CN114726471A - 基于hplc的配电场域网时钟精准同步方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于HPLC的配电场域网时钟精准同步方法及装置，该方法包括：S1.主站通过远程通信网对场域网中的中心节点进行实时校时；S2.以中心节点的时钟作为场域网的主时钟，对场域网内各节点时钟的时间和频率进行监测，获取各节点时钟的时间偏差和频率偏差；计算各节点所需调整的时钟频率值，并对各节点的时钟频率进行校准；S3.根据目标时钟频率与当前时钟频率的偏差，对当前温度段的温度补偿系数进行重新标定，调整各节点的时钟频率，以实现各节点时钟频率偏移的校准。本发明具有实现方法简单、能够逐级时钟逐步精准同步，且可避免校时过程中出现时间空档或时间重复现象等优点。
Description
技术领域
本发明涉及配电场域网技术领域，尤其涉及一种基于HPLC(High-speed PowerLine Broadband Carrier，高速电力线宽带载波通信)的配电场域网时钟精准同步方法及装置。
背景技术
配电场域网主要是解决智能电网客户侧,泛在电力物联网建设中最后一公里的通信技术问题，其业务已从单一的用电信息采集，向有序充电、分布式储能、高频数据采集、综合能源计量等业务场景的扩展，业务处理的实时性和精益化要求高，网内各节点高精度的时钟同步是实现上述要求的重要技术支撑。
目前常用的网络授时方式主要采用时间同步精度在皮秒量级的NTP网络协议，和同步精度为纳秒级的PTP网络协议，但是这两种方式均需在网络设备上运行相应协议，对设备性能和网络通信质量要求高，而对于配电场域网，应用通常面对高度城市化、高密度，特别是高层混凝土建筑以及地下室等复杂恶劣场景，其网络设备性能和网内通信质量均不能满足上述条件。若网内设备采用GPS或北斗时钟同步方式，其信号因受建筑物遮挡，会发生对时不可靠或对时失败等问题，同时由于网内设备数量巨大，其使用成本也会增加。
同时对于配电场域网内的核心设备电能表，目前主要采用带温度补偿的实时时钟主控制器，在出厂前进行多温度点测试校准，但随着实时时钟晶体的年老化率和备用电池的有限寿命，长期使用后,就较难满足当前关于时钟准确度的要求而造成时钟超差，给采集与运维带来极大压力，同时也给网络的数据采集率、电费自动抄核率、台区同期线损等指标的核算造成了较大影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方法简单、能够逐级实现时钟逐步精准同步，同时可避免校时过程中出现时间空档或时间重复现象的基于HPLC的配电场域网时钟精准同步方法及装置。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种基于HPLC的配电场域网时钟精准同步方法，步骤包括：
S1.主站通过远程通信网对场域网中的中心节点进行实时校时，所述中心节点为当前基于HPLC通信的配电场域网中整个网络的网关并负责整个网络的组网与时钟管理；
S2.以所述中心节点的时钟作为场域网的主时钟，对场域网内各节点时钟的时间和频率进行监测，获取各节点时钟的时间偏差和频率偏差；根据所述时钟偏差和频率偏差计算各节点所需调整的时钟频率值，并对各节点的时钟频率进行校准；
S3.根据目标时钟频率与当前时钟频率的偏差，对当前温度段的温度补偿系数进行重新标定，基于重新标定后的温度补偿系数采用温度补偿方式调整各节点的时钟频率，以实现各节点时钟频率偏移的校准。
进一步的，所述步骤S1中，通过对所述中心节点的时钟进行监测，生成校时清单，根据所述校时清单以及所述中心节点的类型对所述中心节点进行实时校时，其中若所述中心节点为面向对象协议的集中器，则由所述中心节点定时向主站上报心跳帧，主站通过对心跳帧进行解析获取所述中心节点的时钟，并根据所述中心节点与主站时钟之间的偏差判断是否存在时钟超差；
若所述中心节点发生复电事件时，通过所述中心节点上报报复电事件，主站通过对复电事件进行解析获取所述中心节点的信息，并通过是否能成功召测所述中心节点的时钟，判断所述中心节点时钟是否存在时钟超差；如果判断为时钟超差则将所述中心节点加入所述校时清单。
进一步的，所述步骤S2中，对场域网内各节点时钟的时间进行监测包括：
S201.广播校时：在一个校时周期开始时，由所述中心节点通过HPLC广播信道向全网所有节点进行广播校时，记录广播校时报文的发出时间，广播的报文中携带有报文发送时间；所述中心节点比较广播校时报文的发送时间与接收到各节点的应答报文的时间，以判断各节点的通信延迟，如果判断到延迟大于预设阈值或者所述应答报文中所携带的时钟偏差大于预设阈值，则将对应节点添加到校时节点列表；
S202.精准校时监测：所述中心节点对所述校时节点列表中的各节点依次进行校时监测，各节点获得以所述中心节点时钟时间为基准的时间偏差。
进一步的，所述步骤S202的步骤包括:
S201.所述中心节点从所述校时节点列表中依次选取一个节点作为当前节点，通过查询路由表获取所述中心节点到当前节点的最优路由；
S202.所述中心节点按预设周期向当前节点发送时钟校准指示报文并记录发送该报文的发送时间Ta；
S203.所述中心节点继续发送时钟校准跟随报文，所述时钟校准跟随报文中携带有时钟校准指示报文的发送时间Ta；
S204.当所述中心节点接收到当前节点发送的时钟同步请求报文时，记录接收时刻Td，并把Td放入时钟请求回复报文中发送给当前节点，根据当前节点接收到所述时钟校准指示报文的时间Tb、中心节点发送时钟校准指示报文的时间Ta、中心节点发送时钟同步请求报文的时间Tc以及当前节点收到所述时钟同步请求报文Td的时间，得到当前节点与中心节点的时钟偏差TOFF以及链路的延时TD；
S205.按照预设的同步周期重复执行步骤S201～S204，得到各节点与中心节点时钟的时间偏差TOFF。
进一步的，所述步骤S2中，对场域网节点时钟频率监测的步骤包括：
S211.中心节点定期发送中央信标，在中央信标中嵌入一个信标时间戳，即中央信标发送的NTB值，并实时发送给网络中的各个节点；
S212.在每个信标周期，控制场域网各节点将接收到的所述NTB值与本地NTB值比较计算偏差值，得到信标周期内的实时时钟频率的偏差。
进一步的，所述步骤S2中，对各节点的时钟频率进行校准的步骤包括：
S221.根据获取的节点时钟频率偏差率以及当前的实时时钟频率RTC_CLK，计算出实时时钟的目标准确频率fa；
S222.设置一个定时器，其中定时器时长为TS，初始化定时器重启次数i＝1；
S223.计算第i步需要修正的时钟时间Ti，计算公式为：
其中，TOFF为节点时钟时间偏差，Vi为第i次的调整步进权重，S为调整步数；
S224.根据所述实时时钟的目标准确频率fa、修改的时间Ti、每步修正时长TS，计算出当前步需要设置的实时时钟频率fi，计算公式为：
fi＝[(Ti*fa)/TS]+fa
S225.设置节点的实时时钟的频率为fi，并等待定时器溢出中断，置i＝i+1，若i≤S,重启定时器，并转步骤S223，否则校时过程结束。
进一步的，所述步骤S3中，按照下式对当前温度段的温度补偿系数进行重新标定：
Ki-new＝Ki-old-[(10000/ferr-old)*ferr-new]*0.065536
其中，ferr-new为当前温度下测定的目前时钟频率偏差，Ki-old为当前温度下原标定的温补系数，ferr-old为原有频率偏差，Ki-new为当前温度下重新标定的温补系数。
进一步的，所述步骤S3中，基于重新标定后的温度补偿系数采用温度补偿方式调整各节点的时钟频率的步骤包括：
S301.计算实时温度T；
S302.确定温补系数：将计算的实时温度值T与预设的区段温度界值进行比较，确定各温补区间i以及与各温补区间i相对应的温补系数Ki；
S303.计算秒脉冲误差：根据温补系数Ki和计算的实时温度值T，计算当前秒脉冲频率偏差率fΔ；
S304.根据所述秒脉冲频率偏差率fΔ分别计算频率校正值RTCc与频分系数RTCd；
S305.按照所述频率校正值RTCc与频分系数RTCd设置时钟校准寄存器，返回步骤S301以重新进行时钟频率自动温补，直至完成自动温补控制。
进一步的，所述步骤S302中按照下式计算出实时温度T：
T＝P0*(X*X)+P1*X+P2
其中，X为温度采样值，P0～P2为依据该温度采集数模转换特征测量出的校正参数
所述步骤S303中，按照下式计算当前秒脉冲频率偏差率fΔ：
fΔ＝Ki(T-Ti)2+P4
其中，Ti为第i段温标曲线的中心温度，P4为在常温下时钟频率的偏差值；
所述步骤S304中，按照下式计算频率校正值RTCc与频分系数RTCd：
RTCc＝fΔ*P5，RTCd＝PCLK/2-fΔ*P6
其中，P5为频偏为1ppm时RTCc的值，PCLK为32.768KHz信号，P6＝PCLK*2.048*10-4。
一种计算机装置，包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述计算机程序，所述处理器用于执行所述计算机程序以执行如上述方法。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明基于HPLC通信低时延性和灵活的广播校时机制，通过首先由通信主站通过远程通信网对场域网中心节点进行实时校时，使其成为场域网的主时钟；然后对场域网内各节点时钟的时间和频率进行精准监测，获取各节点时钟的时间偏差和基准频率，再通过重新标定节点时钟温补系数方式，调整节点时钟频率，使节点时钟时间在一个校时周期内逐步达到同步，实现时钟逐级的逐步精准同步，不仅可以有效提高场域网时钟同步精度，节点时钟时间和频率在一个校时周期内即可逐步逼近准确值，还可以避免在校时过程中出现时间空档或时间重复的现象。
附图说明
图1是本实施例基于HPLC的配电场域网时钟精准同步方法的实现流程示意图。
图2是本实施例基于HPLC通信的配电场域网的拓扑结构示意图。
图3是在具体应用实施例中通信主站对中心节点时钟校时策略的实现流程图。
图4是本实施例中场域网校时的过程示意图。
图5是本实施例中场域网时钟监测的流程原理示意图。
图6是本实施例中节点时钟频率检测过程的原理示意图。
图7是本实施例中节点时钟精确同步策略的原理示意图。
图8是本实施例中实时时钟校准流程示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例基于HPLC的配电场域网时钟精准同步方法的步骤包括：
S1.主站通过远程通信网对场域网中的中心节点进行实时校时，中心节点为当前基于HPLC通信的配电场域网中整个网络的网关并负责整个网络的组网与时钟管理；
S2.以中心节点的时钟作为场域网的主时钟，对场域网内各节点时钟的时间和频率进行监测，获取各节点时钟的时间偏差和频率偏差；根据时钟偏差和频率偏差计算各节点所需调整的时钟频率值，并对各节点的时钟频率进行校准；
S3.根据目标时钟频率与当前时钟频率的偏差，对当前温度段的温度补偿系数进行重新标定，基于重新标定后的温度补偿系数采用温度补偿方式调整各节点的时钟频率，以实现各节点时钟频率偏移的校准。
HPLC利用普及和覆盖范围非常广阔的电力线作为通信介质，采用先进的多载波正交频分复用技术，可提供数百Kbps至数Mbps数据传输率，相对于窄带电力线通信，其通信可靠性和稳定性显著提高，是配电场域网一种新的组网通信手段。本实施例基于HPLC通信低时延性和灵活的广播校时机制，通过首先由通信主站通过远程通信网对场域网中心节点进行实时校时，使其成为场域网的主时钟；然后对场域网内各节点时钟的时间和频率进行精准监测，获取各节点时钟的时间偏差和基准频率，再通过重新标定节点时钟温补系数方式，调整节点时钟频率，使节点时钟时间在一个校时周期内逐步达到同步，实现时钟逐级的逐步精准同步，不仅可以有效提高场域网时钟同步精度，节点时钟时间和频率在一个校时周期内即可逐步逼近准确值，还可以避免在校时过程中出现时间空档或时间重复的现象。
本实施例中配电场域网基于HPLC实现网内各节点之间的通信，网内中心节点作为整个网络的网关，负责整个网络的组网与时钟管理，中心节点具体实体为集中器，各节点对应实体为智能电能表或采集器，各节点与中心节点进行数据交换和实现时钟精准同步。基于HPLC通信的配电场域网的拓扑结构如图2所示，在场域网中集中器所安装的通信模块作为中心节点，是整个网络的网关，负责整个网络的组网与时钟管理，通过中继节点形成树状网络。具体可通过光纤、4G移动通信网络、以太网等远程通信网与配电系统管理中心的通信主站进行数据交换，并通过HPLC通信方式与网络中各节点进行数据交换。T1与T2节点为HPLC通信的中继节点，拥有三相线通信能力和数据中继转发功能；节点A1 … A6节点具有A相线HPLC通信能力，B1 … B5节点具有B相线HPLC通信能力，C1 … C5节点具有C相线HPLC通信能力；各节点所对应的实体为安装有HPLC通信模块的电能表或采集器。
本实施例在场域网中时钟同步采用逐级校准方式，通信主站服务器性能配置高，并安装NTP对时网络协议，主时钟采用标准时钟源和标准时钟源双备份制，校时精度可达皮秒级；主站服务器通过光纤、4G移动通信网络、以太网等远程通信网实时对场域网中心节点进行校时，中心节点通过HPLC通信网络向配电场域网内的各节点进行校时。具体通信方式可依据中心节点(集中器)选配的通信方式确定。
本实施例步骤S1中，具体通过对中心节点的时钟进行监测，生成校时清单，根据校时清单以及中心节点的类型对中心节点进行实时校时，对校时失败超过预设阈值的中心节点进行异常记录。如图3所示，本实施例具体针对不同类型和情况下的集中器，采用不同的时钟监测策略，分别为：
1、面向对象协议的集中器时钟监测
若中心节点为面向对象协议的集中器，则由中心节点定时向主站上报心跳帧，主站通过对心跳帧进行解析获取中心节点的时钟，并根据中心节点与主站时钟之间的偏差判断是否存在时钟超差，如果判断为时钟超差则将中心节点加入校时清单。面向对象协议的集中器时钟监测的具体步骤为：
(1)集中器定时向主站上报心跳帧，主站对心跳帧进行解析，获取集中器时钟等相关信息；
(2)判断该集中器是否超过本次监测周期所设定的最大监测次数阈值，若是则执行(6)，若否，则执行(3)；
(3)判断集中器与主站时钟的偏差是否超过预设阈值，若是则执行(4)，若否则结束此次监测；
(4)判断集中器是否已加入校时清单，若是结束此次监测，若否则执行(5)；
(5)将时钟超差的集中器加入校时清单，每个校时周期内只生成一份校时清单；
(6)记录集中器心跳时钟监测结果，并更新“集中器时钟冻结明细表”。
2、集中器复电后时钟监测
若中心节点发生复电事件时，通过中心节点上报报复电事件，主站通过对复电事件进行解析获取中心节点的信息，并通过是否能成功召测中心节点的时钟，判断中心节点时钟是否存在时钟超差，如果判断为时钟超差则将中心节点加入校时清单。集中器复电后时钟监测的具体步骤为：
(1)集中器若上报复电事件，主站对复电事件进行解析，获取集中器相关信息；
(2)主站召测该集中器时钟，并判断该集中器是否被召测成功，若是则执行(4)，若否则执行(3)；
(3)判断召测连续失败的次数是否超过预设阈值，若是则执行(6)，若否则执行(2)；
(4)判断集中端时钟是否超差，若是则执行(5)，若否则执行(6)；
(5)将超差的该集中器加入校时清单；
(6)记录复电集中器时钟监测结果，并更新“集中器时钟冻结明细表”。
3、对集中器时钟进行巡测
本实施例对中心节点的时钟进行监测时，还包括对中心节点进行巡测步骤，巡测时由主站召测中心节点，根据是否能成功召测所述中心节点的时钟，判断中心节点时钟是否存在时钟超差，如果判断为时钟超差则将中心节点加入校时清单。对集中器时钟进行巡测的详细步骤为：
(1)主站按已编制的集中器时钟巡测计划，自动按照巡测周期循环执行集中器时钟巡测；
(2)主站召测巡测计划中的集中器，若召测失败则执行(3)，若召测成功则执行(4)；
(3)判断召测连续失败的次数，是否超过预先设定巡测周期最大失败次数阈值，若是则执行(7)，若否则执行(2)；
(4)判断集中器时钟是否超差，若是则执行(5)，若否则执行(7)；
(5)判断该集中器是否已加入校时清单，若是则执行(7)，若否执行(6)；
(6)将时钟超差的集中器加入校时清单；
(7)记录集中器时钟巡测结果，并更新“集中器时钟冻结明细表”。
经过上述对中心节点的时钟进行监测后，进一步对中心节点(集中器)时钟进行校时，校时策略具体配置为：
(1)主站查询校时清单，获取校时清单中集中器相关信息；
(2)判断是否面向对象协议集中器，若是则执行(3)，若否则执行(4)；
(3)按适用于面向对象协议集中器的第一协议(如面向对象的用电信息数据交换协议)下发精准校时参数命令，开启终端精准校时，并执行(5)；
(4)按用电信息采集系统通信协议下发对时命令，实现终端自动对时并执行(5)；
(5)判断是否校时成功，若是则执行(7)，若否则累加失败次数、记录失败原因并执行(6)；
(6)判断是否已连续指定次数校时失败，若是执行(8)，若否则执行(2)；
(7)判断是否连续指定时长需要校时，若是则执行(8)，若否则执行(9)；
(8)生成待现场处理的集中器时钟异常记录；
(9)记录集中器时钟校时结果并结束。
在一个校时周期内,基于HPLC通信的场域网校时过程如图4所示。首先，以场域网中心节点为主时钟，对场域网内各节点的时钟时间进行精准监测，获取各节点的时间偏差；其次，以场域网网络基准时间为基准，对场域网内各节点时钟频率进行监测，计算各节点的频率偏差；再次，在一个校时周期内，为使需调节点的时钟时间与频率逐步调整到准确值，计算该节点各步所需调整的时钟频率值；最后场域网内需调节点对其时钟频率进行调整。
本实施例步骤S2中，对场域网内各节点时钟的时间进行监测的具体步骤包括：
S201.广播校时：在一个校时周期开始时，由中心节点通过HPLC广播信道向全网所有节点进行广播校时，记录广播校时报文的发出时间，广播的报文中携带有报文发送时间；中心节点比较广播校时报文的发送时间与接收到各节点的应答报文的时间，以判断各节点的通信延迟，如果判断到延迟大于预设阈值或者应答报文中所携带的时钟偏差大于预设阈值，则将对应节点添加到校时节点列表；
S202.精准校时监测：中心节点对校时节点列表中的各节点依次进行校时监测，各节点获得以中心节点时钟时间为基准的时间偏差。
本实施例基于HPLC通信的场域网，中心节点对各节点时钟时间的监测依次分为广播校时监测和精准校时监测两个过程,如图5所示。本实施例执行广播校时监测的详细流程为：
在一个校时周期开始时，中心节点通过其HPLC广播信道，向全网所有节点进行了广播校时，记录广播校时报文的发出时间，广播报文携带报文精确发送时间。各节点收到该文后，将该报文中携带的发送时间与自己的时钟时间进行比较，将获取的时间偏差携带在广播校时应答报文中发回中心节点。
对于配电场域网，通常会遇到邻域干扰多、本地网络层级深和通信质量恶劣等情况，因此，中心节点首先比较广播校时报文的发送时间与接收到各节点的应答报文的时间，判断各节点的通信延迟，当该延迟大于预设阈值时，说明中心节点到该节点的广播通信质量差，通信延迟必须考虑，将该节点添加到校时节点列表。对通信质量好的节点，若该节点的应答报文中所携带的时钟偏差，小于预设阈值时，说明该节点时钟同步准确，否则，说明该节点需要时钟校准，将该节点添加到校时节点列表。
本实施例获取校时节点列表后，中心节点对校时节点列表中的节点，依次对其进行精准校时监测，使其获得以中心节点时钟时间为基准的精确时间偏差。步骤S202的具体步骤包括:
S201.中心节点从校时节点列表中依次选取一个节点作为当前节点，通过查询路由表获取中心节点到当前节点的最优路由；
S202.中心节点按预设周期向当前节点发送时钟校准指示报文并记录发送该报文的发送时间Ta；
S203.中心节点继续发送时钟校准跟随报文，时钟校准跟随报文中携带有时钟校准指示报文的发送时间Ta；当前节点收到中心节点发送的时钟校准指示报文后，记录接收时间Tb，随后该节点再从接收到的时钟校准跟随报文中，解析出校准指示报文的发送时间Ta；当前节点再按原路径向中心节点发送时钟同步请求报文，并且记录发送时刻Tc；
S204.当中心节点接收到当前节点发送的时钟同步请求报文时，记录接收时刻Td，并把Td放入时钟请求回复报文中发送给当前节点，根据当前节点接收到时钟校准指示报文的时间Tb、中心节点发送时钟校准指示报文的时间Ta、中心节点发送时钟同步请求报文的时间Tc以及当前节点收到时钟同步请求报文Td的时间，得到当前节点与中心节点的时钟偏差TOFF以及链路的延时TD；
S205.按照预设的同步周期重复执行步骤S201～S204，得到各节点与中心节点时钟的时间偏差TOFF。
假设中心节点到该节点的延时为TD-MS,当前节点的时钟时间偏差为TOFF,当前节点收到中心节点发送的时钟校准指示报文，则可得到公式(1)：
Tb-Ta＝TD-MS+TOFF (1)
假设该节点到中心节点的延时为TD-SM,当前节点收到时钟请求回复报文时，可得到公式(2)：
Td-Tc＝TD-SM-TOFF (2)
假设中心节点到该节点之间的同一链路往返时间是相等的，即TD-SM＝TD-MS＝TD,则根据公式(1)和公式(2)，可计算得到当前节点与中心节点时钟的时间偏差TOFF和链路的延时TOFF：
TOFF＝1/2(Tb-Ta+Tc-Td) (3)
TD＝1/2(Tb-Ta+Td-Tc) (4)
按照预选的同步周期，重复上述过程，多次计算TOFF后进行数据处理，该节点就会得到与中心节点时钟的时间偏差，如果时间偏差大于所设阈值(如30分钟)时，向中心节点上报节点时钟异常事件。
本实施例步骤S2中，对场域网节点时钟频率监测的步骤包括：
S211.中心节点定期发送中央信标，在中央信标中嵌入一个信标时间戳，即中央信标发送的NTB值，并实时发送给网络中的各个节点；
S212.在每个信标周期，控制场域网各节点将接收到的NTB值与本地NTB值比较计算偏差值，得到信标周期内的实时时钟频率的偏差。
基于HPLC通信的场域网，为了使全网所有节点对时隙分配能统一理解和使用，以及正确地发送和解析报文信号，所有节点必须同步到一个共用时钟，即网络基准时间(Network Time Base,NTB)，该时钟由中心节点的25MHz时钟提供，并由其通过一个32位的计时器来维护。本实施例在该场域网组网与维护阶段，由中心节点定期发送中央信标，并在中央信标的BTS字段嵌入一个32位的“信标时间戳”，即中央信标发送的NTB值，其误差小于25微秒，将NTB实时地通知给网络中的各个节点。在每个信标周期的起始时刻(即0时刻)，中心节点指定其起始的NTB；网内各节点在本地也维护一个32位的计时器(NTB_STA)，这个计时器在频率和绝对值上应该与中心节点NTB保持同步，同步通过接收中心节点的中央信标或代理节点的代理信标来完成。
本实施例场域网内各节点在一个校时周期内，对时钟频率的检测过程如图6所示，监测过程包括：
(1)在一个校时周期开始时，场域网节点，设置一个计数器，该计数器的计数频率时钟基准为其实时时钟(RTC_CLK)。
(2)在每个信标周期开始时，场域网节点接收中心发送的中央信标，获NTB初始值。
(3)启动计数器，计数器初值设置为(2)步获取的NTB初始值。
(4)在信标周期内，节点通过中央信标或代理信标对本地的NTB_STA进行同步。
(5)在该信标周期结束时，比较计数器的值与本地NTB_STA的偏差，获得在一个信标周期内的实时时钟频率的偏差。
(6)转至第(2)步，再次计算在一个信标周期内实时时钟的偏差。
(7)对获取的多个偏差数据进行均值化处理，获得实时时钟频率的偏差率。
本实施例步骤S2中，场域网中节点的时钟精准同步具体包括时间同步和频率校准两个方面，如果采用直接时间同步方式，当用户查询用电信息时，会出现时间空档或时间重复的现象，本实施例时钟精准同步采用在一个校时周期内，通过时钟频率校正的方式，使时钟时间逐步达到同步的策略，不同时间段采用不同的调整步进值，例如校时周期开始零点过后的这段时间，对大多数用户来说用电量相对较少，同步的步进值可加大。
以节点时钟时间偏差为TOFF，调整步数为S＝8，每步调整时长TS，每步调整步进权重为Vi(i∈[1,8])的递减方式为例，如图7所示，本实施例步骤S2中各节点的时钟频率进行校准的步骤包括：
S221.根据获取的节点时钟频率偏差率以及当前的实时时钟频率RTC_CLK，计算出实时时钟的目标准确频率fa；
S222.设置一个定时器，其中定时器时长为TS，初始化定时器重启次数i＝1；
S223.计算第i步需要修正的时钟时间Ti，计算公式为：
其中，TOFF为节点时钟时间偏差，Vi为第i次的调整步进权重，S为调整步数；
S224.根据实时时钟的目标准确频率fa、修改的时间Ti、每步修正时长TS，计算出当前步需要设置的实时时钟频率fi，计算公式为：
fi＝[(Ti*fa)/TS]+fa (6)
S225.设置节点的实时时钟的频率为fi，并等待定时器溢出中断，置i＝i+1，若i≤S,重启定时器，并转步骤S223，否则校时过程结束。
本实施例通过上述步骤，可使节点时钟的时间和频率在一个校时周期内，逐步逼近其准确值，避免在校时过程中出现时间空档或时间重复的现象。
场域网节点对应的物理实体智能电表，多采用带具有实时时钟(RTC)的控制器，以用来控制时间的计算和时钟校正。为了提高实时时钟秒脉冲误差校正的精度及灵活性，将晶振的温度曲线分为若干段，再对不同批次晶振进行测试，获取每段的温度补偿系数，作为原始值存贮到设备中，后续使用过程可依据晶振频率实时偏差再对该系数进行修正。本实施例采用的带有温度补偿调整功能的实时时钟校准如图8所示，首先，根据目标时钟频率fi与当前时钟频率的偏差，对当前温度段的温度补偿系数进行重新标定；然后由时钟自动温补模块采用新的温度补偿系数，依据当前实时温度计算实时温补时钟校准值和频分系数；最后将计算的校准值和频分系数写入相应寄存器，实现对实时时钟计数器和分频器的修订，从而实现时钟时间和输出时钟脉冲频率的调整。当然也可以通过对时钟时间寄存器进行设置的方式来实现对时钟时间的直接调整。
如果通过温度补偿后的时钟频率仍存在偏差时，说明时钟晶振的特征发生了变化，需要对原标定的温度系数进行重新标定。本实施例步骤S3中，具体采用如式(7)所示对当前温度段的温度补偿系数进行重新标定：
Ki-new＝Ki-old-[(10000/ferr-old)*ferr-new]*0.065536 (7)
其中，ferr-new为当前温度下测定的目前时钟频率偏差，Ki-old为当前温度下原标定的温补系数，ferr-old为原有频率偏差，Ki-new为当前温度下重新标定的温补系数。
本实施例步骤S3中采用温度补偿方式对时钟频率偏移的校准是自动完成的，基于重新标定后的温度补偿系数采用温度补偿方式调整各节点的时钟频率的步骤具体包括：
S301.计算实时温度T；
S302.确定温补系数：将计算的实时温度值T与预设的区段温度界值进行比较，确定各温补区间i以及与各温补区间i相对应的温补系数Ki；
S303.计算秒脉冲误差：根据温补系数Ki和计算的实时温度值T，计算当前秒脉冲频率偏差率fΔ；
S304.根据秒脉冲频率偏差率fΔ分别计算频率校正值RTCc与频分系数RTCd；
S305.按照频率校正值RTCc与频分系数RTCd设置时钟校准寄存器，返回步骤S301以重新进行时钟频率自动温补，直至完成自动温补控制。
上述步骤S301前还包括预先加载参数步骤，加载的参数包括各区段的温补系数和区段温度界值以及所需使用到的P0-P6值，参数加载后若温补区间参数被重新修订，则需重新加载，否则用已加载参数。
上述步骤S301前还包括设置温度采样参数步骤，设置的参数包括采集时钟频率、级联梳状滤波器CIC降采样率、是否分压、模数转换时间，CIC滤波器忽略采样点数等。
上述步骤S301中，为避免温度测量过程出现的跳差，具体取数次测量值的均值作为温度采样值X，同时为了使测量出的温度更加精确，对测量出的温度进行校正，校准计算如式(8)所示：
T＝P0*(X*X)+P1*X+P2 (8)
其中，X为温度采样值，P0～P2为依据该温度采集数模转换特征测量出的校正参数。
本实施例步骤S303中，具体按照下式(9)计算当前秒脉冲频率偏差率fΔ：
fΔ＝Ki(T-Ti)2+P4 (9)
其中，Ti为第i段温标曲线的中心温度，P4为在常温下时钟频率的偏差值；
本实施例步骤S304中，具体按照下式(10)计算频率校正值RTCc与频分系数RTCd：
RTCc＝fΔ*P5，RTCd＝PCLK/2-fΔ*P6 (10)
其中，P5为频偏为1ppm时RTCc的值，PCLK为32.768KHz信号，P6＝PCLK*2.048*10-4。
为验证本发明的有效性，采用本发明上述方法在实验室和应用现场对场域网时钟同步性能进行了测试，测试结果表明，本发明场域网时钟同步精度可以达到10ms级，节点时钟时间和频率可以在一个校时周期内逐步逼近其准确值，同时还能够避免在校时过程中出现时间空档或时间重复的现象。
本实施例还包括计算机装置，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机程序，处理器用于执行计算机程序，处理器用于执行计算机程序以执行如上述方法。
本发明可以实现网内各节点之间精准的时钟同步及管理，进一步可以用于实现配电场域网业务的实时性和精细化。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种基于HPLC的配电场域网时钟精准同步方法，其特征在于，步骤包括：
S1.主站通过远程通信网对场域网中的中心节点进行实时校时，所述中心节点为当前基于HPLC通信的配电场域网中整个网络的网关并负责整个网络的组网与时钟管理；
S2.以所述中心节点的时钟作为场域网的主时钟，对场域网内各节点时钟的时间和频率进行监测，获取各节点时钟的时间偏差和频率偏差；根据所述时钟偏差和频率偏差计算各节点所需调整的时钟频率值，并对各节点的时钟频率进行校准；
S3.根据目标时钟频率与当前时钟频率的偏差，对当前温度段的温度补偿系数进行重新标定，基于重新标定后的温度补偿系数采用温度补偿方式调整各节点的时钟频率，以实现各节点时钟频率偏移的校准。
2.根据权利要求1所述的基于HPLC的配电场域网时钟精准同步方法，其特征在于，所述步骤S1中，通过对所述中心节点的时钟进行监测，生成校时清单，根据所述校时清单以及所述中心节点的类型对所述中心节点进行实时校时，其中若所述中心节点为面向对象协议的集中器，则由所述中心节点定时向主站上报心跳帧，主站通过对心跳帧进行解析获取所述中心节点的时钟，并根据所述中心节点与主站时钟之间的偏差判断是否存在时钟超差；
若所述中心节点发生复电事件时，通过所述中心节点上报报复电事件，主站通过对复电事件进行解析获取所述中心节点的信息，并通过是否能成功召测所述中心节点的时钟，判断所述中心节点时钟是否存在时钟超差；如果判断为时钟超差则将所述中心节点加入所述校时清单。
3.根据权利要求1所述的基于HPLC的配电场域网时钟精准同步方法，其特征在于，所述步骤S2中，对场域网内各节点时钟的时间进行监测包括：
S201.广播校时：在一个校时周期开始时，由所述中心节点通过HPLC广播信道向全网所有节点进行广播校时，记录广播校时报文的发出时间，广播的报文中携带有报文发送时间；所述中心节点比较广播校时报文的发送时间与接收到各节点的应答报文的时间，以判断各节点的通信延迟，如果判断到延迟大于预设阈值或者所述应答报文中所携带的时钟偏差大于预设阈值，则将对应节点添加到校时节点列表；
S202.精准校时监测：所述中心节点对所述校时节点列表中的各节点依次进行校时监测，各节点获得以所述中心节点时钟时间为基准的时间偏差。
4.根据权利要求3所述的基于HPLC的配电场域网时钟精准同步方法，其特征在于，所述步骤S202的步骤包括:
S201.所述中心节点从所述校时节点列表中依次选取一个节点作为当前节点，通过查询路由表获取所述中心节点到当前节点的最优路由；
S202.所述中心节点按预设周期向当前节点发送时钟校准指示报文并记录发送该报文的发送时间Ta；
S203.所述中心节点继续发送时钟校准跟随报文，所述时钟校准跟随报文中携带有时钟校准指示报文的发送时间Ta；
S204.当所述中心节点接收到当前节点发送的时钟同步请求报文时，记录接收时刻Td，并把Td放入时钟请求回复报文中发送给当前节点，根据当前节点接收到所述时钟校准指示报文的时间Tb、中心节点发送时钟校准指示报文的时间Ta、中心节点发送时钟同步请求报文的时间Tc以及当前节点收到所述时钟同步请求报文Td的时间，得到当前节点与中心节点的时钟偏差TOFF以及链路的延时TD；
S205.按照预设的同步周期重复执行步骤S201～S204，得到各节点与中心节点时钟的时间偏差TOFF。
5.根据权利要求1所述的基于HPLC的配电场域网时钟精准同步方法，其特征在于，所述步骤S2中，对场域网节点时钟频率监测的步骤包括：
S211.中心节点定期发送中央信标，在中央信标中嵌入一个信标时间戳，即中央信标发送的NTB值，并实时发送给网络中的各个节点；
S212.在每个信标周期，控制场域网各节点将接收到的所述NTB值与本地NTB值比较计算偏差值，得到信标周期内的实时时钟频率的偏差。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的基于HPLC的配电场域网时钟精准同步方法，其特征在于，所述步骤S2中，对各节点的时钟频率进行校准的步骤包括：
S221.根据获取的节点时钟频率偏差率以及当前的实时时钟频率RTC_CLK，计算出实时时钟的目标准确频率fa；
S222.设置一个定时器，其中定时器时长为TS，初始化定时器重启次数i＝1；
S223.计算第i步需要修正的时钟时间Ti，计算公式为：
其中，TOFF为节点时钟时间偏差，Vi为第i次的调整步进权重，S为调整步数；
S224.根据所述实时时钟的目标准确频率fa、修改的时间Ti、每步修正时长TS，计算出当前步需要设置的实时时钟频率fi，计算公式为：
fi＝[(Ti*fa)/TS]+fa
S225.设置节点的实时时钟的频率为fi，并等待定时器溢出中断，置i＝i+1，若i≤S,重启定时器，并转步骤S223，否则校时过程结束。
7.根据权利要求1～5中任意一项所述的基于HPLC的配电场域网时钟精准同步方法，其特征在于，所述步骤S3中，按照下式对当前温度段的温度补偿系数进行重新标定：
Ki-new＝Ki-old-[(10000/ferr-old)*ferr-new]*0.065536
其中，ferr-new为当前温度下测定的目前时钟频率偏差，Ki-old为当前温度下原标定的温补系数，ferr-old为原有频率偏差，Ki-new为当前温度下重新标定的温补系数。
8.根据权利要求1～5中任意一项所述的基于HPLC的配电场域网时钟精准同步方法，其特征在于，所述步骤S3中，基于重新标定后的温度补偿系数采用温度补偿方式调整各节点的时钟频率的步骤包括：
S301.计算实时温度T；
S302.确定温补系数：将计算的实时温度值T与预设的区段温度界值进行比较，确定各温补区间i以及与各温补区间i相对应的温补系数Ki；
S303.计算秒脉冲误差：根据温补系数Ki和计算的实时温度值T，计算当前秒脉冲频率偏差率fΔ；
S304.根据所述秒脉冲频率偏差率fΔ分别计算频率校正值RTCc与频分系数RTCd；
S305.按照所述频率校正值RTCc与频分系数RTCd设置时钟校准寄存器，返回步骤S301以重新进行时钟频率自动温补，直至完成自动温补控制。
9.根据权利要求8所述的基于HPLC的配电场域网时钟精准同步方法，其特征在于，所述步骤S302中按照下式计算出实时温度T：
T＝P0*(X*X)+P1*X+P2
其中，X为温度采样值，P0～P2为依据该温度采集数模转换特征测量出的校正参数
所述步骤S303中，按照下式计算当前秒脉冲频率偏差率fΔ：
fΔ＝Ki(T-Ti)2+P4
其中，Ti为第i段温标曲线的中心温度，P4为在常温下时钟频率的偏差值；
所述步骤S304中，按照下式计算频率校正值RTCc与频分系数RTCd：
RTCc＝fΔ*P5，RTCd＝PCLK/2-fΔ*P6
其中，P5为频偏为1ppm时RTCc的值，PCLK为32.768KHz信号，P6＝PCLK*2.048*10-4。
10.一种计算机装置，包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述计算机程序，其特征在于，所述处理器用于执行所述计算机程序以执行如权利要求1～9中任意一项所述方法。
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