CN111698076B - 一种基于时间补偿的精确通信同步方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于时间补偿的精确通信同步方法及系统，主控节点发出同步指令包含同步时间T；子节点的通信模块采用“0”延时硬件接收同步指令，每个途径的路由子节点均将自身的滞留延时时间补充到同步时间中；目标子节点，计量识别同步指令到同步指令执行的时间t，最终在同步时间中补偿了各路由子节点的滞留延时时间和时间t，作为同步时间执行校时。本发明对硬件装置要求简单，且满足台区要求，同步精度高的对时方法。本发明适用范围广泛，适用于各类配电网台区。

Description

一种基于时间补偿的精确通信同步方法及系统

技术领域

本发明涉及同步方法技术领域，尤其涉及一种基于时间补偿的精确通信同步方法及系统。

背景技术

电力系统组成包括4大环节，依次为发电、输电、变电和配电。为实现将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能供应到各用户，电力系统在各个环节和不同层次具有相应的信息与控制系统，对电能的生产过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，以保证用户获得安全、优质的电能。其中，配电环节是直接面向工业企业和电力用户的，根据电压等级的不同，低于0.4KV以下的网络称为低压配电网。

低压配电网作为电力输送的“最后一公里”，与用户负荷紧密耦合，挂接低压设备数量、种类众多。配电台区全域低压设备(感知、开关、终端等设备)对电力运行状态数据进行实时采集，通过数据传输，在智能终端对数据进行分析，了解设备状态和台区用电情况，决定着电力系统的安全可靠运行。有时整个低压台区系统需要同步执行某些动作，由于电气设备种类繁多、通信技术等因素影响，导致数据产生时延，命令无法同步执行，影响电网下一步的分析和运营。

要确保低压配电网能够更加安全可靠的运行、需要对电网尽可能实时同步的进行监控，控制指令能同步执行，当异常出现时能够及时发现、及时响应。在低压配电网同步通信方面，目前已经使用的技术有脉冲对时，B码对时等技术。脉冲对时使用有其局限条件，且在某些时刻同步误差达分钟级别以上；B码对时方式对接收装置要求较高，硬件设计复杂，且编码工作量大。

发明内容

本发明的目的在于提供设计一种基于时间补偿的精确通信同步方法及系统，对硬件装置要求简单，且满足台区要求；采用广播校时和广播触发方法，使台区主控节点和分散安装子节点时间上精确同步；克服台区挂接设备种类繁多，硬件不一致的困难，保证控制指令自主节点出发，各分散子节点同步执行的精度控制在微秒级别。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于时间补偿的精确通信同步方法，包括：

主控节点广播同步指令包含同步时间T；所述同步指令经路由子节点发送到目标子节点；主控节点及各个子节点采用链型拓扑结构；

非末端子节点接收到所述同步指令后将自身的延时时间△Ti增加至同步时间中并转发至下一个子节点；

每个子节点接收所述同步指令，计量本子节点识别同步指令到同步指令执行的时间t，以接收的同步指令的同步时间加t执行本子节点校时操作。

进一步地，非末端子节点将自身的延时时间△Ti增加至同步时间中，具体包括：非末端子节点的通信模块接收到所述同步指令后，立即触发通信模块的处理器进入中断处理，启动△Ti计时；所述同步指令经过一定时间的排队等待，当非末端子节点通信模块开始处理同步指令报文，停止△Ti计时，计时时间加上固定延时时间d作为延时时间△Ti，将同步时间T的值更新为T+△Ti，发出同步指令；固定延时时间d＝同步指令字节长度*11/波特率。

进一步地，目标子节点接收所述同步指令，计量所述目标子节点识别同步指令到同步指令执行的时间t，具体包括：目标子节点接收到同步指令后，触发目标子节点的通信模块处理器，通信模块同步标志置位，触发目标子节点采集控制模块处理器进入中断处理，启动t计时；所述通信模块处理器完成所述同步指令的排队和指令报文的解析，将解析获得的同步时间发送至所述采集控制模块；所述采集控制模块接收到所述同步时间，退出中断，停止t计时，获得所述目标子节点识别同步指令到同步指令执行的时间t。

本发明提供另一种基于时间补偿的精确通信同步方法，包括：

主控节点广播同步指令直接到达各子节点，所述同步指令包含同步时间T；

各子节点接收所述同步指令，计量本子节点识别同步指令到同步指令执行的时间t，以接收的同步指令的同步时间加t执行所述目标子节点校时操作。

进一步地，子节点接收所述同步指令，计量本子节点识别同步指令到同步指令执行的时间t，具体包括：子节点接收到同步指令后，触发子节点的通信模块处理器，通信模块同步标志置位，触发子节点采集控制模块处理器进入中断处理，启动t计时；所述通信模块处理器完成所述同步指令的排队和指令报文的解析，将解析获得的同步时间发送至所述采集控制模块；所述采集控制模块接收到所述同步时间，退出中断，停止t计时，获得所述子节点识别同步指令到同步指令执行的时间t。

本发明另一方面提供一种基于时间补偿的精确通信同步系统，包括主控节点及各个子节点；主控节点及各个子节点采用链型拓扑结构；

主控节点广播同步指令，所述同步指令包含同步时间T；非末端子节点接收到所述同步指令后将自身的延时时间△Ti增加至同步时间中并转发至下一个子节点；

每个子节点接收所述同步指令，计量所述本子节点识别同步指令到同步指令执行的时间t，以接收的同步指令的同步时间加t执行本子节点校时操作。

进一步地，每个子节点均包括通信模块和采集控制模块；

非末端子节点的所述通信模块接收到所述同步指令后，立即触发通信模块的处理器进入中断处理，启动△Ti计时；所述同步指令经过一定时间的排队等待，由第i个路由子节点通信模块开始处理同步指令报文，停止△Ti计时，计时时间作为延时时间△Ti，所述通信模块将同步时间T的值更新为T+△Ti，发出同步指令；

每个子节点的通信模块接收到同步指令后，触发通信模块处理器，通信模块同步标志置位，触发本子节点采集控制模块处理器进入中断处理，启动t计时；所述通信模块处理器完成所述同步指令的排队和指令报文的解析，将解析获得的同步时间发送至所述采集控制模块；所述采集控制模块接收到所述同步时间，退出中断，停止t计时，获得所述本子节点识别同步指令到同步指令执行的时间t。

本发明提供另一种基于时间补偿的精确通信同步系统，包括主控节点及各个子节点；主控节点及各个子节点采用星型拓扑结构；主控节点发出同步指令直接到达各子节点；所述同步指令包含同步时间T；

各子节点接收所述同步指令，计量本子节点识别同步指令到同步指令执行的时间t，以接收的同步指令的同步时间加t执行所述目标子节点校时操作。

进一步地，每个子节点均包括通信模块和采集控制模块；

每个子节点的通信模块接收到同步指令后，触发通信模块处理器，通信模块同步标志置位，触发本子节点采集控制模块处理器进入中断处理，启动t计时；所述通信模块处理器完成所述同步指令的排队和指令报文的解析，将解析获得的同步时间发送至所述采集控制模块；所述采集控制模块接收到所述同步时间，退出中断，停止t计时，获得所述本子节点识别同步指令到同步指令执行的时间t。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

(1)相对传统的相关应用，本发明的优点是利用广播校时技术提高了台区控制指令在主节点和各子节点间同步执行的精确度，减小因时间同步误差大带来的操作错误，更能及时有效的获取解析数据，执行命令。克服台区挂接设备种类繁多，硬件不一致的困难，保证控制指令自主节点出发各分散子节点同步执行的精度高，控制在微秒级别。

(2)本发明适用范围广泛，只要具备时钟系统的装置皆可应用本发明方法，就本发明的应用场景，配电网台区而言，几乎所有的装置皆具备时钟系统，均可以使用该同步方法；

(3)本发明分别对子节点通信部分及子节点采集控制部分，即同步指令路由节点数、子节点处理对时指令做出分析，计算出补偿时间，同步误差达到微秒级。

附图说明

图1为广播通信精确同步原理图；

图2为星型拓扑结构示意图；

图3为链型拓扑结构示意图。

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。

广播通信同步系统一般由1个时钟源和多个分散安装的感知和执行设备组成。时钟源M作为主控节点发送同步对时指令，分散安装的感知和执行设备S作为子节点接收同步对时指令并执行同步操作。时钟源M与子节点S之间通过有线或无线或双模通信交互。在多种场合下，整个系统需要实现同步执行某些动作，采用广播校时或广播触发，可以达到全系统分散安装子节点精确同步。

针对配电台区应用场景，通信方式主要有电力线载波HPLC、无线(如LoRa)或双模，考虑到单个配电台区区域小，而电力线和空中无线信号输出快，因此主控节点发出的同步指令到达任意子节点的电力线或空中传输时间可忽略不计，因此配电台区侧的广播通信同步系统，子节点之间的同步偏差主要由同步指令路由节点数、子节点处理对时指令性能两个因素决定。

原理结合图1，子节点由通信模块和采集控制模块两部分组成，此技术中，子节点通信模块的处理工作解决主控节点及子节点间路由节点数对同步偏差的影响；采集控制模块的处理工作解决子节点处理对时指令性能对同步偏差的影响。其中通信模块可选无线或HPLC。

当主控节点发出同步指令T，实时时间或特殊指令，子节点的通信模块的RF或HPLC接口采用“0”延时硬件接收同步指令，并解析识别。子节点最终以T＝T+△T+t作为时钟值执行校时。其中，等式右边的T为主控节点发出的同步指令T，△T及t的获取方法如下：

如图1，当同步指令发送存在路由情况时，同步指令由主控节点发出，路由节点的通信模块接收到需转发的同步指令报文后，以“0”延时触发路由节点通信模块的处理器中断程序，利用处理器的系统时间启动数据在路由节点处排队等待发送的计时，此时△T＝0。数据经过一定时间的排队等待，开始由路由节点发往下一节点，停止△T的计时，此时△T＝数据排队时间，即数据在本路由节点处滞留的时间。

只有一个路由节点时，总路由时间△T＝△T；有两个路由节点时，总路由时间△T＝△T1+△T2；有三个路由节点时，总路由时间△T＝△T1+△T2+△T3；以此类推，有n个路由节点时，总路由时间△T＝△T1+△T2+△T3+...+△Tn。路由节点数越少，△T值越小；路由节点数越多，△T值越大。△T作为修正值，它的大小补偿了路由节点数量对同步的影响。

对时处理流程补偿时间t的获取方法如下：

如图1，同步指令由主控节点发出，经路由节点转发，最终传输至需同步对时的子节点Sn。子节点Sn的通信模块接收到同步指令后，以“0”延时触发通信模块的处理器，同时通信模块同步标志信号由0翻转为1(0表示无同步指令，1表示有同步指令)。在子节点采集控制模块，处理器设置中断端口与此标志信号相连接，中断端口识别到标志信号的翻转时，触发中断，启动“对时处理流程补偿时间t”的计时，此时t＝0，t以微秒级开始计时。同步对时指令，即同步对时报文，在通信模块完成数据的排队、对时报文的解析，经内部通信接口将解析后的同步对时指令发送至子节点采集控制模块。采集控制模块接收到对时指令，立即退出中断，停止t的计时，并进入系统校时时刻，此时t＝对时指令被Sn识别到被执行的时间。

采集控制模块最终以T＝T+△T+t执行校时操作。路由节点数越少，△T值越小；路由节点数越多，△T值越大。△T作为修正值，它的大小补偿了主控节点与子节点间路由节点数对同步的影响。子节点处理对时指令性能越好，t值相应越小；子节点处理对时指令性能越差，t值相应越大。t作为修正值，它的大小补偿了子节点处理对时指令性能对同步的影响。

此种方法对于台区具有时钟系统的装置皆适用，而台区几乎所有装置皆有时钟系统。

配电台区主控节点和子节点，通信拓扑主要有星型、链型两种形式。以下分别介绍系统同步执行的补偿计算方式：

星型拓扑中，结合图2，任一子节点只与主控节点相连接，两者之间无路由。子节点之间的同步，不会有路由节点数带来的时延差，只有子节点处理对时指令性能带来的时延差。故子节点进行同步指令对时时，△T＝0。

子节点1以T执行同步指令：T＝T+t1，其中T为主控节点发出的同步指令，t1是子节点1对时处理流程补偿时间。

子节点2以T执行同步指令：T＝T+t2，其中T为主控节点发出的同步指令，t2是子节点2对时处理流程补偿时间。

......

子节点n以T执行同步指令：T＝T+tn，其中T为主控节点发出的同步指令，tn是子节点n对时处理流程补偿时间。

子节点以上述方法执行校时操作，子节点1至子节点n同步误差来自于采集控制模块的处理器硬件中断固有延时、晶振误差，误差极小，可以忽略，各子节点的同步精度可控制在微秒级。

链型拓扑中，结合图3，除了第一级子节点，其他子节点与主控节点皆存在路由，如：子节点2与主控节点之间通信经路由节点1转发；子节点3与主控节点之间通信经路由节点1、2转发。子节点间的同步不仅会有路由节点数带来的时延误差，还会有子节点处理对时指令性能带来的时延误差。

子节点1以T执行同步指令：T＝T+t1，其中T为主控节点发出的同步指令，t1是子节点1对时处理流程补偿时间。

子节点2以T执行同步指令：T＝T+△T1+t2，其中T为主控节点发出的同步指令，△T1是子节点1通信模块数据留滞时间，t2是子节点2对时处理流程补偿时间。

子节点n以T执行同步指令：T＝T+△T1+△T2+△T(n-1)+tn，其中T为主控节点发出的同步指令，△T(n-1)是子节点n-1通信部分数据留滞时间，tn是子节点n对时处理流程补偿时间；其中，△T＝△T1+△T2+…+△T(n-1)为整个系统同步指令路由补偿时间，tn为需同步对时的子节点处理对时指令性能的补偿时间。

子节点以上述方法执行校时操作，子节点1至子节点n同步误差来自于通信模块和采集控制模块的处理器硬件中断固有延时、晶振误差。前者可以通过测试固定补偿，后者误差极小，可以忽略，各子节点的同步精度可控制在微秒级。

本发明另一方面提供一种基于时间补偿的精确通信同步系统，主控节点及各个子节点采用链型拓扑结构；同步系统包括主控节点及各个子节点；

主控节点以广播形式发出同步指令经若干路由子节点发送到目标子节点；所述同步指令包含同步时间T；经过的第i个路由子节点将自身的延时时间△Ti增加至同步时间中；

每个子节点接收所述同步指令，计量所述目标子节点识别同步指令到同步指令执行的时间t，以接收的同步指令的同步时间加t执行所述目标子节点校时操作。

每个非末端一方面将自身的延时时间△Ti增加至同步时间T中，即将T+△Ti替换T，转发所述同步指令到下一子节点；另一方面自身作为目标节点计量识别同步指令到同步指令执行的时间t，利用接收到的同步指令中识别出的同步时间T加上t，执行本子节点校时操作。

本发明还提供一种基于时间补偿的精确通信同步系统，主控节点及各个子节点采用星型拓扑结构；同步系统包括主控节点及各个子节点；主控节点及各个子节点采用星型拓扑结构；主控节点发出同步指令直接到达目标子节点；所述同步指令包含同步时间T；

目标子节点接收所述同步指令，计量所述目标子节点识别同步指令到同步指令执行的时间t，以接收的同步指令的同步时间加t执行所述目标子节点校时操作。

综上所述，本发明涉及一种基于时间补偿的精确通信同步方法及系统，主控节点发出同步指令包含同步时间T；子节点的通信模块采用“0”延时硬件接收同步指令，每个途径的路由子节点均将自身的滞留延时时间补充到同步时间中；目标子节点，计量识别同步指令到同步指令执行的时间t，最终在同步时间中补偿了各路由子节点的滞留延时时间和时间t，作为同步时间执行校时。本发明对硬件装置要求简单，且满足台区要求，同步精度高的对时方法。本发明适用范围广泛，适用于各类配电网台区。

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 (6)

1.一种基于时间补偿的精确通信同步方法，其特征在于，包括：

主控节点广播同步指令包含同步时间T；所述同步指令经路由子节点发送到目标子节点；主控节点及各个子节点采用链型拓扑结构；

非末端子节点接收到所述同步指令后将自身的延时时间△Ti增加至同步时间中并转发至下一个子节点；

每个子节点接收所述同步指令，计量本子节点识别同步指令到同步指令执行的时间t，以接收的同步指令的同步时间加t执行本子节点校时操作；

目标子节点接收所述同步指令，计量所述目标子节点识别同步指令到同步指令执行的时间t，具体包括：目标子节点接收到同步指令后，触发目标子节点的通信模块处理器，通信模块同步标志置位，触发目标子节点采集控制模块处理器进入中断处理，启动t计时；所述通信模块处理器完成所述同步指令的排队和指令报文的解析，将解析获得的同步时间发送至所述采集控制模块；所述采集控制模块接收到所述同步时间，退出中断，停止t计时，获得所述目标子节点识别同步指令到同步指令执行的时间t。

2.根据权利要求1所述的基于时间补偿的精确通信同步方法，其特征在于，非末端子节点将自身的延时时间△Ti增加至同步时间中，具体包括：非末端子节点的通信模块接收到所述同步指令后，立即触发通信模块的处理器进入中断处理，启动△Ti计时；所述同步指令经过一定时间的排队等待，当非末端子节点通信模块开始处理同步指令报文，停止△Ti计时，计时时间加上固定延时时间d作为延时时间△Ti，将同步时间T的值更新为T+△Ti，发出同步指令；固定延时时间d＝同步指令字节长度*11/波特率。

3.一种基于时间补偿的精确通信同步方法，其特征在于，包括：

主控节点广播同步指令直接到达各子节点，所述同步指令包含同步时间T；

各子节点接收所述同步指令，计量本子节点识别同步指令到同步指令执行的时间t，以接收的同步指令的同步时间加t执行目标子节点校时操作；

子节点接收所述同步指令，计量本子节点识别同步指令到同步指令执行的时间t，具体包括：子节点接收到同步指令后，触发子节点的通信模块处理器，通信模块同步标志置位，触发子节点采集控制模块处理器进入中断处理，启动t计时；所述通信模块处理器完成所述同步指令的排队和指令报文的解析，将解析获得的同步时间发送至所述采集控制模块；所述采集控制模块接收到所述同步时间，退出中断，停止t计时，获得所述子节点识别同步指令到同步指令执行的时间t。

4.一种基于时间补偿的精确通信同步系统，其特征在于，包括主控节点及各个子节点；

主控节点及各个子节点采用链型拓扑结构；

主控节点广播同步指令，所述同步指令包含同步时间T；非末端子节点接收到所述同步指令后将自身的延时时间△Ti增加至同步时间中并转发至下一个子节点；

每个子节点接收所述同步指令，计量所述子节点识别同步指令到同步指令执行的时间t，以接收的同步指令的同步时间加t执行本子节点校时操作；

每个子节点均包括通信模块和采集控制模块，每个子节点的通信模块接收到同步指令后，触发通信模块处理器，通信模块同步标志置位，触发本子节点采集控制模块处理器进入中断处理，启动t计时；所述通信模块处理器完成所述同步指令的排队和指令报文的解析，将解析获得的同步时间发送至所述采集控制模块；所述采集控制模块接收到所述同步时间，退出中断，停止t计时，获得所述本子节点识别同步指令到同步指令执行的时间t。

5.根据权利要求4所述的基于时间补偿的精确通信同步系统，其特征在于，

非末端子节点的所述通信模块接收到所述同步指令后，立即触发通信模块的处理器进入中断处理，启动△Ti计时；所述同步指令经过一定时间的排队等待，由第i个路由子节点通信模块开始处理同步指令报文，停止△Ti计时，计时时间作为延时时间△Ti，所述通信模块将同步时间T的值更新为T+△Ti，发出同步指令。

6.一种基于时间补偿的精确通信同步系统，包括主控节点及各个子节点；主控节点及各个子节点采用星型拓扑结构；主控节点发出同步指令直接到达各子节点；所述同步指令包含同步时间T；

各子节点接收所述同步指令，计量本子节点识别同步指令到同步指令执行的时间t，以接收的同步指令的同步时间加t执行目标子节点校时操作；

每个子节点均包括通信模块和采集控制模块，每个子节点的通信模块接收到同步指令后，触发通信模块处理器，通信模块同步标志置位，触发本子节点采集控制模块处理器进入中断处理，启动t计时；所述通信模块处理器完成所述同步指令的排队和指令报文的解析，将解析获得的同步时间发送至所述采集控制模块；所述采集控制模块接收到所述同步时间，退出中断，停止t计时，获得所述本子节点识别同步指令到同步指令执行的时间t。

Images