CN112953671A - 一种精确时钟同步协议对时方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精确时钟同步协议对时方法及装置，所述方法包括：计算获取时钟链路延时，其中，所述时钟链路延时包括主从时钟链路延时或从主时钟链路延时；根据所述时钟链路延时构造Hankel矩阵；采用奇异值分解所述Hankel矩阵获取去噪链路延时；根据所述去噪链路延时计算主时钟和从时钟的偏差，根据所述偏差修正从时钟时间。本发明通过构造Hankel矩阵并采用奇异值分解获取去噪链路延时，从而修正从时钟时间，降低队列延时的干扰，提高精确时钟同步协议对时精度。

Description

一种精确时钟同步协议对时方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种精确时钟同步协议对时方法及装置。

背景技术

通信技术发展推动了电力系统广域互联，进一步利用广域测量系统获得的信息，实现层次化继电保护功能，对故障进行快速、可靠和精确的切除，最终形成电力系统层次化保护体系，是当下智能电网发展的一个方向。当前，层次化保护体系可分为广域保护、站域保护和就地保护。其中，广域保护对电力系统广域采样同步的时间精度提出了更高的需求，通常采用精确时钟同步协议(Precision Time Protocol，PTP)，但PTP的有效应用是以通信链路对称为前提，实际应用环境存在主从时钟报文延时与从主时钟报文延时不相等的现象，限制了PTP的对时精度，阻碍了智能电网发展的进程。

当前公开了多种对PTP进行改进的技术，以提高对时精度、适应链路不对称环境，主要包括：a、采用恒温晶振、数字锁相环和时钟老化模型等硬件设计方法提高对时系统调频调相精度，但其不能处理链路不对称造成的干扰；b、Kalman滤波法可有效减小对时误差波动，但其对链路对称性要求较高；c、记录报文传输路径，控制往返报文物理路径相同，可降低物理链路不对称影响，但其控制方案复杂、且未考虑因队列拥堵造成的链路不对称；d、利用加权算法补偿链路不对称性可适应于链路不对称性稳定的条件，但其加权系数普适性差，实际应用效果不显著，难以推广；e、从不对称报文组中提取可能对称的报文，用于对时操作，但其提取对称报文准确性不稳定，风险较大，限制其应用于电力系统。基于以上的方法随着变电站扩建，保护装置数量增加，站间数十、乃至数百千米的专用通信网络存在较大拥堵的可能，且因队列延时造成了主从时钟报文延时与从主时钟报文延时不相等，严重影响PTP对时的精度，难以应用于对时间精度要求极高的电力系统广域采样同步场合，同时，对既有协议、设备、拓扑结构改造较大，工程实现难度较高，在这种情况下，对时精度下降可造成继电保护功能误动、拒动，造成保护不及时，甚至大范围停电等故障扩大情况，影响供电可靠性和社会经济发展。

发明内容

本发明目的在于，提供一种精确时钟同步协议对时方法及装置，有效降低了队列延时的干扰，提高精确时钟同步协议对时精度，以解决因队列延时造成的链路不对称的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种精确时钟同步协议对时方法，包括：

计算获取时钟链路延时，其中，所述时钟链路延时包括主从时钟链路延时或从主时钟链路延时；

根据所述时钟链路延时构造Hankel矩阵；

采用奇异值分解所述Hankel矩阵获取去噪链路延时；

根据所述去噪链路延时计算主时钟和从时钟的偏差，根据所述偏差修正从时钟时间。

优选地，所述计算获取时钟链路延时，其中，所述时钟链路延时包括主从时钟链路延时或从主时钟链路延时，包括：

所述时钟链路延时序列X表示如下：

X＝[x(1),x(2),…,x(k),…,x(N)]；

式中，k＝1,2,…,N，N为数据长度，x(N)为所述主从时钟链路延时t_ms或从主时钟链路延时t_sm，x(k)为历史链路形成的所述主从时钟链路延时t_ms或从主时钟链路延时t_sm。

优选地，所述根据所述时钟链路延时构造Hankel矩阵，包括：

根据所述时钟链路延时序列X，构造m×n阶Hankel矩阵，N＝m+n-1且m≤n，表示如下：

优选地，所述采用奇异值分解所述Hankel矩阵获取去噪链路延时，包括：

将原始信号分解为占比不同子信号的线性叠加，如下：

式中，σ_1,2,…,m为Hankel矩阵H的奇异值，且σ₁≥σ_m；

根据所述占比不同子信号的线性叠加获取的矩阵进行信号去噪，如下：

式中，p为大干扰因素下界，q为小干扰因素上界。

优选地，所述根据所述去噪链路延时计算主时钟和从时钟的偏差，根据所述偏差修正从时钟时间，包括：

根据所述去噪链路延时计算主时钟和从时钟的偏差，如下：

∑T_offset(n)/N＝(∑t_offset(n)/N+∑(t_ms(n)-t_sm(n))/N)/2；

∑(t_ms(n)-t_sm(n))/N/2＝(∑t_ms(n)/N-∑t_sm(n)/N)/2；

∑T_offset(n)/N＝∑t_offset(n)/N；

式中，T_offset为原始协议修正算法计算获取的偏差，其中T_offset＝t_offset+(t_ms-t_sm)/2t_offset为从时钟时间t_s和主时钟时间t_m的真实偏差，其中t_offset＝t_s-t_m，t_ms为主时钟发送报文到从时钟的链路延时，t_sm为从时钟发送报文到主时钟的链路延时。

本发明还提供一种精确时钟同步协议对时装置，包括：

获取模块，用于计算获取时钟链路延时，其中，所述时钟链路延时包括主从时钟链路延时或从主时钟链路延时；

构造模块，用于根据所述时钟链路延时构造Hankel矩阵；

分解模块，用于采用奇异值分解所述Hankel矩阵获取去噪链路延时；

修正模块，用于根据所述去噪链路延时计算主时钟和从时钟的偏差，根据所述偏差修正从时钟时间。

优选地，所述获取模块，还用于：

所述时钟链路延时序列X表示如下：

X＝[x(1),x(2),…,x(k),…,x(N)]；

式中，k＝1,2,…,N，N为数据长度，x(N)为所述主从时钟链路延时t_ms或从主时钟链路延时t_sm，x(k)为历史链路形成的所述主从时钟链路延时t_ms或从主时钟链路延时t_sm。

优选地，所述构造模块，还用于：

根据所述时钟链路延时序列X，构造m×n阶Hankel矩阵，N＝m+n-1且m≤n表示如下：

优选地，所述分解模块，还用于：

将原始信号分解为占比不同子信号的线性叠加，如下：

式中，σ_1,2,…,m为Hankel矩阵H的奇异值，且σ₁≥σ_m；

根据所述占比不同子信号的线性叠加获取的矩阵进行信号去噪，如下：

式中，p为大干扰因素下界，q为小干扰因素上界。

优选地，所述修正模块，还用于：

根据所述去噪链路延时计算主时钟和从时钟的偏差，如下：

∑T_offset(n)/N＝(∑t_offset(n)/N+∑(t_ms(n)-t_sm(n))/N)/2；

∑(t_ms(n)-t_sm(n))/N/2＝(∑t_ms(n)/N-∑t_sm(n)/N)/2；

∑T_offset(n)/N＝∑t_offset(n)/N；

式中，T_offset为原始协议修正算法计算获取的偏差，其中T_offset＝t_offset+(t_ms-t_sm)/2，t_offset为从时钟时间t_s和主时钟时间t_m的真实偏差，其中t_offset＝t_s-t_m，t_ms为主时钟发送报文到从时钟的链路延时，t_sm为从时钟发送报文到主时钟的链路延时。

本发明分别构造主从时钟链路延时和从主时钟链路延时的Hankel矩阵和奇异值分解获取去噪链路延时后，计算偏差以修正从时钟时间，有效降低正态分布队列延时的干扰，提高精确时钟同步协议对时精度和长期运行的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明某一实施例提供的精确时钟同步协议对时方法的流程示意图；

图2是本发明另一实施例提供的基于NS-3的PTP网络仿真拓扑结构示意图；

图3是本发明又一实施例提供的IEC 61588与本发明对时精度对比示意图；

图4是本发明某一实施例提供的IEC 61588与本发明对时精度对比局部放大示意图；

图5是本发明某一实施例提供的精确时钟同步协议对时装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。

应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

请参阅图1，本发明提供一种精确时钟同步协议对时方法，包括：

S101、计算获取时钟链路延时，其中，所述时钟链路延时包括主从时钟链路延时或从主时钟链路延时。

具体的，定义主时钟时间t_m和从时钟时间t_s，则从时钟时间与主时钟时间的真实偏差t_offset＝t_s-t_m，基于IEC 61588实施延时请求-响应机制，从时钟可得到时标t₁～t₄，计算主时钟发送报文到从时钟的链路延时t_ms＝t₂-t₁，从时钟发送报文到主时钟的链路延时t_sm＝t₄-t₃，原始协议修正算法计算得出的偏差T_offset＝(t₂-t₁-(t₄-t₃))/2＝t_offset+(t_ms-t_sm)/2。

时钟链路延时序列X表示如下：

X＝[x(1),x(2),…,x(k),…,x(N)]；

式中，k＝1,2,…,N，N为数据长度，x(N)为主从时钟链路延时t_ms或从主时钟链路延时t_sm，x(k)为历史链路形成的主从时钟链路延时t_ms或从主时钟链路延时t_sm。

S102、根据所述时钟链路延时构造Hankel矩阵。

具体的，突发报文干扰起始时刻不可避免地将引入干扰，因此，本发明分别构造主从时钟链路延时和从主时钟链路延时的Hankel矩阵，采用奇异值分解(Singular ValueDecomposition，SVD)的方法弱化异常报文的干扰。

根据步骤S101获取的时钟链路延时序列X，构造m×n阶Hankel矩阵，N＝m+n-1且m≤n，表示如下：

S103、采用奇异值分解所述Hankel矩阵获取去噪链路延时。

具体的，对步骤S102所构造的Hankel矩阵进行奇异值分解，将原始信号分解为占比不同子信号的线性叠加，如下：

式中，σ_1,2,…,m为Hankel矩阵H的奇异值，且σ₁≥σ_m。

根据占比不同子信号的线性叠加获取的矩阵进行信号去噪，如下：

式中，p为大干扰因素下界，q为小干扰因素上界，根据实际通信系统链路延时均值选择，去噪完成后重新计算当前链路延时。

S104、根据所述去噪链路延时计算主时钟和从时钟的偏差，根据所述偏差修正从时钟时间。

具体的，物理链路对称时，主从时钟链路延时t_ms和从主时钟链路延时t_sm在正常运行时应当服从均值相等、方差不等的正态分布，取累加求均值。

根据去噪链路延时计算主时钟和从时钟的偏差，如下：

∑T_offset(n)/N＝(∑t_offset(n)/N+∑(t_ms(n)-t_sm(n))/N)/2；

∑(t_ms(n)-t_sm(n))/N/2＝(∑t_ms(n)/N-∑t_sm(n)/N)/2；

∑T_offset(n)/N＝∑t_offset(n)/N；

式中，T_offset为原始协议修正算法计算获取的偏差，其中T_offset＝t_offset+(t_ms-t_sm)/2，t_offset为从时钟时间t_s和主时钟时间t_m的真实偏差，其中t_offset＝t_s-t_m，t_ms为主时钟发送报文到从时钟的链路延时，t_sm为从时钟发送报文到主时钟的链路延时，即长期观测时计算偏差均值等于实际偏差均值。

本发明通过分别构造主从时钟链路延时和从主时钟链路延时的Hankel矩阵和奇异值分解去除异常报文处理后，以统计均值修正从时钟时间取代原始IEC61588协议修正公式，可有效降低正态分布(主从时钟、从主时钟延时均值相等的环境均可)队列延时的干扰，可用于物理链路对称但存在不对称队列延时的电力系统广域继电保护设备时间同步(同样适用于链路完全对称工况)。

在一实施例中，基于NS-3对本发明进行仿真验证。

请参阅图2，主时钟子网192.168.0.0，子网掩码255.255.255.0，网络类型及参数分别为100Mbps CSMA/CD以太网，从时钟子网192.169.0.0，子网掩码255.255.255.0，网络类型及参数分别为100Mbps CSMA/CD以太网，路由器R1R2网段172.18.0.0，子网掩码255.255.0.0，网络类型及参数分别为1Gbps P2P以太网，仿真环境：正常带宽占用25.6％，突发占用40％，单向延时约3ms，仿真模拟主从时钟初始时间偏差1.8ms，为缩短仿真周期，每隔100ms进行一次对时报文交换，报文长度200KB，保护节点模拟SV常态报文，间隔250us，报文长度800KB，测控节点模拟突发报文(8s-9s)，间隔50us，报文长度256KB。

请参阅图3和图4，随着统计数据量增加，主从时钟偏差值越来越小，图中所示对时误差约为49us，相较于原始IEC61588修正方法，本发明优化效果明显，且由于突发报文干扰造成第70-80次对时之间原始IEC61588修正方法极大地偏离正确值，而本发明通过分别构造主从时钟链路延时和从主时钟链路延时的Hankel矩阵和奇异值分解(Singular ValueDecomposition，SVD)削弱异常报文处理，使得对时精度受到的影响较小，可靠性更高。

仿真8s-9s节点突发报文，根据100ms每次对时频率，其应该对应于第80-90次对时，但图中显示为第70-80次的原因是，仿真路由器和交换机中路由表均为空，需要部分时间建立相关内容，且突发大量报文也造成部分报文被交换机丢弃，因此，横坐标对应的有效对时次数与仿真突发报文时间节点出现了偏差。

本发明在主站与从站配置支持延时请求-响应机制的PTP时钟即可，主、从站之间的传输介质可以采用不支持PTP功能的交换机和路由器，利用既有符合IEC 61588规范的硬件装置，仅对软件进行修改，对协议改动较小，对配套物理设备无改动，进一步降低成本，兼容性优良，推广价值较高，除此之外，本发明具有自优化能力，随着运行时间增加，对时精度越来越高，长期运行稳定性好。

请参阅图5，本发明提供一种精确时钟同步协议对时装置，包括：

获取模块11，用于计算获取时钟链路延时，其中，所述时钟链路延时包括主从时钟链路延时或从主时钟链路延时；

构造模块12，用于根据所述时钟链路延时构造Hankel矩阵；

分解模块13，用于采用奇异值分解所述Hankel矩阵获取去噪链路延时；

修正模块14，用于根据所述去噪链路延时计算主时钟和从时钟的偏差，根据所述偏差修正从时钟时间。

关于精确时钟同步协议对时装置的具体限定可以参见上文中对于的限定，在此不再赘述。上述精确时钟同步协议对时装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

以上所述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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种精确时钟同步协议对时方法，其特征在于，包括：

计算获取时钟链路延时，其中，所述时钟链路延时包括主从时钟链路延时或从主时钟链路延时；

根据所述时钟链路延时构造Hankel矩阵；

采用奇异值分解所述Hankel矩阵获取去噪链路延时；

根据所述去噪链路延时计算主时钟和从时钟的偏差，根据所述偏差修正从时钟时间。

2.根据权利要求1所述的精确时钟同步协议对时方法，其特征在于，所述计算获取时钟链路延时，其中，所述时钟链路延时包括主从时钟链路延时或从主时钟链路延时，包括：

所述时钟链路延时序列X表示如下：

X＝[x(1),x(2),…,x(k),…,x(N)]；

式中，k＝1,2,…,N，N为数据长度，x(N)为所述主从时钟链路延时t_ms或从主时钟链路延时t_sm，x(k)为历史链路形成的所述主从时钟链路延时t_ms或从主时钟链路延时t_sm。

3.根据权利要求2所述的精确时钟同步协议对时方法，其特征在于，所述根据所述时钟链路延时构造Hankel矩阵，包括：

根据所述时钟链路延时序列X，构造m×n阶Hankel矩阵，N＝m+n-1且m≤n，表示如下：

4.根据权利要求3所述的精确时钟同步协议对时方法，其特征在于，所述采用奇异值分解所述Hankel矩阵获取去噪链路延时，包括：

将原始信号分解为占比不同子信号的线性叠加，如下：

式中，σ_1,2,…,m为Hankel矩阵H的奇异值，且σ₁≥σ_m；

根据所述占比不同子信号的线性叠加获取的矩阵进行信号去噪，如下：

式中，p为大干扰因素下界，q为小干扰因素上界。

5.根据权利要求4所述的精确时钟同步协议对时方法，其特征在于，所述根据所述去噪链路延时计算主时钟和从时钟的偏差，根据所述偏差修正从时钟时间，包括：

根据所述去噪链路延时计算主时钟和从时钟的偏差，如下：

∑T_offset(n)/N＝(∑t_offset(n)/N+∑(t_ms(n)-t_sm(n))/N)/2；

∑(t_ms(n)-t_sm(n))/N/2＝(∑t_ms(n)/N-∑t_sm(n)/N)/2；

∑T_offset(n)/N＝∑t_offset(n)/N；

式中，T_offset为原始协议修正算法计算获取的偏差，其中T_offset＝t_offset+(t_ms-t_sm)/2，t_offset为从时钟时间t_s和主时钟时间t_m的真实偏差，其中t_offset＝t_s-t_m，t_ms为主时钟发送报文到从时钟的链路延时，t_sm为从时钟发送报文到主时钟的链路延时。

6.一种精确时钟同步协议对时装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于计算获取时钟链路延时，其中，所述时钟链路延时包括主从时钟链路延时或从主时钟链路延时；

构造模块，用于根据所述时钟链路延时构造Hankel矩阵；

分解模块，用于采用奇异值分解所述Hankel矩阵获取去噪链路延时；

修正模块，用于根据所述去噪链路延时计算主时钟和从时钟的偏差，根据所述偏差修正从时钟时间。

7.根据权利要求6所述的精确时钟同步协议对时装置，其特征在于，所述获取模块，还用于：

所述时钟链路延时序列X表示如下：

X＝[x(1),x(2),…,x(k),…,x(N)]；

式中，k＝1,2,…,N，N为数据长度，x(N)为所述主从时钟链路延时t_ms或从主时钟链路延时t_sm，x(k)为历史链路形成的所述主从时钟链路延时t_ms或从主时钟链路延时t_sm。

8.根据权利要求7所述的精确时钟同步协议对时装置，其特征在于，所述构造模块，还用于：

根据所述时钟链路延时序列X，构造m×n阶Hankel矩阵，N＝m+n-1且m≤n，表示如下：

9.根据权利要求8所述的精确时钟同步协议对时装置，其特征在于，所述分解模块，还用于：

将原始信号分解为占比不同子信号的线性叠加，如下：

式中，σ_1,2,…,m为Hankel矩阵H的奇异值，且σ₁≥σ_m；

根据所述占比不同子信号的线性叠加获取的矩阵进行信号去噪，如下：

式中，p为大干扰因素下界，q为小干扰因素上界。

10.根据权利要求9所述的精确时钟同步协议对时装置，其特征在于，所述修正模块，还用于：

根据所述去噪链路延时计算主时钟和从时钟的偏差，如下：

∑T_offset(n)/N＝(∑t_offset(n)/N+∑(t_ms(n)-t_sm(n))/N)/2；

∑(t_ms(n)-t_sm(n))/N/2＝(∑t_ms(n)/N-∑t_sm(n)/N)/2；

∑T_offset(n)/N＝∑t_offset(n)/N；

式中，T_offset为原始协议修正算法计算获取的偏差，其中T_offset＝t_offset+(t_ms-t_sm)/2，t_offset为从时钟时间t_s和主时钟时间t_m的真实偏差，其中t_offset＝t_s-t_m，t_ms为主时钟发送报文到从时钟的链路延时，t_sm为从时钟发送报文到主时钟的链路延时。

Images