CN112558685B - 一种配电终端模块间对时同步的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种配电终端模块间对时同步的方法，属于计算、推算或计数的技术领域。以配电终端模块中的MCU模块1作为对时输出源，CPU模块在高优先级的比较事件中断捕获MCU模块1的RTC秒脉冲；CPU模块通过判断当前的同步状态以及捕获的有效性，选择相应微调或者强调方案调整自身时间；CPU在同步状态下定时向各MCU模块发送同步脉冲，对MCU模块进行精确对时，保证配电终端各模块绝对时间精确同步；同时在同步状态下根据对时精度及守时时长调整同步品质因素，记录采集数据时一并记录对应品质因素，保障数据分析过程中计算结果的科学性和有效性。本发明具有实现方法简单、无需进行复杂硬件设计且能够满足MCU模块与CPU模块间高精度对时要求的优点。

Description

一种配电终端模块间对时同步的方法
技术领域
本发明涉及配电自动化技术，具体涉及一种配电自动化终端模块间对时同步的方法，属于计算、推算或计数的技术领域。
背景技术
智能配电网以及物联网的迅猛发展对配电自动化的要求越来越高，特别是要求配电自动化的监控能力逐步提升。如要系统性、全面性地监控配电终端的运行状态，则需要从多角度去分析配电终端采集的数据，但是配电终端的通信管理、数据挖掘、数据采集功能分布于不同的模块，这就要求各模块之间处于一个绝对时间同步状态，从而才能保证各模块同步地采集数据，确保分析结果的有效性和准确性。
由于配电终端多处于偏远、荒芜、人烟稀少的地方，网络及其卫星信号相对比较差，故完全依赖网络或卫星对配电终端各模块进行时钟同步无法保障同步的及时性和准确性。现有的RTC同步对时方法采用主从模块架构，并通过COM通讯接口传输对时报文，COM通讯接口的传输延时影响对时精度，且硬件成本高。本发明旨在提供一种能够简单地实现配电终端各模块间对时同步的方法。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种配电终端模块间对时同步的方法，保障终端内部CPU模块与其它各MCU数据采集处理模块之间的绝对时间精确同步，解决了同一终端不同模块间存在走时偏差的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
配电终端模块主要包括负责数据分析、通信管理的CPU模块和多个负责数据采集与处理的MCU模块；CPU模块和MCU模块通过BSP板连接；其中一个MCU模块作为对时输出源，CPU模块在高优先级的比较事件中断任务中捕获对时输出源的RTC秒脉冲；CPU模块通过判断当前的同步状态以及捕获的有效性，选择相应的微调方案或者强调方案以补偿CPU自身时间，直至CPU达到与对时输出源同步；CPU模块在同步状态下向各MCU模块发送时间同步对时脉冲，对MCU模块进行对时，保证配电终端各模块绝对时间精确同步；同时CPU模块在同步状态下根据对时精度以及守时情况调整同步品质因素。具体对时同步时内部包括：
1、CPU模块捕获MCU模块1的RTC秒脉冲信号
步骤1，CPU模块在比较事件中断任务中捕获MCU模块1的RTC秒脉冲信号；
步骤2，CPU模块判断比较事件对应的32位计数寄存器中记录的时间间隔是否为有效的1秒，考虑到RTC晶体的绝对精度，认为有效的1秒时间周期范围是Ts±Ts*10-4,Ts表示RTC晶体1秒钟对应的频率；
步骤3，CPU模块计算连续捕获RTC秒脉冲的计数器值，根据计数值判断间隔是否符合有效1秒范围，如果符合设置捕获标识为有效，否则设置捕获标识为无效；
2、CPU模块自身时间补偿
CPU模块自身时间补偿方法主要包括微调和强调两种方案，其步骤如下：
步骤1，CPU模块在2ms比较事件中断任务中捕获MCU模块1的RTC秒脉冲信号；
步骤2，CPU模块在有效捕获情况下，连续有效捕获状态下时间偏差小等于100us进行微调整，步骤1包括如下详细步骤：
步骤2-1，考虑到RTC晶体的抖动以及CPU模块捕获RTC秒脉冲的时刻与RTC秒脉冲信号产生时刻存在时间间隔，故时间补偿调整采用逐步调整，根据大量实验数据得出每次按照误差值的80％进行补偿。；
步骤2-2，当RTC秒脉冲时刻在CPU捕获时刻左侧，则表示CPU模块时钟变慢，调快补偿时钟，CPU模块每秒需减去误差值的80％；
步骤2-3，当RTC秒脉冲时刻在CPU捕获时刻右侧，则表示CPU模块时钟变快，调慢补偿时钟，CPU模块每秒需增加误差值的80％；
步骤2-4，当RTC秒脉冲时刻与CPU捕获时刻同步，则表示CPU模块时钟与MCU模块一致，不进行调整。
步骤3，CPU模块在有效捕获情况下，连续有效捕获状态下时间偏差大于100us，则进行强调，强调的详细步骤如下；
步骤3-1，由于强同步策略主要是针对失步状态大于100u或者更长时间，所以连续两次有效捕获之间的时间间隔可能是1个RTC秒脉冲间隔或者多个RTC秒脉冲间隔；
步骤3-2，当MCU模块1的RTC秒脉冲时刻在CPU捕获时刻左侧且与上1次的捕获时刻在1个RTC周期内，则将当前CPU捕获时刻作为同步的开始时刻，并按照误差值得80％，补偿调整；
步骤2-3，当MCU模块1的RTC秒脉冲时刻在CPU捕获时刻左侧且与上1次的捕获时刻在N(根据经验值N最大为50个)个RTC周期内，则将第前N次捕获时刻作为同步的开始时刻，并按照误差值的80％，补偿调整。
3、CPU模块向各MCU模块输出同步对时秒脉冲
CPU模块在同步状态下，按照同步后的时钟向各MCU模块输出秒脉冲，达到配电终端内部各模块绝对时间的同步。
4、CPU模块动态更新对时同步品质因素
品质因素设置规则分为两种情况，第一种情况为同步状态下，微调误差在4us范围内品质因素为00状态；误差在25us范围内品质因素为01状态；误差在100us范围内品质因素为10状态；失步状态下品质因素为11状态；第二种情况为同步状态下，一定时间内未收到有效捕获则更新品质因素，更新规则为品质因素为00状态守时大于10s修改品质因素为01，品质因素为01状态守时大于50s修改品质因素为10状态，品质因素为10状态守时大于100s修改品质因素为11状态。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明以配电终端中的一个MCU为对时输出源，CPU模块在高优先级的比较事件中断捕获对时输出源的RTC秒脉冲，通过判断当前的同步状态以及捕获的有效性，选择相应微调或者强调方案调整自身时间，CPU在同步状态下定时向各MCU模块发送同步脉冲，对MCU模块进行对时，保证配电终端各模块绝对时间精确同步，实现方法简单，针对配电终端各模块间无需进行复杂的硬件设计也可达到内部绝对时间的精确同步，相较于通过COM通讯接口传输对时信号的传统方式，本申请通过普通I/O口即可实现对时脉冲的传输，对时精度高，硬件成本低；
(2)同时CPU模块在同步状态下根据对时精度以及守时时长调整同步品质因素，记录采集数据时一并记录对应品质因素，数据分析时根据不同品质因素进行优化处理，进而保障计算结果的科学性和有效性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其它方面的优点将会变得更加清楚。
图1是配电网终端各模块的架构图。
图2是本发明公开的配电终端模块间对时同步方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，配电终端模块主要包括负责数据分析、通信管理的CPU模块和多个负责数据采集与处理的MCU模块；CPU模块和MCU模块通过BSP板连接；MCU模块1作为对时输出源，CPU模块在高优先级的比较事件中断任务中捕获对时输出源的RTC秒脉冲；CPU模块通过判断当前的同步状态以及捕获的有效性，选择相应的微调方案或者强调方案以补偿CPU自身时间，直至CPU达到与MCU模块1同步；CPU模块在同步状态下向各MCU模块发送时间同步对时脉冲，对MCU模块进行对时，保证配电终端各模块绝对时间精确同步；同时CPU模块在同步状态下根据对时精度以及守时情况调整同步品质因素。
本发明公开的配电网终端模块间对时同步方法如图2所示，具体包括如下四个部分。
第一部分、CPU模块捕获MCU模块1的RTC秒脉冲信号
步骤1，CPU模块在比较事件中断任务中捕获MCU模块1的RTC秒脉冲信号；
步骤2，CPU模块判断比较事件对应的32位计数寄存器中记录的时间间隔是否为有效的1秒，考虑到RTC晶体的绝对精度，认为有效的1秒时间周期范围是Ts±Ts*10-4,Ts表示RTC晶体1秒钟对应的频率；
步骤3，CPU模块计算连续捕获RTC秒脉冲的计数器值，根据计数值判断间隔是否符合有效1秒范围，如果符合设置捕获标识为有效，否则设置捕获标识为无效。
第二部分、CPU模块自身时间补偿
CPU模块自身时间补偿方法主要包括微调和强调两种方案，具体补偿过程包括如下3个步骤：
步骤1，CPU模块在2ms比较事件中断任务中捕获MCU模块1的RTC秒脉冲信号；
步骤2，CPU模块在有效捕获情况下，连续有效捕获状态下时间偏差小于100us进行微调整，步骤2包括如下详细步骤：
步骤2-1，考虑到RTC晶体的抖动以及CPU模块捕获RTC秒脉冲的时刻与RTC秒脉冲信号产生时刻存在时间间隔，故时间补偿调整采用逐步调整，根据大量实验数据得出每次按照误差值的80％进行补偿时微调效果较佳；
步骤2-2，当RTC秒脉冲时刻在CPU捕获时刻左侧时，则表示CPU模块时钟变慢，需要调快补偿时钟，CPU模块每秒需减去误差值的80％；
步骤2-3，当RTC秒脉冲时刻在CPU捕获时刻右侧时，则表示CPU模块时钟变快，需要调慢补偿时钟，CPU模块每秒需增加误差值的80％；
步骤2-4，当RTC秒脉冲时刻与CPU捕获时刻同步时，则表示CPU模块时钟与MCU模块一致，不需要进行调整；
步骤3，CPU模块在有效捕获情况下，连续有效捕获状态下的时间偏差大于100us，则进行强调，强调的详细步骤如下；
步骤3-1，由于强同步策略主要是针对失步状态大于100u或者更长时间，所以连续两次有效捕获之间的时间间隔可能是1个RTC秒脉冲间隔或者多个RTC秒脉冲间隔；
步骤3-2，当MCU模块1的RTC秒脉冲时刻在CPU捕获时刻左侧且与上1次捕获时刻的间隔在1个RTC周期内时，则将当前CPU捕获时刻作为同步的开始时刻，并按照误差值得80％补偿调整CPU自身时间；
步骤2-3，当MCU模块1的RTC秒脉冲发生时刻在CPU捕获时刻之前且与CPU的上1次捕获时刻之间的间隔处于N(根据经验值N最大为50个)个RTC周期内时，则将上一次的捕获时刻作为同步的开始时刻，并按照误差值的80％补偿调整自身时间。
第三部分、CPU模块向各MCU模块输出同步对时秒脉冲
CPU模块在与MCU模块1同步的状态下，按照同步后的时钟向各MCU模块输出用于配电终端内部各模块绝对时间同步的对时秒脉冲。
第四部分、CPU模块动态更新对时同步品质因素
本申请提出同步品质因素一方面是根据对时精度来设置品质因素并将该品质因素作为采集数据的分析因子之一，提高分析数据的科学性和准确性；另一方面是为了确保配电终端各模块间由于异常导致对时信号失效或者长时间未捕获到对时信号的情况下仍然能按照对时原理自守时并自动修改守时时间对时的品质。本申请所指的守时是指装置在长时间无对时的情况，各模块调整自身时间的情况。
品质因素设置规则分为两种情况，第一种情况为同步状态下，微调误差在4us范围内品质因素为00状态；误差在25us范围内品质因素为01状态；误差在100us范围内品质因素为10状态；失步状态下品质因素为11状态；第二种情况为同步状态下，一定时间内未收到有效捕获则更新品质因素，更新规则为品质因素为00状态且守时大于10s时修改品质因素为01，品质因素为01状态且守时大于50s修改品质因素为10状态，品质因素为10状态且守时大于100s修改品质因素为11状态。
本发明核心包含四个方面：
(1)CPU模块捕获MCU模块1的RTC秒脉冲信号，MUC模块1的RTC秒脉冲作为对时同步的时间源头。
(2)考虑到RTC晶体的抖动以及CPU模块捕获RTC秒脉冲的时刻与RTC秒脉冲信号产生时刻存在时间间隔，故时间补偿调整采用逐步调整，根据大量实验数据得出每次按照误差值的80％进行补偿，而且根据时间偏差范围不同分别通过微调和强调的方式对CPU模块进行事件补偿。
(3)CPU模块在自身同步的状态向各MCU模块输出同步对时秒脉冲，达到配电终端内部各模块绝对时间的精确同步。
(4)CPU模块针对同步状态增加了品质因素，品质因素作为数据处理与挖掘的分析因子之一，提高分析结果的科学有效性。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种配电终端模块间对时同步的方法，其特征在于，连续捕获对时输出源的有效RTC秒脉冲信号，所述对时输出源为一个MCU模块，在同步状态下根据连续捕获有效RTC秒脉冲信号的走时偏差对CPU时钟进行微调整或强调整，在失步状态下对CPU时钟进行强调整，向各MCU模块发送绝对时间同步的对时秒脉冲；其中，对CPU时钟进行强调整的方法为：有效RTC秒脉冲时刻在捕获时刻左侧且与上一次捕获时刻的间隔在一个RTC周期内时，将当前捕获时刻作为同步的开始时刻，并按照走时偏差的80％补偿调整CPU自身时间；有效RTC秒脉冲发生时刻在捕获时刻之前且与上一次捕获时刻之间的间隔处于N个RTC周期内时，将上一次的捕获时刻作为同步的开始时刻，并按照走时偏差的80％补偿调整CPU自身时间，N为小于或等于50的正整数。
2.根据权利要求1所述一种配电终端模块间对时同步的方法，其特征在于，连续捕获对时输出源的有效RTC秒脉冲信号的方法为：在CPU的比较事件中断任务中捕获对时输出源的RTC秒脉冲信号，将捕获时间间隔在有效1秒范围内的RTC秒脉冲信号标识为有效RTC秒脉冲信号。
3.根据权利要求1所述一种配电终端模块间对时同步的方法，其特征在于，在同步状态下根据连续捕捉有效RTC秒脉冲信号的走时偏差对CPU时钟进行微调整或强调整的方法为：在CPU的2ms比较事件中断任务中捕获对时输出源的有效RTC秒脉冲信号，连续捕获有效RTC秒脉冲信号的时间偏差小于100us进行微调整，连续捕获有效RTC秒脉冲信号的时间偏差超过100us进行强调整。
4.根据权利要求1所述一种配电终端模块间对时同步的方法，其特征在于，对CPU时钟进行微调整的方法为：有效RTC秒脉冲时刻在捕获时刻左侧时，将CPU时钟的每秒减去走时偏差的80％；有效RTC秒脉冲时刻在捕获时刻右侧时，将CPU时钟的每秒增加走时偏差的80％。
5.根据权利要求1所述一种配电终端模块间对时同步的方法，其特征在于，定义走时偏差在4us范围内的品质因素为00状态，走时偏差在25us范围内的品质因素为01状态，走时偏差在100us范围内的品质因素为10状态，失步状态下的品质因素为11状态，在对时同步的过程中标记品质因素。
6.根据权利要求2所述一种配电终端模块间对时同步的方法，其特征在于，所述有效1秒范围为Ts±Ts*10-4，Ts表示RTC晶体1秒钟对应的频率。
7.根据权利要求5所述一种配电终端模块间对时同步的方法，其特征在于，在同步状态下记录同步守时时长，规定时间段内未捕获到有效RTC秒脉冲信号时更新品质因素，品质因素为00状态且守时大于10s时修改品质因素为01，品质因素为01状态且守时大于50s时修改品质因素为10状态，品质因素为10状态且守时大于100s修改品质因素为11状态。
8.一种配电网终端模块，其特征在于，包括：
CPU，连续捕获对时输出源的有效RTC秒脉冲信号，在同步状态下根据连续捕获有效RTC秒脉冲信号的走时偏差对CPU时钟进行微调整或强调整，在失步状态下对CPU时钟进行强调整，向各MCU模块发送绝对时间同步的对时秒脉冲，对CPU时钟进行强调整具体为：有效RTC秒脉冲时刻在捕获时刻左侧且与上一次捕获时刻的间隔在一个RTC周期内时，将当前捕获时刻作为同步的开始时刻，并按照走时偏差的80％补偿调整CPU自身时间；有效RTC秒脉冲发生时刻在捕获时刻之前且与上一次捕获时刻之间的间隔处于N个RTC周期内时，将上一次的捕获时刻作为同步的开始时刻，并按照走时偏差的80％补偿调整CPU自身时间，N为小于或等于50的正整数；
第一个MCU，作为对时输出源，向CPU发送RCT秒脉冲信号，接收绝对时间同步的对时秒脉冲；及，
第二至第M个MCU，接收绝对时间同步的对时秒脉冲，M为大于2的整数。
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