CN104333426B - 基于合并单元sv报文采样序号学习的秒脉冲同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于合并单元SV报文采样序号学习的秒脉冲同步方法，不依赖于外部时钟同步装置，适用于保护测控装置（包括保护装置、测控装置、保护测控一体化装置、站域保护控制装置）的秒脉冲同步。根据合并单元采样序号的连续性和间隔时间判别其有效性，在其有效的前提下通过合并单元采样序号为0的报文接收时刻减去额定延迟时间和传输时间计算得出秒脉发生实际时刻，并通过合并单元采样序号为0的多帧报文接收时刻计算秒脉宽度；保护测控装置根据合并单元采样报文同步标志自动选取作为参考时间源的合并单元，并至少计算两组合并单元的秒脉冲，以作为当参考源合并单元由同步转为失步或断链异常时，实现合并单元参考时间源的无缝切换。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于合并单元SV报文采样序号学习的秒脉冲同步方法，属于电力系统自动化控制技术领域。
背景技术
保护测控装置（包括但不仅限于保护装置、测控装置、保护测控一体化装置、站域保护控制装置）的同步时钟信号可能没有接入或者已经接入但在运行过程中出现回路断链等异常时，导致保护测控装置同步插值重采样出现误差以及事件报文时间标识出现偏差，影响装置运行的可靠性，不便于根据时间发生的先后顺序分析事件。
既往所用的秒脉冲同步方法是有以下四种：
1）时钟同步装置的秒脉（PPS）或分脉（PPM）对时
时钟同步装置通过GPS对时，时钟同步装置输出秒脉（PPS）或分脉（PPM）接至保护测控装置，秒脉（PPS）为一秒对设备对时一次，分脉（PPM）为一分钟对设备对时一次。
此方法的缺点是：依赖于时钟同步装置输出，增加时钟同步电缆回路的接入，现场时钟同步装置没有接入或者已经接入但运行过程中出现链路断链等异常时，无法对保护测控装置对时。
2）时钟同步装置的IRIG-B对时
IRIG-B是专为时钟传输而制定的时钟码标准。时钟同步装置通过GPS对时，每秒钟输出一帧含有秒、分、时、当前日期及年份的时钟信息。
此方法的缺点是：依赖于时钟同步装置输出，增加时钟同步电缆回路的接入，现场时钟同步装置没有接入或者已经接入但运行过程中出现链路断链等异常时，无法对保护测控装置对时。
3）基于站控层网络报文同步SNTP
简单网络时间协议SNTP（Simple Network Time Protocol），主要用于因特网设备的时钟同步。SNTP可以估算出数据包在因特网上的往返延迟，并可独立地估算时钟偏差。
此方法的缺点是：时间误差较大，误差范围在1-50毫秒。
4）基于过程层网络报文同步IEC61588
IEC61588作为一种主从同步系统，在系统的同步过程中，主时钟周期性发布PTP时间同步协议及时间信息，从时钟端口接收主时钟端口发来的时间戳信息，系统据此计算出主从线路时间延迟及主从时间差，并利用该时间差调整本地时间，使从设备时间保持与主设备时间一致的频率与相位。
此方法的缺点是：可靠性不足，国内应用并不普遍，生产厂商寥寥无几。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足和对时钟同步装置的依赖性，本发明提供一种基于合并单元SV报文采样序号学习的秒脉冲同步方法，不依赖于外部时钟同步装置信号，仅基于合并单元采样序号学习自动计算秒脉冲上升沿发生时刻时间，从而实现本保护测控装置（包括但不仅限于保护装置、测控装置、保护测控一体化装置、站域保护控制装置），并提供了一种无缝切换合并单元时间参考源的方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于合并单元SV报文采样序号学习的秒脉冲同步方法，包括以下步骤：根据合并单元采样序号的连续性和间隔时间判别其有效性，在其有效的前提下通过合并单元采样序号为0的报文接收时刻减去额定延迟时间和传输延时计算得出秒脉发生实际时刻，并通过合并单元采样序号为0的多帧报文接收时刻计算秒脉宽度；保护测控装置根据合并单元采样报文同步标志自动选取作为参考时间源的合并单元，并至少计算两组合并单元的秒脉冲，以作为当参考源合并单元由同步转为失步或断链异常时，实现合并单元参考时间源的无缝切换。
所述的基于合并单元SV报文采样序号学习的秒脉冲同步方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1）接收报文打时标；
2）报文解析得到同步标志、采样序号；
3）判断是否同步：若同步，则进入步骤4）；若失步，则合并单元时间参考源切换，然后进入RET；
4）判断采样序号的有效性；若有效，则进入步骤5）；若无效，则合并单元时间参考源切换，在断链异常即不切换合并单元时间参考源的情况下，进入RET；
5）计算秒脉冲上升沿时刻；
6）计算秒脉冲宽度并校验；
7）秒脉冲调整：包括快调和慢调两种方式；
8）RET（返回）。
所述报文格式中包括应用协议数据单元APDU，APDU包括采样同步标志（SmpSynch）和采样序号（Sequence of Data），同步标志为1时表示同步，为0时表示失步，采样序号根据采样率进行自行翻转，在每秒4000 点的采样速率下，样本计数器范围为0-3999，采样序号为0的数据对齐于整秒上升沿采样时刻。
步骤4）中判断采样序号的有效性：选择同步的合并单元作为时间参考源，通过采样序号、额定延迟时间、传输延时可以计算得出秒脉冲上升沿时刻时间和秒脉冲宽度；
其中，额定延迟时间的物理含义是从一次模拟量产生时刻到合并单元对外接口输出数字量的时间，额定延迟时间配置在采样发送数据集，额定延迟时间量纲以微秒（μs）数给出；
传输延时Δt占用IEC61850-9-2报文的两个保留字段Reserved1、Reserved2，整个数据宽度为32位，采用0-23bit为计数位；24-29bit留待以后扩展应用；第30bit为品质位，0表示有效，1表示无效；31bit用于测试，传输延时以纳秒（ns）为单位，最大表示时间16.78ms。
作为优选方案，所述的基于合并单元SV报文采样序号学习的秒脉冲同步方法，具体包括以下步骤：
1）保护测控装置在不需要外部同步时钟信号配合接入的情形下，通过合并单元SV报文解析识别同步标志和采样序号；
2）选择至少两组同步标志为1的合并单元计算其采样序号的有效性，以其中一组作为当前的时间参考源，并保存至少两组计算结果，以作为当参考源合并单元由同步转为失步或断链异常时，实现合并单元参考时间源的无缝切换；采样序号有效性判别需满足两个条件：
a) 采样序号在0-3999具有连续性，序号不能跳跃或者连续重复出现；
b) 以保护测控装置的晶振时间作为参考，采样序号为0的两帧报文时间间隔在1s±1ms范围内视为有效；
3）在采样序号有效性的前提下，秒脉冲发生时刻时间通过公式（1）计算得出；
Tsec= Tsn0- tdr-Δt （1）
其中Tsec为秒脉冲上升沿时刻； Tsn0为采样序号为0接收时刻；
tdr为额定延迟时间；Δt为传输延时；
合并单元数据发送包括组网和点对点两种方式，点对点方式传输时间忽略不算，组网方式传输延时从报文保留字解析后得到；
4）在采样序号有效性的前提下，秒脉冲宽度通过公式（2）计算得出，并通过公式（3）计算结果校核其正确性；
tpluse= Tsn0- T’sn0 （2）
tpluse= Tsec – T’sec （3）
其中tpluse为秒脉冲宽度；
Tsn0为当前帧采样序号为0接收时刻；
T’sn0为前一帧采样序号为0接收时刻；
Tsec为当前秒脉冲上升沿时刻；
T’sec为前一秒脉冲上升沿时刻；
通过公式(2)和公式(3)的计算结果比较，以保护测控装置的晶振时间作为参考，两者计算误差应在500us以内，且满足计算秒脉宽度在1s±500us以内认为有效。
5）为防止秒脉冲波动较大，秒脉冲计算和调整包括快调和慢调两种方式，快调用于装置上电或复位的过程快速调整，慢调用于装置正常运行的慢速逐步调整方式；快调时间在5-10s中选择，慢调时间在10-60s中选择；
6）保护测控装置根据秒脉冲计算调整装置自身时间，从而达到提高重采样精度，给液晶显示和事件报文打更加准确的时间标识。
有益效果：本发明提供的基于合并单元SV报文采样序号学习的秒脉冲同步方法，不依赖于外部时钟同步装置，适用于保护测控装置（包括但不仅限于保护装置、测控装置、保护测控一体化装置、站域保护控制装置）的秒脉冲同步。根据合并单元采样序号的连续性和间隔时间判别其有效性，在其有效的前提下通过合并单元采样序号为0的报文接收时刻减去额定延迟时间和传输延时计算得出秒脉发生实际时刻，并通过合并单元采样序号为0的多帧报文接收时刻计算秒脉宽度；保护测控装置根据合并单元采样报文同步标志自动选取作为参考时间源的合并单元，并至少计算两组合并单元的秒脉冲，以作为当参考源合并单元由同步转为失步或断链异常时，实现合并单元参考时间源的无缝切换。
附图说明
图1 为ISO/IEC 8802-3 帧格式；
图2为ASN.1 编码的APDU 帧结构；
图3为额定延迟时间配置在采样发送数据集；
图4为传输延时使用IEC61850-9-2报文的PDU的两个保留段；
图5为传输延时位定义；
图6为采样序号有效性判别；
图7为基于采样序号计算秒脉冲的流程图。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明作更进一步的说明。
如图7所示，一种基于合并单元SV报文采样序号学习的秒脉冲同步方法，根据合并单元采样序号的连续性和间隔时间判别其有效性，在其有效的前提下通过合并单元采样序号为0的报文接收时刻减去额定延迟时间和传输延时计算得出秒脉发生实际时刻，并通过合并单元采样序号为0的多帧报文接收时刻计算秒脉宽度；保护测控装置根据合并单元采样报文同步标志自动选取作为参考时间源的合并单元，并至少计算两组合并单元的秒脉冲，以作为当参考源合并单元由同步转为失步或断链异常时，实现合并单元参考时间源的无缝切换；具体包括以下步骤：
1）接收报文打时标；
2）报文解析得到同步标志、采样序号；
3）判断是否同步：若同步，则进入步骤4）；若失步，则合并单元时间参考源切换，然后进入RET；
4）判断采样序号的有效性；若有效，则进入步骤5）；若无效，则合并单元时间参考源切换，在断链异常即不切换合并单元时间参考源的情况下，进入RET；
5）计算秒脉冲上升沿时刻；
6）计算秒脉冲宽度并校验；
7）秒脉冲调整：包括快调和慢调两种方式；
8）RET。
合并单元发送的采样值报文包括如下信息：
合并单元采样值通过SV 网络传输时采用DL/T860.92（IEC61850-9-2）协议，报文的帧格式如图1所示，报文格式中包括应用协议数据单元APDU(Application ProtocolData Unit)，APDU帧结构如图2所示，其中APDU包括采样同步标志（SmpSynch）和采样序号（Sequence of Data），同步标志为1时表示同步，为0时表示失步，采样序号根据采样率进行自行翻转，在每秒4000 点的采样速率下，样本计数器范围为0-3999，采样序号为0的数据对齐于整秒上升沿采样时刻。
额定延迟时间（简称“额定延时”）的物理含义是从一次模拟量产生时刻到合并单元对外接口输出数字量的时间，额定延迟时间配置在采样发送数据集，额定延迟时间量纲以微秒（μs）数给出，如图3所示。传输延时Δt如图4所示，占用IEC61850-9-2报文的两个保留字段Reserved1、Reserved2，整个数据宽度为32位，如图5所示，采用0-23bit为计数位；24-29bit留待以后扩展应用；第30bit为品质位，0表示有效，1表示无效；31bit用于测试，延时以纳秒（ns）为单位，最大表示时间16.78ms。
通过合并单元采样序号有效性的判别选择同步的合并单元作为时间参考源，通过采样序号、额定延迟时间、传输延时可以计算得出秒脉冲上升沿时刻时间和秒脉冲宽度，为实现上述目的，本发明具体实施方式如下：
1）保护测控装置（包括但不仅限于保护装置、测控装置、保护测控一体化装置、站域保护控制装置）在不需要外部同步时钟信号配合接入的情形下，通过合并单元SV报文解析识别同步标志和采样序号；
2）选择至少两组同步标志为1的合并单元计算其采样序号的有效性，以其中一组作为当前的时间参考源，并保存至少两组计算结果，以作为当参考源合并单元由同步转为失步或断链异常时，实现合并单元参考时间源的无缝切换。采样序号有效性判别如图6所示，采样序号有效性判别需满足两个条件：
a) 采样序号在0-3999具有连续性，序号不能跳跃或者连续重复出现；
b)采样序号为0的两帧报文时间间隔在1s±1ms（以本装置的晶振时间作为参考）范围内视为有效；
3）在采样序号有效性的前提下，秒脉冲发生时刻时间可通过公式（1）计算得出。
Tsec= Tsn0- tdr-Δt （1）
其中Tsec为秒脉冲上升沿时刻；
Tsn0为采样序号为0接收时刻；
tdr为额定延迟时间；
Δt为传输延时；
合并单元数据发送包括组网和点对点两种方式，点对点方式传输时间可以忽略不算，组网方式传输延时可以从报文保留字解析后得到；
4）在采样序号有效性的前提下，秒脉冲宽度可通过公式（2）计算得出，并通过公式（3）计算结果校核其正确性。
tpluse= Tsn0- T’sn0 （2）
tpluse= Tsec – T’sec （3）
其中tpluse为秒脉冲宽度；
Tsn0为当前帧采样序号为0接收时刻；
T’sn0为前一帧采样序号为0接收时刻；
Tsec为当前秒脉冲上升沿时刻；
T’sec为前一秒脉冲上升沿时刻；
通过公式(2)和公式(3)的计算结果比较，两者计算误差应在500us以内，且满足计算秒脉宽度在1s±500us（以本装置的晶振时间作为参考）以内认为有效；
5）为防止秒脉冲波动较大，秒脉冲计算和调整包括快调和慢调两种方式，快调用于装置上电或复位的过程快速调整，慢调用于装置正常运行的慢速逐步调整方式；慢调、快调其特征在于，快调时间在5-10s中选择，慢调时间在10-60s中选择；
6）保护测控装置根据秒脉冲计算调整装置自身时间，从而达到提高重采样精度，给液晶显示和事件报文打更加准确的时间标识。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于合并单元SV报文采样序号学习的秒脉冲同步方法，包括以下步骤：根据合并单元采样序号的连续性和间隔时间判别其有效性，在其有效的前提下通过合并单元采样序号为0的报文接收时刻减去额定延迟时间和传输延时计算得出秒脉冲发生实际时刻，并通过合并单元采样序号为0的多帧报文接收时刻计算秒脉冲宽度，其中，额定延迟时间的物理含义是从一次模拟量产生时刻到合并单元对外接口输出数字量的时间；保护测控装置根据合并单元采样报文同步标志自动选取作为参考时间源的合并单元，并至少计算两组合并单元的秒脉冲，以作为当参考源合并单元由同步转为失步或断链异常时，实现合并单元参考时间源的无缝切换；
具体包括以下步骤：
1)接收报文打时间标识；
2)报文解析得到同步标志、采样序号；
3)判断是否同步：若同步，则进入步骤4)；若失步，则合并单元时间参考源切换，然后进入RET；
4)判断采样序号的有效性；若有效，则进入步骤5)；若无效，则合并单元时间参考源切换，在断链异常即不切换合并单元时间参考源的情况下，进入RET；
5)计算秒脉冲上升沿时刻；
6)计算秒脉冲宽度并校验；
7)秒脉冲调整：包括快调和慢调两种方式；
8)RET。
2.根据权利要求1所述的基于合并单元SV报文采样序号学习的秒脉冲同步方法，其特征在于：报文格式中包括应用协议数据单元APDU，APDU包括采样同步标志和采样序号，同步标志为1时表示同步，为0时表示失步，采样序号根据采样率进行自行翻转，在每秒4000点的采样速率下，样本计数器范围为0-3999，采样序号为0的数据对齐于整秒上升沿采样时刻。
3.根据权利要求1所述的基于合并单元SV报文采样序号学习的秒脉冲同步方法，其特征在于：步骤4)中判断采样序号的有效性：选择同步的合并单元作为时间参考源，通过采样序号、额定延迟时间、传输延时可以计算得出秒脉冲上升沿时刻和秒脉冲宽度；
其中，额定延迟时间配置在采样发送数据集，额定延迟时间量纲以微秒(μs)数给出；
传输延时Δt占用IEC61850-9-2报文的两个保留字段Reserved1、Reserved2，整个数据宽度为32位，采用0-23bit为计数位；24-29bit留待以后扩展应用；第30bit为品质位，0表示有效，1表示无效；31bit用于测试，传输延时以纳秒(ns)为单位，最大表示时间16.78ms。
4.根据权利要求1所述的基于合并单元SV报文采样序号学习的秒脉冲同步方法，具体包括以下步骤：
1)保护测控装置在不需要外部同步时钟信号配合接入的情形下，通过合并单元SV报文解析识别同步标志和采样序号；
2)选择至少两组同步标志为1的合并单元计算其采样序号的有效性，以其中一组作为当前的时间参考源，并保存至少两组计算结果，以作为当参考源合并单元由同步转为失步或断链异常时，实现合并单元参考时间源的无缝切换；采样序号有效性判别需满足两个条件：
a)采样序号在0-3999具有连续性，序号不能跳跃或者连续重复出现；
b)以保护测控装置的晶振时间作为参考，采样序号为0的两帧报文时间间隔在1s±1ms范围内视为有效；
3)在采样序号有效性的前提下，秒脉冲发生时刻时间通过公式(1)计算得出；
Tsec＝Tsn0-tdr-Δt (1)
其中Tsec为秒脉冲上升沿时刻；Tsn0为采样序号为0接收时刻；
tdr为额定延迟时间；Δt为传输延时；
合并单元数据发送包括组网和点对点两种方式，点对点方式传输时间忽略不算，组网方式传输延时从报文保留字解析后得到；
4)在采样序号有效性的前提下，秒脉冲宽度通过公式(2)计算得出，并通过公式(3)计算结果校核其正确性；
tpluse＝Tsn0-T’sn0 (2)
tpluse＝Tsec–T’sec (3)
其中tpluse为秒脉冲宽度；
Tsn0为当前帧采样序号为0接收时刻；
T’sn0为前一帧采样序号为0接收时刻；
Tsec为当前秒脉冲上升沿时刻；
T’sec为前一秒脉冲上升沿时刻；
通过公式(2)和公式(3)的计算结果比较，以保护测控装置的晶振时间作为参考，两者计算误差应在500us以内，且满足计算秒脉冲宽度在1s±500us以内认为有效；
5)为防止秒脉冲波动较大，秒脉冲计算和调整包括快调和慢调两种方式，快调用于装置上电或复位的过程快速调整，慢调用于装置正常运行的慢速逐步调整方式；快调时间在5-10s中选择，慢调时间在10-60s中选择；
6)保护测控装置根据秒脉冲计算调整装置自身时间，从而达到提高重采样精度，给液晶显示和事件报文打更加准确的时间标识。
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