CN105553593B - 一种基于sdh多时间源ptp数据同步及时间监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于SDH多时间源PTP数据同步及时间监测系统，系统基于FPGA实现时间源信号滤波和协议转换，基于DPS内核实现多路时间源信息的高速解析、实时比对、排序，自动选择最准确时间信号作为输出时间信息；并通过运行满足IEC61850标准的时间监测系统，建立多路时间源信息采集统计表，实现信息的远程传输以及就地校核、查询等功能。

Description

一种基于SDH多时间源PTP数据同步及时间监测系统
技术领域
基于FPGA的多时间源信息容错技术、多时间源信息容错技术，基于DSP的时间源控制技术。
背景技术
随着电力系统大范围高精度测量系统的发展，需要为全系统建立一个更精确、更易管理的标准时间系统。用以满足电力系统中各监控装置，如电网调度自动化、广域电网监测与控制保护、智能化变电站、微机保护、故障录波、行波故障测距、雷电定位系统对时间同步精度的要求，与所关联自动化装置应保持同一时间基准，以便于系统或设备运行分析与故障定位等。有利于查找事故原因，对减少事故隐患起，提高对一、二次设备在线状态监测的质量。
目前，电力系统的统一时间基准主要依靠天基的GPS和北斗，由于安全性和自主性的因素，需要建立一套基于地面时间同步网络的统一时间基准作为空中授时的备份，以提高电力全网时间同步系统的可靠性。利用电力系统现有的数字同步体系(SDH，SynchronousDigital Hierarchy)网络，将时间基准从上级调度机构传送到下级各变电站和调度节点，提供微秒级时间同步精度，是现实可行的途径。高精度时间协议(PTP，PrecisionTimeProtocol)由美国电气和电子工程师协会(IEEE，Institute ofElectrical andElectronics Engineers)于2002年11月批准。PTP通过主从设备间进行消息传递，计算时间偏差以达到主从设备同步的目的。因此，通过SDH来传递PTP协议成为目前时间同步系统最重要的技术手段之一。由于PTP是在以太网基础上运行的，在SDH上传输需要进行E1/Ethernet协议转换。
时钟系统授时采用的是单向传递，授时正确度及精度，均取决于传递过程，若有任何一个环节出现问题，最终将导致被授时设备时间偏差或未被授时。时间同步监测是将监测范围的时钟装置运行状态、时间精度，以及厂站内测控、保护装置等被授时设备的时间同步精度等实施集中监测、报警提示和运行管理，以保障全网时间同步的准确性。
发明内容
为了全网时间同步的准确性，本发明提出一种基于SDH多时间源PTP数据同步及时间监测系统。
本发明技术方案如下：
一种基于SDH多时间源PTP数据同步及时间监测系统，本发明特征在于，包括：
时间源，以及与其相连的基于FPGA实现时间源信号滤波模块；
与所述基于FPGA实现时间源信号滤波模块相连的基于FPGA的输出协议转换模块；
与所述基于FPGA的输出协议转换模块相连的基于DSP的时间源控制模块；
其中，所述时间源，以及与其相连的基于FPGA实现时间源信号滤波模块用来选择时间源并对接收到的脉冲信号进行滤波；基于FPGA的输出协议转换模块用来对输出进行转换；基于DSP的时间源控制模块用来实现多路时间源信息的高速解析、实时比对、排序，自动选择最准确时间信号作为输出时间信息。
本发明所述基于FPGA实现时间源信号滤波模块采用多时间源融合技术和多时间源容错技术对接收机接收到的时间源信号进行滤波。
本发明所述基于DSP的时间源控制模块运用时间源信号间隔测量技术以及最佳时钟算法选择技术实现多路时间源信息的高速解析、实时比对、排序，自动选择最准确时间信号作为输出时间信息。
本发明的有益效果在于：提供一种基于SDH多时间源PTP数据同步及时间监测系统，系统基于FPGA实现时间源信号滤波和协议转换算法，基于DPS内核实现多路时间源信息的高速解析、实时比对、排序，自动选择最准确时间信号作为输出时间信息；并通过运行满足IEC61850标准的时间监测系统，建立多路时间源信息采集统计表，实现信息的远程传输以及就地校核、查询等功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明PTP时间同步系统中E1/Ethernet协议转换器设计框图；
图2为本发明双内插计数法时序图；
图3为本发明PTP状态机示意图；
图4为本发明的流程框图。
具体实施方式
见图1，一种基于SDH多时间源PTP数据同步及时间监测系统，本发明特征在于，包括：
时间源1，以及与其相连的基于FPGA实现时间源信号滤波模块2；
与所述基于FPGA实现时间源信号滤波模块2相连的基于FPGA的输出协议转换模块5；
与所述基于FPGA的输出协议转换模块5相连的基于DSP的时间源控制模块6；
其中，所述时间源1，以及与其相连的基于FPGA实现时间源信号滤波模块2用来选择时间源并对接收到的脉冲信号进行滤波；基于FPGA的输出协议转换模块5用来对输出进行转换；基于DSP的时间源控制模块6用来实现多路时间源信息的高速解析、实时比对、排序，自动选择最准确时间信号作为输出时间信息。
本发明所述基于FPGA实现时间源信号滤波模块2采用多时间源融合技术3和多时间源容错技术4对接收机接收到的时间源信号进行滤波。
本发明所述基于DSP的时间源控制模块6运用时间源信号间隔测量技术7以及最佳时钟算法选择技术8实现多路时间源信息的高速解析、实时比对、排序，自动选择最准确时间信号作为输出时间信息。
本发明其中的几项关键模块是:
1.基于FPGA实现时间源信号滤波模块：
1.1)多时间源信息融合技术
多时间源信息融合结构采用联邦式结构，以保证授时系统的实时性和容错性。在联合滤波结构中，各子滤波器相对独立，尤其是无重置(NR)结构，各子滤波器信息分配按一定比例在各局部滤波器中进行。主滤波器无信息分配，它的输出仅由时间更新确定，主滤波器只是将各局部滤波器的估计信息进行融合，没有对局部滤波器的信息重置，因此各局部滤波器独立工作，容错能力强。其唯一不足之处是精度比融合复位结构稍有下降，但换来系统可靠性与容错性的提高，这种方案被认为是容错型联合滤波结构。对于组合授时系统而言，融合问题是一个非线性非高斯问题，可以采用基于EKF(扩展卡尔曼滤波)的定位算法来解决系统的非线性问题，从而进一步提高授时系统的授时精度。前期实验结果表明，采用EKF算法比采用KF算法在处理导航和授时领域中的非线性问题的精度能够提高15％～20％。
基于SDH的组合授时系统根据所采用时间源观测量的不同可分为三种组合模式：基于北斗/晶振的组合模式、基于北斗/GPS的组合模式和基于GPS/晶振的组合模式。考虑到联邦式组合滤波模式具有结构简单，便于工程实现的特点，采用EKF算法实现信息融合以及反馈校正方式即可满足组合授时系统的信息融合要求。
为解决系统运行过程中各个时间源误差模型的动态变化的问题，需要引入自适应交互式多模型的方法进行融合滤波，以实现各种时间源模型的动态切换。自适应交互式多模型由并行的滤波器组和似然检验算法组成：首先建立子系统正常工作时的模型以及典型故障时的模型，每个模型对于一个粒子滤波器单元；然后计算每个滤波器的似然函数。通过在线比较各个似然函数的大小，从而确定最可能发生故障的模型。对于各个时间源的误差模型，按照先验概率密度随机抽取一组粒子，这组粒子经过输入交互、粒子滤波后进行重采样，再进行输出交互。如此不断循环递推传播更新这些粒子以完成状态变量的估计。
1.2)多时间源信息容错技术
为提高复杂环境下组合授时精度和容错性能的自适应调整能力，对影响联邦滤波精度和容错性能的主要因素进行理论分析，根据联邦滤波不同融合结构的性能特点，系统采用两级反馈式联邦滤波融合容错结构，实现组合授时系统的分布式信息融合容错。
本系统的组合授时系统故障检测方法主要采用χ2检验法，根据所构造的随机向量的不同而有不同的χ2检验法，主要包括残差χ2检验法、状态χ2检验法和双状态χ2检验法。针对多时间源信息融合容错选用的无重置的联合滤波结构，拟采用一种新的两级故障检测结构：在子、主滤波器中分别选用残差χ2检验法和双状态χ2检验法。这种方法将残差χ2检测法易于检测突变故障和双状态χ2检测法易于检测缓变故障的优势相结合，可以达到很好的检测效果。
基于SDH多时间源PTP数据同步及时间监测系统，通过时间源信号滤波模块采，运用多时间源融合技术和多时间源容错技术对接收机接收到的时间源信号进行滤波。
2.基于FPGA的输出协议转换模块：
系统将PTP报文协议通过SDH进行传输，在时间源处，主时钟通过以太网络发出协议报文，经过E1/Ethernet协议转换器，将以太网码流转换成E1HDB3码流，然后通过SDH网络逐级传递，在达到从时钟前，经过E1/Ethernet协议转换器将E1HDB3码流转换成以太网码流，传递给从时钟。从时钟发出的报文也经过类似的过程传递到主时钟处，从时钟根据这些报文的硬件时间戳来计算和调整从时钟的时间。
如图1，框图中主要包括4部分组成
1)以太网收发电路(DM9000AEP完成)。负责以太网硬件接口和协议的转换；
2)E1收发电路(DS26503完成)。负责E1硬件接口和协议的转换；负责E1数据的收发。对从MII接口接收带时间戳的数据包，在经过板级硬件单元后，计算通过该各个硬件单元的时间，并重新打入时间戳，传到E1端口。对从E1接口接收的数据包，进行成帧解析后，通过MII接口发送以太网链路上。其中，链路延迟包括协议转换延迟T1和硬件处理延迟T2，码流从以太网接口和E1接口间进出时，由FPGA记录，相减后得到协议转换延迟T1，T2则为硬件固定的处理时延。
3)现场可编程门阵列(FPGA，Field－Programmable GateArray)部分。负责完成以太网和E1之间的双向协议转换，并且准确计算二者之间转换的延时。
4)DSP部分。负责和上位机通信，完成上位机对设备的查询功能和参数配置功能；
3.基于DSP的时间源控制模块：
3.1)时间源信号间隔测量
该模块采用DSP计量两个脉冲间的偏差。DSP内包括倍频单元、双内插值单元、计数器和双口存储器，倍频单元将输入的10MHz频率倍频；插值单元用于计量间隔计数小于100ns的部分，即采用倍频的1GHz频率获取分辨率更高的部分。计数器用于计量100ns为单位的间隔计数值，双口存储器用于缓存间隔计数值和高分辨率计数值。通过高精度时间间隔测量技术，使时间间隔分辨率从100ns提到到1ns。
本地发送和接收的两个1pps信号通过同轴电缆输入时间间隔测量系统，经过阻抗匹配与信号隔离电路之后进入两路高速比较器。两路高速比较器获得差分ECL电平的START和STOP脉冲同时送入DSP芯片。在DSP内部采用双内插时间间隔计数法精确测量时间间隔，图2是双内插计数法的时序图。STARTA上跳沿与STOPA上跳沿之间是待测量的时间间隔T，将STARTA与STOPA异或可以得到主计数器的计数使能区间。主计数器时间段的前后两个不大于主计数器时钟周期的时间区间分别送入两路TDC做精确时间量化，量化值分别为NA和NB，量化步长分别为τA和τB。主计数器时钟周期为T0，计数结果为NC。则待测时间间隔T可以由下式表示。
T＝NAτA-N BτB+NC T0
START和STOP脉冲与参考时钟的第一个上升沿之间的待量化时间间隔送入DSP芯片的作用是测量START和STOP脉冲与第一个参考时钟上升沿之间的时间间隔，两次测量可以时分复用同一个通道，由DSP给出控制信号选通两路高速比较器即可以实现复用。DSP内部实现双内插器、主计数器以及其他一些外围电路接口。主计数器以参考时钟计数并将计数结果存入双口RAM，之后中断CPU，由CPU到预定地址读取主计数器结果。CPU主要完成对整个系统的控制功能、时间测量值的计算和测量数据的后续处理工作，包括通过DSP调节DAC的输出电平；将测量数据通过串口输出等功能。
2.2)最佳时钟算法选择
系统采用PTP自动选择最佳主时钟算法，包括状态决定算法和数据集比较算法。在PTP时钟体系建立起来后，通过保文交互，选择体系中精度、稳定度、优先级等指标最好的时钟作为主时钟，其他的时钟作为从时钟同步于主时钟。
在IEEE1588体系中。PTP(Precision Time Proto2col)时钟的端口状态被分为PTP_IN ITIAL IZING。PTP_MASTER。PTP_SLAVE。PTP_D ISABLED等9种状态。而BMC算法的目的就是为了计算出每个时钟端口的状态，从而确立网络中的最佳主时钟，以便于时钟之间的时间同步。本算法本身是由两部分组成的：
●状态决定算法：用来计算每个时钟端口的状态；
●数据集比较算法：用来计算两个相关时钟端口数据集的二进制关系。
而这两种算法进行计算所需要的信息主要来自两部分：时钟端口的默认数据集D0和时钟端口接收到的Sync报文中包含的信息。在这里我们使用IEEE1588标准的设定。假设某一具有N个PTP时钟端口的时钟C0的默认数据集为D0。则BMC算法计算时钟状态所需要的信息具体为：
●时钟的默认数据集D0；
●时钟端口r的E rbest数据集；
●N个时钟端口的Ebest数据集。
其中。数据集E rbest是通过数据集比较算法计算和r端口相连的来自不同时钟端口的有效Sync报文所包含的信息得到的。而数据集Ebest则是通过数据集比较算法选择N个端口中最好的E rbest。作为时钟C0的信息更新来源。在这里E rbest和Ebest所包含的信息主要是指。Sync报文中所携带的最高级主时钟(grandmaster。GM)的相关信息。如GMUU ID。GMStratum。GM Identifier等。
本发明的有益效果在于：基于FPGA实现时间源信号滤波模块用于对SDH传输PTP高精度标准时间的E1/Ethernet协议的转换以及多时间源的滤波、测量、最佳时间源选择；基于DSP内核实现多路时间源信息的高速解析、实时比对、排序，自动选择最准确时间信号作为输出时间信息。

Claims (2)

1.一种基于SDH多时间源PTP数据同步及时间监测系统，其特征在于，包括：
时间源(1)，以及与其相连的基于FPGA实现时间源信号滤波模块(2)；
与所述基于FPGA实现时间源信号滤波模块(2)相连的基于FPGA的输出协议转换模块(5)；
与所述基于FPGA的输出协议转换模块(5)相连的基于DSP的时间源控制模块(6)；
其中，所述时间源(1)，以及与其相连的基于FPGA实现时间源信号滤波模块(2)用来选择时间源并对接收到的脉冲信号进行滤波；基于FPGA的输出协议转换模块(5)用来对输出进行转换；基于DSP的时间源控制模块(6)用来实现多路时间源的高速解析、实时比对、排序，自动选择最准确时间信号作为输出时间信息；
所述基于FPGA实现时间源信号滤波模块(2)采用多时间源融合技术和多时间源容错技术对接收机接收到的时间源信号进行滤波。
2.根据权利要求1所述的基于SDH多时间源PTP数据同步及时间监测系统，其特征在于，所述基于DSP的时间源控制模块(6)运用时间源信号间隔测量技术以及最佳时钟算法选择技术实现多路时间源信息的高速解析、实时比对、排序，自动选择最准确时间信号作为输出时间信息。
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