间同步通过以太网中的有线线缆实现报文传输，可实现亚微妙级的同步精度；无线1588时间同步通过无线WLAN介质传输报文，同步精度达到微秒级，但相对有线方式可节省有线电缆的成本，而且设备的结构灵活性得到了很大的提升。
本发明的优点在于：(1)本技术将无线IEEE1588时间同步协议应用于电力系统变电站二次侧测试保护装置，使得仿真得到的互感器网络信号可以进行实时同步输出，这样就可以更真实的模拟电力系统的信号网络输出以同时测试多个变电站二次侧测试保护装置。(2)本技术相对基于GPS硬件授时的时间同步技术而言有巨大的成本优势。(3)本技术相对网络时钟协议NTP而言在时间同步精度上取得了很大的提高，对整个保护测试装置系统的性能是很大的提升。(3)本技术使用无线IEEE1588时间同步协议，可以省去很多电缆线的成本，也就因此省去了电缆线布局的设计，使得整个测试保护系统的灵活性得到了提升。(3)本技术在主机设备中添加了GPS授时模块，使得系统既可以以GPS绝对世界时间为基准进行时间同步，也可以以主时钟设备的本地时间为基准进行时间同步。这样即可以实现变电站之间的时间同步，也可以实现在一些GPS无法应用的场合的站内测试保护系统的时间同步，使得整个系统的应用场合更加的广泛。(4)本技术的使用填补了无线IEEE1588时间同步协议在电力系统变电站装置应用上的空白，良好的效果、稳定的性能已经低廉的成分非常值得大力推广。
附图说明
图1本发明系统结构框图
图2是 IEEE1588无线时间同步系统结构图
图3a是主时钟时间同步硬件模块无线收发模块组件示意图
图3b是从时钟时间同步硬件模块组件示意图
图4是主机设备与从机设备时间同步过程
图5是设备系统整体对时流程
图6是保护测试终端示意图
图中：101、无线控制主机，102、软件仿真平台，103、从时钟时间同步硬件模块，103a、从时钟时间同步硬件模块恒温晶振，103b、从时钟时间同步硬件模块无线收发模块，103c、从时钟时间同步硬件模块报文收发芯片，103d、从时钟时间同步硬件模块主控制器，104、保护测试终端，105、主时钟时间同步硬件模块，105a、主时钟时间同步硬件模块恒温晶振，105b、主时钟时间同步硬件模块无线收发模块，105c、主时钟时间同步硬件模块报文收发芯片，105d、主时钟时间同步硬件模块主控制器，105e 、GPS授时模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明：
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种应用于电力系统保护测试设备的时间同步装置，本装置包括置于无线控制主机101中的主时钟时间同步硬件模块105，无线控制主机101直接与上位机仿真平台102相连，本发明所述的时间同步模块还包括置于保护测试终端104之中的从时钟时间同步硬件模块103。所述主时钟时间同步硬件模块105与从时钟时间同步硬件模块103之间通过无线通信实现时间同步。所述从时钟时间同步硬件模块103包括恒温晶振103a、无线收发模块103b、报文收发芯片103c以及主控制器103d，所述无线控制主机101中主时钟时间同步硬件模块105包括恒温晶振105a、无线收发模块105b、报文收发芯片105c、主控制器105d以及GPS授时模块105e。
所述主时钟时间同步硬件模块105与从时钟时间同步硬件模块103之间通过无线通信实现时间同步，使该保护测试终端同步于主时钟。保护测试终端中网络通信单元包含通信网络模块和用于对时的从时钟时间同步硬件模块103，所述通信网口用于进行数据交互；所述从时钟时间同步硬件模块103用于与主机101对时，使该装置同步于主时钟。
本发明中的全场景保护测试设备是用于模拟电力系统变电站的互感器输出，以测试二次设备的性能，其整体结构框图如附图1所示。
      相应的，在这个系统的无线1588时间同步模块系统中，主机101直接与上位机软件102相连，从机(从时钟时间同步硬件模块103)则置于二次设备合并单元MU前的保护测试终端104之中。无线1588时间同步系统的系统结构图如附图2。
      从时钟时间同步硬件模块103包括恒温晶振103a、无线收发模块103b、报文收发芯片103c以及主控制器103d。所述无线控制主机101中主时钟时间同步硬件模块105包括恒温晶振105a、无线收发模块105b、报文收发芯片105c、主控制器105d以及GPS授时模块105e
其中主控制器103d、主控制器105d使用ALTERA公司的EP2C35系列FPGA器件，主要完成硬件守时、报文处理以及时间修正等功能。整个时间系统模块组成有：10MHz恒温晶振时钟源、FPGA内部PLL模块对恒温晶振时钟源倍频得到的25MHz专用IEEE1588报文收发芯片工作时钟和50MHz系统工作时钟，以及以50MHz系统工作时钟为时钟源建立的本地时间。其硬件组成图如附图3所示。
      主时钟设备和从时钟设备有自己独立的由FPGA管理的时钟系统，主机与从机的时间同步就是使从机的时间与主机时间保持一致。一次主时钟与从时钟的时间同步过程可由附图4表示。附图4中的同步报文(Sync)、跟随报文(Follow-up)、延时-请求报文(Delay-req)、延时-响应(Delay-resp)报文是IEEE1588规定的四种对时报文，又称为精确时间协议(PTP)报文，这四种报文都封装在UDP报文里进行网络传输。
发送报文时主控制器FPGA来组织报文，通过报文收发芯片传送到无线收发模块，此时FPGA需要记录发送报文(Sync报文与Delay-resq)时间戳；接收报文时报文收发芯片接收无线收发模块接收到的报文，然后控制器FPGA对报文进行解析，得到包含在报文( Follow-up报文与Delay-resp报文)里面的时间戳，此外接收报文时FPGA要在接收报文(Sync报文与Delay-resp报文)的时刻标记本地时间戳。
应用于电力系统保护测试设备的时间同步方法，在整个设备系统中，整体的时间同步方案采用组播单点对时，具体为；
a、首先主时钟时间同步硬件模块105建立组播，用于轮流与每个从时钟时间同步硬件模块103进行时间同步，主时钟时间同步硬件模块105根据从时钟时间同步硬件模块103IP进行轮询邀请从时钟时间同步硬件模块103进入组播进行对时，每次只允许一个从时钟时间同步硬件模块103进入组播；
b、当对应的从时钟时间同步硬件模块103进入组播后才能与主时钟时间同步硬件模块105进行报文交互并进行相应的本地时钟修正，当从时钟时间同步硬件模块103完成对时后，就开始进行本地时钟守时，并发送退出组播请求提示主时钟时间同步硬件模块105进行下一个从时钟时间同步硬件模块103的对时；
c、主时钟时间同步硬件模块105对所有的从时钟时间同步硬件模块103进行了时间同步，使得所有保护测试终端104都运行在误差在微秒级的时间系统中，这样保护测试终端104能够进行同步模拟输出。
所述报文交互并进行相应的本地时钟修正过程如下；
对时过程由主时钟时间同步硬件模块105主发，由主时钟时间同步硬件模块105中报文收发芯片105c通过无线收发模块105b向从时钟时间同步硬件模块103发送Sync报文开始；
假设主时钟时间同步硬件模块发送Sync的时间节点为Tm1，主时钟时间同步硬件模块的主控制器105d会在主时钟系统中记录Tm1的时间戳，并包含在Tm2时发送的Follow-up报文之中到从时钟时间同步硬件模块103，从时钟时间同步硬件模块中Sync报文和Follow-up报文在从时钟系统中的时间分别为Ts1和Ts2，从时钟时间同步硬件模块的主控制器103d会记录下Ts1时间戳；
接着，从时钟时间同步硬件模块103在Ts3向主时钟时间同步硬件模块105发送Delay-req报文，主时钟时间同步硬件模块105在Tm3这个时刻接收到Delay-req报文并记录Tm3时间戳，包含在Delay-resp中发送至从时钟时间同步硬件模块103，从时钟时间同步硬件模块103根据主时钟报文中的Tm1、Tm3信息以及本地的Ts1、Ts3信息来计算与主时钟直接的偏差以修正本地时钟。由于在进行时间同步时本设备系统不进行其他网络数据任务，只有很小的网络负荷，可假设此时的网络延时是对称的，可得到如下的公式：
Figure 143632DEST_PATH_IMAGE001
Figure 478799DEST_PATH_IMAGE002
Figure 207720DEST_PATH_IMAGE003
即为从时钟相对主时钟的偏差，从时钟系统根据
Figure 286535DEST_PATH_IMAGE003
值来修正本地时钟。为达到精确时间同步，主时钟设备与从时钟设备须进行多次对时操作。在本系统中，由从时钟判断同步时间误差小于10微秒时，认为时间同步成功。本地时间系统建立、网络报文的解析、硬件时间戳的记录、待发送报文的组织、时钟偏差的计算以及本地时钟修正等功能全部由FPGA控制完成。
对时完成后，从时钟设备使用硬件恒温晶振进行本地守时，进行下一步的功能执行，直至收到下一次的时间同步命令。本系统使用高性能10MHz恒温晶振，日老化频率偏移为-0.4ppb，可以达到很高的守时精度。
      为了尽量减少网络各层之间交互数据帧所带来的不可测时间延迟，以达到更好的时间同步效果，报文的发送和接收直接在物理层(PHY)和数据链路层(MAC)之间的使用专门的硬件芯片在介质独立接口(MII)处进行。

Claims (4)

1.一种应用于电力系统保护测试设备的时间同步装置，其特征在于：该时间同步装置包括置于无线控制主机中的主时钟时间同步硬件模块(105)，无线控制主机(101)直接与上位机仿真平台(102)相连，该时间同步模块还包括置于保护测试终端(104)之中的从时钟时间同步硬件模块(103)；所述从时钟时间同步硬件模块(103)包括恒温晶振(103a)、无线收发模块(103b)、报文收发芯片(103c)以及主控制器(103d)，所述主时钟时间同步硬件模块(105)与从时钟时间同步硬件模块(103)之间通过无线通信实现时间同步，所述无线控制主机(101)中主时钟时间同步硬件模块(105)包括恒温晶振(105a)、无线收发模块(105b)、报文收发芯片(105c)、主控制器(105d)以及GPS授时模块(105e)。
2.一种应用于电力系统保护测试设备的时间同步方法，其特征在于：时间同步方案采用组播单点对时，具体为；
a、首先主时钟时间同步硬件模块(105)建立组播，用于轮流与每个从时钟时间同步硬件模块(103)进行时间同步，主时钟时间同步硬件模块(105)根据从时钟时间同步硬件模块(103)IP进行轮询邀请从时钟时间同步硬件模块(103)进入组播进行对时，每次只允许一个从时钟时间同步硬件模块(103)进入组播；
b、当对应的从时钟时间同步硬件模块(103)进入组播后才能与主时钟时间同步硬件模块(105)进行报文交互并进行相应的本地时钟修正，当从时钟时间同步硬件模块(103)完成对时后，就开始进行本地时钟守时，并发送退出组播请求提示主时钟时间同步硬件模块(105)进行下一个从时钟时间同步硬件模块(103)的对时；
c、主时钟时间同步硬件模块(105)对所有的从时钟时间同步硬件模块(103)进行了时间同步，使得所有保护测试终端(104)都运行在误差在微秒级的时间系统中，这样保护测试终端(104)能够进行同步模拟输出。
3.根据权利要求2所述的应用于电力系统保护测试设备的时间同步方法，其特征在于：所述报文交互并进行相应的本地时钟修正过程如下；
对时过程由主时钟时间同步硬件模块(105)主发，由主时钟时间同步硬件模块(105)中报文收发芯片(105c)通过无线收发模块(105b)向从时钟时间同步硬件模块(103)发送Sync报文开始；
假设主时钟时间同步硬件模块发送Sync的时间节点为Tm1，主时钟时间同步硬件模块的主控制器(105d)会在主时钟系统中记录Tm1的时间戳，并包含在Tm2时发送的Follow-up报文之中到从时钟时间同步硬件模块(103)，从时钟时间同步硬件模块中Sync报文和Follow-up报文在从时钟系统中的时间分别为Ts1和Ts2，从时钟时间同步硬件模块的主控制器(103d)会记录下Ts1时间戳；
接着，从时钟时间同步硬件模块(103)在Ts3向主时钟时间同步硬件模块(105)发送Delay-req报文，主时钟时间同步硬件模块(105)在Tm3这个时刻接收到Delay-req报文并记录Tm3时间戳，包含在Delay-resp中发送至从时钟时间同步硬件模块(103)，从时钟时间同步硬件模块(103)根据主时钟报文中的Tm1、Tm3信息以及本地的Ts1、Ts3信息来计算与主时钟之间的偏差以修正本地时钟。
4.根据权利要求3所述的应用于电力系统保护测试设备的时间同步方法，其特征在于：可假设此时的网络延时是对称的，可得到如下的公式：
Figure 983857DEST_PATH_IMAGE002
Figure 507242DEST_PATH_IMAGE003
即为从时钟相对主时钟的偏差，从时钟系统根据
Figure 22841DEST_PATH_IMAGE003
值来修正本地时钟。
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