CN107086895A - 基于交流供电电压相位差修正的高精度网络授时方法 - Google Patents

Abstract

基于交流供电电压相位差修正的高精度网络授时方法，在授时服务器(1)和接受授时装置(4)上分别安装电压相位检测装置，授时服务器(1)定时向接受授时装置(4)发送授时广播，该广播包括以下参数：交流电压相位和该相位对应的精确时间接受授时装置(4)收到该广播后，检测对应电压相位时的时间值，计算出时差，实现授时。在网络授时中设置电压相位检测，修正网络授时的误差。避免了网络传输不平衡导致的授时误差，而不需要安装天线等装置，实现高精度、简单的网络授时服务。采用该方式后，授时精度可以稳定达到1ms之内，且几乎所有厂矿、企业、政府机关、教育机构等需要授时的场所，都安装交流供电设施，应用没有任何限制。

Description

基于交流供电电压相位差修正的高精度网络授时方法

技术领域

本发明属于IPC分类H04J多路复用通信技术领域，涉及网络时间同步技术，尤其是基于交流供电电压相位差修正的高精度网络授时方法。

背景技术

当前的主要同步授时技术，包括短波授时、长波授时、GPS/北斗授时、电话拨号授时、互联网授时(NTP)和SDH传输网授时等方式。其中：

在长波和短波授时技术中，时间同步技术精度可分别达到长波授时1ms和短波授时1～10ms，但主要用于军事和导航，尚不民用。

在电话拨号时间同步技术中，虽然对条件要求较低，使用简单，只需要有电话接入的地点都可实现远程授时。可广泛应用，但是精度不高，往往误差达到100ms，不能用于工业和军事用途和授时间精度要求较高的民用领域，比如电力系统中事件顺序中要求的2ms要求。

在GPS/北斗时间同步技术中，GPS时间同步技术是当前较成熟并在国际上广泛采用的时间同步技术，北斗时间同步应用也正在发展之中。采用GPS和北斗授时，采用卫星天线，接受来自卫星的授时信号，计算来自几颗卫星发送的时间和位置信息广播，得到当前地点坐标和精确时间。授时精度高，可同时提供位置信息，应用成熟。但是，必须配置接受天线，许多需要授时的行业，比如电厂、政府等，多数设备安装在室内，无法部署天线，影响该方式的应用范围。

在互联网时间同步技术中，典型的代表为网络时间协议NTP。通过服务器和被授时装置之间的网络连接来实现。当前，几乎所有的家庭和企事业单位都已经连接互联网，这种方式在局域网内得到广泛的应用。但是，这种方式的授时精度不高，在网络延时较大、网络流量不平衡的情况下，授时精度很差，有时甚至超过1秒。无法满足多数应用的要求。在授时间精度要求较高的应用中，无法胜任。

在SDH传输网络授时中，该方法精度高，可实现100ns时间精度。但是只能应用在专用通信网络中,或者需要特殊的硬件，以上授时方式无法兼顾实用性和精度的矛盾，不能广泛推广。

常用传统的工业和民用授时方式主要包括网络授时和GPS/北斗卫星授时两种类型。网络授时应用广泛，可用于几乎所有的场合，该因为受到网络延时和传输不平衡的影响，授时精度不高，往往误差超过10ms甚至数百毫秒，最差情况下，可能达到1秒以上。卫星授时精度非常高，但是必须安装接收天线，在厂矿和建筑内部，无法接收到卫星信号，应用范围受到很大的限制。

改进技术相关专利文献公开较少。比如：中国专利申请200810044872.2公开了面向电力系统同步相量测量的时钟同步装置，其本地时钟同步模块通过网络协议连接组成同步授时网络，天线和GPS时间接收模块接收时间信息的信号，主模块解析出时间信息，对主模块中的本地实时时钟重新设定：主模块将其获得的时间信息通过网络协议，发送从模块，对从模块中的本地实时时钟重新设定，从而完成作为同步授时网络主从模块的本地时钟同步模块的授时。

中国专利申请201410203624.3提供一种基于物理层时间信息的网络授时IED时间同步检测方法，其依据时钟源设备可溯源的常规时钟同步信号，并基于网络授时IED通信端口输出的网络物理层信号、信号携带的时间信息与时钟源设备时钟同步信号三者之间的物理一致性程度，检测网络授时IED通信端口时钟同步信号的时间同步性能。该方法符合量值传递原则，具有物理可展示与可溯源特点。

不管民用还是工业用途中，都采用了交流供电方式，来获得生活、生产能源和动力。当前我国的输电、配电网络，已经实现了大区域联网，甚至全国都连接成了统一的网络。在电网中，因为发电机同步运行的需要，全电网的电压频率和相位都必须保持一致。当前，检测电压相位非常简单，我们可以从电力系统母线电压互感器(PT)获取交流电压，或者直接采取家庭、工程的220/380V电压中的某相，作为输入值，输入信号非常易寻。当前情况下，测量电压相角是非常成熟的技术，在几乎所有电力设备里面都有采用。

改进技术相关专利文献公开较少。比如：中国专利申请200810044872.2公开了面向电力系统同步相量测量的时钟同步装置，其本地时钟同步模块通过网络协议连接组成同步授时网络，天线和GPS时间接收模块接收时间信息的信号，主模块解析出时间信息，对主模块中的本地实时时钟重新设定：主模块将其获得的时间信息通过网络协议，发送从模块，对从模块中的本地实时时钟重新设定，从而完成作为同步授时网络主从模块的本地时钟同步模块的授时。

中国专利申请201410203624.3提供一种基于物理层时间信息的网络授时IED时间同步检测方法，其依据时钟源设备可溯源的常规时钟同步信号，并基于网络授时IED通信端口输出的网络物理层信号、信号携带的时间信息与时钟源设备时钟同步信号三者之间的物理一致性程度，检测网络授时IED通信端口时钟同步信号的时间同步性能。该方法符合量值传递原则，具有物理可展示与可溯源特点。

发明内容

本发明的目的是提供基于交流供电电压相位差修正的高精度网络授时方法，借助电压相位提高网络授时精度，解决了传统网络授时过程中，精度过低的弊端，可实现最高100μs以内的授时精度，而且，该方法无需安装天线，在室内可方便实施应用。

本发明的目的将通过以下技术措施来实现：授时服务器连接授时端电压相位检测装置，授时服务器通过通信网络连接至少二组接受授时装置，每组接受授时装置分别连接接受端电压相位检测装置。在授时服务器和接受授时装置上分别安装电压相位检测装置，测量每个被授时装置和授时服务器之间的电压相位差，作为初始值存入接受授时装置；授时服务器采用GPS/北斗等高精度授时方式，保证授时服务器的时间精度；授时服务器定时向接受授时装置发送授时广播，该广播包括以下参数：交流电压相位和该相位对应的精确时间接受授时装置收到该广播后，检测对应电压相位时的时间值，计算出时差，实现授时。

尤其是，供电网络中任意两点电压相位到达同一值时的时间差是固定的，任何一个电源点的电压相角被测量到后，可以唯一计算出其他指定地点电压相位与之相同的时间差。

尤其是，通信网络采用以太网、光纤、电力载波等方式实现，优先选用可实现TCP/IP协议的网络类型。

尤其是，授时服务器只发送电压从负转正的过零点相角为零的时间。

尤其是，授时端电压相位检测装置和接接受端电压相位检测装置，采用过零点检测装置。过零点检测装置连接在220V/380V或者专用的电压互感器PT上，接受A/B/C三相电压中的一相信号，在电压相位为0度时，向服务器或者接受授时装置发出脉冲。

尤其是，授时服务器为整个区域的精确时钟源，接受GPS/北斗的精确授时，时钟精度保持在μs级以内，该服务器配置为NTP服务器。接受授时装置是待授时装置，授时后，达到毫秒级以内的时间精度。接受授时装置的服务器配置成NTP客户端，与授时服务器实现NTP协议授时。

尤其是，待测电压包括电网中的基波电压、零序电压、谐波电压，或者各种注入信号电压，取以上各种电压中的一种电压作为参考值，取其中几个电压，比较这几种电压相角关系来提高授时精度；其中，电压可直接取自220/380V交流供电网络，或取自各种中高压供电系统电压互感器的二次侧电压，引入交流供电系统中的电压相角，作为同时事件，修正因网络延时和网络传输不平衡产生的授时误差。

尤其是，工作过程包括：

系统安装和初始化后，可以开始授时服务。在授时过程中，授时服务分两种情况：初始授时和时钟保持；其中，初始授时为系统启动或者时间失步后的第一次授时。

1)在初始授时时，接受授时装置启动后，时钟与实际时间可能有很大的误差，采用以下方式实现初始授时：

a)启动NTP授时方式，实现对接受授时装置的初始授时。本过程完成后，因网络延时和传输不平衡的因素，时钟误差可能在1～10毫秒左右，此为在局域网中可以达到的精度，在广域网络授时，误差可能达到数百至数千毫秒，需要多次执行NTP，减少时间误差。

b)NTP授时开始，启动电压相角零度角监测，记录自此开始的每个电压相角零度角的精确时刻。

c)授时服务器选取一组电压零度角时刻，发送到客户端。

d)客户端接收到授时服务器的电压零度角时刻后，按照相角差初始值补偿授时服务器发送的时间点，与本地监测到的电压过零点比较；本地电压过零点时刻与授时服务器电压过零点时刻之差，即为本地时钟误差。

2)在时钟保持阶段，当接受授时装置时钟已经同步，并保持一定精度后，无需再次启动NTP协议授时，只需周期性地校准精度即可。以接受授时装置4时钟便宜值小于10ms确定授时周期。

a)授时服务器周期性向所有接受授时装置广播授时指令，同时启动过零点监测，记录自此开始的所有电压相位为0度时刻。

b)接受授时装置接受到该时刻后，启动过零点监测，记录电压相位为0度时刻。

c)授时服务器向所有接受授时装置广播一组电压相角0度时刻。

3)接受授时装置接受到该时刻组后，与自己监测到的电压相角零度时刻比较，纠正本地时钟。

本发明的优点和效果：在网络授时中设置电压相位检测，修正网络授时的误差。避免了网络传输不平衡导致的授时误差，而不需要安装天线等装置，实现高精度、简单的网络授时服务。采用该方式后，授时精度可以稳定达到1ms之内，且几乎所有厂矿、企业、政府机关、教育机构等需要授时的场所，都安装交流供电设施，应用没有任何限制。

附图说明

图1为网络中任意两点的电压相位关系示意图。

图2为本发明实施例1中的网络授时系统结构示意图。

附图标记包括：

授时服务器1、通信网络2、授时端电压相位检测装置3、接受授时装置4、接受端电压相位检测装置5。

具体实施方式

本发明原理在于，在电网中的任何两个点之间存在电压相位差，电压相位差来自两个方面：一方面，传输距离导致的相位差，该相位差是电能按照光速传输过程中通过传输距离产生的，以100公里计算，电压相位差只有100/300000秒＝0.33毫秒，而且这两点相位差由距离决定，不会改变。另一方面，因为变压器等设备导致的相位差，在电力系统中，变压器有多种接线方式，接线方式的不同，可能产生固定的电压相位差。比如星三角接线方式，可能产生30度的相角差。这个相角差因经过的变压器接线方式决定，确定后不会改变。由此可见，在配电网络中，任两点的电压到达相同相位的时间差是固定的，可以非常简单检测到该时间差。因交流配电网络无处不在，每个家庭、单位都采用了

220V/380V交流供电系统。

附图1描述的是交流供电配电系统同步电网中，不同地点电压相位时间关系。连接在电网的任何两个地点，电压到达某个相角值时的时间差是固定的。图中上下两张正弦波图片，对应同一电网中不同的两个点的电压波形。假设不同地点的电压相位，到达任意相同值是的时间分别是t1和t2，则根据电网同步的要求，Tδ＝t1-t2的值是固定的。如图1所示。任何一个电源点的电压相角被测量到后，可以唯一计算出其他指定地点电压相位与之相同的时间差。

将配电系统的这个特点，可以方便地用于网络授时系统中以实现高精度授时，具体方法概括为：在授时服务器1和接受授时装置4上分别安装电压相位检测装置，测量每个被授时装置4和授时服务器1之间的电压相位差，作为初始值存入接受授时装置4；授时服务器1采用GPS/北斗等高精度授时方式，保证授时服务器1的时间精度；授时服务器1定时向接受授时装置4发送授时广播，该广播包括以下参数：交流电压相位和该相位对应的精确时间接受授时装置4收到该广播后，检测对应电压相位时的时间值，计算出时差，实现授时功能。

本发明利用供电网络中电压和频率必须同步的原理，推导出供电网络中任意两点电压相位到达同一值时的时间差是固定的结论。

本发明的实施方式还包括，在具体实施过程中，为减少开发使用的难度，使用NTP网络授时作为基础，在此基础上增加电压相位条件提高授时精度。也可以自行涉及网络交互，实现更简便的授时方式。

因长波、短波以及SDH用于军事用途或者电信用途，技术和设备较复杂，应用成本较昂贵，在民用中不是很广泛，本发明仅与电话拨号同步技术、GPS/北斗授时技术以及网络授时技术NTP的比较。

与电话拨号同步技术比较：采用本发明的方法，授时精度可达到100μs以内，几乎可以满足所有的工业授时要求。

与GPS/北斗授时技术比较：采用本发明的授时方法，直接采用交流电压信号，无需天线，应用场所没有限制。

网络授时技术NTP，采用本发明的方法可解决网络授时的精度问题。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：附图2描述的是一种简化操作的本发明的授时系统结构，系统由授时服务器1、接受授时装置4、电压相位检测装置以及通信网络2组成。授时服务器1连接授时端电压相位检测装置3，授时服务器1通过通信网络2连接至少二组接受授时装置4，每组接受授时装置4分别连接接受端电压相位检测装置5。

通信网络2采用以太网、光纤、电力载波等方式实现，优先选用可实现TCP/IP协议的网络类型。

本实施例中，只发送电压从负转正的过零点相角为零的时间，使得相位采集可通过非常简单的系统实现，无需处理器和A/D芯片。

授时精度计算。目前电压相位的测量精度，最高可以达到0.03度，按照50HZ的频率计算，时间可以精确到：

0.03/(360*50)秒＝1.67*10-6秒＝1.67μs。

在通用的电力系统设备中，相角测量精度都可以达到1度以内，对应的授时精度为：

1/(360*50)＝55.56μs。

因为电压是周期性正弦波，每20ms会重复相同的相位，对于区域内的局域网传输，一般传输时间会小于20ms，许多采用NTP授时的方式，精度可达到1～10ms，周期性的信号不会对本发明采用的授时方法产生任何影响。但是如果在广域网络授时，网络传输来回时差超过20ms，可能出现20ms整数倍的授时误差。网络传输不平衡有突发性，初始授时的时候，可以多次实行授时操作，待授时结果稳定后授时结束。初始授时结束后，在时钟误差偏移10ms时间间隔之内，重新发送授时广播，保证授时精度，不会出现误差。

实施例2：以区域授时为例，大型厂矿企业等区域授时应用广泛。

系统结构包括：授时服务器1、电压相位检测装置、接受授时装置4、通信网络2等构成部分。为简化系统的应用，电压相位检测，采用过零点检测装置，记录电压相角为0度的时刻。

前述中，授时服务器1为整个区域的精确时钟源，接受GPS/北斗的精确授时，时钟精度保持在μs级以内，该服务器配置为NTP服务器。其中，NTP协议在RFC 5905中有详细描述，windows服务器已经默认内嵌该协议。

过零点检测装置连接在220V/380V或者专用的电压互感器PT上，接受A/B/C三相电压中的一相信号，在电压相位为0度时，向服务器或者接受授时装置发出脉冲。

接受授时装置4是待授时装置，授时后，达到毫秒级以内的时间精度。接受授时装置4的服务器配置成NTP客户端，与授时服务器1实现NTP协议授时。

通信网络2运行TCP/IP协议接口，采用以太网、光纤方式组成网络。通信网络2有多种形式方式。

系统安装和准备时，先安装授时服务器1、过零点检测装置、接受授时装置4，并配置好网络连接后，可以开始初始化工作。

将授时服务器1配置成NTP授时服务器，如果采用windows服务器，只需简单配置即可，无需安装任何软件。授时服务器1配置GPS/北斗授时装置，保持自身时钟的精确度。

在接受授时装置内安装配置NTP协议客户端，测试该客户端可以接受服务器授时业务。

分别在授时服务器1和接受授时装置4上测试电压相角0度的精确时刻，计算每一个接受授时装置4与授时服务器1之间的相角0度时的时差Tδ，即电压相角为0度的时差，作为修正值，输入接受授时装置。

所述网络授时方法工作过程包括：

系统安装和初始化后，可以开始授时服务。在授时过程中，授时服务分两种情况：初始授时和时钟保持；其中，初始授时为系统启动或者时间失步后的第一次授时。

1)在初始授时时，接受授时装置4启动后，时钟与实际时间可能有很大的误差，采用以下方式实现初始授时：

a)启动NTP授时方式，实现对接受授时装置4的初始授时。本过程完成后，因网络延时和传输不平衡的因素，时钟误差可能在1～10毫秒左右，此为在局域网中可以达到的精度，在广域网络授时，误差可能达到数百至数千毫秒，需要多次执行NTP，减少时间误差。

b)NTP授时开始，启动电压相角零度角监测，记录自此开始的每个电压相角零度角的精确时刻。

c)授时服务器1选取一组电压零度角时刻，发送到客户端。

d)客户端接收到授时服务器1的电压零度角时刻后，按照相角差初始值补偿授时服务器1发送的时间点，与本地监测到的电压过零点比较；本地电压过零点时刻与授时服务器1电压过零点时刻之差，即为本地时钟误差。

2)在时钟保持阶段，当接受授时装置4时钟已经同步，并保持一定精度后，无需再次启动NTP协议授时，只需周期性地校准精度即可。以接受授时装置4时钟便宜值小于10ms确定授时周期。

a)授时服务器1周期性向所有接受授时装置4广播授时指令，同时启动过零点监测，记录自此开始的所有电压相位为0度时刻。

b)接受授时装置4接受到该时刻后，启动过零点监测，记录电压相位为0度时刻。

c)授时服务器1向所有接受授时装置广播一组电压相角0度时刻。

3)接受授时装置4接受到该时刻组后，与自己监测到的电压相角零度时刻比较，纠正本地时钟。

本发明利用电力网络中的电压相角作为辅助条件，将授时精度提高到1毫秒以内；待测电压包括电网中的基波电压、零序电压、谐波电压，或者各种注入信号电压，取以上各种电压中的一种电压作为参考值，取其中几个电压，比较这几种电压相角关系来提高授时精度；其中，电压可直接取自220/380V交流供电网络，或取自各种中高压供电系统电压互感器的二次侧电压，引入交流供电系统中的电压相角，作为同时事件，修正因网络延时和网络传输不平衡产生的授时误差。

本发明可用在大型厂矿企业和企事业单位，例如：电厂、电力系统、学校、IT企业、金融、石化、政府机关、国防、广电、通信、交通、医疗、水利、冶金、安防等，也可用于远距离授时。

Claims (9)

1.基于交流供电电压相位差修正的高精度网络授时方法，其特征在于，授时服务器(1)连接授时端电压相位检测装置(3)，授时服务器(1)通过通信网络(2)连接至少二组接受授时装置(4)，每组接受授时装置(4)分别连接接受端电压相位检测装置(5)；在授时服务器(1)和接受授时装置(4)上分别安装电压相位检测装置，测量每个被授时装置(4)和授时服务器(1)之间的电压相位差，作为初始值存入接受授时装置(4)；授时服务器(1)采用GPS/北斗等高精度授时方式，保证授时服务器(1)的时间精度；授时服务器(1)定时向接受授时装置(4)发送授时广播，该广播包括以下参数：交流电压相位和该相位对应的精确时间接受授时装置(4)收到该广播后，检测对应电压相位时的时间值，计算出时差，实现授时。

2.如权利要求1所述的基于交流供电电压相位差修正的高精度网络授时方法，其特征在于，供电网络中任意两点电压相位到达同一值时的时间差是固定的，任何一个电源点的电压相角被测量到后，可以唯一计算出其他指定地点电压相位与之相同的时间差。

3.如权利要求1所述的基于交流供电电压相位差修正的高精度网络授时方法，其特征在于，通信网络(2)采用以太网、光纤、电力载波等方式实现。

4.如权利要求3所述的基于交流供电电压相位差修正的高精度网络授时方法，其特征在于，通信网络(2)选用可实现TCP/IP协议的网络类型。

5.如权利要求1所述的基于交流供电电压相位差修正的高精度网络授时方法，其特征在于，只授时服务器(1)发送电压从负转正的过零点相角为零的时间。

6.如权利要求1所述的基于交流供电电压相位差修正的高精度网络授时方法，其特征在于，授时端电压相位检测装置(3)和接接受端电压相位检测装置(5)，采用过零点检测装置；过零点检测装置连接在220V/380V或者专用的电压互感器PT上，接受A/B/C三相电压中的一相信号，在电压相位为0度时，向服务器或者接受授时装置发出脉冲。

7.如权利要求1所述的基于交流供电电压相位差修正的高精度网络授时方法，其特征在于，授时服务器(1)为整个区域的精确时钟源，接受GPS/北斗的精确授时，时钟精度保持在μs级以内，该服务器配置为NTP服务器；接受授时装置(4)是待授时装置，授时后，达到毫秒级以内的时间精度；接受授时装置(4)的服务器配置成NTP客户端，与授时服务器(1)实现NTP协议授时。

8.如权利要求1所述的基于交流供电电压相位差修正的高精度网络授时方法，其特征在于，待测电压包括电网中的基波电压、零序电压、谐波电压，或者各种注入信号电压，取以上各种电压中的一种电压作为参考值，取其中几个电压，比较这几种电压相角关系来提高授时精度；其中，电压可直接取自220/380V交流供电网络，或取自各种中高压供电系统电压互感器的二次侧电压，引入交流供电系统中的电压相角，作为同时事件，修正因网络延时和网络传输不平衡产生的授时误差。

9.如权利要求1所述的基于交流供电电压相位差修正的高精度网络授时方法，其特征在于，工作过程包括：

系统安装和初始化后，可以开始授时服务；在授时过程中，授时服务分两种情况：初始授时和时钟保持；其中，初始授时为系统启动或者时间失步后的第一次授时；

1)在初始授时时，接受授时装置(4)启动后，时钟与实际时间可能有很大的误差，采用以下方式实现初始授时：

a)启动NTP授时方式，实现对接受授时装置4的初始授时。本过程完成后，因网络延时和传输不平衡的因素，时钟误差可能在1～10毫秒左右，此为在局域网中可以达到的精度，在广域网络授时，误差可能达到数百至数千毫秒，需要多次执行NTP，减少时间误差；

b)NTP授时开始，启动电压相角零度角监测，记录自此开始的每个电压相角零度角的精确时刻；

c)授时服务器(1)选取一组电压零度角时刻，发送到客户端；

d)客户端接收到授时服务器(1)的电压零度角时刻后，按照相角差初始值补偿授时服务器(1)发送的时间点，与本地监测到的电压过零点比较；本地电压过零点时刻与授时服务器1电压过零点时刻之差，即为本地时钟误差；

2)在时钟保持阶段，当接受授时装置(4)时钟已经同步，并保持一定精度后，无需再次启动NTP协议授时，只需周期性地校准精度即可；以接受授时装置(4)时钟便宜值小于10ms确定授时周期；

a)授时服务器(1)周期性向所有接受授时装置(4)广播授时指令，同时启动过零点监测，记录自此开始的所有电压相位为0度时刻；

b)接受授时装置(4)接受到该时刻后，启动过零点监测，记录电压相位为0度时刻；

c)授时服务器(1)向所有接受授时装置广播一组电压相角0度时刻；

3)接受授时装置(4)接受到该时刻组后，与自己监测到的电压相角零度时刻比较，纠正本地时钟。