CN111314011A - 一种隧道电缆局放监测多点时钟同步系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力监测的技术领域，更具体地，涉及一种隧道电缆局放监测多点时钟同步系统及方法。一种隧道电缆局放监测多点时钟同步系统，其中，包括局部放电信号采集单元：采集隧道电缆不同部位的局部放电信号，在经过本地时钟校正后实现多设备时钟同步；GPS时钟同步单元：在接收到GPS信号的情况下同步并校准GPS卫星时钟，获取高精度标准时钟源；本地授时单元：提供实时数据处理的功能，提供客户端进行本地时钟同步服务。GPS和网络信号较差的情况下工业监测设备的高精度时钟同步，保障隧道电缆局放监测系统的准确性与实效性。

Description

一种隧道电缆局放监测多点时钟同步系统及方法
技术领域
本发明涉及电力监测的技术领域，更具体地，涉及一种隧道电缆局放监测多点时钟同步系统及方法。
背景技术
局部放电是指绝缘体中只有局部区域发生放电，而没有贯穿施加电压的整个导体之间，这种现象称之为局部放电。产生局部放电的基本原因是电缆绝缘中存在弱点(如气隙、杂质等)，当这些局部区域弱点中的电场强度达到一定值时，该区域就会发生放电。这些微弱的放电能量产生的不良效应，日积月累，最后也能导致整个电缆绝缘的击穿，造成断电事故。
电缆系统中的局部放电不但来自电缆中间接头、终端接头、电缆本体，而且还受到两端连接设备局放的影响，这些局放信号互为干扰，容易造成误判断。采用基于多测点的分布式电缆局放监测，从全局的角度开展信号融合分析，能够很好的减少对多源局放的误判断，实现高精度定点、实时周期性重点监测。在多设备监测的情况下，保证各设备单元本地时钟的同步性与精准性是上述监测系统的基础，如何在相对封闭的隧道内实现多设备本地时钟的精准同步是需要解决的问题。
GPS时钟是一种基于GPS高精度定位授时模块的基础型授时服务，能够按照用户需求输出符合规约的时间信息格式，从而完成同步授时。其主要原理是通过GPS卫星导航系统的信号驯服晶振，从而实现高精度的频率和时间信号输出，是达到纳秒级授时精度和稳定度在1E12量级频率输出的最有效方式。
在多点分布式电缆局放监测系统中，需要在电缆终端、中间接头等多点安装分布式局放采集装置。目前，室外环境下一般采用GPS授时或广域网授时的方法解决多设备数据同步问题，然而由于电缆多铺设在隧道内，存在GPS信号及网络型号不稳定的问题，因此无法利用上述常规方式对各个设备进行时钟数据同步。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题，提供一种隧道电缆局放监测多点时钟同步系统及方法，能够有效的保证多点监测设备的时钟同步性和准确性。
本发明的技术方案是：一种隧道电缆局放监测多点时钟同步系统，其中，包括
局部放电信号采集单元：采集隧道电缆不同部位的局部放电信号，在经过本地时钟校正后实现多设备时钟同步；
GPS时钟同步单元：在接收到GPS信号的情况下同步并校准GPS卫星时钟，获取高精度标准时钟源；
本地授时单元：提供实时数据处理的功能，提供客户端进行本地时钟同步服务。
进一步的，所述的局部放电信号采集单元包括用于监测的含局放监测模块、有本地时间的本地时钟模块，还包括时钟校准模块，通过数据滤除算法、时钟选择算法、合并算法与本地钟调节算法四种算法进行本地时钟校准，获取高精度时钟。
进一步的，所述的GPS时钟同步单元包括用于接收GPS信号的GPS接收机模块、本地同步校准模块、测差模块、误差处理及控制结构、用于输入输出信号的输入输出模块；所述本地同步校准模块、测差模块及误差处理及控制结构利用FPGA的锁相环相位设定功能、守时信息控制、均值计算实现高精度的频率和时间信号输出。
进一步的，所述的信号输出为达到纳秒级授时精度和稳定度在1E12量级频率输出。
进一步的，所述的本地授时单元包括授时服务器模块、服务器信息处理模块、时钟调整模块，所述的授时服务器模块提供多路NTP/SNTP信号、PTP信号、脉冲信号，根据实际应用场景灵活选择。
进一步的，利用所述的隧道电缆局放监测多点时钟同步系统的方法，其中：包括GPS时钟同步单元输出高精度时钟的方法和本地授时单元时钟同步方法。
所述的GPS时钟同步单元输出高精度时钟的方法，具体包括：
接收到GPS信号；
利用FPGA中锁相环的相位设定功能，采用时钟内插方法提高对GPS秒脉冲周期的测量精度，利用锁相环产生4相位差为45°、占空比为50％的时钟信号，使用4路时钟的上下边沿分别对GPS秒脉冲信号进行采样，实现最大误差为T/4的周期测量；
GPS时钟同步单元共有GPS秒脉冲、辅助秒脉冲和守时秒脉冲3个同步时钟信号，系统根据GPS是否失步选取其中1个信号作为高精度同步时钟信号进行输出；GPS接收机工作正常时直接将GPS秒脉冲信号作为同步时钟进行输出；当GPS接收机已失步但尚未被检测到时，辅助秒脉冲信号将作为同步时钟输出；系统检测到GPS失步时系统进入守时状态，输出守时秒脉冲信号；守时秒脉冲生成模块以均值计算模块得到的前8192个GPS秒脉冲的周期均值为基准对锁相环输出的100M时钟进行计数，从而产生守时秒脉冲信号；同时，对均值计算产生的余数进行累加，利用累加进位信号对阈值进行补偿，从而消除均值除法计算产生的误差。系统的时钟周期T为10ns，秒脉冲周期测量引入的最大量化误差为2.5ns。
所述的本地授时单元时钟同步方法采用NTP网络时间协议，具体包括：
NTP客户端在某一个节点上接收到来自服务器的报文信息后，首先会处理来自不同服务器的信息，然后由系统过滤出优质的时间信息，之后通过算法再次对服务器按服务质量进行排序，最后根据筛选结果调整本地时钟，四个算法会依次使用在时间同步和校对时钟的过程里。
所述的四个算法为数据滤除算法、时钟选择算法、合并算法、本地钟调节算法；其中时钟选择过程中包含两个算法分别为交叉算法、聚类算法。
与现有技术相比，有益效果是：本发明针对地下隧道电缆分布式局放监测装置的工作环境设计了具体的时钟同步方案，通过GPS时钟同步单元获取高精度GPS时钟信号，然后通过专线网络NTP协议进行客户端授时，客户端进行时钟校正后获得同步高精度时钟，从而实现隧道或其他密闭环境中，GPS和网络信号较差的情况下工业监测设备的高精度时钟同步，保障隧道电缆局放监测系统的准确性与实效性。
附图说明
图1是本发明隧道多点时钟系统流程图。
图2是本发明GPS时钟同步单元结构图。
图3是本发明本地授时单元时钟同步的流程图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1所示，一种隧道电缆局放监测多点时钟同步系统，其中，包括
局部放电信号采集单元，含局放监测模块、本地时钟模块和时钟校准模块，能够采集隧道电缆不同部位的局部放电信号，在经过本地时钟校正后实现多设备时钟同步。所述时钟校准模块，数据滤除算法、时钟选择算法、合并算法与本地钟调节算法四种算法进行本地时钟校准，获取高精度时钟；
GPS时钟同步单元，GPS时钟同步单元，包含GPS接收机模块，本地同步校准模块、测差模块、误差处理及控制结构、输入输出等几部分，能够在接收到GPS信号的情况下同步并校准GPS卫星时钟，获取高精度标准时钟源。所述本地同步校准模块、测差模块及误差处理结构利用FPGA的锁相环相位设定功能、守时信息控制、均值计算等方式实现高精度的频率和时间信号输出，是达到纳秒级授时精度和稳定度在1E12量级频率输出；
本地授时单元，包含授时服务器模块、服务器信息处理模块，时钟调整模块，能够提供实时数据处理的功能，提供客户端进行本地时钟同步服务，所述服务器模块可提供多路NTP/SNTP信号、PTP信号、脉冲信号等，可根据实际应用场景灵活选择。
如图2所示，GPS时钟同步单元输出高精度时钟的方法：
利用FPGA中锁相环的相位设定功能，采用时钟内插方法提高对GPS秒脉冲周期的测量精度，利用锁相环产生4相位差为45°、占空比为50％的时钟信号，使用4路时钟的上下边沿分别对GPS秒脉冲信号进行采样，实现最大误差为T/4的周期测量。本系统的时钟周期T为10ns，即秒脉冲周期测量引入的最大量化误差为2.5ns。为了进一步降低GPS秒脉冲周期测量量化误差对精度的影响，同时抑制GPS秒脉冲信号本身的随机误差，在周期测量时以8个GPS秒脉冲为单位进行多周期测量，则可将2.5ns的量化误差均分至8个周期，最大测量误差降低至312.5ps。使用该方法引入的量化误差已远小于GPS秒脉冲本身存在的随机误差，能够在较大程度上提高GPS秒脉冲周期的测量精度，同步时钟单元共有GPS秒脉冲、辅助秒脉冲和守时秒脉冲3个同步时钟信号，系统根据GPS是否失步选取其中1个信号作为高精度同步时钟信号进行输出。GPS接收机工作正常时直接将GPS秒脉冲信号作为同步时钟进行输出；当GPS接收机已失步但尚未被检测到时，辅助秒脉冲信号将作为同步时钟输出；系统检测到GPS失步时系统进入守时状态，输出守时秒脉冲信号。守时秒脉冲生成模块以均值计算模块得到的前8192个GPS秒脉冲的周期均值为基准对锁相环输出的100M时钟进行计数，从而产生守时秒脉冲信号。同时，对均值计算产生的余数进行累加，利用累加进位信号对阈值进行补偿，从而消除均值除法计算产生的误差。
如图3所示，本地授时单元时钟同步的流程及方法：
NTP协议的信息报文在网络中的传输基于UDP协议，采用的端口号为123，该端口号使用在UDP首部字段的源端口和目的端口中，其余首部为报文长度与校验和。UDP协议属于一种较为简单的服务，它提供一种无连接建立的服务，其任务仅仅是交付数据，UDP适合频繁传输数据量较小的数据，并且占用系统及带宽资源较少。因此NTP报文负载于UDP可以更好地重复利用网络带宽资源，以便在更多的网络环境中进行高精度时间同步；对于授时服务器工作模式，可以选择广播/组播模式，该模式的特点在于时间同步的过程中没有请求发起方，采用广播/组播模式的服务器周期性的向广播/组播地址发布自身的时间信息，接收到信息的客户端根据报文计算网络延迟和时间偏差，从而校正本地时钟。这种模式比较适用于局域网络中，授时精度能够达到毫秒级。该模式占用的系统资源较少，使用的网络带宽较小。调节本地时钟的过程应包含四个算法，它们分别是：数据滤除算法(Data filteralgorithm)、时钟选择算法(Clock selection algorithm)、合并算法(Combiningalgorithm)与本地钟调节算法(Clock discipline algorithm)，其中时钟选择过程中包含两个算法分别为交叉算法(Intersection algorithm)和聚类算法(Clusteringalgorithm)。当NTP客户端在某一个节点上接收到来自服务器的报文信息后，首先会处理来自不同服务器的信息，然后由系统过滤出优质的时间信息，之后通过算法再次对服务器按服务质量进行排序，最后根据筛选结果调整本地时钟，四个算法会依次使用在时间同步和校对时钟的过程里。NTP的授时精度在广域网与局域网之间会有差别，广域网中的网络情况更为复杂，报文传送链路较为多变且很难追踪，授时精度也会相对降低，若NTP客户机与某服务器使用专线相连则授时精度会有很大提高，因此隧道内采用专线局域网的方式连接各监测终端与授时服务器。
所述GPS时钟同步单元能够接收GPS时钟信号，获取精准时钟，并通过授时服务器，用NTP报文与本地客户端进行时钟同步。在隧道内电缆头、中间头等多个位置布置局放监测终端，终端内包含本地时钟模块，将GPS接收器模块放置于隧道井盖或其他露天处，即可实现隧道内多设备时钟同步服务。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种隧道电缆局放监测多点时钟同步系统，其特征在于，包括
局部放电信号采集单元：采集隧道电缆不同部位的局部放电信号，在经过本地时钟校正后实现多设备时钟同步；
GPS时钟同步单元：在接收到GPS信号的情况下同步并校准GPS卫星时钟，获取高精度标准时钟源；
本地授时单元：提供实时数据处理的功能，提供客户端进行本地时钟同步服务。
2.根据权利要求1所述的一种隧道电缆局放监测多点时钟同步系统，其特征在于：所述的局部放电信号采集单元包括用于监测的含局放监测模块、有本地时间的本地时钟模块，还包括时钟校准模块，通过数据滤除算法、时钟选择算法、合并算法与本地钟调节算法四种算法进行本地时钟校准，获取高精度时钟。
3.根据权利要求1所述的一种隧道电缆局放监测多点时钟同步系统，其特征在于：所述的GPS时钟同步单元包括用于接收GPS信号的GPS接收机模块、本地同步校准模块、测差模块、误差处理及控制结构、用于输入输出信号的输入输出模块；所述本地同步校准模块、测差模块及误差处理及控制结构利用FPGA的锁相环相位设定功能、守时信息控制、均值计算实现高精度的频率和时间信号输出。
4.根据权利要求3所述的一种隧道电缆局放监测多点时钟同步系统，其特征在于：所述的信号输出为达到纳秒级授时精度和稳定度在1E12量级频率输出。
5.根据权利要求1所述的一种隧道电缆局放监测多点时钟同步系统，其特征在于：所述的本地授时单元包括授时服务器模块、服务器信息处理模块、时钟调整模块，所述的授时服务器模块提供多路NTP/SNTP信号、PTP信号、脉冲信号，根据实际应用场景灵活选择。
6.利用权利要求4或5所述的隧道电缆局放监测多点时钟同步系统的方法，其特征在于：包括GPS时钟同步单元输出高精度时钟的方法和本地授时单元时钟同步方法。
7.根据权利要求6所述的隧道电缆局放监测多点时钟同步系统的方法，其特征在于：所述的GPS时钟同步单元输出高精度时钟的方法，具体包括：
接收到GPS信号；
利用FPGA中锁相环的相位设定功能，采用时钟内插方法提高对GPS秒脉冲周期的测量精度，利用锁相环产生4相位差为45°、占空比为50％的时钟信号，使用4路时钟的上下边沿分别对GPS秒脉冲信号进行采样，实现最大误差为T/4的周期测量；
GPS时钟同步单元共有GPS秒脉冲、辅助秒脉冲和守时秒脉冲3个同步时钟信号，系统根据GPS是否失步选取其中1个信号作为高精度同步时钟信号进行输出；GPS接收机工作正常时直接将GPS秒脉冲信号作为同步时钟进行输出；当GPS接收机已失步但尚未被检测到时，辅助秒脉冲信号将作为同步时钟输出；系统检测到GPS失步时系统进入守时状态，输出守时秒脉冲信号；守时秒脉冲生成模块以均值计算模块得到的前8192个GPS秒脉冲的周期均值为基准对锁相环输出的100M时钟进行计数，从而产生守时秒脉冲信号；同时，对均值计算产生的余数进行累加，利用累加进位信号对阈值进行补偿，从而消除均值除法计算产生的误差。
8.根据权利要求7所述的隧道电缆局放监测多点时钟同步系统的方法，其特征在于：系统的时钟周期T为10ns，秒脉冲周期测量引入的最大量化误差为2.5ns。
9.根据权利要求6所述的隧道电缆局放监测多点时钟同步系统的方法，其特征在于：所述的本地授时单元时钟同步方法采用NTP网络时间协议，具体包括：
NTP客户端在某一个节点上接收到来自服务器的报文信息后，首先会处理来自不同服务器的信息，然后由系统过滤出优质的时间信息，之后通过算法再次对服务器按服务质量进行排序，最后根据筛选结果调整本地时钟，四个算法会依次使用在时间同步和校对时钟的过程里。
10.根据权利要求9所述的隧道电缆局放监测多点时钟同步系统的方法，其特征在于：所述的四个算法为数据滤除算法、时钟选择算法、合并算法、本地钟调节算法；其中时钟选择过程中包含两个算法分别为交叉算法、聚类算法。
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