CN103532692A - 一种双通道双模式冗余的光纤纵差配电终端数据同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双通道双冗余的光纤纵差配电终端数据同步方法，包括：1）配电终端配置双以太网的光纤通道并支持IEEE1588协议；2）配电终端采用两种同步模式，分别为：一是遵循IEEE1588标准、基于同步报文、跟随报文、延迟请求报文和延迟应答报文的数据同步模式；二是采样时刻调整法实现数据同步；3）选IEEE1588同步模式作为主模式，当网络发送故障或设备异常，导致报文丢失或同步精度大到一定门槛，则自动切换到采样时刻调整法实现数据同步。系统开始运行后，运算出两种同步模式的主从时钟，通过报文交互时钟信息计算通道传输延时和时间偏移量，并调整从端时钟或中断时刻实现同步。

Description

一种双通道双模式冗余的光纤纵差配电终端数据同步方法

技术领域

本发明涉及配网自动化领域，具体涉及一种双通道双模式冗余的光纤纵差配电自动化终端。

背景技术

随着配网自动化的发展和配网产品的智能化程度逐步加深，配网自动化终端在故障定位、故障隔离及非故障区域的快速恢复供电方面的要求越来越高。

配电自动化系统由主站、子站、通信、馈线终端组成。通信是该系统的技术核心。馈线终端的功能简单，完全依赖于通信，几乎所有的功能都放在主站来实现，因此很难实现理想的快速故障隔离与恢复供电。

光纤纵差保护在故障定位及切除方面具有灵敏性、可靠性、快速性等特点，可应用于配电网的主干线路上。光纤纵差的关键技术是采样数据同步，传统的方法包括采样时刻调整法、采样数据调整法等，是利用点对点通信传递时钟信息完成计算和调整。该方法需要在中断时进行报文处理、延时计算、同步调整及同步校验，对CPU计算能力要求较高。另外，时钟要通过中断激活产生，且晶振等因素制约了同步精度。2002年发布的IEEE-1588全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”，简称为精密时间协议PTP，IEEE1588协议借鉴了NTP技术，具有容易配置、快速收敛以及对网络带宽和资源消耗少等特点，为电力系统提供了一种高精度的实时同步方法，但是要应对网络异常、通道异常或者主时钟设备异常等因素时会带来失步状态。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种双通道双冗余的光纤纵差配电终端数据同步方法，采用光纤纵差来应对网络异常、通道异常或者主时钟设备异常等因素。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种双通道双冗余的光纤纵差配电终端数据同步方法，包括以下步骤：

1）配电终端配置双以太网的光纤通道并支持IEEE1588协议；

2）配电终端采用两种同步模式，分别为：一是遵循IEEE1588标准、基于同步报文、跟随报文、延迟请求报文和延迟应答报文的数据同步模式；二是采样时刻调整法实现数据同步；

3）选IEEE1588同步模式作为主模式，当网络发送故障或设备异常，导致报文丢失或同步精度大到一定门槛，则自动切换到采样时刻调整法实现数据同步。

更进一步的，所述步骤1）的配电终端配置支持IEEE1588协议的高速处理器。

更进一步的，所述高速处理器的内部维持一个125MHz的可调整的高精度PTP时钟，并输出秒脉冲。

更进一步的，所述双以太网是两路全双工10/100Mbps以太网，一对以太网光收发口用于组网并基本IEEE1588协议的光纤同步、另一对以太网光收发口用于一对一手拉手式光纤同步。

更进一步的，所述步骤2）中采样时刻调整法实现数据同步是通过内部规约相互发送定时器计数值及采样序号，调整采样中断发生时刻及采样序号，实现同步。

更进一步的，所述步骤3）的具体实现方式：

31）确定两种模式的主时钟；

32）在确定主时钟后，拥有主时针的配电终端为主终端，其余为从终端；配电主终端通过握手传递相互的时间，计算通道传输延时delay及主从两侧终端时间偏移offset，并根据时间偏移对配电从终端进行相关的补偿调整，直到主从两侧终端时间同步；两侧终端为主从两端，使用IEEE-1588同步模式时一主多从，使用采样同步调整法是一主对应一从，其中从终端为不拥有主时钟的配电终端；

33）配电终端在整秒时刻发出秒脉冲，当主从终端使用IEEE-1588同步模式同步后，监测到主从两侧终端的秒脉冲相位及频率相同，能达到亚微秒级同步；当使用采样时刻调整模式同步后，能达到微秒级同步。

更进一步的，所述步骤31）确定两种模式的主时钟方式为：

IEEE1588同步模式参与同步的时钟是在一个树状通信网络中互相通信，通过运行IEEE1588协议中的最佳主时钟算法选出网络的最佳主时钟，其它作为从时钟；或通过整定设置字手动指定主时钟；

采样时刻调整法是一种手拉手式的同步模式，通过比较两个终端的地址选定主从时钟；其中终端的地址是手动设置的。

IEEE-1588同步模式参与同步的时钟是在一个树状通信网络中互相通信，以太网内部的时钟节点按照树形管理模式分为3种类型：主时钟MC(MasterClock)、从时钟SC(Slave Clock)和边界时钟BC(Boundary Clock)。通过运行IEEE1588协议中的最佳主时钟算法（Best master clock algorithm,BMC算法）选出网络的最佳主时钟，指定边界时钟，其它作为从时钟,；也可通过整定设置字手动指定主时钟、边界时钟及从时钟。采样时刻调整法是一种手拉手式的同步模式，通过比较两个终端的地址(手动设置)选定主从时钟。

步骤32）中，两种同步模式在计算时间偏移量(offset)及报文传输延时(delay)方面是一样的。

终端通过握手传递相互的时间，即主从时钟确定后，主时钟向从时钟发送同步报文，并得到发送时间戳t₀，从端接收到同步报文后，得到本地接收时间戳t₁，主时钟通过跟随报文将t₀发送给从时钟，然后从时钟向主时钟发送延迟请求报文并得到发送时间戳t₂,主时钟接收延迟请求报文后得到接收时间戳t₃，并将t₃通过延迟应答报文发送给对应的从时钟。软件实现通道传输延时(Delay)计算及两侧终端时间偏移(Offset)计算，并根据时间偏移对从端进行相关的补偿调整，直到两侧时间同步。offset及delay的计算公式分别为：

$\mathrm{delay}=\frac{(t_1-t_0)+(t_3-t_2)}{2},\mathrm{offset}=\frac{(t_1-t_0)-(t_3-t_2)}{2}$

终端于整秒时刻发出秒脉冲（即PPS秒脉冲），当主从终端使用IEEE-1588同步模式同步后，监测到两侧的秒脉冲相位及频率相同，能达到亚微秒级(sub-microsecond range)同步；当使用采样时刻调整模式同步后，能达到微秒级同步。

附图说明

图1是双通道双冗余的光纤纵差配电终端的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种双通道双冗余的光纤纵差配电终端数据同步方法，下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

一种双通道双冗余的光纤纵差配电终端数据同步方法，包括以下步骤：

1）配电终端配置双以太网的光纤通道并支持IEEE1588协议；

2）配电终端采用两种同步模式，分别为：一是遵循IEEE1588标准、基于同步报文、跟随报文、延迟请求报文和延迟应答报文的数据同步模式；二是采样时刻调整法实现数据同步；

3）选IEEE1588同步模式作为主模式，当网络发送故障或设备异常，导致报文丢失或同步精度大于50μs，则自动切换到采样时刻调整法实现数据同步。则自动切换到采样时刻调整法实现数据同步。

在本实施例中，配电终端使用Freescale公司的32位ColdFire内核的高速处理器MCF54418芯片，2)MCF54418芯片自动支持IEEE1588协议,内部维持一个125MHz的可调整的高精度PTP时钟（precision time protocol），并可输出秒脉冲（pulse per second，PPS）。

配电终端用于环网柜内，配置有十回路馈线(含配电变)，其中有两回路分别为环网柜的进线及出线，分别与上一级环网柜的出线及下一级环网柜的进线进行数据同步并实现光纤纵差保护。

光线纵差保护共有两组，每组配置两路全双工10/100Mbps以太网冗余配置，一对以太网光收发口用于组网并基本IEEE1588协议的光纤同步、另一对以太网光收发口用于一对一手拉手式光纤同步。

配电终端采用内部双CAN BUS及SPI接口，四片MCF54418组网，实现本装置对十回路的电压电流的同步采样及付氏算法，实现智能配电及保护功能。

步骤2）中采样时刻调整法实现数据同步是通过内部规约相互发送定时器计数值及采样序号，调整采样中断发生时刻及采样序号，实现同步。

步骤3）的具体实现方式：

31）确定两种模式的主时钟；

在确定主时钟后，拥有主时针的配电终端为主终端，其余为从终端；配电主终端通过握手传递相互的时间，计算通道传输延时delay及主从两侧终端时间偏移offset，并根据时间偏移对配电从终端进行相关的补偿调整，直到主从两侧终端时间同步；两侧终端为主从两端，使用IEEE-1588同步模式时一主多从，使用采样同步调整法是一主对应一从，其中从终端为不拥有主时钟的配电终端；

33）配电终端在整秒时刻发出秒脉冲，当主从终端使用IEEE-1588同步模式同步后，监测到主从两侧终端的秒脉冲相位及频率相同，能达到亚微秒级同步；当使用采样时刻调整模式同步后，能达到微秒级同步。

步骤31）确定两种模式的主时钟方式为：

IEEE1588同步模式参与同步的时钟是在一个树状通信网络中互相通信，通过运行IEEE1588协议中的最佳主时钟算法选出网络的最佳主时钟，其它作为从时钟；或通过整定设置字手动指定主时钟；

采样时刻调整法是一种手拉手式的同步模式，通过比较两个终端的地址选定主从时钟；其中终端的地址是手动设置的。

步骤32）中，两种同步模式在计算时间偏移量(offset)及报文传输延时(delay)方面是一样的。

终端通过握手传递相互的时间，即主从时钟确定后，主时钟向从时钟发送同步报文，并得到发送时间戳t₀，从端接收到同步报文后，得到本地接收时间戳t₁，主时钟通过跟随报文将t₀发送给从时钟，然后从时钟向主时钟发送延迟请求报文并得到发送时间戳t₂,主时钟接收延迟请求报文后得到接收时间戳t₃，并将t₃通过延迟应答报文发送给对应的从时钟。软件实现通道传输延时(Delay)计算及两侧终端时间偏移(Offset)计算，并根据时间偏移对从端进行相关的补偿调整，直到两侧时间同步。offset及delay的计算公式分别为：

$\mathrm{delay}=\frac{(t_1-t_0)+(t_3-t_2)}{2},\mathrm{offset}=\frac{(t_1-t_0)-(t_3-t_2)}{2}$

在本实施例中采用MQX实时操作系统完成各类算法及同步校正。

交流互感器插件与外部电压电流信号相连，接入两段母线Ua、Ub、Uc三相电压共六路信号，及十回路的电流Ia、Ib、Ic，零序电流I0，以上共计48路模拟量通过母板总线向三种采样及算法CPU单元提供被监测对象的电压电流模拟信号，每个采样及算法CPU通过6片16Bit同步采样ADC采集电压电流，并根据互感器的额定值自动调整采样算法的结果；

108路DC110V强电直流遥信开入直接接入采样及算法CPU单元外部端子，各路外部输入均经光电隔离后接入CPU的数字量采集接口，根据实际的应用配置为外部开关的数字量输入；

四路测温信号为外部温度传感器输出的单总线信号，接入采样及算法CPU单元，经过磁耦隔离电路后接入CPU的OneWire总线。

Claims (7)

1.一种双通道双冗余的光纤纵差配电终端数据同步方法，其特征在于包括以下步骤：

1）配电终端配置双以太网的光纤通道并支持IEEE1588协议；

2）配电终端采用两种同步模式，分别为：一是遵循IEEE1588标准、基于同步报文、跟随报文、延迟请求报文和延迟应答报文的数据同步模式；二是采样时刻调整法实现数据同步；

3）选IEEE1588同步模式作为主模式，当网络发送故障或设备异常，导致报文丢失或同步精度大到一定门槛，则自动切换到采样时刻调整法实现数据同步。

2.根据权利要求1所述双通道双冗余的光纤纵差配电终端数据同步方法，其特征在于所述步骤1）的配电终端配置支持IEEE1588协议的高速处理器。

3.根据权利要求2所述双通道双冗余的光纤纵差配电终端数据同步方法，其特征在于所述高速处理器的内部维持一个125MHz的可调整的高精度PTP时钟，并输出秒脉冲。

4.根据权利要求1所述双通道双冗余的光纤纵差配电终端数据同步方法，其特征在于所述双以太网是两路全双工10/100Mbps以太网，一对以太网光收发口用于组网并基本IEEE1588协议的光纤同步、另一对以太网光收发口用于一对一手拉手式光纤同步。

5.根据权利要求1所述双通道双冗余的光纤纵差配电终端数据同步方法，其特征在于所述步骤2）中采样时刻调整法实现数据同步是通过内部规约相互发送定时器计数值及采样序号，调整采样中断发生时刻及采样序号，实现同步。

6.根据权利要求1所述双通道双冗余的光纤纵差配电终端数据同步方法，其特征在于所述步骤3）的具体实现方式：

31）确定两种模式的主时钟；

32）在确定主时钟后，拥有主时针的配电终端为主终端，其余为从终端；配电主终端通过握手传递相互的时间，计算通道传输延时delay及主从两侧终端时间偏移offset，并根据时间偏移对配电从终端进行相关的补偿调整，直到主从两侧终端时间同步；

33）配电终端在整秒时刻发出秒脉冲，当主从终端使用IEEE-1588同步模式同步后，监测到主从两侧终端的秒脉冲相位及频率相同，能达到亚微秒级同步；当使用采样时刻调整模式同步后，能达到微秒级同步。

7.根据权利要求6所述双通道双冗余的光纤纵差配电终端数据同步方法，其特征在于所述步骤31）确定两种模式的主时钟方式为：

IEEE1588同步模式参与同步的时钟是在一个树状通信网络中互相通信，通过运行IEEE1588协议中的最佳主时钟算法选出网络的最佳主时钟，其它作为从时钟；或通过整定设置字手动指定主时钟；

采样时刻调整法是一种手拉手式的同步模式，通过比较两个终端的地址选定主从时钟；其中终端的地址是手动设置的。