CN106385299B - 智能变电站维护业务类信息背景流的主从时钟同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能变电站维护业务类信息背景流的主从时钟同步方法，包括连续采样变电站主从时钟背景流时延值，构成主从时钟时延时间序列；采用概率置信区间法选取主从时钟时延时间的异常值；采用中位值替代法替代异常值，重新构成主从时钟时延时间序列；采用指数时延模型计算主从时钟端端时延的最佳估算值；采用最佳估算值修正从时钟的时延，从而实现主从时钟的同步。本发明方法克服了通过计算主从时钟端端背景流时延抖动偏差的变化规律，实现主从时钟端端时延最佳估计值，提高了主从时钟同步稳定性，方法具备减少智能变电站同步误差和提高同步精度的特点。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种智能变电站维护业务类信息背景流的主从时钟同步方法。
背景技术
随着国家经济技术的发展和人们生活水平的提高，智能电网已经形成。
智能变电站是智能电网的支撑节点，是能源互联网的重要支撑内容之一。智能变电站一个重要的技术标准是IEC61850标准，该标准为变电站一次、二次设备之间和二次设备之间的通信提供了良好的解决方案。在IEC61850标准框架中，IEEE 1588时间同步标准(以下简称1588标准)是保证变电站智能化的关键，同步时钟的精度将直接影响智能变电站的控制精度和性能。智能变电站会使用大量的控制器和仪表，这些控制器和仪表通常内置有时钟，因此整个系统内往往存在多个独立运行的时钟。但是一旦各个设备时间不统一，很可能导致顺序错乱，从而引发事故。所以为保证变电站安全有序地运行，必须让整个系统内的所有时钟遵循同一个时间基准，即实现时间同步。
智能变电站通信网络中的信息可分为运行业务类和维护业务类，以上两类信息构成了1588标准同步过程中的通信网络的信息背景流。维护业务类信息背景流具有通信频繁和随机指数分布传输的特点，因此具有方便实现路径端端时延统计、统计结果接近端端路径时延真实值的优点。
但是，由于智能表电站通信网络中存在着不可抗拒的干扰因素，从而导致主时钟和从时钟同步时，产生端端路径时延抖动，严重影响了主从时钟的同步精度和误差优化，并由此可能引起在实际变电站同步过程中可能出现因主从时钟端端时延抖动所产生的同步误差较大的问题，从而严重智能变电站的安全可靠运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种精度高、可靠性好、计算过程简单的智能变电站维护业务类信息背景流的主从时钟同步方法。
本发明提供的这种智能变电站维护业务类信息背景流的主从时钟同步方法，包括如下步骤：
S1.连续采样得到变电站主从时钟背景流时延值，构成主从时钟时延时间序列{delay(i)}；
S2.采用概率置信区间法从步骤S1获取的主从时钟时延时间序列delay(i)中选取主从时钟时延时间的异常值；
S3.采用中位值替代法替代步骤S2中选取的异常值，并重新构成主从时钟时延时间序列{delay(i)'}；
S4.采用指数时延模型计算主从时钟端端时延的最佳估算值；
S5.采用步骤S4得到的最佳估算值修正从时钟的时延，从而实现主从时钟的同步。
所述的智能变电站维护业务类信息背景流的主从时钟同步方法针对的是采用IEEE 1588时间同步标准进行主从时钟同步的智能变电站。
步骤S1所述的连续采样得到变电站主从时钟背景流时延值，构成主从时钟时延时间序列{delay(i)}，具体为：假设当前为第k个同步周期，则对含当前同步周期前若干时间I开始进行时延值数据采集，并以T为采集周期，主时钟端设备记录来自从时钟端设备的维护业务类数据帧；记录第i个采集时间时刻的主从时钟背景流时延值为delay(i)，并将所记录的所有主从时钟背景流时延值构成主从时钟时延时间序列{delay(i)}。
所述的若干时间I取为3～5个同步周期。
步骤S2所述的采用概率置信区间法选取主从时钟时延时间的异常值，具体为：以主从时钟时延时间序列{delay(i)}中参数delay(i)为自变量，构造正态分布曲线Norm(μ,δ2)；分别计算该正态分布的均值μ＝E[delay(i)]和方差δ＝var[delay(i)]；然后设置信区间为[μ-2δ,μ+2δ]，将在置信区间外的值delay(i)选择为序列异常值。
步骤S3所述的中位值替代法替代计算步骤S2中选取的异常值，并重新构成主从时钟时延时间序列{delay(i)'}，具体为：对主从时钟时延时间序列每个异常值delay(i)，以异常值delay(i)为数据窗口中心，N/2为半径建立数据清洗窗口，N为偶数；对数据窗口内(N+1)个时间序列时延值，依次由大到小排序，选取中间值记作delaymid；将主从时钟时延时间序列{delay(i)}中异常值delay(i)替换为delaymid，重新得到主从时钟时延时间序列{delay(i)'}。
所述的N的取值为4≤N<主从时钟时延时间序列长度。
步骤S4所述的采用指数时延模型计算主从时钟端端时延的最佳估算值，具体为：对步骤S3得到的主从时钟时延时间序列{delay(i)'}，采用一次线性插值法，按delta时间间隔均匀采样获取均匀主从时钟时延时间序列{Ndelay(i)}；按照指数时延模型，采用最小二乘法参数估计策略，按照以下公式对主从时钟时延时间序列对应的指数分布参数λ进行估计：其中n为主从时钟时延的可能取值，λ是指数分布参数；计算得到的λ代表主从时钟时延的数学期望E[Ndelay(i)]，即为当前第k个同步周期，主从时钟端端时延的最佳估计值delayopt(k)。
步骤S5所述的采用最佳估算值修正主从时钟的时延，实现主从时钟的同步，具体为：在第k个同步周期，采用步骤S4得到的主从时钟端端时延的最佳估计值delayopt(k)，按照同步修正公式offset(k)＝Tms(k)-delayopt(k)计算主从时钟间的时间偏差offset(k)，其中Tms(k)为同步主时钟到从时钟的时延；得到主从时钟之间的时间偏差后，调整从时钟的时间值，从而实现从时钟与主时钟的同步。
本发明提供的这种智能变电站维护业务类信息背景流的主从时钟同步方法，针对变电站时间同步方法主从时钟端端路径时延抖动因素对同步精度的影响，充分考虑主从时钟端端背景流时延抖动偏差的变化规律，首先获取变电站主从时钟背景流时延值构造主从时钟时延时间序列，按照概率置信区间法选择主从时钟时延时间序列异常值，其次按照中位值替代法数据清洗主从时钟时延时间序列异常值，然后按照指数时延模型计算主从时钟端端时延最佳估计，最后采用时延最佳估计值计算同步修正量实现同步优化。本发明方法克服了通过计算主从时钟端端背景流时延抖动偏差的变化规律，实现主从时钟端端时延最佳估计值，提高了主从时钟同步稳定性，方法具备减少智能变电站同步误差和提高同步精度的特点。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2为测量智能变电站中主从时钟延迟统计示意图。
图3为主从时钟时延时间序列中异常值选择示意图。
图4为主从时钟时延时间序列异常值数据替换示意图。
图5为主从时钟时延时间序列等间隔插值示意图。
图6为以时延最佳估算值实现同步示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明的方法流程图，以下结合具体实施例对本发明的方法进行进一步说明：
本发明提供的这种智能变电站维护业务类信息背景流的主从时钟同步方法，针对的是采用IEEE 1588时间同步标准进行主从时钟同步的智能变电站，包括如下步骤：
S1.连续采样得到变电站主从时钟背景流时延值，构成主从时钟时延时间序列{delay(i)}；
假设当前为第k个同步周期，则对含当前同步周期前若干时间I(比如3～5个周期)开始进行时延值数据采集，并以T为采集周期，主时钟端设备记录来自从时钟端设备的维护业务类数据帧；记录第i个采集时间时刻的主从时钟背景流时延值为delay(i)，并将所记录的所有主从时钟背景流时延值构成主从时钟时延时间序列{delay(i)}。
实例中如图2，设当前为No.k个1588同步周期，对含当前1588同步周期前若干时间开始进行数据采集操作。设定同步周期长度为t1，以T＝3*t1为延迟采集周期，主时钟端设备记录来自从时钟端设备的维护业务数据帧，若i为采集时间时刻序列号，则记录No.i个采集时间时刻的主从时钟背景流时延值为delay(i)；然后将所记录的主从时钟背景流时延值构成主从时钟时延时间序列{delay(i)}。
S2.采用概率置信区间法从步骤S1获取的主从时钟时延时间序列delay(i)中选取主从时钟时延时间的异常值；
以主从时钟时延时间序列{delay(i)}中参数delay(i)为自变量，构造正态分布曲线Norm(μ,δ2)；分别计算该正态分布的均值μ＝E[delay(i)]和方差δ＝var[delay(i)]；然后设置信区间为[μ-2δ,μ+2δ]，将在置信区间外的值delay(i)选择为序列异常值。
实例中如图3，在一个采集周期内测得如表1所示的主从时钟时延时间序列，以主从时钟时延时间序列中的参数delayi为自变量，构造正态分布曲线Norm(μ,δ2)，由下表1中数据算得正态分布的均值μ＝E(delayi)＝30.618ms，方差δ＝var(delayi)＝4.224ms，相应的置信区间为[μ-2δ,μ+2δ]＝[22.17ms,39.07ms]，将在置信区间外的值delay(i)＝delay(13)＝59.8ms选择为序列异常值。
表1业务场景参数
S3.采用中位值替代法替代步骤S2中选取的异常值，并重新构成主从时钟时延时间序列{delay(i)'}；
对主从时钟时延时间序列每个异常值delay(i)，以异常值delay(i)为数据窗口中心，N/2为半径建立数据清洗窗口，N为偶数；对数据窗口内(N+1)个时间序列时延值，依次由大到小排序，选取中间值记作delaymid；将主从时钟时延时间序列{delay(i)}中异常值delay(i)替换为delaymid，重新得到主从时钟时延时间序列{delay(i)'}。
实例中如图4，取N＝6，以将异常值delay(i)＝delay(13)＝59.8ms为数据窗口中心，半径为N/2＝3建立数据清洗窗口；对窗口内(N+1)＝7个时间序列时延值delay(i-3)＝30.9ms、delay(i-2)＝29.3ms、delay(i-1)＝29.6ms、delay(i)＝59.8ms、delay(i+1)29.2ms、delay(i+2)＝31.3ms、delay(i+3)＝30.0ms，依次由大到小排序，取中位值delaymid＝30.0ms；将主从时钟时延时间序列{delay(i)}中异常值delay(i)＝59.8ms替换为delaymid＝30.0ms，实现异常值数据的替换。
N的取值为4≤N<主从时钟时延时间序列长度。
S4.采用指数时延模型计算主从时钟端端时延的最佳估算值；
对步骤S3得到的主从时钟时延时间序列{delay(i)'}，采用一次线性插值法，按delta时间间隔均匀采样获取均匀主从时钟时延时间序列{Ndelay(i)}；按照指数时延模型，采用最小二乘法参数估计策略，按照以下公式对主从时钟时延时间序列对应的指数分布参数λ进行估计：其中n为主从时钟时延的可能取值，λ是指数分布参数；计算得到的λ代表主从时钟时延的数学期望E[Ndelay(i)]，即为当前第k个同步周期，主从时钟端端时延的最佳估计值delayopt(k)。
实例中如图5，对主从时钟时延时间序列，采用一次线性插值法按delta＝0.5s时间间隔均匀采样获取均匀主从时钟时延时间序列{Ndelay(i)}；按照指数时延模型，采用最小二乘法参数估计策略，按照以下公式对主从时钟时延时间序列对应的指数分布参数θ进行估计：其中n为主从时钟时延的可能取值，λ＝30.58ms是指数分布参数，代表主从时钟时延的数学期望E[Ndelay(i)]，即当前为No.k个1588同步周期，主从时钟端端时延的最佳估计值delayopt(k)＝30.58ms。
S5.采用步骤S4得到的最佳估算值修正从时钟的时延，从而实现主从时钟的同步。
在第k个同步周期，采用步骤S4得到的主从时钟端端时延的最佳估计值delayopt(k)，按照同步修正公式offset(k)＝Tms(k)-delayopt(k)计算主从时钟间的时间偏差offset(k)，其中Tms(k)为同步主时钟到从时钟的时延；得到主从时钟之间的时间偏差后，调整从时钟的时间值，从而实现从时钟与主时钟的同步。
实例中如图6，在No.k个1588同步周期，采用背景流主从时钟端端时延最佳估计值delayopt(k)，按照1588同步修正公式offset(k)＝Tms(k)-delayopt(k)计算主从时钟间的时间偏差offset(k)，其中Tms(k)为1588同步主时钟到从时钟的时延；得到主从时钟之间的时间偏差后，调整从时钟的时间值，便实现了从时钟与主时钟的同步。
Claims (7)
1.一种智能变电站维护业务类信息背景流的主从时钟同步方法，包括如下步骤：
S1.连续采样得到变电站主从时钟背景流时延值，构成主从时钟时延时间序列{delay(i)}；
S2.采用概率置信区间法从步骤S1获取的主从时钟时延时间序列{delay(i)}中选取主从时钟时延时间的异常值；具体为：以主从时钟时延时间序列{delay(i)}中参数delay(i)为自变量，构造正态分布曲线Norm(μ,δ2)；分别计算该正态分布的均值μ＝E[delay(i)]和方差δ＝var[delay(i)]；然后设置信区间为[μ-2δ,μ+2δ]，将在置信区间外的值delay(i)选择为序列异常值；
S3.采用中位值替代法替代步骤S2中选取的异常值，并重新构成主从时钟时延时间序列{delay(i)'}；
S4.采用指数时延模型计算主从时钟端端时延的最佳估算值；具体为：对步骤S3得到的主从时钟时延时间序列{delay(i)'}，采用一次线性插值法，按delta时间间隔均匀采样获取均匀主从时钟时延时间序列{Ndelay(i)}；按照指数时延模型，采用最小二乘法参数估计策略，按照以下公式对主从时钟时延时间序列对应的指数分布参数λ进行估计：其中n为主从时钟时延的可能取值，λ是指数分布参数；计算得到的λ代表主从时钟时延的数学期望E[Ndelay(i)]，即为当前第k个同步周期，主从时钟端端时延的最佳估计值delayopt(k)；
S5.采用步骤S4得到的最佳估算值修正从时钟的时延，从而实现主从时钟的同步。
2.根据权利要求1所述的智能变电站维护业务类信息背景流的主从时钟同步方法，其特征在于所述的同步方法针对的是采用IEEE 1588时间同步标准进行主从时钟同步的智能变电站。
3.根据权利要求2所述的智能变电站维护业务类信息背景流的主从时钟同步方法，其特征在于步骤S1所述的连续采样得到变电站主从时钟背景流时延值，构成主从时钟时延时间序列{delay(i)}，具体为：假设当前为第k个同步周期，则对含当前同步周期前若干时间I开始进行时延值数据采集，并以T为采集周期，主时钟端设备记录来自从时钟端设备的维护业务类数据帧；记录第i个采集时间时刻的主从时钟背景流时延值为delay(i)，并将所记录的所有主从时钟背景流时延值构成主从时钟时延时间序列{delay(i)}。
4.根据权利要求3所述的智能变电站维护业务类信息背景流的主从时钟同步方法，其特征在于所述的若干时间I取为3～5个同步周期。
5.根据权利要求2所述的智能变电站维护业务类信息背景流的主从时钟同步方法，其特征在于步骤S3所述的中位值替代法替代计算步骤S2中选取的异常值，并重新构成主从时钟时延时间序列{delay(i)'}，具体为：对主从时钟时延时间序列每个异常值delay(i)，以异常值delay(i)为数据窗口中心，N/2为半径建立数据清洗窗口，N为偶数；对数据窗口内(N+1)个时间序列时延值，依次由大到小排序，选取中间值记作delaymid；将主从时钟时延时间序列{delay(i)}中异常值delay(i)替换为delaymid，重新得到主从时钟时延时间序列{delay(i)'}。
6.根据权利要求5所述的智能变电站维护业务类信息背景流的主从时钟同步方法，其特征在于所述的N的取值为4≤N<主从时钟时延时间序列长度。
7.根据权利要求2所述的智能变电站维护业务类信息背景流的主从时钟同步方法，其特征在于步骤S5所述的采用最佳估算值修正主从时钟的时延，实现主从时钟的同步，具体为：在第k个同步周期，采用步骤S4得到的主从时钟端端时延的最佳估计值delayopt(k)，按照同步修正公式offset(k)＝Tms(k)-delayopt(k)计算主从时钟间的时间偏差offset(k)，其中Tms(k)为同步主时钟到从时钟的时延；得到主从时钟之间的时间偏差后，调整从时钟的时间值，从而实现从时钟与主时钟的同步。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |