CN106130679A - 主从时钟同步方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种主从时钟同步方法与系统，主时钟向从时钟发送第一报文，从时钟反馈第二报文至主时钟，记录这个过程中第一报文离开主时钟时间t₁、从时钟接收到第一报文的时间t₂、第二报文离开从时钟时间t₃以及主时钟接收到第二报文的时间t₄，根据这些记录的时间计算主时钟与从时钟之间的路径延时和时钟偏移，对路径延时和时钟偏移进行指数平滑处理，并根据处理结果同步主时钟与从时钟。整个过程中，计算主从时钟之间路径延时和时钟偏移，并对路径延时和时钟偏移结果进行指数平滑处理优化，优化后的数据更加符合真实情况且具有适应性，能够自动调时调频，实现高精度主从时钟同步。

Description

主从时钟同步方法与系统

技术领域

本发明涉及时钟同步技术领域，特别是涉及主从时钟同步方法与系统。

背景技术

时钟同步也叫“对钟”。在多个设备构建的网络中，主从时钟同步是非常重要的，多数设备设置有各自的时钟信号，若这些设备无法高精度同步，必然会影响各个设备之间协调工作。

以微电网为例，微电网是由分布式电源、储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，在解决能源枯竭、环保问题和电能质量方面具有极大潜能。微电网的稳定运行对微电网中的测量、控制设备提出了新的要求，特别是时钟同步。这些设备在运行时实时采样、监测、记录各类电能质量数据(如电压、电流、频率、有功)，如果没有一个统一的时序和时钟标准将难以满足微电网系统实时数据采样、系统稳定性判别、故障定位、故障录波、故障分析、时间顺序记录等时间一致性的要求。

一般的主从时钟同步方法是利用全球定位系统同步或编码同步，这些主从时钟同步方法需要设备添加接收机装置，并且需要单独的硬接线来支持时钟同步的时间数据传输，时钟同步过程复杂而且同步精度低。

发明内容

基于此，有必要针对一般主从时钟同步方法复杂且同步精度低的问题，提供一种简单且同步精度高的主从时钟同步方法与系统。

一种主从时钟同步方法，包括步骤：

控制主时钟向从时钟发送第一报文，并记录第一报文离开主时钟时间t₁；

记录从时钟接收到第一报文的时间t₂，控制从时钟向主时钟反馈第二报文，并记录第二报文离开从时钟时间t₃；

记录主时钟接收到第二报文的时间t₄；

根据第一报文离开主时钟时间t₁、从时钟接收到第一报文的时间t₂、第二报文离开从时钟时间t₃以及主时钟接收到第二的时间t₄，计算主时钟与从时钟之间的路径延时和时钟偏移；

通过指数平滑算法对主时钟与从时钟之间的路径延时和时钟偏移进处理，获得处理结果；

根据处理结果同步主时钟与从时钟。

一种主从时钟同步系统，包括：

第一记录模块，用于控制主时钟向从时钟发送第一报文，并记录第一报文离开主时钟时间t₁；

第二记录模块，用于记录从时钟接收到第一报文的时间t₂，控制从时钟向主时钟反馈第二报文，并记录第二报文离开从时钟时间t₃；

第三记录模块，用于记录主时钟接收到第二报文的时间t₄；

计算模块，用于根据第一报文离开主时钟时间t₁、从时钟接收到第一报文的时间t₂、第二报文离开从时钟时间t₃以及主时钟接收到第二的时间t₄，计算主时钟与从时钟之间的路径延时和时钟偏移；

平滑处理模块，用于通过指数平滑算法对主时钟与从时钟之间的路径延时和时钟偏移进处理，获得处理结果；

同步模块，用于根据处理结果同步主时钟与从时钟。

本发明主从时钟同步方法与系统，主时钟向从时钟发送第一报文，从时钟反馈第二报文至主时钟，记录这个过程中第一报文离开主时钟时间t₁、从时钟接收到第一报文的时间t₂、第二报文离开从时钟时间t₃以及主时钟接收到第二报文的时间t₄，根据这些记录的时间计算主时钟与从时钟之间的路径延时和时钟偏移，对路径延时和时钟偏移进行指数平滑处理，并根据处理结果同步主时钟与从时钟。整个过程中，计算主从时钟之间路径延时和时钟偏移，并对路径延时和时钟偏移结果进行指数平滑处理优化，优化后的数据更加符合真实情况且具有适应性，能够自动调时调频，实现高精度主从时钟同步。

附图说明

图1为本发明主从时钟同步方法第一个实施例的流程示意图；

图2为本发明主从时钟同步方法第二个实施例的流程示意图；

图3为主时钟与从时钟收发报文的时序图；

图4为本发明主从时钟同步系统第一个实施例的结构示意图；

图5为本发明主从时钟同步系统第二个实施例的结构示意图。

具体实施方式

多个设备构建的网络中，多数设备拥有自身的时钟信号。以微电网为例，分层控制的微电网中加入时钟同步系统，电网调度中心与微网中央控制器通过规约实现精度大约为1毫秒的时钟同步，主时钟与从时钟设备如智能网关断路器、逆变器等基于IEEE(Instituteof Electrical and Electronics Engineers，电气和电子工程师协会)1588精密时钟同步协议实现精度在微秒级的时钟同步。主时钟获取北斗卫星时间并且通过IEEE1588协议向底层设备授时，通过引入备用主时钟，在主时钟不可用时，微电网系统可以通过备用主时钟实现系统内设备的高精度的时钟同步。具体来说，在一级交换设备的网络下微电网系统内的设备通过边界时钟分为两个时钟域，主时钟和边界时钟的从时钟端口构成第一个时钟域，边界时钟的主时钟端口、智能网关短路器和逆变器构成第二个时钟域。

下面将以微电网为例，详细介绍本发明主从时钟同步方法具体技术方案。

如图1所示，一种主从时钟同步方法，包括步骤：

S100：控制主时钟向从时钟发送第一报文，并记录第一报文离开主时钟时间t₁。

主时钟向从时钟发送第一报文，并且记录第一报文离开主时钟时间t₁。具体来说，可以控制主时钟以预设频率向从时钟发送第一报文，这里的预设频率可以根据实际情况的需要进行设定，例如可以设定为1秒一次，第一报文具体可以为Sync同步报文。主时钟以预设频率向从时钟发送第一报文这样主时钟与从时钟之间一直在进行同步进程，有利于确保主从时钟之间实时同步。

S200：记录从时钟接收到第一报文的时间t₂，控制从时钟向主时钟反馈第二报文，并记录第二报文离开从时钟时间t₃。

从时钟在接收到来自主时钟的第一报文时，记录下此时的时间t₂，之后从时钟向主时钟反馈第二报文，并且记录第二报文离开从时钟时间t₃。具体来说，第二报文为DelayReq报文。

S300：记录主时钟接收到第二报文的时间t₄。

主时钟接收来自从时钟反馈过来的第二报文，并记录接收到第二报文的时间为t₄。

S400：根据第一报文离开主时钟时间t₁、从时钟接收到第一报文的时间t₂、第二报文离开从时钟时间t₃以及主时钟接收到第二的时间t₄，计算主时钟与从时钟之间的路径延时和时钟偏移。

基于步骤S100-S300获得的时间t₁、时间t₂、时间t₃以及时间t₄，根据这些数据计算主时钟与从时钟之间的路径延时和时钟偏移，具体来说，步骤S400的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}Delay+Offset=t2-t1\\ Delay-Offset=t4-t3\end{array}\right.$

将上述公式优化之后即可得到：

$\left\{\begin{array}{c}Offset=(t2-t1-t4+t3)/2\\ Delay=(t2-t1+t4-t3)/2\end{array}\right.$

其中，Delay为路径延时，Offset为时钟偏移。

S500：通过指数平滑算法对主时钟与从时钟之间的路径延时和时钟偏移进处理，获得处理结果。

指数平滑算法是布朗(Robert G..Brown)所提出，布朗认为时间序列的态势具有稳定性或规则性，所以时间序列可被合理地顺势推延，他认为最近的过去态势，在某种程度上会持续的未来，所以将较大的权数放在最近的资料。指数平滑算法是生产预测中常用的一种方法。也用于中短期经济发展趋势预测，所有预测方法中，指数平滑是用得最多的一种。简单的全期平均法是对时间数列的过去数据一个不漏地全部加以同等利用，移动平均法则不考虑较远期的数据，并在加权移动平均法中给予近期资料更大的权重，而指数平滑算法则兼容了全期平均和移动平均所长，不舍弃过去的数据，但是仅给予逐渐减弱的影响程度，即随着数据的远离，赋予逐渐收敛为零的权数，也就是说指数平滑算法是在移动平均法基础上发展起来的一种时间序列分析预测法，它是通过计算指数平滑值，配合一定的时间序列预测模型对现象的未来进行预测。其原理是任一期的指数平滑值都是本期实际观察值与前一期指数平滑值的加权平均。具体来说，指数平滑算法的数学表达式为：s_t+1(x)＝αy_t(x)+(1-α)s_t(x)。式中，s_t+1(x)为y(x)在(t+1)时刻的预测值，y_t(x)为y(x)在t时刻的实际值，s_t(x)为y(x)在t时刻的预测值，α为预设平滑系数。加入指数平滑算法对路径延时和时钟偏移进行处理，这样对时间数据进行优化，一方面是不同时间的数据的非等权处理更符合主从时钟时间同步过程中的实际情况，另一方面指数平滑算法的预测过程具有适应性，能自动识别数据模式的变化而加以调整，进而调时调频实现主从时钟高精度同步。

S600：根据处理结果同步主时钟与从时钟。

本发明主从时钟同步方法，主时钟向从时钟发送第一报文，从时钟反馈第二报文至主时钟，记录这个过程中第一报文离开主时钟时间t₁、从时钟接收到第一报文的时间t₂、第二报文离开从时钟时间t₃以及主时钟接收到第二报文的时间t₄，根据这些记录的时间计算主时钟与从时钟之间的路径延时和时钟偏移，对路径延时和时钟偏移进行指数平滑处理，并根据处理结果同步主时钟与从时钟。整个过程中，计算主从时钟之间路径延时和时钟偏移，并对路径延时和时钟偏移结果进行指数平滑处理优化，优化后的数据更加符合真实情况且具有适应性，能够自动调时调频，实现高精度主从时钟同步。

如图2所示，在其中一个实施例中，步骤S100之后还包括：

S120：控制主时钟向从时钟发送携带有第一报文离开主时钟时间t₁的第三报文。

步骤S300之后还包括：

S320：控制主时钟向从时钟发送携带有主时钟接收到第二报文的时间t₄的第四报文。

第一报文离开主时钟时间t₁是记录在主时钟上的，从时钟接收到第一报文的时间t₂是记录在从时钟上的，第二报文离开从时钟时间t₃是记录在从时钟上的，主时钟接收到第二报文的时间t₄是记录在主时钟上的。在执行步骤S400时，需要将这些时间数据归集，具体来说，可以将这些数据统一发送至第三方；或者将记录在主时钟上的时间t₁和时间t₄发送至从时钟，以在从时钟的设备上执行步骤S400，又或者将记录在从时钟上的时间t₂和时间t₃发送至主时钟，以在主时钟的设备上执行步骤S400。在本实施例中，将记录在主时钟上的时间t₁和时间t₄发送至从时钟，在从时钟的设备上计算主从时钟之间路径延时和时钟偏移。这样实际应用中，当有大量从时钟数据需要计算时，可以显著降低对主时钟设备计算能力的要求，降低主时钟设备数据处理量，有利于高效实现主从时钟同步。非必要的，第三报文可以为FollowUp报文，第四报文可以为DelayResp报文，从时钟在接收到第一报文并记录接收时间t₂后，再接收主时钟发送的第三报文(FollowUp报文)并在解析第三报文(FollowUp报文)获得时间t₁后，再向主时钟反馈第二报文。从时钟在接收到第四报文(DelayResp报文)后，解析第四报文(DelayResp报文)获得时间t₄。

为更进一步详细解释本发明主从时钟同步方法下面将结合如图3所示的时序图进行解释说明。

步骤一：主时钟周期性以多播以太网报文的方式向从时钟发送Sync同步报文，并在随后发送FollowUp报文将Sync报文离开主时钟的时刻t₁包含在FollowUp报文中。

步骤二：从时钟接收到Sync报文后记录Sync报文到达的时刻t₂，并解析紧随Sync报文的FollowUp报文获取t₁，完成FollowUp报文解析后从时钟向主时钟发送DelayReq报文并且记录报文离开从时钟的时刻t₃。

步骤三：主时钟接收到DelayReq报文后记录报文到达的时刻t₄，随后响应DelayReq报文向从时钟发送DelayResp报文，该报文中包含DelayReq报文的到达时刻t₄。

步骤四：从时钟接收到DelayResp报文后解析获取t₄时刻。从时钟通过获取的t₁、t₂、t₃、t₄四个时刻计算出主从时钟间的路径延时和时钟偏移。

在实际工程应用中，主时钟与从时钟记录同步报文离开或到达设备的时刻称之为“打时间戳”，获取时间戳的位置不同，对测量路径延时和时钟偏移的影响很大。可以采用媒体访问层IEEE1588模块实现时间戳的获取，测量的精度在亚微秒级。当有数据报文通过媒体访问层与物理层之间的媒体独立接口时，记录报文离开或到达的时刻返回到应用层任务中。

如图4所示，一种主从时钟同步系统，包括：

第一记录模块100，用于控制主时钟向从时钟发送第一报文，并记录第一报文离开主时钟时间t₁。

第二记录模块200，用于记录从时钟接收到第一报文的时间t₂，控制从时钟向主时钟反馈第二报文，并记录第二报文离开从时钟时间t₃。

第三记录模块300，用于记录主时钟接收到第二报文的时间t₄。

计算模块400，用于根据第一报文离开主时钟时间t₁、从时钟接收到第一报文的时间t₂、第二报文离开从时钟时间t₃以及主时钟接收到第二的时间t₄，计算主时钟与从时钟之间的路径延时和时钟偏移。

平滑处理模块500，用于通过指数平滑算法对主时钟与从时钟之间的路径延时和时钟偏移进处理，获得处理结果。

同步模块600，用于根据处理结果同步主时钟与从时钟。

本发明主从时钟同步系统，主时钟向从时钟发送第一报文，从时钟反馈第二报文至主时钟，第一记录模块100记录第一报文离开主时钟时间t₁，第二记录模块200记录从时钟接收到第一报文的时间t₂以及第二报文离开从时钟时间t₃，第三记录模块300记录主时钟接收到第二报文的时间t₄，计算模块400根据这些记录的时间计算主时钟与从时钟之间的路径延时和时钟偏移，平滑处理模块500对路径延时和时钟偏移进行指数平滑处理，同步模块600根据处理结果同步主时钟与从时钟。整个过程中，计算主从时钟之间路径延时和时钟偏移，并对路径延时和时钟偏移结果进行指数平滑处理优化，优化后的数据更加符合真实情况且具有适应性，能够自动调时调频，实现高精度主从时钟同步。

在其中一个实施例中，第一记录模块100具体用于控制主时钟以预设频率向从时钟发送第一报文，并记录第一报文离开主时钟时间t₁。

主时钟以预设频率向从时钟发送第一报文这样主时钟与从时钟之间一直在进行后续同步过程，有利于确保主从时钟之间实时同步。

在其中一个实施例中，计算模块400具体用于根据第一报文离开主时钟时间t₁、从时钟接收到第一报文的时间t₂、第二报文离开从时钟时间t₃以及主时钟接收到第二的时间t₄，采用路径延时和时钟偏移计算公式计算主时钟与从时钟之间的路径延时和时钟偏移；

路径延时和时间偏移计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}Offset=(t2-t1-t4+t3)/2\\ Delay=(t2-t1+t4-t3)/2\end{array}\right.$

其中，Delay为路径延时，Offset为时钟偏移。

在其中一个实施例中，指数平滑算法的数学表达式为：

s_t+1(x)＝αy_t(x)+(1-α)s_t(x)

式中，s_t+1(x)为y(x)在(t+1)时刻的预测值，y_t(x)为y(x)在t时刻的实际值，s_t(x)为y(x)在t时刻的预测值，α为预设平滑系数。

如图5所示，主从时钟同步系统还包括：

第三报文发送模块120，用于控制主时钟向从时钟发送携带有第一报文离开主时钟时间t₁的第三报文；

第四报文发送模块320，用于控制主时钟向从时钟发送携带有主时钟接收到第二报文的时间t₄的第四报文。

第一报文离开主时钟时间t₁是记录在主时钟上的，从时钟接收到第一报文的时间t₂是记录在从时钟上的，第二报文离开从时钟时间t₃是记录在从时钟上的，主时钟接收到第二报文的时间t₄是记录在主时钟上的。在本实施例中，第三报文发送模块120和第四报文发送模块320将记录在主时钟上的时间t₁和时间t₄发送至从时钟，在从时钟的设备上计算主从时钟之间路径延时和时钟偏移。这样实际应用中，当有大量从时钟数据需要计算时，可以显著降低对主时钟设备计算能力的要求，降低主时钟设备数据处理量，有利于高效实现主从时钟同步。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种主从时钟同步方法，其特征在于，包括步骤：

控制主时钟向从时钟发送第一报文，并记录所述第一报文离开所述主时钟时间t₁；

记录所述从时钟接收到所述第一报文的时间t₂，控制所述从时钟向所述主时钟反馈第二报文，并记录所述第二报文离开所述从时钟时间t₃；

记录所述主时钟接收到所述第二报文的时间t₄；

根据所述第一报文离开所述主时钟时间t₁、所述从时钟接收到所述第一报文的时间t₂、所述第二报文离开所述从时钟时间t₃以及所述主时钟接收到所述第二的时间t₄，计算所述主时钟与所述从时钟之间的路径延时和时钟偏移；

通过指数平滑算法对所述主时钟与所述从时钟之间的路径延时和时钟偏移进处理，获得处理结果；

根据所述处理结果同步所述主时钟与所述从时钟。

2.根据权利要求1所述的主从时钟同步方法，其特征在于，所述控制主时钟向从时钟发送第一报文，并记录所述第一报文离开所述主时钟时间t₁的步骤包括：

控制所述主时钟以预设频率向从时钟发送第一报文，并记录所述第一报文离开所述主时钟时间t₁。

3.根据权利要求1所述的主从时钟同步方法，其特征在于，所述计算所述主时钟与所述从时钟之间的路径延时和时钟偏移的公式具体为：

$\left\{\begin{array}{c}Offset=(t2-t1-t4+t3)/2\\ Delay=(t2-t1+t4-t3)/2\end{array}\right.$

其中，Delay为所述路径延时，Offset为所述时钟偏移。

4.根据权利要求1所述的主从时钟同步方法，其特征在于，所述指数平滑算法的数学表达式为：

s_t+1(x)＝αy_t(x)+(1-α)s_t(x)

式中，s_t+1(x)为y(x)在(t+1)时刻的预测值，y_t(x)为y(x)在t时刻的实际值，s_t(x)为y(x)在t时刻的预测值，α为预设平滑系数。

5.根据权利要求1所述的主从时钟同步方法，其特征在于，所述控制主时钟向从时钟发送第一报文，并记录所述第一报文离开所述主时钟时间t₁的步骤之后还包括：

控制所述主时钟向所述从时钟发送携带有所述第一报文离开所述主时钟时间t₁的第三报文；

所述记录所述主时钟接收到所述第二报文的时间t₄的步骤之后还包括：

控制所述主时钟向所述从时钟发送携带有所述主时钟接收到所述第二报文的时间t₄的第四报文。

6.一种主从时钟同步系统，其特征在于，包括：

第一记录模块，用于控制主时钟向从时钟发送第一报文，并记录所述第一报文离开所述主时钟时间t₁；

第二记录模块，用于记录所述从时钟接收到所述第一报文的时间t₂，控制所述从时钟向所述主时钟反馈第二报文，并记录所述第二报文离开所述从时钟时间t₃；

第三记录模块，用于记录所述主时钟接收到所述第二报文的时间t₄；

计算模块，用于根据所述第一报文离开所述主时钟时间t₁、所述从时钟接收到所述第一报文的时间t₂、所述第二报文离开所述从时钟时间t₃以及所述主时钟接收到所述第二的时间t₄，计算所述主时钟与所述从时钟之间的路径延时和时钟偏移；

平滑处理模块，用于通过指数平滑算法对所述主时钟与所述从时钟之间的路径延时和时钟偏移进处理，获得处理结果；

同步模块，用于根据所述处理结果同步所述主时钟与所述从时钟。

7.根据权利要求6所述的主从时钟同步系统，其特征在于，所述第一记录模块具体用于控制所述主时钟以预设频率向从时钟发送第一报文，并记录所述第一报文离开所述主时钟时间t₁。

8.根据权利要求6所述的主从时钟同步系统，其特征在于，所述计算所述主时钟与所述从时钟之间的路径延时和时钟偏移的公式具体为：

$\left\{\begin{array}{c}Offset=(t2-t1-t4+t3)/2\\ Delay=(t2-t1+t4-t3)/2\end{array}\right.$

其中，Delay为所述路径延时，Offset为所述时钟偏移。

9.根据权利要求6所述的主从时钟同步系统，其特征在于，所述指数平滑算法的数学表达式为：

s_t+1(x)＝αy_t(x)+(1-α)s_t(x)

式中，s_t+1(x)为y(x)在(t+1)时刻的预测值，y_t(x)为y(x)在t时刻的实际值，s_t(x)为y(x)在t时刻的预测值，α为预设平滑系数。

10.根据权利要求6所述的主从时钟同步系统，其特征在于，还包括：

第三报文发送模块，用于控制所述主时钟向所述从时钟发送携带有所述第一报文离开所述主时钟时间t₁的第三报文；

第四报文发送模块，用于控制所述主时钟向所述从时钟发送携带有所述主时钟接收到所述第二报文的时间t₄的第四报文。