CN111510236B - 一种高压电流监测对时系统及时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压电流监测对时系统及时间同步方法，采集器向各高压电流监测装置发送对时命令；各个高压电流监测装置接收对时命令后，进行同步补偿，按照同步补偿后的对时时间进行对时；补偿值包括采集器的对时准备时间、采集器的对时命令帧传输时间以及高压电流监测装置的对时响应时间。本发明经过理论计算，实验验证，该方案在软硬件保证的前提下，可以反复多次求平均值，ΔT的延迟时间均值在260uS，可以保证在45uS的离散度。校时时间同步补偿260uS后，45uS的离散度满足三相电流的时钟小于100μs的偏差要求。本发明不采用北斗等专业的授时系统，利用普通的实时时钟芯片，成本低，对时系统简单有效。

Description

一种高压电流监测对时系统及时间同步方法

技术领域

本发明涉及无源高压电流监测技术领域，尤其涉及一种高压电流监测对时系统及时间同步方法。

背景技术

高压线路是电力传输系统的重要部分，通过在线路的不同分支或节点部署电流监测装置，可以监控分析线损、异常用电或故障分析，大大缩短了故障区段查找时间，为反窃电线损分析、快速排除故障、恢复正常供电，提供了有力保障。

无源电流监测装置是长期监测电流的一种小型设备。它由自供电单元、电流测量单元、存储单元和通信单元、实时时钟单元等部分组成。具备分支电流实时监测、短路或接地判断、故障报警、线损分析定位等功能。其中，实时电流监测及线损分析定位等功能对同一节点位置的一组设备时钟的同步有着严格的要求。只有设备间的时钟严格同步，才能得到准确的不平衡电流数据、线损数据等。因此，要保证高压三相传输线路A、B、C三个无源电流监测装置的时钟保持一致，每组采集单元时间同步误差要求不大于100μs。时间同步误差越小，根据三相电流的测量实时值，不平衡电流越精确，故障分析更准确。因此，高精度时钟源技术，在高压电流同步数据采集中的应用显得尤为重要。

由于高压电流监测装置工作供电采用无源的方式(依靠被测高压线上通过的电流磁场感应出的微弱的能量来工作)，对时若采用网络和GPS授时的方式，因通信模组的功耗较大，靠磁场感应取电的方式难以支撑。若是依靠提高设备自身的时钟精度来实现，则需要采用高精度有源恒温晶体振荡器才能满足需要，而高精度有源恒温晶体振荡器的功耗也较大，成本较高，不适合批量应用。如何通过低成本的方式实现高压电流监测装置的同步是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

针对低成本的方式实现高压电流监测装置的同步这一问题，本发明提供一种高压电流监测对时系统及时间同步方法，基于现有高压电流监测装置的采集系统，采集器给各高压电流监测装置发送对时命令，保证各个对时命令延迟的一致性；各个高压电流监测装置，接收相同的校时命令后，做相同的同步补偿值，通过低成本的方式，实现了高压电流监测装置的高精度同步。

为达到上述目的，本发明一方面提供一种高压电流监测对时系统，包括采集器和多个高压电流监测装置；

采集器向各高压电流监测装置发送对时命令；

各高压电流监测装置接收对时命令后，进行同步补偿，按照同步补偿后的对时时间进行对时；

所述同步补偿的补偿值为：

ΔT＝ΔT₁+ΔT₂+ΔT₃

其中：ΔT₁表示采集器的对时准备时间；ΔT₂表示采集器的对时命令帧传输时间；ΔT₃表高压电流监测装置的对时响应时间。

进一步地，采集器内部设置第一处理器和第一时钟芯片；高压电流监测装置内部均设置第二处理器和第二时钟芯片；采集器的对时准备时间为：采集器将第一时钟芯片的时间放置在第一处理器的缓冲区，并启动发送中断所经历的时间。

进一步地，对于对时命令帧传输时间ΔT₂，所述采集器采取固定的物理传输波特率B(单位bit/s)，固定的命令帧字节数N，则对时命令帧传输时间ΔT₂固定；

进一步地，高压电流监测装置的对时响应时间ΔT₃为：

所述第二时钟芯片的秒分频计数器32.768kHz信号输出至所述第二处理器的中断端口,所述第二处理器接收完整帧时刻对应第N1个采样点，高压电流监测装置对时完成对应第N2个采样点。

进一步地，补偿值ΔT，多次测量后取平均值，作为补偿值设置在所述第二处理器的内部。

本发明另一方面提供一种高压电流监测的时间同步方法，包括：

采集器向各高压电流监测装置发送对时命令；

各个高压电流监测装置接收对时命令后，进行同步补偿，按照同步补偿后的对时时间进行对时；

所述同步补偿的补偿值为：

ΔT＝ΔT₁+ΔT₂+ΔT₃

其中：ΔT₁表示采集器的对时准备时间；ΔT₂表示采集器的对时命令帧传输时间；ΔT₃表示高压电流监测器的对时响应时间。

进一步地，对时准备时间ΔT₁的获取包括：采集器内部设置第一处理器和第一时钟芯片；高压电流监测装置内部均设置第二处理器和第二时钟芯片；采集器的对时准备时间为采集器将第一时钟芯片的时间放至第一处理器的缓冲区，并启动发送中断所经历的时间；所述第一处理器在接收所述第一时钟芯片的秒中断信号时，标记当前时间为t₁；程序处理时，将当前时钟数据放到发送中断缓存区，所述第一处理器启动发送帧的中断发送时间标记为t₂；计算对时准备时间ΔT₁＝t₂-t₁。

进一步地，对时命令帧传输时间ΔT₂获取包括，通过物理传输波特率B和命令帧字节数N，计算获得：

进一步地，高压电流监测装置的对时响应时间ΔT₃的获取包括：

所述第二时钟芯片的秒分频计数器32.768kHz的信号输出至所述第二处理器的中断端口,所述第二处理器接收完整帧时刻对应第N1个采样点，高压电流监测装置对时完成对应第N2个采样点，则：

进一步地，多次测量补偿值ΔT后取平均值，作为补偿值设置在所述第二处理器的内部。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

(1)本发明经过理论计算，实验验证，该方案在软硬件保证的前提下，可以反复多次求平均值，ΔT的延迟时间均值在260uS，可以保证在45uS的离散度。校时时间同步补偿260uS后，45uS的离散度满足三相的时钟小于100μs的偏差要求。

(2)本发明不采用北斗等专业的授时系统，利用普通的实时时钟芯片，成本低，对时系统简单有效。

(3)本发明的同步方法，对功耗影响较小，适用于采用无源的方式工作的高压电流监测装置。

附图说明

图1是高压电流监测装置的对时示意图；

图2高压电流监测装置的对时延时示意图；

图3为采集器的对时命令处理流程示意图；

图4为高压电流监测装置计时原理框图；

图5为高压电流监测的时间同步流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

基于现有高压电流监测装置的采集系统进行改进，采集器给各高压电流监测装置发送对时命令，保证各个对时命令延迟的一致性。各个高压电流监测装置，接收相同的校时命令后，做相同的同步补偿值。使同步补偿值的离散度小于100uS即可满足要求。

对时系统架构为利用现有的采集器、高压电流监测装置，软硬件稍加改进，即可完成对时操作。采集器内部的微处理器简称为“第一处理器”，采集器内部的实时时钟芯片简称为“第一时钟芯片”。高压电流监测装置的微处理器简称为“第二处理器”，高压电流监测装置内部的实时时钟芯片简称为“第二时钟芯片”。采集器发起对时操作，通过自身的无线通信发送对时命令帧，高压电流监测装置接收命令，响应校时。整个对时系统架构结合图1。对时系统架构由基于现有的高压电流采集架构，不需要增加专用对时系统。采集器发出对时命令，高压电流监测装置完成时间同步。

整个对时系统的传输延迟ΔT分析，结合图2。传输延迟包括：

ΔT＝ΔT₁+ΔT₂+ΔT₃

其中：ΔT₁表示采集器的对时准备时间；ΔT₂表示采集器的对时命令帧传输时间；ΔT₃表示高压电流监测器的对时响应时间。

对时准备时间ΔT₁，采集器内部采用低成本的时钟芯片8025T，设计时将时钟芯片的秒中断响应反馈至MCU的管脚，中断响应时间及对时命令准备理论值固定。采集器的软件处理流程如图3，采集器对时任务处理时，首先等待采集器时钟芯片的秒中断信号；如果中断信号到，然后将当前时间数据放到发送中断缓存区；最后，启动发送帧的中断发送。因为第一处理器响应管脚外部中断后，代码执行步骤固定，在调试模式下，可核算出代码执行时间ΔT₁。采集器内部设置第一时钟芯片，各高压电流监测装置均设置第二处理器实现对时，采集器的对时准备时间为采集器将第一时钟芯片的时间放至第一处理器的缓冲区，并启动发送中断所经历的时间。所述第一处理器在接收所述第一时钟芯片的秒中断信号时，标记当前时间为t₁；程序处理时，将当前时钟数据放到发送中断缓存区，所述第一处理器启动发送帧的中断发送时间标记为t₂；计算对时准备时间ΔT₁＝t₂-t₁

对于命令帧传输时间ΔT₂，物理传输波特率B(单位：bit/s)固定，根据对时命令帧字节数N，每字节传输Bit位数为11，传输理论时间固定。通过计算即可获得其理论值，计算方法，见公式(1)：

对于对时响应时间ΔT₃，响应时间跟装置硬件及软件处理相关，处理时间固定。获取方法包括：当高压电流监测装置的第二处理器接收到完整的帧时，利用中断响应处理，设计方法框图如图4，处理对时操作的程序代码量固定，程序的运行时间确定(离散度在1us之内)，ΔT₃因此可以认为是一个固定值。最后，利用实时时钟的秒分频计数器32.768kHz输出,接收完整帧t3时刻对应标记N1，实现内部精确步进计数(1/32768秒约等于30.52uS)，高压电流监测装置对时完成的t4时刻，对应第N2个采样点，可精确知道对时操作的秒延迟，见公式(2)。

基于上述描述，ΔT₃理论最大偏差在40uS之内。

综合上述描述，关键因子ΔT₁离散度在1us之内，校时短帧ΔT₂离散度在5us之内，ΔT₃理论最大偏差在37uS之内，ΔT的离散度理论可控。

时间参数ΔT可实验测试，多次平均后，作为一个参数设置在电流监测装置内部。每次授时后，自动同步补偿ΔT的时延时间。

结合以上原理，本发明一方面提供一种高压电流监测对时系统，结合图1，包括采集器和多个高压电流监测装置；

采集器向各高压电流监测装置发送对时命令；

各高压电流监测装置分布在高压线路的各个支路及干路，用于检测电流。为了实现同步，各高压电流监测装置接收对时命令后，进行同步补偿，按照同步补偿后的对时时间进行对时；即将高压电流监测装置的时间设置为对时命令的时间加补偿值。补偿值事先测试获得，设置在高压电流监测装置的内部。

所述同步补偿的补偿值为：

ΔT＝ΔT₁+ΔT₂+ΔT₃

其中：ΔT₁表示采集器的对时准备时间；ΔT₂表示采集器的对时命令帧传输时间；ΔT₃表高压电流监测装置的对时响应时间。

进一步地，采集器内部设置第一处理器和第一时钟芯片；高压电流监测装置内部均设置第二处理器和第二时钟芯片；各高压电流监测装置均设置第二处理器内部设置补偿值实现对时，采集器的对时准备时间为：采集器将第一时钟芯片的时间放至第一处理器的缓冲区，并启动发送中断所经历的时间。所述第一处理器在接收所述第一时钟芯片的秒中断信号时，标记当前时间为t₁；程序处理时，将当前时钟数据放到发送中断缓存区，所述第一处理器启动发送帧的中断发送时间标记为t₂；计算对时准备时间ΔT₁＝t₂-t₁。

在一个实施例中，第一、第二时钟芯片采用8025T芯片，8025T芯片是一款拥有I²C接口和温度补偿功能的新型实时时钟芯片，内部集成32.768KHz温度补偿晶体振荡器，可用于各种需要高精度时钟的场合。通过设置相应补偿的控制位，可以实现不同间隔的温度补偿功能，从而大大提高了时钟的精度。该芯片采用C-MOS工艺生产，具有极低的功能消耗，可长期使用电池供电。同时8025T芯片使用成本较低，便于推广使用。

进一步地，采集器的对时准备时间为：采集器将第一时钟芯片的时间放至第一处理器的缓冲区，并启动发送中断所经历的时间。

进一步地，对于对时命令帧传输时间ΔT₂，所述采集器采取固定的物理传输波特率，固定的命令帧字节数，则对时命令帧传输时间ΔT₂固定为：

ΔT₂的值固定，通过计算获得。

进一步地，高压电流监测装置的对时响应时间ΔT₃为：

所述第二时钟芯片的秒分频计数器32.768kHz信号输出至所述第二处理器的中断端口,所述第二处理器接收完整帧时刻对应第N1个采样点，高压电流监测装置对时完成对应第N2个采样点。

进一步地，补偿值，多次测量后取平均值。将多次测量获得的采集器的对时准备时间取均值作为最终的对时准备时间；计算获得的采集器的对时命令帧传输时间ΔT₂；将多次测量获得的高压电流监测器的对时响应时间取均值作为最终的对时响应时间。将取平均后的对时准备时间，计算获得的对时命令帧传输时间，取平均后的对时响应时间相加，作为补偿值，设置在所述第二处理器内部。所述第二处理器在接收到采集器发送的对时命令后，读取存储的补偿值进行同步补偿，按照同步补偿后的对时时间进行对时。

为了保证各第二处理器的一致性，各高压电流监测装置优选采用相同结构。采用相同型号，相同批次的CPU。

本发明另一发明提供一种高压电流监测的时间同步方法，结合图5，包括：

步骤S1：采集器向各高压电流监测装置发送对时命令；具体为，采集器的第一处理器发送对时命令。

步骤S2：各个高压电流监测装置接收对时命令后，进行同步补偿；

步骤S3：按照同步补偿后的对时时间进行对时。

所述同步补偿的补偿值为：

ΔT＝ΔT₁+ΔT₂+ΔT₃

其中：ΔT₁表示采集器的对时准备时间；ΔT₂表示采集器的对时命令帧传输时间；ΔT₃表示高压电流监测装置的对时响应时间。

进一步地，补偿值ΔT，多次测量后取平均值，作为补偿值设置在所述第二处理器的内部。

进一步地，对时准备时间ΔT₁的获取测量包括：采集器将第一时钟芯片的时间放至第一处理器的缓冲区，并启动发送中断所经历的时间。所述第一处理器在接收所述第一时钟芯片的秒中断信号时，标记当前时间为t₁；程序处理时，将当前时钟数据放到发送中断缓存区，所述第一处理器启动发送帧的中断发送时间标记为t₂；计算对时准备时间ΔT₁＝t₂-t₁。

对时命令帧传输时间ΔT₂，通过物理传输波特率B和命令帧字节数N，计算获得，则：

高压电流监测装置的对时响应时间ΔT₃的获取包括：

所述第二时钟芯片的秒分频计数器32.768kHz的信号输出至所述第二处理器的中断端口,所述第二处理器接收完整帧时刻对应第N1个采样点，高压电流监测装置对时完成对应第N2个采样点，则

将多次测量获得的采集器的对时准备时间取均值作为最终的对时准备时间；计算获得的采集器的对时命令帧传输时间ΔT₂；将多次测量获得的高压电流监测器的对时响应时间取均值作为最终的对时响应时间。将取平均后的对时准备时间，计算获得的对时命令帧传输时间，取平均后的对时响应时间相加，作为补偿值，设置在所述第二处理器内部。所述第二处理器在接收到采集器发送的对时命令后，读取存储的补偿值进行同步补偿，按照同步补偿后的对时时间进行对时。

综上所述，本发明涉及一种高压电流监测对时系统及时间同步方法，采集器向各高压电流监测装置发送对时命令；各个高压电流监测装置接收对时命令后，进行同步补偿，按照同步补偿后的对时时间进行对时；补偿值包括采集器的对时准备时间、采集器的对时命令帧传输时间以及高压电流监测器的对时响应时间。本发明经过理论计算，实验验证，该方案在软硬件保证的前提下，可以反复多次求平均值，ΔT的延迟时间均值在260uS，可以保证在45uS的离散度。校时时间同步补偿260uS后，45uS的离散度满足三相的时钟小于100μs的偏差要求。本发明不采用北斗等专业的授时系统，利用普通的实时时钟芯片，成本低，对时系统简单有效。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (4)

1.一种高压电流监测对时系统，其特征在于，包括采集器和多个高压电流监测装置；

采集器向各高压电流监测装置发送对时命令；

各高压电流监测装置接收对时命令后，进行同步补偿，按照同步补偿后的对时时间进行对时；

所述同步补偿的补偿值为：

ΔT＝ΔT₁+ΔT₂+ΔT₃

其中：ΔT₁表示采集器的对时准备时间；ΔT₂表示采集器的对时命令帧传输时间；ΔT₃表示 高压电流监测装置的对时响应时间；

采集器内部设置第一处理器和第一时钟芯片；高压电流监测装置内部均设置第二处理器和第二时钟芯片；采集器的对时准备时间为：采集器将第一时钟芯片的时间数据放置第一处理器的缓冲区，并启动发送中断所经历的时间；

对于对时命令帧传输时间ΔT₂，所述采集器采取固定的物理传输波特率B，固定的命令帧字节数N，则对时命令帧传输时间ΔT₂固定；

高压电流监测装置的对时响应时间ΔT₃为：

所述第二时钟芯片的秒分频计数器32.768kHz信号输出至所述第二处理器的中断端口,所述第二处理器接收完整帧时刻对应第N1个采样点，高压电流监测装置对时完成对应第N2个采样点。

2.根据权利要求1所述的高压电流监测对时系统，其特征在于，补偿值ΔT，多次测量后取平均值，作为补偿值设置在所述第二处理器的内部。

3.一种高压电流监测的时间同步方法，其特征在于，包括：

采集器向各高压电流监测装置发送对时命令；

各个高压电流监测装置接收对时命令后，进行同步补偿；

按照同步补偿后的对时时间进行对时；

所述同步补偿的补偿值为：

ΔT＝ΔT₁+ΔT₂+ΔT₃

其中：ΔT₁表示采集器的对时准备时间；ΔT₂表示采集器的对时命令帧传输时间；ΔT₃表示高压电流监测器的对时响应时间；

对时准备时间ΔT₁的获取包括：采集器内部设置第一处理器和第一时钟芯片；高压电流监测装置内部均设置第二处理器和第二时钟芯片；采集器的对时准备时间为采集器将第一时钟芯片的时间放至第一处理器的缓冲区，并启动发送中断所经历的时间；所述第一处理器在接收所述第一时钟芯片的秒中断信号时，标记当前时间为t₁，程序处理时，将当前时钟数据放到发送中断缓存区，所述第一处理器启动发送帧的中断发送时间标记为t₂，计算对时准备时间ΔT₁＝t₂-t₁；

对时命令帧传输时间ΔT₂获取包括，通过物理传输波特率B和命令帧字节数N，计算获得：

高压电流监测装置的对时响应时间ΔT₃的获取包括：

所述第二时钟芯片的秒分频计数器32.768kHz的信号输出至所述第二处理器的中断端口,所述第二处理器接收完整帧时刻对应第N1个采样点，高压电流监测装置对时完成对应第N2个采样点，则：

4.根据权利要求3所述的高压电流监测的时间同步方法，其特征在于，多次测量补偿值ΔT后取平均值，作为补偿值设置在所述第二处理器的内部。

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