CN114594669A - 一种暂态录波型故障指示器的精确同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种暂态录波型故障指示器的精确同步方法，通过故障指示器采集单元收到故障指示器汇集单元的对时，计算对时周期内本地时钟和对时时钟节拍，并进行比较，进行超前或滞后补偿，若节拍数一致，则说明节拍匹配误差已减小到最小。再进行对时，若再次出现对时周期内本地时钟和对时时钟节拍数不一致的情况，算出晶振偏移误差，进行补偿，通过校准节拍匹配误差和晶振偏移误差，将同步误差缩小到一个时钟周期以内。本发明简单可靠，占用资源少，自适应能力强，实现暂态录波型故障指示器的精确同步，增加故障波形研判准确性，提高提高电网供电稳定性，对维护可靠的用电环境具有重要意义。

Description

一种暂态录波型故障指示器的精确同步方法

技术领域

本发明涉及中压配电网技术，尤其涉及一种暂态录波型故障指示器的精确同步方法。

背景技术

暂态录波型故障指示器是典型的要求低功耗、高精度的一主多从的嵌入式设备，主机为故障指示器汇集单元，从机为故障指示器采集单元，一般为一只故障指示器汇集单元带三只故障指示器采集单元。故障指示器采集单元采集线路电流电场，当线路发生异常，故障指示器采集单元触发录波，将实时采到的数据传输给故障指示器汇集单元，故障指示器汇集单元再将波形通过4G上传给主站研判。故障指示器汇集单元对故障指示器采集单元进行校时，使各故障指示器采集单元实现采样点位置的同步，确保在任一时刻，三相采样的电流和电场数据是同步的，上传波形是同一时间的。

此类嵌入式设备的时钟使用不同的晶振会有不同的精度，但是对于晶振来说，它们都会随着时间或温度发生偏移，对于要求精确同步的设备来说这种会放大的误差时钟误差是不允许的，因此需要进行时钟同步来减小这种误差。

根据规定，暂态录波型故障指示器的精度要在100us，目前普遍的时钟同步的做法为缩短同步校时周期，每秒校时或几十毫秒校时一次，大大增大无线传输功耗，有的还另辟蹊径使用GPS校时，这都是无法满足超低功耗下的精确同步。

因此，需要一种精确的同步方法，能够简单可靠，占用资源少，功耗要求低，自适应能力强以支持故障研判的需求。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种暂态录波型故障指示器的精确同步方法，依托暂态录波型故障指示器设备，充分利用设备芯片内部资源，校准低频晶振运行频率，减少校时周期，在有限的资源下将故障指示器汇集单元与故障指示器采集单元精确同步在故障指示器采集单元的最小时钟周期以内，简单可靠，占用资源少，功耗要求低，自适应能力强。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种暂态录波型故障指示器的精确同步方法，包括以下步骤：

步骤1：根据暂态录波型故障指示器一主多从模式，多只故障指示器采集单元通过小无线的方式接收故障指示器汇集单元实时对时通讯；

步骤2：故障指示器采集单元再次收到对时后，得到此对时周期内本地时钟与对时时钟节拍，并判断本地时钟和对时时钟超前和滞后关系，若本地时钟比对时时钟运行节拍快，则为超前，进入步骤3，否则为滞后，进入步骤4，此为节拍匹配误差，若无偏差则直接进入步骤5；

步骤3：当本地时钟比对时时钟运行节拍快，则需要超前补偿算法，调节故障指示器采集单元内部晶振震荡频率，增加节拍周期，降低本地时钟节拍频率，使其和对时时钟保持一致；

步骤4：当本地时钟比对时时钟运行节拍慢，则需要滞后补偿算法，调节故障指示器采集单元内部晶振震荡频率，减慢节拍周期，增加本地时钟节拍频率，使其和对时时钟保持一致；

步骤5：当本地时钟和对时时钟运行节拍一致，故障指示器采集单元再次收到对时后判断本地时钟和对时时钟节拍，若不相等则说明故障指示器采集单元在未对时期间守时精度不够，运行在自己的时钟频率下出现了晶振偏移误差，根据此对时周期内本地时钟和对时时钟节拍数，算出守时误差，并进行补偿。若相等则表示将同步误差缩小到一个时钟周期以内，完成暂态录波型故障指示器的精确同步。

进一步的，当本地时钟和对时时钟运行节拍一致的情况下，故障指示器采集单元收到对时后，得到故障指示器采集单元本地时钟和对时时钟的运行偏差，将偏差补偿到故障指示器采集单元本地时钟节拍计数中，达到本地时钟和对时时钟节拍一致的目的，将时钟偏移固定在一个时钟周期内。

本发明的有益技术效果：使用一种简单可靠，占用资源少，自适应能力强的校时方法，满足在低功耗下精确同步多相采集单元，实现精确波形同步，增加故障波形研判准确性，提高提高电网供电稳定性，对维护可靠的用电环境具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明暂态录波型故障指示器的精确同步方法的流程图。

图2为本发明为t秒时故障指示器汇集单元和故障指示器采集单元的时钟偏移。

图3为本发明为理想状态下故障指示器汇集单元和故障指示器采集单元的校时模式。

图4为本发明为滞后时故障指示器汇集单元和故障指示器采集单元的校时误差。

图5为本发明为超前时故障指示器汇集单元和故障指示器采集单元的校时误差。

附图标号：Cn(t-1)为故障指示器汇集单元t-1时刻，Cn(t)为故障指示器汇集单元t时刻，An(t-1)为故障指示器采集单元t-1时刻，An(t)为故障指示器采集单元t时刻，A为故障指示器采集单元A相,B为故障指示器采集单元B相，C为故障指示器采集单元C相，T为校时周期，cnt为校时时故障指示器采集单元时钟计数时刻，X为故障指示器汇集单元每个对时周期时钟计数总次数，Y为故障指示器采集单元每个对时周期时钟计数偏差数。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。

假设故障指示器采集单元和故障指示器汇集单元采用低频32768Hz晶振，则可校准精度为(1/32768)us，约等于30.5us，将时钟偏移固定在一个时钟周期内，也就是同步精度目标在30.5us以内。

如图1所示，一种暂态录波型故障指示器的精确同步方法具体包含以下步骤：

步骤1：根据暂态录波型故障指示器一主多从模式，多只故障指示器采集单元通过小无线的方式接收故障指示器汇集单元实时对时通讯；

步骤2：故障指示器采集单元再次收到对时后，得到此对时周期内本地时钟与对时时钟节拍，并判断本地时钟和对时时钟超前和滞后关系，若本地时钟比对时时钟运行节拍快，则为超前，进入步骤3，否则为滞后，进入步骤4，此为节拍匹配误差，若无偏差则直接进入步骤5；

步骤3：当本地时钟比对时时钟运行节拍快，则需要超前补偿算法，调节故障指示器采集单元内部晶振震荡频率，增加节拍周期，降低本地时钟节拍频率，使其和对时时钟保持一致；

步骤4：当本地时钟比对时时钟运行节拍慢，则需要滞后补偿算法，调节故障指示器采集单元内部晶振震荡频率，减慢节拍周期，增加本地时钟节拍频率，使其和对时时钟保持一致；

步骤5：当本地时钟和对时时钟运行节拍一致，故障指示器采集单元再次收到对时后判断本地时钟和对时时钟节拍，若不相等则说明故障指示器采集单元在未对时期间守时精度不够，运行在自己的时钟频率下出现了晶振偏移误差，根据此对时周期内本地时钟和对时时钟节拍数，算出守时误差，并进行补偿。若相等则表示将同步误差缩小到一个时钟周期以内，完成暂态录波型故障指示器的精确同步。

如图2所示，一般情况下，晶振的一致性不好，设校时周期为T秒。以故障指示器汇集单元为参考标准，故障指示器汇集单元时钟计数为Cn，故障指示器釆集单元的时钟计数为An。所以可以得到第t个周期Cn＝(Cn(t)-Cn(t-1))＝32768*T，An等于(An(t)-An(t-1))，时钟会发生(An-Cn)的偏移。若(An-Cn)大于0，则为超前，需要超前补偿，否则需要滞后补偿，通过补偿这种偏移可以减小节拍匹配误差。

设备芯片一般情况下均支持低频晶振校准，可通过调节内部负载电容微调时钟频率，例如EFM32系列芯片可通过调节低频晶振内部负载电容，调节晶振频率，每次通过加减1的方式去设置调节值，每次的步长为0.25Pf，以下步骤以调节EFM32系列芯片为例。

步骤1：如图3，故障指示器汇集单元在同一时间给三个故障指示器釆集单元A\B\C同时校时，假设故障指示器汇集单元校时周期为整数秒Ts，Ts内故障指示器汇集单元时钟计数为Cn＝32768*T，为理解方便，设故障指示器采集单元的时钟计数器cnt为增计数器，每次从0增到32767后回到0，系统时间增加1秒，理想状态下，每次收到整秒校时cnt都会在同一个值，即An＝32768*T；

步骤2：实际应用中，晶振是不稳定的，故障指示器汇集单元在同一时间给三个故障指示器釆集单元A\B\C同时校时，但是故障指示器采集单元由于晶振差异，和故障指示器汇集单元时钟计数无法完全一样，为了和故障指示器汇集单元系统时钟一致，所以将故障指示器采集单元每次收到对时的时刻设置为cnt，保证秒对时的情况下，故障指示器采集单元和故障指示器汇集单元系统时间一致。

如图4所示，当故障指示器采集单元收到校时时，An小于32768*T，每次校时只要计数小于cnt，就将故障指示器采集单元对时的时刻设置为cnt，此时晶振偏移误差为Y＝(Cn-An)。在Ts内故障指示器釆集单元时钟计数为X-Y，则n次对时只会产生Y误差，每次将对时的时刻设置为同一个数无法消除该误差，所以Y误差需要超前补偿。

如图5所示，当故障指示器采集单元收到校时时，An大于32768*T，每次校时只要计数大于cnt，就将故障指示器采集单元对时的时刻设置为cnt，此时晶振偏移误差为Y＝(An-Cn)。在Ts内故障指示器釆集单元时钟计数为X+Y，则n次对时只会产生nY误差，每次将对时的时刻设置为同一个数无法消除该误差，只有(n+1)*Y>30.5us(一个时钟周期)会被消除，所以取其极限，假设当n＝0，y＝30.5us时，(n+1)*y＝30.5us误差不会消除，下一次校时误差已经累积到61us，也就是说，用此方法误差理论上会在61us以内。但是此情况下若晶振频率偏差过大，导致Y一开始大于30.5us，无论是几次校正，每次矫正之前误差都是Y，无法有效的减少误差。所以Y误差需要滞后补偿。

给定故障指示器釆集单元一个较小的晶振补偿初始值TUNING，若判断一个校时周期后，偏差(An-Cn)大于1，说明故障指示器釆集单元的时钟频率小，周期大，让TUNING值加一，进行滞后补偿，等下一个校时周期继续判断，(An-Cn)还大于1，则加一直到加到偏差(An-Cn)小于等于1，使TUNING减一，保证三个故障指示器釆集单元时钟频率都小于故障指示器汇集单元，且偏移同向，此时取消补偿可使精度达到最高。若判断一个校时周期后，偏差(An-Cn)小于1，说明从机的时钟频率大，周期小，TUNING值减一，继续判断，直到减到偏差(An-Cn)大于等于1，使TUNING加一，保证三个从机时钟频率都大于主机，且偏移同向，此时取消补偿可使精度达到最高；

步骤3：由于无法保证同一个补偿值适用所有的晶振，且补偿的是晶振的频率，当校时周期过长，且守时精度不够还是会出现比较大的偏差，于是此时需要偏移算法来矫正在校时之前出现的误差，弥补补偿算法的不足。

如图2所示，设校时周期为t秒。以故障指示器汇集单元为参考标准，故障指示器汇集单元时钟计数为Cn，故障指示器釆集单元的时钟计数为An。：

Cn＝(Cn(t)-Cn(t-1))

An＝(An(t)-An(t-1))

可以得到t周期后故障指示器釆集单元的时钟计数与故障指示器汇集单元的时钟计数的偏差为：

Delta＝An-Cn

故障指示器釆集单元的时钟计数每个时钟周期的偏差为：

Toffsetperc＝Delta/A

故障指示器釆集单元的时钟计数m个时钟周期的时钟偏移量为：

Toffset＝(Toffsetperc*m)

当Toffset大于等于1时，说明时钟偏差已经超过一个时钟周期，需要进行补偿，此时，故障指示器釆集单元对本地时钟进行补偿，通过此方法可以把时钟偏移固定在一个时钟周期内。

综上所述，本发明是一种暂态录波型故障指示器的精确同步方法，发明中精确同步方法依托暂态录波型故障指示器设备，通过超前补偿算法可以把晶振频偏补偿在一个很小的范围里，将时钟频率对齐，增加晶振匹配精度，而偏移算法可以将误差限制在一个时钟周期内，两者互补使用，提高算法的容错性，将同步误差精确缩小到一个时钟周期以内，可以满足在有限的时间完成精确的同步任务。此方法简单可靠，占用资源少，自适应能力强。对于实时性和功耗要求极为苛刻的应用环境，此方法无疑是最好的选择。

上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。

Claims (2)

1.一种暂态录波型故障指示器的精确同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据暂态录波型故障指示器一主多从模式，多只故障指示器采集单元通过小无线的方式接收故障指示器汇集单元实时对时通讯；

步骤2：故障指示器采集单元再次收到对时后，得到此对时周期内本地时钟与对时时钟节拍，并判断本地时钟和对时时钟超前和滞后关系，若本地时钟比对时时钟运行节拍快，则为超前，进入步骤3，否则为滞后，进入步骤4，此为节拍匹配误差，若无偏差则直接进入步骤5；

步骤3：当本地时钟比对时时钟运行节拍快，则需要超前补偿算法，调节故障指示器采集单元内部晶振震荡频率，增加节拍周期，降低本地时钟节拍频率，使其和对时时钟保持一致；

步骤4：当本地时钟比对时时钟运行节拍慢，则需要滞后补偿算法，调节故障指示器采集单元内部晶振震荡频率，减慢节拍周期，增加本地时钟节拍频率，使其和对时时钟保持一致；

步骤5：当本地时钟和对时时钟运行节拍一致，故障指示器采集单元再次收到对时后判断本地时钟和对时时钟节拍，若不相等则说明故障指示器采集单元在未对时期间守时精度不够，运行在自己的时钟频率下出现了晶振偏移误差，根据此对时周期内本地时钟和对时时钟节拍数，算出守时误差，并进行补偿。若相等则表示将同步误差缩小到一个时钟周期以内，完成暂态录波型故障指示器的精确同步。

2.根据权利要求1所述的一种暂态录波型故障指示器的精确同步方法，其特征在于，所述本地时钟和对时时钟运行节拍一致的情况下，故障指示器采集单元收到对时后，得到故障指示器采集单元本地时钟和对时时钟的运行偏差，将偏差补偿到故障指示器采集单元本地时钟节拍计数中，达到本地时钟和对时时钟节拍一致的目的，将时钟偏移固定在一个时钟周期内。

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