CN114745028A - 一种低压电力线授时系统及时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低压电力线授时系统及时间同步方法，在同一低压变压器范围内包括1个主节点和若干节点；主节点的时间基准溯源到UTC(NTSC)，通过下行通道广播电力线授时信号，节点通过上行通道发送请求信号；电力线授时信号包括下行同步信号和下行数据调制信号；请求信号包括上行同步信号和上行数据调制信号；各节点通过捕获主节点发送的下行同步信号，实现初同步；主节点捕获各节点发送的上行同步信号，实现信道传输时延测量；各节点根据实际工作情况，选择通过解调、解码下行数据调制信号或上行数据调制信号获取相应的电文信息，进而实现高精度时间同步。本发明能够在同一低压变压器范围内，为多个用户提供可靠、安全和有效的高精度时间服务。

Description

一种低压电力线授时系统及时间同步方法

技术领域

本发明属于时间频率技术领域，涉及一种授时系统，特别涉及一种电力线授时系统。

背景技术

我国现有的时频传递手段主要包括星基时频传递和陆基时频传递。随着时频传递手段的不断更新和发展，从国家战略发展角度出发，为实现时频传递技术的安全可控、抢占技术制高点等关键性作用，利用安全先进的时间传递技术结合电力系统的规模，电力线时频传递技术应运而生。该技术拥有较强的产业竞争力和前瞻性，可利用国家电网系统这个庞大的体系，及覆盖面广、稳定成熟、使用便捷等特点，推动产业链发展，实现安全自主高效，并促进基础建设发展等国家战略发展方针。

借助现有的低压电力线作为传输介质，无需敷设专用线路网络，只要连接到电源插座，就可同时提供电能和时间等信息，是一种经济、高效和节能的新型时间同步手段，可为小范围区域内，如小区、楼宇、家庭内，提供一种高精度、廉价、可靠、便捷的授时服务。通过建设低压电力线授时系统可将国家电力资源和时间服务体系进行良好整合，为今后时频及电力相关产业提供创新渠道。

中国科学院国家授时中心作为我国标准时间和频率的建立、保持和发播单位，对电力线时频传递技术作了较为系统的研究，2005年，中国科学院国家授时中心的陈小忠硕士在研究电力线进行时间同步时，提出如下观点：采用OFDM调制技术，用于对抗电力线信道的噪声，提高系统的抗干扰能力；通过采用数字中继器来拓展电力线载波的授时范围，降低变压器带来的限制。2005年，中国科学院国家授时中心的冯平博士提出了一种利用低压电力线进行时间传递的方案。2014年，中国科学院国家授时中心的吕博云硕士从理论上研究了低压电力线网络作为通信系统传输介质的各种特性。2015年，中国科学院国家授时中心的董道鹏博士提出一种利用伪随机码进行低压电力线载波高精度传播时延测量方法。2018年，中国科学院国家授时中心的刘强硕士在董道鹏博士的研究基础上，进一步对低压电力线信道时延测量技术进行了研究。但是，上述研究仅是从原理性上初步验证了利用电力线作为传输介质实现时频信号传递的可行性，缺乏对低压电力线高精度时间同步方法的详细论述，特别是未给出设备通道时延标定的具体方法。

马贝等人在文章《基于电力线载波的群控授时系统设计》(机械电子，2017,35(5)：59-62.)中，设计了一种低电力现授时系统，该系统仅能实现区域内的授时服务，无法面向同一低压变压器内所有范围提供授时服务；杨利民在实用新型专利“具有授时功能的电力线载波网络通信模块和智能电表”(CN201220467204.2)中，仅是在现有电表中加入授时模块，没有涉及信道传输时延的双向测量，无法实现高精度时间同步。

现有公开的技术中，未涉及如何构建可靠、安全、有效的低压电力线授时系统，并利用该系统在同一低压变压器范围实现高精度时间服务。

综上，亟需提出一种低压电力线授时系统、设备及方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种低压电力线授时系统，能够在同一低压变压器范围内，为多个用户提供可靠、安全和有效的高精度时间服务。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种低压电力线授时系统，在同一低压变压器范围内包括1个主节点和若干节点，所述的主节点即时间服务器，节点即客户端，主节点的时间基准溯源到UTC(NTSC)；主节点通过下行通道广播电力线授时信号，节点通过上行通道发送请求信号，各节点发送的请求信号具有良好的互相关性；所述下行通道与上行通道采用频分双工技术实现；所述电力线授时信号包括下行同步信号和下行数据调制信号；所述请求信号包括上行同步信号和上行数据调制信号；各节点通过捕获主节点发送的下行同步信号，实现初同步；主节点捕获各节点发送的上行同步信号，实现信道传输时延测量；各节点根据实际工作情况，选择通过解调、解码下行数据调制信号或上行数据调制信号获取相应的电文信息，进而实现高精度时间同步。

所述的节点划分为N级节点，构成多级节点网络拓扑结构，其中，直接与主节点通过上/下行数据调制信号进行数据交互的节点称为一级节点；至少能与一级节点中的1个节点通过上行数据调制信号进行数据交互的节点称为二级节点；至少能与二级节点中的1个节点通过上行数据调制信号进行数据交互的节点称为三级节点；依次类推。

所述的下行数据调制信号调制的信息包括下行通道共有数据和下行通道私有数据；上行通道数据调制信号调制的信息包括上行通道共有数据和上行通道私有数据；

所述的下行通道共有数据包括时码、访问方式和发播偏差；所述的下行通道私有数据包括节点地址码、访问权限和信道传输时延测量值；

所述的上行通道共有数据包括时码、时间同步标识、工作模式和访问方式；所述的上行通道私有数据包括节点地址码、访问权限、发播偏差、信道传输时延测量值；其中，所述上行通道私有数据仅在当前节点工作模式为协助模式下才有效，其作用是辅助其它节点实现高精度时间同步。

所述的主节点包括溯源单元、主节点电文编排单元、授时信号产生单元、主节点输出通道单元、主节点输入通道单元、节点检测与时延测量单元和电力线授时网络管理平台；

所述的溯源单元将主节点的时间基准溯源到UTC(NTSC)，并产生基准1PPS、基准10MHz和时码；

所述的主节点电文编排单元按设定的要求和格式完成电文的编排，电文内容包括溯源单元输出的时码、电力线授时网络管理平台提供的访问方式、发播偏差、节点的地址码和访问权限、节点检测与时延测量单元提供的时延测量值；所述的编排包括信息加密、信道编码和校验；

所述的授时信号产生单元在基准时频信号的触发下，根据电文信息和发播偏差产生电力线授时信号；

所述的主节点输出通道单元将电力线授时信号耦合至下行信道中；

所述的主节点输入通道单元接收上行信道中各节点发送的请求信号；

所述的节点检测与时延测量单元完成低压电力线传输信道时延测量；

所述的电力线授时网络管理平台完成电力线授时节点管理、显示、查询和发播偏差产生功能；所述的管理功能包括节点管理、信道访问机制、产生发播偏差、白名单管理；所述的显示功能包括显示节点的入网状态和节点的时间同步状态；所述的查询功能包括查询用户指定的节点状态信息和根据节点信息查询节点接入权限。

所述的节点检测与时延测量单元完成低压电力线传输信道时延测量的具体工作流程如下：首先，检测请求信号，识别当前接入的节点信息以及时间同步标识；然后，根据电力线授时网络管理平台反馈的接入权限进行相应的操作：若接入权限为可接入，进行信道传输时延测量，并将测量值输送至电文编排单元；若接入权限为不可接入，则不进行任何操作。

所述的节点包括节点输入通道1单元、节点输入通道2单元、本地时钟单元、信号处理单元、节点电文编排单元、请求信号产生单元和节点输出通道单元；

所述的节点输入通道1单元接收下行信道中的电力线授时信号；

所述的节点输入通道2单元接收上行信道中其它节点的请求信号；

所述的本地时钟单元为节点各组成单元提供工作所需的时频信号；

所述的信号处理单元完成上/下行通道信号检测、捕获、电文信息获取、上行通道信号载波侦听与冲突检测；

所述的节点电文编排单元按设定的要求和格式完成电文的编排，为请求信号产生单元提供必要的电文信息；

所述的请求信号产生单元在本地时频信号的触发下，根据输入的电文信息以及信道访问机制，在有权访问的情况下，产生请求信号；

所述的节点输出通道单元主要用于将请求信号耦合至上行信道中。

所述的信号处理单元根据获取电文信息的情况，执行不同工作流程，具体包括以下三种情况：

第一种情况，能够获取下行通道电文信息，工作流程如下：

1)根据下行通道私有数据中的地址码构建白名单，只有在白名单内的节点，主节点才会发送其地址码；

2)根据当前节点与主节点之间信道传输时延测量值进行时延修正，进行时间同步，产生时间同步已成功标识；

3)将白名单内其它节点的信道传输时延测量值，在竞争性访问机制下，通过上行通道发送至其它节点；

第二种情况，无法获取下行通道电文信息，能够获取上行通道电文信息，工作流程如下：

1)根据上行通道私有数据中的地址码构建白名单；

2)根据上行通道私有数据中与当前节点对应的地址码中的信道传输时延测量值进行时延修正，进行时间同步，产生时间同步已成功标识；

3)将白名单内其它节点的信道传输时延测量值，在竞争性访问机制下，通过上行通道发送至其它节点；

第三种情况，无法获取上/行通道电文信息，尝试逐步增加请求信号发射功率，若超过设定时间还处于该情况，则降低发射功率，不得干扰其它节点正常工作。

本发明还提供基于上述低压电力线授时系统的时间同步方法，包括以下步骤：

用Δt表示主节点测量得到的所述传输信道时延，

Δt＝Δt₁+Δt₂+Δt₃+Δt₄+Δt₅+Δt₆

＝Δt₁₃+2Δt₂+Δt₄₆

其中，Δt₁、Δt₆分别表示主节点输出通道和输入通道的通道时延；Δt₂、Δt₅分别表示下行通道和上行通道电力线传输时延，近似认为Δt₂＝Δt₅；Δt₃、Δt₄分别为节点输入通道和输出通道1的通道时延；Δt₁₃＝Δt₁+Δt₃表示主节点输出通道与节点输入通道1的通道时延之和；Δt₄₆＝Δt₄+Δt₆表示节点输出通道与主节点输入通道的通道时延之和；

再令Δδ＝τ_diff+Δt₁₃+Δt₂表示节点实现高精度时间同步所需的时延修正值，其中τ_diff表示发播偏差；节点根据所述Δδ修正根据下行同步信号的产生本地时间，进而实现高精度时间同步；所述

所述的Δt₁₃和Δt₄₆的获取步骤如下：

设备通道时延标定中，选取一根传输时延已知且为τ_trans的标准低压电力线，利用所述标准低压电力连接主节点和节点；主节点在参考1PPS_A的触发下产生并输出下行同步信号至所述标准低压电力线；节点根据主节点传输过来的下行同步信号进行定时，并输出1PPS_B，同时产生并输出上行同步信号至所述标准低压电力线；测量1PPS_A与1PPS_B之间的时差ΔT，其中1PPS_A为开门信号，1PPS_B为关门信号；在ΔT的基础上，扣除标准电力线传输时延τ_trans以及测试电缆时延后，再求其均值，得到所述Δt₁₃；主节点根据节点传输过来的上行同步信号进行传输时延测量，并求测量值的均值，得到Δt′；计算得到Δt₄₆＝Δt′-2τ_trans-Δt₁₃。

本发明的有益效果是：

①本发明提供的低压电力线授时系统，通过划分上、下行通道，上、下行通道信号以及多级节点网络拓扑结构，提升低压电力线授时系统的可靠性；

②本发明提供的主节点通过授时网络管理平台以及设置发播偏差和数据加密等处理后，提升低压电力线授时系统的安全性；

③本发明提供的高精度时间同步方法，充分考虑了设备通道时延，并详细阐述了传输信道时延测量值的组成部分，提升低压电力线授时系统的有效性；

④本发明提供的设备通道时延标定方法与传输信道时延测量方法紧密结合，不需要针对单个设备的通道时延进行标定，无需特殊的电力系统专用设备，可简化时延标定过程，提高时延标定精度，也有利于工程实现。

附图说明

图1是本发明实施例的一种低压电力线授时系统组成示意图；

图2是本发明实施例的上、下行通道划分示意图；

图3是本发明实施例的多级节点网络拓扑示意图；

图4是本发明实施例的主节点单元组成示意图；

图5是本发明实施例的节点单元组成示意图；

图6是本发明实施例的低压电力线传输信道时延测量过程与设备通道时延组成示意图；

图7是本发明实施例的设备通道时延标定示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

如图1所示，本发明实施例的一种低压电力线授时系统，在同一低压变压器范围内，由1个主节点(即时间服务器)和若干节点(即客户端)组成，其中主节点的时间基准溯源到UTC(NTSC)；

如图2所示，所述主节点通过下行通道广播电力线授时信号，所述节点通过上行通道发送请求信号，各节点发送的请求信号具有良好的互相关性；所述下行通道与上行通道采用频分双工技术实现；所述电力线授时信号包括下行同步信号和下行数据调制信号；所述请求信号包括上行同步信号和上行数据调制信号；各节点通过捕获主节点发送的下行同步信号，实现初同步；主节点捕获各节点发送的上行同步信号，实现传输时延测量；各节点根据实际工作情况，选择通过解调、解码下行数据调制信号或上行数据调制信号获取相应的电文信息进而实现高精度时间同步。

所述节点可进一步划分为N级节点：可直接与主节点通过上/下行数据调制信号进行数据交互的节点称为一级节点；至少能与一级节点中的1个节点通过上行数据调制信号进行数据交互的节点称为二级节点；至少能与二级节点中的1个节点通过上行数据调制信号进行数据交互的节点称为三级节点；依次类推。

这里以三级节点为例，对多级节点划分作进一步说明，如图3所述。主节点(SSE)可直接与一级节点(包括AAE11、AAE12、AAE13和AAE14)通过上/下行数据调制信号进行数据交互；二级节点(包括AAE21、AAE22、AAE23和AAE24)可以和AAE11、AAE12、AAE13和AAE14中至少1个节点通过上行数据调制信号进行数据交互；三级节点(包括AAE31、AAE32、AAE33和AAE34)可以和AAE21、AAE22、AAE23和AAE24中至少1个节点通过上行数据调制信号进行数据交互。

所述下行数据调制信号调制的信息包括：下行通道共有数据和下行通道私有数据；上行通道数据调制信号调制的信息包括：上行通道共有数据和上行通道私有数据；

所述下行通道共有数据包括时码、访问方式(受控访问、竞争性访问等)、发播偏差(电力线授时信号起始时刻与基准1PPS之间的偏差)；所述下行通道私有数据包括节点地址码、访问权限(有权或无权)、信道传输时延测量值；

所述上行通道共有数据包括时码、时间同步标识、工作模式(请求模式或协助模式)；访问方式(受控访问、竞争访问等)；所述上行通道私有数据包括节点地址码、访问权限、发播偏差、信道传输时延测量值。所述上行通道私有数据仅在当前节点工作模式为协助模式下才有效，其作用是辅助其它节点实现高精度时间同步。

如图4所示，本发明提供的低压电力线授时系统中的主节点主要由溯源单元、主节点电文编排单元、授时信号产生单元、主节点输出通道单元、主节点输入通道单元组成、节点检测与时延测量单元和电力线授时网络管理平台组成；

所述溯源单元将主节点的时间基准溯源到UTC(NTSC)，并产生基准1PPS、基准10MHz和时码；

所述主节点电文编排单元按特定的要求和格式完成电文的编排(含信息加密、信道编码和校验)，具体包括：

1)溯源单元输出的时码；

2)电力线授时网络管理平台提供的访问方式(受控访问或竞争性访问)；发播偏差；节点的地址码、访问权限；

3)节点检测与时延测量单元提供的时延测量值。

所述授时信号产生单元在基准时频信号的触发下，根据电文信息和发播偏差产生电力线授时信号；

所述主节点输出通道单元主要用于将电力线授时信号耦合至下行信道中；

所述主节点输入通道单元主要用于接收上行信道中各节点发送的请求信号；

所述节点检测与时延测量单元主要完成低压电力线信道传输时延测量，具体工作流程如下：

1)首先，检测请求信号，识别当前接入的节点信息(包括节点地址码)以及时间同步标识；

2)然后，根据电力线授时网络管理平台反馈的接入权限进行相应的操作：若接入权限为可接入，进行信道传输时延测量，并将测量值输送至电文编排单元；若接入权限为不可接入，则不进行任何操作；

所述电力线授时网络管理平台主要完成电力线授时节点管理、显示、查询、发播偏差产生等功能，具体包括：

1)管理功能：包括节点管理、信道访问机制(受控访问或竞争性访问)、产生发播偏差(人工输入、随机产生，可选)、白名单管理(人工建立，含节点对应的地址码)。

2)显示功能：可显示节点的入网状态，包括已入网、已退出、已失效；可显示节点的时间同步状态：包括已同步、未同步等。

3)查询功能：可查询用户指定的节点状态信息，包括入网状态、时间同步状态等；可根据节点信息查询节点接入权限，只有当节点地址码在白名单中的情况下，反馈允许接入权限。

如图5所示，本发明提供的低压电力线授时系统中的节点主要由节点输入通道1单元、节点输入通道2单元、本地时钟单元、信号处理单元、节点电文编排单元、请求信号产生单元和节点输出通道单元组成；

所述节点输入通道1单元主要用于接收下行信道中的电力线授时信号；

所述节点输入通道2单元主要用于接收上行信道中其它节点的请求信号；

所述本地时钟单元为节点各组成单元提供工作所需的时频信号；

所述信号处理单元主要完成上/下行通道信号检测、捕获、电文信息获取、上行通道信号载波侦听与冲突检测等。根据上/行通道信号经过解调、解码、校验、解密等处理后获取电文信息的情况，执行不同工作流程，具体包括以下三种情况：

第一种情况，可获取下行通道电文信息，工作流程如下：

1)根据下行通道私有数据中的节点地址码构建白名单(只有在白单内的节点，主节点才会发送其地址码)；

2)根据当前节点与主节点之间传输时延测量进行时延修正，进行时间同步，产生时间同步已成功标识；

3)将其它节点(白名单内)的时延修正值，在竞争性访问机制下，通过上行通道发送至其它节点。

第二种情况，不可获取下行通道电文信息、可获取上行通道电文信息，工作流程如下：

1)根据上行通道私有数据中的节点地址码构建白名单；

2)根据上行通道私有数据中与当前节点对应的地址码中的传输时延测量值进行时延修正，进行时间同步，产生时间同步已成功标识；

3)将其它节点(白名单内)的传输时延修正值，在竞争性访问机制下，通过上行通道发送至其它节点。

第三种情况，无法获取上/行通道电文信息，可尝试逐步增加请求信号发射功率，若长时间还时处于该情况，需降低发射功率，不得干扰其它节点正常工作。

所述节点电文编排单元按特定的要求和格式完成电文的编排(含信息加密、信道编码和校验)，为请求信号产生单元提供必要的电文信息；

所述请求信号产生单元在本地时频信号的触发下，并根据输入的电文信息以及信道访问机制，在有权访问的情况下，产生请求信号。

所述节点输出通道单元主要用于将请求信号耦合至上行信道中；

本发明还提供基于上述低压电力线授时系统、设备的高精度时间同步方法。

图6显示了低压电力线信道传输时延测量过程与设备通道时延组成，图中：

(1)基准1PPS为主节点通过溯源到UTC(NTSC)后产生的时间基准，对应时刻为t_base

(2)1PPS_1#与主节点授时信号产生时刻对齐，对应时刻为t₀；t₀与所述t_base之间的时间间隔为发播偏差τ_trans；

(3)1PPS_2#为节点根据授时信号产生的定时1PPS，对应时刻为t₃；

(4)1PPS_3#为主节点根据请求信号产生的定时1PPS，对应时刻为t₆；

(5)Δt₁、Δt₆分别表示主节点输出通道和输入通道的通道时延；

(6)Δt₂、Δt₅分别表示下行通道和上行通道电力线传输时延，近似认为Δt₂＝Δt₅；

(7)Δt₃、Δt₄分别为节点输入通道和输出通道1的通道时延。

用Δt表示主节点测量得到的所述信道传输时延，所述Δt可进一步表示为：

Δt＝Δt₁+Δt₂+Δt₃+Δt₄+Δt₅+Δt₆

＝Δt₁₃+2Δt₂+Δt₄₆

公式：Δt₁₃＝Δt₁+Δt₃表示主节点输出通道与节点输入通道1的通道时延之和；Δt₄₆＝Δt₄+Δt₆表示节点输出通道与主节点输入通道的通道时延之和。

再令Δδ＝τ_diff+Δt₁₃+Δt₂表示节点实现高精度时间同步所需的时延修正值，节点根据所述Δδ修正根据下行同步信号的产生本地时间，进而实现高精度时间同步；所述Δδ可进一步表示为：

节点可通过解调下行数据调制信号或者上行数据调制信号获得所述τ_diff和Δt。因此，节点要实现高精度时间同步，须通过设备通道时延标定来获来取所述Δt₁₃和Δt₄₆。

下面给出设备通道时延的标定方法。

设备通道时延标定中，选取一根传输时延已知且为τ_trans的标准低压电力线，利用所述标准低压电力连接主节点和节点，然后，结合图7，执行以下步骤：

第1步，主节点在参考1PPS_A的触发下产生并输出下行同步信号至所述标准低压电力线；

第2步，节点根据主节点传输过来的下行同步信号进行定时，并输出1PPS_B，同时产生并输出上行同步信号至所述标准低压电力线；

第3步，通过时间间隔计数器测量1PPS_A与1PPS_B之间的时差ΔT，其中1PPS_A为开门信号，1PPS_B为关门信号；

第4步，在ΔT的基础上，扣除标准电力线传输时延τ_trans以及测试电缆时延后，再求其均值，即可得到所述Δt₁₃；

第5步，主节点根据节点传输过来的上行同步信号进行传输时延测量，并求测量值的均值，得到Δt′；

第6步，根据所述Δt′、所述Δt₁₃和所述τ_trans，按下式计算得到所述Δt₄₆：

Δt₄₆＝Δt′-2τ_trans-Δt₁₃

下面对本发明的部分有益效果做简要解释。

解释1，对所述低压电力线授时系统的可靠性有益效果做简要解释：

在现有技术中，主节点与节点之间共有一个信道，由此带来严重的信道冲突。通过频分双工划分上、下行通道，主节点可通过下行通过实时地广播电力线授时信号，而不受各节点请求信号的干扰；同时，节点在共用上行通道时，需在主节点的支配下，根据信道状态以及实时业务需求，选择具体的信道访问机制(包括受控访问、竞争性访问等)，可有效降低各节点请求信号的互干扰；

为了实现高精度时间同步，各节点需要获取主节点广播的电文信息(主要包括时码、发播偏差和信道传输时延测量值)。考虑到低压电力线信道干扰复杂性和严重性，很难保证所有节点均能通过下行数据调制信号获取电文信息。通过构建多级节点网络拓扑结构，第一级节点可以辅助主节点向第二级节点广播电文信息，第二级节点可辅助第一级节点向第三级节点广播电文信息，以此类推。那么，下级节点可以通过上一级节点广播的上行数据调制信号获取电文信息实现时间同步，提高抗干扰能力。

综上，本发明提供的低压电力线授时系统通过划分上、下行通道，上、下行通道信号以及多级节点网络拓扑结构，有效提高系统抗干扰能力，进而提升系统的可靠性。

解释2，对所述低压电力线授时系统的安全性有益效果做简要解释：

主节点通过电力线授时网络管理平台构建节点白名单，为了便于描述，将在白名单内的节点称为合法节点，未在白名单内的节点称为非法节点。

主节点只会响应合法节点发送的请求信号，进行信道传输时延测量，并广播该测量值，非法节点无法实现高精度时间同步；同时，各级节点通过多级节点网络拓扑结构也会构建节点白名单，不会辅助非法节点实现高精度时间同步；

由于电文信息通过了加密处理，要想获取发播偏差和信道传输时延测量值，须进行解密处理，可进一步提高系统安全性；

下行同步信号的产生起始时刻与基准1PPS之间存在较大的时差，具体与发播偏差有关。对于一些时间同步精度要求不高的非法节点，即使仅利用下行同步信号实现初同步(不修正传输时延)，其时间同步精度是非常差，甚至仅为几百毫秒量级，难于满足实际需求。

综上，本发明提供的低压电力线授时系统可杜绝为非法节点提供时间同步服务，具有较高的安全性。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案、有益效果进行的解释与说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，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内。

Claims (8)

1.一种低压电力线授时系统，在同一低压变压器范围内包括1个主节点和若干节点，其特征在于，所述的主节点即时间服务器，节点即客户端，主节点的时间基准溯源到UTC(NTSC)；主节点通过下行通道广播电力线授时信号，节点通过上行通道发送请求信号，各节点发送的请求信号具有良好的互相关性；所述下行通道与上行通道采用频分双工技术实现；所述电力线授时信号包括下行同步信号和下行数据调制信号；所述请求信号包括上行同步信号和上行数据调制信号；各节点通过捕获主节点发送的下行同步信号，实现初同步；主节点捕获各节点发送的上行同步信号，实现信道传输时延测量；各节点根据实际工作情况，选择通过解调、解码下行数据调制信号或上行数据调制信号获取相应的电文信息，进而实现高精度时间同步。

2.根据权利要求1所述的低压电力线授时系统，其特征在于，所述的节点划分为N级节点，构成多级节点网络拓扑结构，其中，直接与主节点通过上/下行数据调制信号进行数据交互的节点称为一级节点；至少能与一级节点中的1个节点通过上行数据调制信号进行数据交互的节点称为二级节点；至少能与二级节点中的1个节点通过上行数据调制信号进行数据交互的节点称为三级节点；依次类推。

3.根据权利要求1所述的低压电力线授时系统，其特征在于，所述的下行数据调制信号调制的信息包括下行通道共有数据和下行通道私有数据；上行通道数据调制信号调制的信息包括上行通道共有数据和上行通道私有数据；所述的下行通道共有数据包括时码、访问方式和发播偏差；所述的下行通道私有数据包括节点地址码、访问权限和信道传输时延测量值；所述的上行通道共有数据包括时码、时间同步标识、工作模式和访问方式；所述的上行通道私有数据包括节点地址码、访问权限、发播偏差、信道传输时延测量值；其中，所述上行通道私有数据仅在当前节点工作模式为协助模式下才有效，其作用是辅助其它节点实现高精度时间同步。

4.根据权利要求1所述的低压电力线授时系统，其特征在于，所述的主节点包括溯源单元、主节点电文编排单元、授时信号产生单元、主节点输出通道单元、主节点输入通道单元、节点检测与时延测量单元和电力线授时网络管理平台；

所述的溯源单元将主节点的时间基准溯源到UTC(NTSC)，并产生基准1PPS、基准10MHz和时码；

所述的主节点电文编排单元按设定的要求和格式完成电文的编排，电文内容包括溯源单元输出的时码、电力线授时网络管理平台提供的访问方式、发播偏差、节点的地址码和访问权限、节点检测与时延测量单元提供的时延测量值；所述的编排包括信息加密、信道编码和校验；

所述的授时信号产生单元在基准时频信号的触发下，根据电文信息和发播偏差产生电力线授时信号；

所述的主节点输出通道单元将电力线授时信号耦合至下行信道中；

所述的主节点输入通道单元接收上行信道中各节点发送的请求信号；

所述的节点检测与时延测量单元完成低压电力线传输信道时延测量；

所述的电力线授时网络管理平台完成电力线授时节点管理、显示、查询和发播偏差产生功能；所述的管理功能包括节点管理、信道访问机制、产生发播偏差、白名单管理；所述的显示功能包括显示节点的入网状态和节点的时间同步状态；所述的查询功能包括查询用户指定的节点状态信息和根据节点信息查询节点接入权限。

5.根据权利要求4所述的低压电力线授时系统，其特征在于，所述的节点检测与时延测量单元完成低压电力线传输信道时延测量的具体工作流程如下：首先，检测请求信号，识别当前接入的节点信息以及时间同步标识；然后，根据电力线授时网络管理平台反馈的接入权限进行相应的操作：若接入权限为可接入，进行信道传输时延测量，并将测量值输送至电文编排单元；若接入权限为不可接入，则不进行任何操作。

6.根据权利要求1所述的低压电力线授时系统，其特征在于，所述的节点包括节点输入通道1单元、节点输入通道2单元、本地时钟单元、信号处理单元、节点电文编排单元、请求信号产生单元和节点输出通道单元；

所述的节点输入通道1单元接收下行信道中的电力线授时信号；

所述的节点输入通道2单元接收上行信道中其它节点的请求信号；

所述的本地时钟单元为节点各组成单元提供工作所需的时频信号；

所述的信号处理单元完成上/下行通道信号检测、捕获、电文信息获取、上行通道信号载波侦听与冲突检测；

所述的节点电文编排单元按设定的要求和格式完成电文的编排，为请求信号产生单元提供必要的电文信息；

所述的请求信号产生单元在本地时频信号的触发下，根据输入的电文信息以及信道访问机制，在有权访问的情况下，产生请求信号；

所述的节点输出通道单元主要用于将请求信号耦合至上行信道中。

7.根据权利要求6所述的低压电力线授时系统，其特征在于，所述的信号处理单元根据获取电文信息的情况，执行不同工作流程，具体包括以下三种情况：

第一种情况，能够获取下行通道电文信息，工作流程如下：

1)根据下行通道私有数据中的地址码构建白名单，只有在白名单内的节点，主节点才会发送其地址码；

2)根据当前节点与主节点之间信道传输时延测量值进行时延修正，进行时间同步，产生时间同步已成功标识；

3)将白名单内其它节点的信道传输时延测量值，在竞争性访问机制下，通过上行通道发送至其它节点；

第二种情况，无法获取下行通道电文信息，能够获取上行通道电文信息，工作流程如下：

1)根据上行通道私有数据中的地址码构建白名单；

2)根据上行通道私有数据中与当前节点对应的地址码中的信道传输时延测量值进行时延修正，进行时间同步，产生时间同步已成功标识；

3)将白名单内其它节点的信道传输时延测量值，在竞争性访问机制下，通过上行通道发送至其它节点；

第三种情况，无法获取上/行通道电文信息，尝试逐步增加请求信号发射功率，若超过设定时间还处于该情况，则降低发射功率，不得干扰其它节点正常工作。

8.一种权利要求1所述低压电力线授时系统的时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

用Δt表示主节点测量得到的所述传输信道时延，

Δt＝Δt₁+Δt₂+Δt₃+Δt₄+Δt₅+Δt₆

＝Δt₁₃+2Δt₂+Δt₄₆

其中，Δt₁、Δt₆分别表示主节点输出通道和输入通道的通道时延；Δt₂、Δt₅分别表示下行通道和上行通道电力线传输时延，近似认为Δt₂＝Δt₅；Δt₃、Δt₄分别为节点输入通道和输出通道1的通道时延；Δt₁₃＝Δt₁+Δt₃表示主节点输出通道与节点输入通道1的通道时延之和；Δt₄₆＝Δt₄+Δt₆表示节点输出通道与主节点输入通道的通道时延之和；

再令Δδ＝τ_diff+Δt₁₃+Δt₂表示节点实现高精度时间同步所需的时延修正值，其中τ_diff表示发播偏差；节点根据所述Δδ修正根据下行同步信号的产生本地时间，进而实现高精度时间同步；所述

所述的Δt₁₃和Δt₄₆的获取步骤如下：

设备通道时延标定中，选取一根传输时延已知且为τ_trans的标准低压电力线，利用所述标准低压电力连接主节点和节点；主节点在参考1PPS_A的触发下产生并输出下行同步信号至所述标准低压电力线；节点根据主节点传输过来的下行同步信号进行定时，并输出1PPS_B，同时产生并输出上行同步信号至所述标准低压电力线；测量1PPS_A与1PPS_B之间的时差ΔT，其中1PPS_A为开门信号，1PPS_B为关门信号；在ΔT的基础上，扣除标准电力线传输时延τ_trans以及测试电缆时延后，再求其均值，得到所述Δt₁₃；主节点根据节点传输过来的上行同步信号进行传输时延测量，并求测量值的均值，得到Δt′；计算得到Δt₄₆＝Δt′-2τ_trans-Δt₁₃。

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