CN115589272B - 一种基于fc-ae的高精度脉冲同步系统 - Google Patents

一种基于fc-ae的高精度脉冲同步系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FC‑AE的高精度脉冲同步系统包括多台FC‑AE交换机，各交换机间通过光纤线缆进行级联通信，预设任一FC‑AE交换机为主交换机；每台FC‑AE交换机下分别挂接一个或多个FC‑AE通信节点；各个FC‑AE通信节点分别通过非级联端口连接监控箱或逆变功率模块；逆变功率模块用于利用同步脉冲信号进行三交流电相位同步及并联运行；监控箱用于提供脉冲源，源脉冲可从任意一台FC‑AE交换机下挂接的FC‑AE通信节点输入；本发明提供了基于FC‑AE的高精度脉冲同步系统，相比于传统电气总线构成的通信网络具有更高的传输速率、更低的端到端延迟、更低的误码率。同时，光纤通道的抗干扰能力更强，支持不同拓扑并且兼容性强。

Description

一种基于FC-AE的高精度脉冲同步系统
技术领域
本发明涉及脉冲同步技术领域，特别涉及一种基于FC-AE的高精度脉冲同步系统。
背景技术
微电网是大电网的有力补充，是智能电网领域的重要组成部分，在工商业区域、城市片区及偏远地区有广泛的应用前景。微电网中通常需要将多个逆变设备并联运行，以提高主逆变器的输出功率。不同逆变器之间需要通过通讯网络实现信息交换和同步控制，多逆变器并联运行时若同步信号意外丢失则会造成严重的事故。
目前微电网中的同步脉冲信号通常以信号电缆的方式传输，且提高可靠性的方式通常为将多个设备的同步脉冲信号并联在一起进行“线与”，即取多个同步脉冲信号的公共部分作为用于各微电网相位同步的同步脉冲信号。该方法抗干扰性差、稳定性不高、硬件布线复杂，且随着“线与”的设备数量变多，同步信号的脉冲的占空比会大大降低，从而影响各个微电网相位同步的效果。
现有技术中，存在一种多节点通信网络的脉冲同步方法，可用于微电网并网同步脉冲信号传输，该方法基于FC-AE通信协议，可实现脉冲同步源的主备切换，该方法未考虑级联线缆长度的差异，导致在FC-AE交换机级联线缆长度差异较大时，脉冲同步精度较差，不能适应空间区域大，通信距离远的微电网场景。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，如何在网络中的FC-AE交换机级联线缆长度差异较大时，仍能通过FC-AE网络实现高精度的脉冲同步。
本发明提供一种基于FC-AE的高精度脉冲同步系统，所述高精度脉冲同步系统包括多台FC-AE交换机，各交换机间通过光纤线缆进行级联通信，预设任一FC-AE交换机为主交换机；每台FC-AE交换机下分别挂接一个或多个FC-AE通信节点；各个FC-AE通信节点分别通过非级联端口连接监控箱或逆变功率模块；逆变功率模块用于利用同步脉冲信号进行三交流电相位同步及并联运行；监控箱用于提供脉冲源，源脉冲可从任意一台FC-AE交换机下挂接的FC-AE通信节点输入；
所述FC-AE通信节点获取对应监控箱发出的同步脉冲信号上升沿，发送主脉冲信号的边沿采样信息组成上升沿帧至FC-AE交换机；
所述FC-AE交换机接收到上升沿帧后，通过级联通信将上升沿帧转发到其他FC-AE交换机，进而转发到其他FC-AE通信节点；其他FC-AE通信节点接收到上升沿帧后，根据帧中的数据域字段信息，恢复出同步脉冲信号上升沿；
所述监控箱的模块化控制器发出同步脉冲信号下降沿；FC-AE通信节点检测到同步脉冲信号下降沿，将主脉冲信号的边沿采样信息组成下降沿帧并发送给FC-AE交换机；
其他FC-AE交换机接收到下降沿帧后，将下降沿帧转发到其他FC-AE交换机，从而转发到其他FC-AE通信节点；FC-AE通信节点接收到下降沿帧后，根据帧中的数据域字段信息，恢复出同步脉冲信号下降沿；
所述逆变功率模块依据主交换机的同步脉冲信号上升沿和同步脉冲信号下降沿将直流电变换为三相交流电，从而控制其三相交流电的相位。
更进一步地，所述FC-AE交换机在非级联端口检测到脉冲原语的FC-AE交换机，解析接收到的主交换机选举帧内容，获得交换机设备ID字段并与本交换机设备ID进行比较，若ID字段值优先级大于本交换机设备ID，则在本交换机中将延迟补偿计算使能标志位置1，并通过接收级联口回复NACK帧至发送选举帧的交换机；
若ID字段值优先级小于本交换机设备ID，则延迟补偿计算使能标志位置0，同时从另一个级联端口转发主交换机选举帧至下一级FC-AE交换机，从接收级联口回复选举应答帧，选举应答帧从各级交换机级联口依次转发并到达发送选举帧的交换机；
所述选举应答帧内容中包括主交换机选举帧接收时间戳和选举应答帧发送时间戳；
当FC-AE交换机在接收到应答帧或NACK帧的总个数为N-1时，若延迟补偿计算使能标志位仍保持为1，此交换机为主交换机；在N-1应答帧接收过程中，若有一次延迟补偿计算使能标志位为0，则延迟补偿计算使能标志位保持0不变。
更进一步地，所述FC-AE交换机在非级联端口未检测到脉冲原语，在接收到主交换机选举帧后，通过主交换机选举帧接收端口发送本交换机选举应答帧。
更进一步地，所述高精度脉冲同步系统对各FC-AE交换机之间的同步脉冲信号存在延迟误差进行误差补偿；
主交换机与其它交换机的链路延迟为：
pdelayj＝(T2j-T3j+T4j-T1)×period/2；
其中，period为交换机时间戳产生逻辑的时钟周期，主交换机发送主交换机选举帧的时间戳记为T1，网络中的其它交换机j在选举应答帧携带的主交换机选举帧接收时间戳为T2j，携带的选举应答帧发送时间戳为T3j，主交换机记录接收到选举应答帧的时间戳为T4j。
更进一步地，所述主交换机连续进行NT次双向帧交互，并将测量出的延迟值组成数据集，每个拟合周期内的双向帧交互周期索引记为h，且0≤j＜N，0≤h＜NT，记第K次拟合周期内，第i次进行双向帧交互后，主交换机获取的N个延迟值组成数据集Mi(K)，该数据集表示为：
Mi(K)＝{mi(K)|mi(K)＝pdelayj(i)(K)}
其中，0≤i<NT。
更进一步地，基于Mi(K)数据集，对延迟测量值进行最小二乘拟合，假设第K次的拟合多项式为：
pdelayj′(K)＝a0+a1j2+…akjk+…+amjm
其中，多项式系数有：
将pdelayj′(K)的值作为新的延迟补偿值，得到第K次拟合后各FC-AE节点需要补偿的延迟值：
Δdelayj(K)＝Max{pdelayj′(K)}-pdelayj′(K)。
更进一步地，主交换机进行第K+1次延迟测量，记该拟合周期内第h次双向帧交互，得到的样本数据集为Mh(K+1)，该数据集为：
更新样本集为：
Mi(K)＝Mh(K+1)
将更新样本集重新进行多项式拟合，将得到的pdelayj′(K)值作为迭代更新后的延迟补偿值，再计算第K+1次拟合后各FC-AE节点需要补偿的延迟值，得到迭代更新后的各FC-AE节点需要补偿的延迟值。
更进一步地，主交换机通过FC-AE帧交互，将计算出的延迟补偿值下发到FC-AE通信节点，FC-AE通信节点根据接收到的延迟值，将恢复出的脉冲滞后对应的延迟值后输出，实现高精度的脉冲同步。
更进一步地，所述主交换机对应的脉冲信号丢失时，FC-AE交换机自动将可用的优先级最高的备用同步脉冲源切换为主同步脉冲源；
主同步脉冲源FC-AE通信节点内部逻辑实时监测同步脉冲信号状态，当监测到脉冲信号丢失时，该FC-AE通信节点主动向FC-AE交换机发送信号丢失帧；
FC-AE交换机接收到信号丢失帧，获取主同步脉冲丢失信息后，按照备用同步脉冲优先级高低，通过交换机设备ID从高到低依次向连接备用同步源FC-AE通信节点发送主用模式切换帧；
连接备用同步脉冲源FC-AE通信节点接收到主用模式切换帧后，根据本节点备用同步脉冲信号状态，向FC-AE交换机发送主用模式切换应答帧，若本节点备用同步脉冲信号处于正常状态，则将本节点收到应答帧后配置其为主同步脉冲源，否则本节点仍为备用同步脉冲源；
同步系统中的所有FC-AE交换机均会接收主用模式切换应答帧，根据优先级继续向下一级优先级从脉冲源FC-AE通信节点发送主用模式切换帧，直到切换主脉冲源成功；
连接主同步源的FC-AE通信节点接收到备用模式切换应答帧后，将本节点配置为备用主脉冲同步源FC-AE通信节点。
本发明达到的有益效果是：
本发明提供了基于FC-AE的高精度脉冲同步系统，相比于传统电气总线构成的通信网络具有更高的传输速率、更低的端到端延迟、更低的误码率。同时，光纤通道的抗干扰能力更强，支持不同拓扑并且兼容性强。
本发明的同步脉冲源信号采用1主多备的方式，备用同步脉冲源信号采用热备用处理方式，大大增加了微电网的稳定性。在主同步信号丢失时，可以切换到备用同步信号，从而保证微电网仍然能够正常运行。
本发明通过非精确对时形式的双向延迟测量机制，快速测量FC通信链路延迟，并作为补偿因素应用于脉冲同步延迟计算，使得脉冲同步精度不依赖于FC-AE交换机级联线缆长度差异；
本发明的延迟测量机制中，主FC-AE交换机选举与延迟测量同时进行，相比于传统的精确时间同步方法，处理过程大幅简化，处理时间显著降低，在对脉冲同步启动时间有严格要求的应用领域有明显优势；
本发明通过局部样本更新和最小二乘拟合的方式，对延迟测量值补偿，降低了各台FC-AE交换机间由于晶振自身频率抖动以及温湿度等环境因素引起的延迟测量随机误差，进一步提升了脉冲同步精度。
附图说明
图1为FC-AE脉冲同步系统组成示意图；
图2为实施例中所示多节点通信网络未补偿的同步脉冲信号延迟示意图；
图3为基于FC-AE的脉冲同步传递过程示意图；
图4为FC标准帧格式示意图；
图5为主备脉冲源切换过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行更详细的说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明提出了一种基于FC-AE的高精度脉冲同步系统，该高精度脉冲同步系统包括多台FC-AE交换机，各交换机间通过光纤线缆进行级联通信，级联线缆长度分别为L1、L2、…、LN-1；每台FC-AE交换机下分别挂接一个或多个FC-AE通信节点；各个FC-AE通信节点分别连接监控箱或逆变功率模块；逆变功率模块用于利用同步脉冲信号进行三交流电相位同步及并联运行；监控箱用于提供脉冲源，源脉冲可从任意一台交换机下挂接的FC-AE通信节点输入，FC-AE通信节点对源脉冲信号进行采样，将信号上升沿和下降沿分别组成两种脉冲同步帧，并发送至连接的FC-AE交换机，FC-AE交换机上电后根据本地晶振计时产生时间戳。
如附图1所示的实施例中，高精度脉冲同步系统包括网络中包括4台FC-AE交换机，分别是FC-AE交换机1、FC-AE交换机2、FC-AE交换机3和FC-AE交换机4，每台交换机下的非级联端口分别挂接了一个FC-AE通信节点，各交换机间的级联光纤线缆长度L1、L2、L3分别为3米、15米、15米和30米，各交换机与FC-AE通信节点间的光纤线缆长度L4、L5、L6、L7均为3米，FC-AE节点3和FC-AE节点4均有源脉冲输入，网络中所有FC-AE节点输出经过延迟补偿后的同步脉冲。FC-AE节点2、FC-AE节点3上电后检测到脉冲信号，分别形成脉冲原语，并输出到FC-AE交换机2和FC-AE交换机3。未补偿前，4台交换机下挂接的FC-AE节点恢复出的脉冲间的相对关系如图2所示，其中波形1～波形4分别表示FC-AE交换机1～FC-AE交换机4下的节点恢复出的脉冲波形。
具体的，FC-AE交换机是一台具有多个FC-AE接口，并且支持FC-AE-ASM协议数据的转发功能及装置级联的FC-AE交换机。
FC-AE通信节点是一块与模块化控制器通过通讯接口连接的，主控芯片使用FPGA芯片的控制子板卡组成，符合FC-AE-ASM协议标准要求，支持用户发送、接收符合FC-AE-ASM协议标准的消息报文。
逆变功率模块是由IGBT开关管、滤波电感、滤波电容等组合成的功率模块，用于将直流电变换为AC390V 50Hz三相交流电。
监控箱由一个模块化控制器组成，模块化控制器主要由DSP控制芯片、AD转换芯片、CAN通讯芯片以及相应集成电路等组成，用于生成同步源信号。
高精度脉冲同步系统上电后，需对同步系统各同步源FC-AE接口进行初始化配置，并将模块化控制器输出的主同步脉冲源信号，在FC-AE通信节点进行边沿信息(包括上升沿和下降沿)采样和组成脉冲同步帧后，通过高速低延时的光纤通道发送给FC-AE交换机，FC-AE交换机接收到该脉冲同步帧后转发给FC-AE网络中的其他FC-AE通信节点，FC-AE通信节点接收该脉冲同步帧后，解析出主同步源信号边沿信息并恢复出同步脉冲信号，然后将同步脉冲信号输出到与其连接的模块化控制器。
如附图3所示，具体的，FC-AE通信节点获取对应监控箱发出的同步脉冲信号上升沿，经过毛刺信号去除逻辑，发送主脉冲信号的边沿采样信息组成上升沿帧至FC-AE交换机，上升沿帧格式定义如图4所示。
FC-AE交换机接收到上升沿帧后，通过级联通信将上升沿帧转发到其他FC-AE交换机，进而转发到其他FC-AE通信节点；其他FC-AE通信节点接收到上升沿帧后，根据帧中的数据域字段信息，恢复出同步脉冲信号上升沿。
所有监控箱的模块化控制器发出同步脉冲信号下降沿；FC-AE通信节点经过毛刺信号去除逻辑，检测到同步脉冲信号下降沿后，将主脉冲信号的边沿采样信息组成下降沿帧并发送给FC-AE交换机，帧格式定义如图4所示；
待其他FC-AE交换机接收到下降沿帧后，将下降沿帧转发到其他FC-AE交换机，从而转发到其他FC-AE通信节点；FC-AE通信节点接收到下降沿帧后，根据帧中的数据域字段信息，恢复出同步脉冲信号下降沿；单次脉冲同步完成，等待下一个同步脉冲。
同时，高精度脉冲同步系统中同步脉冲信号采用多路热备份结构，主同步脉冲信号支持1路，备用同步脉冲信号支持多路。各备用脉冲优先级进行作初始化配置，当主同步脉冲源信号丢失时，自动将可用的优先级最高的备用同步脉冲源切换为主同步脉冲源；当初始主同步脉冲源信号恢复时，初始主同步脉冲源自动切换为主同步脉冲源。
FC-AE脉冲同步系统支持一主多备的热备份结构，多路备份优先级递减。当主同步脉冲信号丢失时，FC-AE交换机自动将可用的优先级最高的备用同步脉冲源切换为主同步脉冲源。主备同步脉冲切换过程如图5所示。
具体的，通信网络中的FC-AE交换机在上电后，以本地晶振累加计数产生时间戳，并检测非级联端口是否接收到脉冲原语。
网路中在非级联端口检测到脉冲原语的FC-AE交换机，解析接收到的主交换机选举帧(Master_Req)内容，获得交换机设备ID字段并与本交换机设备ID进行比较，若ID字段值大于本交换机设备ID，则在本交换机中将延迟补偿计算使能标志位置1，不从另一个级联口转发接收到的主交换机选举帧，并通过接收级联口回复NACK帧至发送选举帧的交换机，NACK帧为一种未在已知FC-AE协议定义的1个K码和3个D码组成的8B/10B编码集，若ID字段值小于本交换机设备ID，则延迟补偿计算使能标志位置0，同时从另一个级联端口转发主交换机选举帧至下一级FC-AE交换机，从接收级联口回复选举应答帧(Master_Resp)，应答帧从各级交换机级联口依次转发并到达发送选举帧的交换机，应答帧帧头中的SID为本交换机SID，DID为对应主交换机选举帧的帧头中解析出的SID，选举应答帧内容中包含本交换机设备ID，主交换机选举帧接收时间戳和选举应答帧发送时间戳。
网路中在非级联端口未检测到脉冲原语的FC-AE交换机，在接收到主交换机选举帧后，通过主交换机选举帧接收端口发送本交换机选举应答帧，应答帧帧头中的SID为本交换机SID，DID为对应主交换机选举帧的帧头中解析出的SID，选举应答帧内容中包含本交换机设备ID，主交换机选举帧接收时间戳和选举应答帧发送时间戳。
当FC-AE交换机在接收到应答帧或NACK帧的总个数为N-1时，若延迟补偿计算使能标志位仍保持为1，此交换机为主交换机，并开始进行链路延迟计算，在N-1应答帧接收过程中，若有一次延迟补偿计算使能标志位为0，则延迟补偿计算使能标志位保持0不变。
在实施例中，网路中的FC-AE交换机2和FC-AE交换机3在非级联端口检测到脉冲原语，每隔1ms定时通过两个级联端口以广播形式向网络中发送主交换机选举帧，两个交换机发送的选举帧分别记为Master_Req_2和Master_Req_3，交换机发送的选举帧由FC-AE标准帧头+载荷数据+FC-AE标准帧尾组成，Master_Req_2帧头中SID设置为0x000002，Master_Req_3帧头中SID设置为0x000003，两种帧中DID设置为0xFFFFFF，Master_Req_2和Master_Req_3载荷数据中FC-AE交换机2、FC-AE交换机3对应的字段值如表1所述：
表1：Master_Req帧格式及交换机对应的字段值
FC-AE交换机2解析Master_Req_3帧内容，获得设备ID字段值为3，经过与本交换机ID值2比较后，将本交换机中延迟补偿计算使能标志位en_delay_com置1，同时终止Master_Req_2帧的转发，回复NACK帧至FC-AE交换机3；
FC-AE交换机3解析Master_Req_2帧内容，获得设备ID字段值为2，经过与本交换机ID值3比较后，将本交换机中延迟补偿计算使能标志位en_delay_com置0，同时从另一个级联端口转发Master_Req_2帧至FC-AE交换机4；
网路中的FC-AE交换机1和FC-AE交换机4在接收到Master_Req帧后对应的处理过程如下：
FC-AE交换机1在接收到Master_Req_2帧后，通过Master_Req帧接收端口发送主交换机选举应答帧Master_Resp_2_1，应答帧帧头中的SID为0x000001，DID为0x000002，Master_Resp_2_1帧载荷内容如表2所示：
表2：Master_Resp_2_1帧载荷内容
FC-AE交换机3在接收到Master_Req_2帧后，通过Master_Req帧接收端口发送主交换机选举应答帧Master_Resp_2_3，应答帧帧头中的SID为0x000003，DID为0x000002，Master_Resp_2_3帧载荷内容如表3所示：
表3：Master_Resp_2_3帧载荷内容
FC-AE交换机4在接收到Master_Req_2帧后，通过Master_Req帧接收端口发送主交换机选举应答帧Master_Resp_2_4，应答帧帧头中的SID为0x000004，DID为0x000002，Master_Resp_2_4帧载荷内容如表4所示：
表4：Master_Resp_2_4帧载荷内容
FC-AE交换机2和FC-AE交换机3的主交换机选举处理过程如下：
FC-AE交换机2接收到3个应答帧，en_delay_com始终为1，因此被选举为主交换机；
FC-AE交换机3接收到2个应答帧和1个NACK帧，en_delay_com有变为0的情况，因此不被选举为主交换机。
当主脉冲信号丢失时，FC-AE交换机自动将可用的优先级最高的备用同步脉冲源切换为主同步脉冲源。
具体的，主备同步脉冲源切换时，主同步脉冲源FC-AE通信节点内部逻辑实时监测同步脉冲信号状态，当监测到脉冲信号丢失时，该FC-AE通信+节点主动向FC-AE交换机发送信号丢失帧，该帧中包含同步脉冲信号丢失信息。
FC-AE交换机接收到信号丢失帧，获取主同步脉冲丢失信息后，按照备用同步脉冲优先级高低，通过交换机设备ID从高到低依次向连接备用同步源FC-AE通信节点发送主用模式切换帧。
连接备用同步脉冲源FC-AE通信节点接收到主用模式切换帧后，根据本节点备用同步脉冲信号状态，向FC-AE交换机发送主用模式切换应答帧，若本节点备用同步脉冲信号处于正常状态，则将本节点收到应答帧后配置其为主同步脉冲源，否则本节点仍为备用同步脉冲源；
同步系统中的所有FC-AE交换机均会接收主用模式切换应答帧，根据优先级继续向下一级优先级从脉冲源FC-AE通信节点发送主用模式切换帧，直到切换主脉冲源成功(某个从同步脉冲FC-AE通信节点返回主备切换成功的主用模式切换应答帧或遍历完所有从同步脉冲FC-AE通信节点)；连接主同步源的FC-AE通信节点接收到备用模式切换应答帧后，将本节点配置为备用主脉冲同步源FC-AE通信节点。
若遍历完所有从同步脉冲FC-AE通信节点，仍未找到可用的同步脉冲，FC-AE交换机定时再进行下一次轮询操作。
当初始主脉冲信号恢复后，该节点向FC-AE交换机发送信号恢复帧，该帧中包含初始主同步脉冲信号已恢复的信息；FC-AE交换机接收信号恢复帧，获取初始主同步脉冲信号已恢复的信息后，向当前主同步脉冲FC-AE通信节点发送备用模式切换帧；向初始主同步脉冲源FC-AE通信节点发送主用模式切换帧；当前主同步脉冲FC-AE通信节点接收到备用模式切换应答帧后，将本节点配置为备用脉冲同步源FC-AE通信节点；始主同步脉冲源FC-AE通信节点接收到主用模式切换帧后，将本节点恢复为主同步脉冲源FC-AE通信节点。
在当考虑到级联、传输光缆长度等因素时，各逆变模块收到的同步脉冲信号之间以及逆变模块与监控箱之间的同步脉冲信号存在延迟误差，需要对其进行误差补偿操作。
主交换机发送主交换机选举帧的时间戳记为T1，网络中的其它交换机j在选举应答帧携带的主交换机选举帧接收时间戳为T2j，携带的选举应答帧发送时间戳为T3j，主交换机记录接收到选举应答帧的时间戳为T4j，则主交换机与其它交换机的链路延迟由下式计算得到，其中period为交换机时间戳产生逻辑的时钟周期：
pdelayj＝(T2j-T3j+T4j-T1)×period/2；
主交换机计算完链路延迟后，计算主交换机脉冲源与各节点上恢复出的脉冲间的延迟差异。
主交换机连续进行NT次双向帧交互，并将测量出的延迟值组成数据集，记一个双向帧交互周期为一个拟合周期，每个拟合周期内的双向帧交互周期索引记为h，且0≤j＜N，0≤h＜NT，记第K次拟合周期内，第i次进行双向帧交互后，主交换机获取的N个延迟值组成数据集Mi(K)，该数据集表示为：
Mi(K)＝{mi(K)|mi(K)＝pdelayj(i)(K)}
其中，0≤i<NT；
基于Mi(K)数据集，对延迟测量值进行最小二乘拟合，假设第K次的拟合多项式为pdelayj′(K)＝a0+a1j2+…akjk+…+amjm
则可计算出多项式系数：
将pdelayj′(K)的值作为新的延迟补偿值，带入下式，得到第K次拟合后各FC-AE节点需要补偿的延迟值：
Δdelayj(K)＝Max{pdelayj′(K)}-pdelayj′(K)
主交换机进行第K+1次延迟测量，记该拟合周期内第h次双向帧交互，得到的样本数据集为Mh(K+1)，该数据集为：
更新样本集为：
Mi(K)＝Mh(K+1)
将更新样本集重新进行多项式系数的拟合，将得到的pdelayj′(K)值作为迭代更新后的延迟补偿值，再计算第K+1次拟合后各FC-AE节点需要补偿的延迟值，得到迭代更新后的各FC-AE节点需要补偿的延迟值。
主交换机通过FC-AE帧交互，将计算出的延迟补偿值下发到FC-AE通信节点，FC-AE通信节点根据接收到的延迟值，将恢复出的脉冲滞后对应的延迟值后输出，实现高精度的脉冲同步。
在实施例中，作为主交换机的FC-AE交换机2记录接收到Master_Resp帧的时间戳如表5所示：
表5：FC-AE交换机2接收到其他交换机发送的Master_Resp帧的时间戳
交换机时间戳产生逻辑的时钟周期为8ns，根据公式1计算链路延迟，作为主交换机的FC-AE交换机2与其它交换机的链路延迟如表6所示：
表6：FC-AE交换机2与其他交换机的链路延迟计算结果
主交换机计算完链路延迟后，开始计算主交换机脉冲源与各节点上恢复出的脉冲间的延迟差异。
主交换机连续进行4次双向帧交互，并将测量出的延迟值组成数据集，第1次拟合周期内的4次链路延迟测量结果如下表7所示：
表7：FC-AE交换机2与其他交换机的链路延迟连续4次测量结果
这些链路延迟组成的数据集为M(1)＝{480，413，10，264，534，342，20，324，514，352，15，344，504，392，0，504}；
基于上述数据集，对延迟测量值进行15阶数最小二乘拟合，得到拟合多项式为：
pdelayj′(K)＝a0+a1j2+…akjk+…+amjm＝200*j^6-1400*j^7+10100*j^8-53100*j^9+205600*j^10-574400*j^11+1114300*j^12-1404600*j^13+1016900*j^14-313400*j^15
取pdelayj′(K)曲线上的数据值作为新的延迟补偿值，得到修正后的链路延迟测量结果如下表8所示：
表8：修正后的FC-AE交换机2与其他交换机的链路延迟
将表8结果带入延迟值公式Δdelayj(K)＝Max{pdelayj′(K)}-pdelayj′(K)，得到第1次拟合后各FC-AE节点需要补偿的延迟值如表9所示：
表9：第1次拟合后各FC-AE节点需要补偿的延迟值
主交换机进行第2次拟合周期内的延迟测量，拟合周期内第1次双向帧交互后，更新M(0)数据集中下标为0，1，2，3的4个元素，得到的样本数据集为M0(1)，拟合周期内第2次双向帧交互后，更新M0(1)数据集中下标为4，5，6，7的4个元素，得到的样本数据集为M1(1)，拟合周期内第3次双向帧交互后，更新M1(1)数据集中下标为8，9，10，11的4个元素，得到的样本数据集为M2(1)，拟合周期内第4次双向帧交互后，更新M2(1)数据集中下标为12，13，14，15的4个元素，得到的样本数据集为M3(1)；
每次更新样本数据集后，重新进行多项式拟合，取pdelayj′(K)曲线上的数据值作为新的延迟补偿值，得到修正后的链路延迟测量结果如表10所示，根据延迟值公式，得到迭代更新后的各FC-AE节点需要补偿的延迟值如下表11所示：
表10：FC-AE交换机2与其他交换机的链路延迟连续4次测量结果
表11：第2次拟合周期内各FC-AE节点需要补偿的延迟值
主交换机通过FC-AE帧交互，将计算出的延迟补偿值下发到FC-AE通信节点，FC-AE通信节点根据接收到的延迟值，将恢复出的脉冲滞后对应的延迟值后输出，实现高精度的脉冲同步。
本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变换或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种基于FC-AE的高精度脉冲同步系统，其特征在于，所述高精度脉冲同步系统包括多台FC-AE交换机，各交换机间通过光纤线缆进行级联通信，预设任一FC-AE交换机为主交换机；每台FC-AE交换机下分别挂接一个或多个FC-AE通信节点；各个FC-AE通信节点分别通过非级联端口连接监控箱或逆变功率模块；逆变功率模块用于利用同步脉冲信号进行三交流电相位同步及并联运行；监控箱用于提供脉冲源，源脉冲可从任意一台FC-AE交换机下挂接的FC-AE通信节点输入；
所述FC-AE通信节点获取对应监控箱发出的同步脉冲信号上升沿，发送主脉冲信号的边沿采样信息组成上升沿帧至FC-AE交换机；
所述FC-AE交换机接收到上升沿帧后，通过级联通信将上升沿帧转发到其他FC-AE交换机，进而转发到其他FC-AE通信节点；其他FC-AE通信节点接收到上升沿帧后，根据帧中的数据域字段信息，恢复出同步脉冲信号上升沿；
所述监控箱的模块化控制器发出同步脉冲信号下降沿；FC-AE通信节点检测到同步脉冲信号下降沿，将主脉冲信号的边沿采样信息组成下降沿帧并发送给FC-AE交换机；
其他FC-AE交换机接收到下降沿帧后，将下降沿帧转发到其他FC-AE交换机，从而转发到其他FC-AE通信节点；FC-AE通信节点接收到下降沿帧后，根据帧中的数据域字段信息，恢复出同步脉冲信号下降沿；
所述逆变功率模块依据主交换机的同步脉冲信号上升沿和同步脉冲信号下降沿将直流电变换为三相交流电，从而控制其三相交流电的相位；
所述FC-AE交换机在非级联端口检测到脉冲原语的FC-AE交换机，解析接收到的主交换机选举帧内容，获得交换机设备ID字段并与本交换机设备ID进行比较，若ID字段值优先级大于本交换机设备ID，则在本交换机中将延迟补偿计算使能标志位置1，并通过接收级联口回复NACK帧至发送选举帧的交换机；
若ID字段值优先级小于本交换机设备ID，则延迟补偿计算使能标志位置0，同时从另一个级联端口转发主交换机选举帧至下一级FC-AE交换机，从接收级联口回复选举应答帧，选举应答帧从各级交换机级联口依次转发并到达发送选举帧的交换机；
所述选举应答帧内容中包括主交换机选举帧接收时间戳和选举应答帧发送时间戳；
当FC-AE交换机在接收到应答帧或NACK帧的总个数为N-1时，若延迟补偿计算使能标志位仍保持为1，此交换机为主交换机；在N-1应答帧接收过程中，若有一次延迟补偿计算使能标志位为0，则延迟补偿计算使能标志位保持0不变；
所述高精度脉冲同步系统对各FC-AE交换机之间的同步脉冲信号存在延迟误差进行误差补偿；
主交换机与其它交换机的链路延迟为：
pdelayj＝(T2j-T3j+T4j-T1)×period/2；
其中，period为交换机时间戳产生逻辑的时钟周期，主交换机发送主交换机选举帧的时间戳记为T1，网络中的其它交换机j在选举应答帧携带的主交换机选举帧接收时间戳为T2j，携带的选举应答帧发送时间戳为T3j，主交换机记录接收到选举应答帧的时间戳为T4j；
所述主交换机连续进行NT次双向帧交互，并将测量出的延迟值组成数据集，每个拟合周期内的双向帧交互周期索引记为h，且0≤j＜N，0≤h＜NT，记第K次拟合周期内，第i次进行双向帧交互后，主交换机获取的N个延迟值组成数据集Mi(K)，该数据集表示为：
Mi(K)＝{mi(K)|mi(K)＝pdelayj(i)(K)}
其中，0≤i<NT；
基于Mi(K)数据集，对延迟测量值进行最小二乘拟合，假设第K次的拟合多项式为：
pdelayj′(K)＝a0+a1j2+…akjk+…+amjm
其中，多项式系数有：
将pdelayj′(K)的值作为新的延迟补偿值，得到第K次拟合后各FC-AE节点需要补偿的延迟值：
Δdelayj(K)＝Max{pdelayj′(K)}-pdelayj′(K)；
主交换机进行第K+1次延迟测量，记该拟合周期内第h次双向帧交互，得到的样本数据集为Mh(K+1)，该数据集为：
更新样本集为：
Mi(K)＝Mh(K+1)
将更新样本集重新进行多项式拟合，将得到的pdelayj′(K)值作为迭代更新后的延迟补偿值，再计算第K+1次拟合后各FC-AE节点需要补偿的延迟值，得到迭代更新后的各FC-AE节点需要补偿的延迟值；
主交换机通过FC-AE帧交互，将计算出的延迟补偿值下发到FC-AE通信节点，FC-AE通信节点根据接收到的延迟值，将恢复出的脉冲滞后对应的延迟值后输出，实现高精度的脉冲同步。
2.根据权利要求1所述高精度脉冲同步系统，其特征在于，所述FC-AE交换机在非级联端口未检测到脉冲原语，在接收到主交换机选举帧后，通过主交换机选举帧接收端口发送本交换机选举应答帧。
3.根据权利要求1所述高精度脉冲同步系统，其特征在于，所述主交换机对应的脉冲信号丢失时，FC-AE交换机自动将可用的优先级最高的备用同步脉冲源切换为主同步脉冲源；
主同步脉冲源FC-AE通信节点内部逻辑实时监测同步脉冲信号状态，当监测到脉冲信号丢失时，该FC-AE通信节点主动向FC-AE交换机发送信号丢失帧；
FC-AE交换机接收到信号丢失帧，获取主同步脉冲丢失信息后，按照备用同步脉冲优先级高低，通过交换机设备ID从高到低依次向连接备用同步源FC-AE通信节点发送主用模式切换帧；
连接备用同步脉冲源FC-AE通信节点接收到主用模式切换帧后，根据本节点备用同步脉冲信号状态，向FC-AE交换机发送主用模式切换应答帧，若本节点备用同步脉冲信号处于正常状态，则将本节点收到应答帧后配置其为主同步脉冲源，否则本节点仍为备用同步脉冲源；
同步系统中的所有FC-AE交换机均会接收主用模式切换应答帧，根据优先级继续向下一级优先级从脉冲源FC-AE通信节点发送主用模式切换帧，直到切换主脉冲源成功；
连接主同步源的FC-AE通信节点接收到备用模式切换应答帧后，将本节点配置为备用主脉冲同步源FC-AE通信节点。
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