CN1241849A - 在通信系统中确定传播时延的方法和检测处理器时钟漂移的方法 - Google Patents

Abstract

在通信系统中确定连接两个通信单元(A,B)的发送和接收传输路径上传播时延变化的方法,使用多级处理,在第一级从两个单元导出传播时延(tp1,tp2)的近似值(tp1*,tp2*),导出驱动各单元的处理器的时钟间的相对时差值(dt),并用近似值和时差值计算传播时延的初始值。在下级中导出传播时延(tp1,tp2)的新近似值(tp1*,tp2*),用这些新的近似值和相差值(dt)计算新的传播时延值,并将它们用做目前新的传播时延值。

Description

在通信系统中确定传播时延的方法和 检测处理器时钟漂移的方法

本发明涉及在双向通信系统中确定传播时延值的方法，和检测用于这样一个系统的各个独立处理器时钟之间的漂移的方法。本发明用于电力系统继电保护装置电力线电流和电压的采样样本同步：

已知的电力线继电设备有两个继电器——假设称为继电器A和继电器B(参阅图1a)——分别在电力线两端(未示出)测量电流和/或电压值。如图1b所示，每个继电器可以包括：一个由时钟源11驱动的处理单元10、一端连接到处理器10而另一端分别连接到天线14和15(在实践中可以是公用天线)的信息发射装置12和信息接收装置13。电流和电压传感器17，18用于测量电力线的电路电压参数。这些参数经处理器处理后，由天线14发送出去。

继电器在通信系统中作为通信设备，其中信息从一个继电器以无线方式(通常通过射频)或光纤传送到另一个继电器。在图1a所示的例子中，继电器A在时间tA1向继电器B发射一个信息，这个信息包括多个电流矢量的数据字和许多包含时间信息的其它字，这些时间信息中包括发送该信息的时间tA1。继电器B在传播时延tp1后的时间tB^*接收到这个信息，并且在时延td后的时间tB3发射它自己的信息，这个信息同样包括多个电流矢量和相应的时间信息。时间信息包括时间tB3、中继器A的发射时间tA1、以及tB^*和tB3之间的时间间隔td。最后，继电器B的信息在时间tA^*到达继电器A。

通常，电力线测量要求两个继电器在相同时间点抽样的基础上计算电流和其它电参数。然而，从图1a中可以看出，继电器A的抽样点有可能与继电器B不一致(tB3处于tA3和tA4之间)，因此继电器A必须寻找一种方法调整B的矢量值使其等于当在tA3和tA4时间抽样时它所应具有的值。为了达到这个目的，继电器A如下计算两个继电器之间的总传播时延tp1和tp2：

tp1+tp2＝tA^*-tA1-td

同时，假设两个传播时延是相同的，因此：

  tp1＝tp2＝tp＝(tA^*-tA1-td)/2，

如下计算tB3^*：

  tB3^*＝tA^*-tp。

然后，继电器A就可以分别根据时间差tA4-tB3^*和tB3^*-tA3对应的角度，向前调整继电器B的电流矢量使之与tA4相符，或向后调整使之与tA3相符(假设它已经存储在存储器位置中以便今后使用)。这个过程在图2中说明。同理中继电器B也同样旋转从继电器A接收的电流矢量使之与继电器5B的电流矢量同步。

这种方法在传播时延相等时工作得很好，这在实践中意味着在双方向上必须使用相同的传输路径，然而有些场合需要周期性地将一个方向(例如，从继电器A到继电器B)的传输切换到一条不同的路径上，而保持另一条路径(B到A)不变。这将导致不相等的传播时延并且会引起继电器中有的矢量调整不精确。

针对以上问题，本发明第一部分通过检测各个传播时延改变化来计算出通信路径不等时每条通信线的传播时延。本发明第二部分解决不同继电器的时钟之间出现的漂移。这两个部分紧紧相连，不可分割。缺乏第一部分，另一部分就不能工作。

本发明的第一部分提供一种确定通信系统中发送和接收路径各自的传播时延值(tp1，tp2)的方法，所述系统包括第一和第二个距离很远的通信装置(A，B)，每个这样的装置包括信息发射装置、信息接收装置和由时钟源驱动的处理装置，时钟源具有相对时差(dt)，所述方法包括以下步骤：

—在第一阶段中(初始化阶段)：

(a)建立所述各自的传播时延(tp1，tp2)的第一次近似值(tp1^*，tp2^*)；

(b)在所述传播时延相等的初始假设下，使用所述第一次近似值导出所述相对时差的数值表示(dt)；

(c)使用所述第一次近似值(tp1^*，tp2^*)和所述相对时差值(dt)导出所述传播时延的第一次数值(tp1，tp2)，所述第一值是相等的；

—在初始化阶段之后(运行阶段)：

(d)建立所述各自的传播时延(tp1，tp2)的新近似值(tp1^*，tp2^*)；

(e)使用所述新近似值(tp1^*，tp2^*)和上述相对时差值(dt)导出所述传播时延的新值(tp1，tp2)。

步骤(a)和(d)可能使用以下参数：相对所述第一装置自身的时钟源的第一发射时间(tA1)，在该时间所述第一装置(A)向所述第二装置(B)发射一个信息；根据所述第二装置自身的时钟源，第二装置记录下接收时间(tB^*)；根据所述第二装置自身的时钟源，所述第二装置(B)在时刻tB5向所述第一装置(A)发射另一个信息；根据所述第一装置自身的时钟源，第一装置(A)在时间tA^*所收到由装置(B)发射的述另一个信息。

从所述第一装置(A)到所述第二装置(B)的传播时延(tp1)的近似值和从所述第二装置(B)到所述第一装置(A)的传播时延(tp2)的近似值可以写为：

tp1^*＝tB^*-tA1

tp2^*＝tA^*-tB5

其中tp1^*，tp2^*分别是所述近似值，tA1是所述第一条信息发射时间，tB5是所述第二条信息发射时间，tB^*是所述第一条信息接收时间，而tA^*是所述第二条信息接收时间。所述相对时差的数值表示可以写为：

  dt＝0.5(tp2^*-tp1^*)

其中dt是所述的相对时差。

在所述步骤(c)和(e)中，从所述第一装置(A)到所述第二装置(B)的传播时延(tp1)和从所述第二装置(B)到所述第一装置(A)的传播时延(tp2)可以写为：

  tp1＝tp1^*+dt

  tp2+tp2^*-dt

其中tp1，tp2分别是所述传播时延。

上述步骤优点在于：可以不断地比较当前传播时延值与相应的前一个传播时延值以检测传播时延的变化。

本发明的第二部分提供一种在双向通信系统中检测第一和第二通信装置(A，B)各自的第一和第二处理器时钟之间的漂移的方法。当所述第一和第二装置交换信息数据时，这些数据中包括每个装置向其它装置传输所述信息数据的时间(tA1，tB5)，所述每个装置接受到信息后到该装置发出响应信息的时延(tdA，tdB)，所述传输时间(tA1，tB5)和所述时延(tdA，tdB)都是根据所述每个装置各自的时钟获取的，在运行中每个装置(A，B)按周期性的方式：

(a)参考它自身的标称时钟频率，记录下来自其它装置的信息的收到时间(tA^*，tB^*)和自身装置的信息发出时间(tA1，tB5)和响应时延(tdA，tdB)，导出所述信息从所述第一装置(A)到所述第二装置(B)的传播时延(tp1)的第一近似值(tp1^*)和所述信息从所述第二装置(B)到所述第一装置(A)的传播时延(tp2)的第二近似值(tp2^*)；

(b)将所述第一和第二近似值(tp1^*，tp2^*)与以前获得的相应值比较，如果相应的所述第一值(tp1^*)和相应的所述第二值(tp2^*)在各自相反的方向上变化并且变化率低于预定的阈限，就推断所述第一和第二个时钟的时钟频率之间发生了漂移。

在推断出发生漂移之前，每个装置在步骤(b)应确定所述第二组值(tp1^*，tp2^*)的所述变化是单调的。

(c)根据(b)中获取的时钟漂移值，修正相对时差dt，

即：dt_NEW＝dt+时钟漂移值ddt。

在所述装置之间通信过程开始的初始化期间，每个装置可以从所述近似值(tp1^*，tp2^*)导出所述时钟之间的相对时差(dt)；在随后的周期中，每个所述装置在所述步骤(b)检测所述近似值(tp1^*，tp2^*)中的预定变化量并且在步骤(c)中使用这个量来修改所述相位差表示值(dt)，于是，每个装置可以从所述近似值(tp1^*，tp2^*)和所述相位差表示值(dt)导出所述传播时延值(tp1，tp2)。

据此，本发明提供在通信系统中确定发送和接收路径各自的传播时延值(tp1，tp2)的方法。该方法包括以下步骤：

(I)记录第一通信装置(A)通过发送路径向第二通信装置(B)发送信息的时间tA1，

(II)记录该信息从第一通信装置(A)到达第二通信装置(B)的时间tB^*，

(III)记录第二通信装置(B)通过接收路径向第一通信装置(A)发送响应信息的时间tB5，

(IV)记录响应信息到达第一通信装置(A)的时间tA^*，

(V)按照tp1^*＝tB^*-tA1计算发送路径的近似传播时延tp1^*，

按照tp2^*＝tA^*-tB5计算接收路径的近似传播时延tp2^*，

(VI)如果是在第一和第二通信装置之间通信开始时初始计算dt，则按dt＝0.5(tp2^*-tp1^*)，计算时钟源之间的相对时差dt，

(VII)在相对时差dt的初始值计算之后，

(i)将发送路径的近似传播时延tp1^*和接收路径的近似传播时延tp2^*与它们以前获得的相应值比较，

(ii)如果tp1^*和tp2^*在多次计算上都有相反方向的单调变化并且变化率低于一个预定的阈限，则检测第一和第二时钟频率之间发生的漂移，

(iii)如果检测到时钟漂移，则从tp1^*和tp2^*的变化中导出时钟漂移值ddt，并且按照dt_new＝dt+ddt计算新的相对时差dt_new，并且

(VIII)按以下方式之一计算传播时延tp1，tp2：

(i)如果已经检测到时钟漂移，则对于发送路径按照tp1＝tp1^*+dt_new来进行，和对于响应路径按照tp2＝tp2^*-dt_new来进行，或

(ii)如果未检测到时钟漂移，则对于发送路径按照tp1＝tp1^*+dt来进行，和对于响应路径按照tp2＝tp2^*-dt来进行。

第一和第二通信装置(A，B)可以是连接到电力线各相应端的继电器，继电器彼此之间互相发送包括涉及所述电力线的电参数数据的信息。

所关注的是继电器之间有时会失去联系。考虑到这一点，可以周期性地记录时钟的相对漂移率，根据该漂移率与所述中断的持续时间的乘积中计算出中断期间的总漂移率，并用此总漂移率ddt来修正相对时差dt。公式为上述(c)所示，即：dt_NEW＝dt+ddt。新的dt_NEW计算来后，可根据上述(VIII)(i)公式计算出中断恢复后的传播时延tp1和tp2。

以下用举例的方式来说明本发明的细节及不同运行状态下的表现。

其中：

图1a表示包括两个电力线电流继电器的双向通信系统，而图1b是说明图1a所示每个继电器的各功能方面的框图；

图2描述图1的每个继矢量旋转；

图3到6是时序图，演示两个继电器之间的双向通信过程，并据此说明却发明计算传播时延的方法，在这些图中，传播时延的值是不同的；

图7是类似图3到6所示的时序图，用夸张的漂移率说明根据本发明检测两个继电器的处理器时钟之间产生的漂移，本例属反面例子。

图8用一种夸张的形式说明根据本发明校正两个继电器之间的时钟漂移的方法；

图9是一个扩展的时序图，它示出将时钟漂移校正过程细分为4个区，以建立漂移校正准则；

图10类似于图8，用实用参数说明根据本发明的时钟漂移补偿方法；

图11是类似于图7的时序图，用实际的漂移数据说明根据本发明检测两个继电器的处理器时钟之间产生的漂移的方法，本例与图7相比，属正面例子。

总之，本发明中使用的算法是希望即使出现了以下一种或几种问题，也能够确定如下描述的通信系统的发送和接收路径的传播时延的真实值，这些问题是：

(1)通信信道的发送路径和接收路径的传播时延具有不同值；

(2)发送路径和接收路径具有不同的长度；

(3)通信信道各端的时钟驱动不是同步的(例如，一端的时钟在其它端的时钟接通之前开始)；

(4)时钟驱动器以特定漂移率漂移并且漂移特性是非线性的；

(5)各时钟驱动器之间的通信链路中断。

本发明的第一方面可以参考图3说明。在图3中，假设两个继电器A和B各自在电力线两端以5ms的时间间隔抽样电流，但是抽样瞬间是不一致的——更准确地是继电器B在继电器A之后(或前)2.5ms抽样。然而，这两个抽样率保持一致，没有漂移。继电器A在时间tA1向继电器B发出一个信息，这个信息在时间tB^*被B接收。类似地，继电器B在时间tB5发出它的信息，并且这个信息在时间tA^*到达继电器A。注意，tB^*和tA^*是分别根据继电器B和A的独立时间帧估算的。实际传播时延tp1是从A到B的时延并且在图中总计有3个抽样分区，即15ms，tp2也是如此。然而，这些延迟都可以被分解为两个部分：所谓的“伪传播时延”tp1^*，tp2^*，它们是根据发射继电器的时间帧的信息发送时间和接收继电器根据它的时间帧的信息接收时间之间的时延；和时钟差值dt，它代表继电器A和B的时钟之间的相位差。因此，从图中可以看出，tp1^*是tB^*和tA1之间的时间，而tp2^*是tA^*和tB5之间的时间，dt是tA0^*和tB0之间的时间差。伪传播时延实际上是实际传播时延的近似值。

从图3可以导出下面的等式：

  tp2^*+tp1＝tp1^*+dt+dt+tp2

因此，dt＝(tp2^*+tp1-tp1^*-tp2)/2。

假设在第一次建立通信的启动期间，传播时延tp1和tp2是相等的。因此上面的等式简化为：

  dt＝(tp2^*-tp1^*)/2

为了建立dt的值，需要找到tp1^*和tp2^*的值。

这可以通过下面的关系获得：

  tp1^*＝tB^*-tA1

       ＝17.5ms-5ms

       ＝12.5ms

而

  tp2^*＝tA^*-tB5

       ＝42.5ms-25ms

       ＝17.5ms

因此，

  dt＝(17.5-12.5)/2

    ＝2.5ms。

求出dt后，可以按照下式获得实际传播时延tp1和tp2：

  tp1＝tp1^*+dt

     ＝15ms

  tp2＝tp2^*-dt

     ＝15ms。

如前所述，继电器B和A分别使用tp1和tp2将继电器A和B各自接收的电流矢量数据时间对齐。因此，在通信过程的最开始，每个继电器计算并且记录tp1^*和tp2^*，并且根据这些值得到dt，最后计算各自的真实传播时延tp1，tp2。

图4中描述了一条传输链路变为一个较长路径的情况。这里假设从B到A的路径时延增加了5ms而成为20ms，同时从A到B保持不变。在这种情况下，dt已经在通信过程开始时计算，并且保存了时钟的差值(dt)，但是需要计算伪传播时延的新值，并且通过它可以导出实际传播时延的新值。

从图4的定时细节可以得到：

  tp1^*＝tB^*-tA1

       ＝17.5ms-5ms

       ＝12.5ms

  tp2^*＝tA^*-tB5

       ＝47.5ms-25ms

       ＝22.5ms

通过这些值，利用dt＝2.5ms，可以导出：

  tp1＝tp1^*+dt

     ＝15ms

  tp2＝tp2^*-dt

     ＝20ms

这就是已经通过检查确定的正确值。

图5表示每一条信道路径都增加到20ms的情况。通过与上一个例子类比，可以如下导出伪传播时延：

  tp1^*＝tB^*-tA1

       ＝22.5ms-5ms

       ＝17.5ms

  tp2^*＝tA^*-tB5

       ＝47.5ms-25ms

       ＝2.5ms

因此，

    tp1＝tp1^*+dt

     ＝20ms

  tp2＝tp2^*-dt

     ＝20ms

这又是正确的答案。

在图6中给出了一种两条信道路径反方向变化的情况：从A到B增加到20ms，而从B到A减少到10ms。同样使用前面的等式：

  tp1^*＝tB^*-tA1

       ＝22.5ms-5ms

       ＝17.5ms

  tp2^*＝tA^*-tB5

       ＝37.5ms-25ms

       ＝12.5ms

因此：

  tp1＝tp1^*+dt

     ＝20ms

  tp2＝tp2^*-dt

     ＝10ms

与以前一样，这些就是期望值。

这样，就证明了一种方法，该方法即使在通信路径单方向或双方向变化的情况下，也可以通过两个继电器计算各个单独的真实传播时延(基于初始时延相等的假设)，并且使用它导出精确的电流矢量旋转。实际上，需要周期性地连续监视传播时延，用每一对新的数值更新上一对数值。通过简单地比较每一个更新数值对与上一个数值对，可以很容易地检测出传播时延的变化。

注意，如前面结合已知继电系统所提到的，每个继电器依赖于它从其它继电器接收的必要时间信息的各种参数的计算。因此，如图4，5和6所示，假设已经得到了基本时钟偏差dt，每个继电器向其它继电器发送的最少信息是电流矢量的值和依照发射继电器的时间参考的矢量传输时间。

然而，仍然存在着如何解决各个独立继电器时钟频率漂移的问题。

在实际系统中，继电器的处理器的时钟往往都要漂移，这样在这些时钟之间就有净相对漂移。如图7所示的情况，纯粹为了讨论的缘故，假设继电器A的时钟连续以5ms的间隔抽样，而继电器B已经将它的抽样率降为1/5.5ms。为了便于描述而已经故意夸大了漂移，更现实的漂移数字可能是每继电器±50ppm。

虽然继电器B时钟的实际抽样速率低于前面的例子(图3-6)，但是它的电路仍然假设以相同的速率抽样。这样，图7给出继电器B的两个时间标度：5.5ms抽样周期的实际时间标度，和5ms周期的“时间标记”标度。

象以前一样，两个继电器都在一段时间P范围估计伪传播时延，即，继电器A在已知tA^*和tB5(被包含在从B到A的信息中)的情况下估计tp2^*，同样在已知tA1和tB^*(通过从B发送到A的信息中所包含的tB5和td_B)的情况下估计tp1^*；对于继电器B也类似。

使用与前面相同的关系，比较“时间标记”轴和“实际时间”轴(后者在圆括号中)：

  tp1^*＝tB^*-tA1

       ＝15.9ms-5ms(17.5-5ms)

       ＝10.9ms(12.5ms)

  tp2^*＝tA^*-tB5

       ＝45ms-25ms(45ms-27.5ms)

       ＝20ms(17.5ms)

因此，使用与以前相同的dt值：

  tp1＝tp1^*+dt

     ＝13.4ms(15ms)

  tp2＝tp2^*-dt

     ＝17.5ms(15ms)。

这样，可以看出，鉴于实际传播时延保持相同(均为15ms)，但继电器的处理装置却认为它们似乎已改变了，这将可能被解释为传输路径的变化。因此继电器需要能够区分真正的传播时延变化和由于时钟漂移引起的视在变化。

在继电器A和B的实际实施例中，这些继电器的内部时钟是由一个16MHz的晶体控制的，它的精确度是±50ppm。如果假设一个继电器的晶体处在它的最大正误差，而另一个继电器的晶体处在它的最大负误差，那么净时钟漂移将高达100ppm，相当于在1秒中有100μs的漂移。

在这个实施例中通信处理器的最小记时分辨率是16μs，而在5ms抽样周期中时钟将最大漂移0.5μs，所以在32个抽样周期过去之前处理器不会登记任何改变。

现在，为了检测漂移引起的视在传播时延变化，本发明中的继电器处理器检查tp1^*和tp2^*的值并且对这些值使用两级基准测试，也就是说如果：

(a)tp1^*和tp2^*的值反方向变化，并且

(b)这种变化在一个扩展时间段中稳定地同向增长，

那么已经登记的变化就是由于时钟漂移引起的，而不是由于传输路径的变化。

这两个准则基于如下的认识，首先，双向传输路径都改变，并且在一个方向上增加时延而在另一个方向上减少时延的情况相当罕见。这可以参考上面描述的例子看出，虽然可以理解更多的将要根据按实际通信情况可能的实际路径选择，但是“相反变化”的例子只是其中可能性之一，其它可能性中的一个只涉及一个方向上的变化(例2)，而另一个在双方向上变化但方式相同(例3)。

第二准则的目的是弥补刚刚在第一准则中描述的缺陷(即，虽然很低，仍然存在有限的可能性或多或少地同时出现相反的路径变化)，这种弥补是借助于认识到：漂移将会相对较慢并且是单调的自然积累，而路径变化往往是随机的和偶然发生的。因此，第二准则要求相反方向中的tp1^*，tp2^*的变化发生在大量的抽样范围，并且这种变化是单调的。

当这些准则满足时，继电器将现有的dt值调整一个相当于总抽样周期结束时伪传播时延的变化值，然而这个值是处理器能够获得的最小分辨率的倍数(在前面给出的例子中，是16μs的倍数)，即两个继电器都在同样的意义上，适当的为正或为负地将它们的dt值调整相同的量，同时无需重新计算tp1和tp2。另一方面，在这些准则不满足时，dt保持不变并且重新计算tp1和tp2以反映传输路径长度的相应变化。

纯粹为了举例，这个过程可以参考图8得到说明。图8表示一系列以P为周期连续发生的传输例程，其中继电器A向继电器B发射(反之亦然)，在接收和随后另一个继电器发送信息之间有10ms的间隙。实际的传播时延在两种情况下都是15ms，如图7所示。另外，在图7中，以夸张的形式表示漂移，即10％的漂移(100,000ppm)。“实际”和“时间标记”抽样点在图的上部与它们各自的时间值一起分别在它们各自的时间标度上给出。可以看出在大约15个周期P(近似对应140个抽样)之后，二者之间有64ms的误差。

涉及第15个周期P的各种相关参数是：

tA1＝705ms

tB^*＝652ms

tB5＝661ms

tA^*＝745ms

与以前一样，将伪传播时延tp1^*，tp2^*带入等式，得到：

  tp1^*＝tB^*-tA1

       ＝652-705

       ＝-53ms

  tp2^*＝tA^*-tB5

       ＝745-661

       ＝84ms

因此，

  tp1＝tp1^*+dt

     ＝-53+2.5

     ＝-50.5ms

  tp2＝tp2^*-dt

     ＝84-2.5

     ＝81.5ms。

在这级不必计算tp1和tp2的值，但是在这里给出是为了说明漂移对计算传播时延的影响和如果不校正这种误差时的显然易见的危险。

现在，因为继电器已经登记了4个由于继电器B时钟漂移而导致的计数，因此将dt按照使tp1^*和tp2^*的值更靠近的考虑而给出4×16＝64ms的修改量。

因此，现在有：

  dt’＝2.5+64＝66.5ms

如果在这一级重新计算tp1和tp2(即使知道时延没有变化，但是伪传播时延由于漂移而有了变化)，将得到：

  tp1＝tp1^*+dt

  tp2＝tp2^*-dt

即，

  tp1＝-53+66.5

     ＝13.5ms

  tp2＝84-66.5

     ＝17.5ms。

实际值是15ms，但是可以清楚地看到该误差是由于这样的事实，即继电器B的实际和时间标记的时间值之差精确地为64ms的那一个点位于图9中周期14和周期15终点之间的某个位置。与刚刚所执行的相类似但是涉及周期14的实践将导致tp1和tp2大约分别为18.5ms和12.5ms，只是误差在相反的方向。从不同的角度来看这个差异，如果处理器不受16ms的最小分辨率的限制，就可以使用更恰当的时差值来修改dt。这种更恰当的值可以是，例如，在周期15中相应tB^*的点的时间标记和实际值之差，即717.5-652＝65.5。这样，将现有的64ms加上额外的1.5反馈改变dt，可以获得：

  tp1＝13.5+1.5

     ＝15ms

  tp2＝17.5-1.5

     ＝16ms

很明显，这更接近实际的传播时延。

在更优选的漂移补偿方法的模型中，同时参考前面提到的更实际的漂移率，为了建立准则(b)，在交互通信序列中建立4个“漂移区”，其中两个继电器A和B在连续的周期中再次交换信息；这些区是112-144μs区，144-192μs区，192-240μs区和240-288μs区(参阅图9)。这些μs图有效地对应图7和8中所示“实际”和“时间标记”时间帧之间增加的时间差，它们本身涉及伪传播时延的变化。

为了满足这个优选方案中的准则(b)，时钟漂移的轨迹必须从最里边的区(区1)通过所有区到达最外边的区(区4)，并且在移动到下一区之前必须在每个区停留一个特定的期间，例如40ms。一旦在特定的区满足“40ms停留”条件，处理器就给轨迹分配一个与该特定区关联的标志。当轨迹已经收集4个标志(每个标志来自一个区)时，就登记“时钟漂移”事件并且对dt的值进行前面提到的调整。如果漂移轨迹通过3个区，但是没能通过最外边的区就漂移回最里边的区，就不登记“时钟漂移”事件并且dt的值保持不变。如果tp1^*和tp2^*的变化从最里边跳到最外边的区或者其外，就认为变化是由于通信路径的改变导致的，而不是来自时钟漂移。

这个模型中dt值的调整可以参考图10来说明。除了漂移以μs给出并且在继电器A接收和随后发送信息之间有15ms间隙、以及继电器B的等价间隙为5ms之外(图中所示比例并不严格)，图10对应于图8中的所有基本细节。如在图7和8中那样，实际传播时延在两种情况下都是15ms。可以看出在50个周期P(相当于大约1024个电流抽样)后，二者之差为256μs。

涉及周期51的各种相关参数是：

  tA1＝2548ms

  tB^*＝2560.5ms+256.05μs

  tB5＝2565.5ms+256.55μs

  tA^*＝2583ms

与以前一样，将伪传播时延tp1^*，tp2^*带入等式，得到：

  tp1^*＝tB^*-tA1

       ＝2560.756-2548

       ＝12.756ms

  tp2^*＝tA^*-tB5

       ＝2583-2565.756

       ＝17.244ms

因此，

  tp1＝tp1^*+dt

     ＝12.756+2.5

     ＝15.256ms

  tp2＝tp2^*-dt

     ＝17.244-2.5

     ＝14.744ms

同样，在图8中，在这级不必计算tp1和tp2的值，但是在这里给出是为了说明漂移对计算传播时延的影响。

在图10的周期51期间，累计误差是256μs，相当于50Hz系统中的4.6(电度——参阅图2)误差和60Hz系统中的5.53误差。

现在，因为漂移轨迹已经通过了所有4个区(周期50和51是第四区的一部分，因为它们的时间差分别为251和256μs)，在每个区中的开销＞40ms，并且256μs的时钟漂移值已经被登记(这是最小处理器计数分辨率16μs的倍数)，所以这个登记的值要从dt中减去以使tp1，tp2的值回到实际传播时延时间。

因此得到：

dt’＝2.5+(-0.256)＝2.244ms

如果在这一级重新计算tp1和tp2(同样，即使知道时延没有变化，但是伪传播时延由于漂移而有了变化)，将得到：

  tp1＝tp1^*+dt’＝12.756+2.244＝15ms

  tp2＝tp2^*-dt’＝17.244-2.244＝15ms。

现在tp1和tp2的结果是正确的。

另外，正因为以前提到的计算传播时延的方法是周期性的，因此在利用连续进行漂移补偿的情况下，本发明的这个方面也是如此。

于是，这个方法并不是通过改变一个或两个继电器的时钟频率来校正时钟漂移，而是通过软件周期性地更新通信过程最开始时初始化得到的dt值来提供补偿。每个新的更新dt值的行为都改进上一次更新。

下表概括了至此已经描述的算法所完成的计算过程。

开始
	A.确定基本定时：A1.记录端A向端B发送信息的时间tA1A2.记录端A的信息到达端B的时间tB*A3.记录端B向端A发送响应信息的时间tB5A4.记录端B的信息到达端A的时间tA*
B.计算伪传播时延(传播时延＝近似传播时延)B1.tp1*＝tB*-tA1(发送路径)B2.tp2*＝tA*-tB5(接收路径)
	C.计算时钟相对时差dt：C1.如果是首次计算，那么dt＝0.5(tp2*-tp1*)C2.如果不是首次计算，那么dt＝前一个dt+时钟漂移ddt
D.计算实际传播时延D1.tp1＝tp1*+dt(发送路径)D2.tp2＝tp2*-dt(接收路径)
	结束

下面是一个出现在实际系统环境中的时钟漂移补偿的正面例子。这是参考图7提出的反面例子的伴随例。图3的结果将用于第一计算。具体地说，将使用时钟偏移dt＝2.5ms作为参考，即“旧的时钟偏移”(dt)。这个系统中的最大时钟漂移是40单位每百万(40ppm)，即每个时钟的最大漂移是±20ppm。

这种情况如图11所示。注意在图7中，两个时间轴的标度不同。在图11中，两个时间轴具有大致相同的标度。这将在下面和计算过程一起解释。

在这个例子中，时钟A的计数速率比时钟B快40ppm。在tA1时刻，端A向端B发送它的第一个信息之前，除原始时钟漂移dt＝2.5ms以外，还有2.0ms累积时钟漂移。(这个2.0ms时钟漂移是夸张的，以便使图更加清楚。在实际系统中，时钟漂移限制在不会超过几百微秒，例如在250-500μs之间)。

图3的tA1处，时钟B的对应时间是2.5ms。图11的tA1处，时钟B的对应时间是4.5ms，因为漂移等价于时钟B的更多的时延计数。这样：

新的时钟偏移dt＝以前的dt+时钟漂移＝2.5ms+2.0ms＝4.5ms。

来自端A的信息在

  tA1＝5ms

发送，并且在tB^*＝15.5ms+0.62μs≈15.5ms到达端B，

其中，0.62μs是原始2ms之上0ms到15.5ms之间的附加时钟漂移。

由于漂移如此之小，两个时间轴的标度就几乎是相同的。

端B在

  tB5＝25ms+1.0μs≈25ms

发出信息并且在tA^*＝44.5ms到达端A，

其中在端B的1.0μs是0ms和25ms之间的附加时钟漂移。

这样，伪时延

  tp1^*＝tB^*-tA1＝15.5-5＝10.5ms

  tp2^*＝tA^*-tB5＝44.5-25＝19.5ms

可以看出这里tp1^*(10.5ms)小于从图3导出的tp1^*(12.5ms)。还可以看出这里tp2^*(19.5ms)大于从图3导出的tp2^*(17.5ms)。

使用这两个新的伪时延，结果是：

实际时延tp1＝tp1^*+新dt＝10.5+4.5＝15ms

        tp2＝tp2^*-新dt＝19.5-4.5＝15ms

如果不使用时钟偏移补偿则将会有错误的结果：

错误时延tp1＝tp1^*+旧dt＝10.5+2.5＝13ms

        tp2＝tp2^*+旧dt＝19.5-2.5＝17ms

本发明还能够满足两个继电器之间通信链路中断的要求。在这里假设，当系统正常运行时，每几秒钟(例如每6秒)计算一次漂移率。当无线链路中断时，两个继电器的时钟继续漂移，假设它们的漂移速率与最后计算的速率相同。因此，当链路恢复时，中断期间的总净漂移是：

  漂移＝中断期间/6秒×6秒中的漂移率

当链路恢复之后，如上所述地重新计算tp1^*和tp2^*，根据补偿后的新时差(dt)，就可计算真正的传播时延tp1和tp2。获得的漂移dt被上面涉及中断期间的漂移所修正的结果)的基础上，导出tp1，tp2。

虽然在本发明描述的实施例中为各种参数假设特定值(例如，5ms抽样周期，信息接收和发送之间的15或5ms时延等)，根据应用不同，其它值也一样是可能的。对于在任何一个区中停留40ms的优选准则和不同区的定义也是如此。同样，本发明并不仅限于在电力线测量领域中使用，而是可以用于任何在空间分离的或相距较远的设备之间交换数据的场合。事实上，即使不伴随任何其它数据交换，例如所描述实施例中的电流矢量数据，本发明也可以单独用于测量传播时延和检测其中的变化。

Claims (13)

1.在通信系统中确定发送和接收路径各自的传播时延(tp1，tp2)的方法，所述系统包括第一和第二距离很远的通信装置(A，B)，每个这样的通信装置包括信息发射装置、信息接收装置和由时钟源驱动的处理装置，时钟源具有相对时差(dt)，所述方法包括以下步骤：

—在第一阶段(初始化阶段)：

(a)分建立所述各自的传播时延(tp1，tp2)的第一次近似值(tp1^*，tp2^*)；

(b)在所述传播时延相等的初始假设下，使用所述第一次近似值导出所述相对时差的数值(dt)；

(c)使用所述第一次近似值(tp1^*，tp2^*)和所述相对时差(dt)导出所述传播时延的第一次值(tp1，tp2)；

—在初始化阶段后(运行阶段)：

(d)建立所述各自的传播时延(tp1，tp2)的新近似值(tp1^*，tp2^*)；

(e)使用所述新近似值(tp1^*，tp2^*)和所述相对时差(dt)导出所述传播时延的新值(tp1，tp2)。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于步骤(a)和(b)使用以下参数：

—根据所述第一装置自身的时钟源，所述第一装置(A)在时间(tA1)向所述第二装置(B)发射一条信息；

—根据所述第二装置自身的时钟源，所述第二装置(B)在时间(tB^*)接收到所述信息；

—根据所述第二装置自身的时钟源，所述第二装置(B)在时间(tB5)向所述第一装置(A)发射另一个消息；和

—根据所述第一装置自身的时钟源，所述第一装置(A)在时间(tA^*)接收到所述另一个信息。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于从所述第一装置(A)到所述第二装置(B)的近似传播时延(tp1)和从所述第二装置(B)到所述第一装置(A)的近似传播时延(tp2)是如下导出的：

  tp1^*＝tB^*-tA1

  tp2^*＝tA^*-tB5

其中，tp1^*，tp2^*分别是所述近似值，tA1是所述第一条信息发射时间，tB5是所述第二条信息发射时间，tB^*是所述第一条信息接收时间，而tA^*是所述第二条信息接收时间。

4.根据权利要求3的方法，其特征在于所述第一次(初始化时)的相对时差是如下导出的：

  dt＝0.5(tp2^*-tp1^*)

其中，dt是相对时差。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于所述步骤(c)和(e)中，从所述第一装置(A)到所述第二装置(B)的传播时延(tp1)和从所述第二装置(B)到所述第一装置(A)的传播时延是如下导出的：

  tp1＝tp1^*+dt

  tp2＝tp2^*-dt

其中，tp1，tp2分别是所述传播时延。

6.根据前述任何一个权利要求，其特征在于当前的传播时延将不断地与前一个传播时延比较以检测传播时延的变化。

7.在双向通信系统中检测第一和第二通信装置(A，B)各自的第一和第二处理器时钟之间的漂移的方法，所述第一和第二装置交换信息数据，这些数据中包括每个装置向其它装置传输所述信息数据的时间(tA1，tB5)，和所述每个装置从其它装置接收信息数据与每个装置传输信息数据之间所经过的时间段(tdA，tdB)的数据表示，所述传输时间(tA1，tB5)和所述时间段(tdA，tdB)都是参考所述每个装置的标称时钟频率的，其特征在于每个装置(A，B)按周期性的方式：

(a)参考它自身的标称时钟频率，记录下信息接受时间(tA^*，tB^*)和发射时间(tA1，tB5)和响应延时(tdA，tdB)，导出从所述第一装置(A)到所述第二装置(B)的传播时延(tp1)的第一条信息近似值(tp1^*)和从所述第二装置(B)到所述第一装置(A)的传播时延(tp2)第二条信息的近似值(tp2^*)；

(b)将所述第一和第二条信息近似值(tp1^*，tp2^*)与以前获得的相应值比较，如果相应的所述第一条信息值(tp1^*)和相应的所述第二条信息值(tp2^*)在各自相反的方向上变化并且变化率低于预定的速率，就推断所述第一和第二时钟的时钟频率之间发生了漂移。

(c)根据(b)中获取的时钟漂移值修正相对时差dt，即，新dt＝旧dt+时钟漂移值ddt。

8.根据权利要求7的方法，其特征在于，当确定发生漂移之前，每个装置在步骤(b)必段确定所述第二次值(tp1^*，tp2^*)的所述变化是单调的。

9.根据权利要求8的方法，其特征在于用步骤(c)的方法及时钟漂移率修正相对时差dt。

10.根据权利要求7的方法，其特征在于所述装置之间的通信过程开始的初始化期间，每个装置可以从所述近似值(tp1^*，tp2^*)导出所述时钟之间的相对(dt)；在随后的周期中，每个所述装置在所述步骤(b)检测所述近似值(tp1^*，tp2^*)中的预定变化量并且在步骤(c)中使用这个量来修改所述相位差表示值(dt)，于是，每个装置可以从所述近似值(tp1^*，tp2^*)和所述相位差表示值(dt)导出所述传播时延值(tp1，tp2)。

11.在通信系统中确定发送和接收路经各自的传播时延值(tp1，tp2)的方法，所述通信系统包括第一和第二空间分离的通信装置(A，B)，每个该通信装置包括信息发射装置、信息接收装置和由时钟装置驱动的处理装置，第一和第二时钟装置具有第一和第二时钟频率和其间的相关相对时差(dt)，该方法包括以下步骤：

(a)记录第一通信装置(A)通过发送路径向第二通信装置(B)发送信息的时间tA1，

(b)记录该信息从第一通信装置(A)到达第二通信装置(B)的时间tB^*，

(c)记录第二通信装置(B)通过接收路径向第一通信装置(A)发送响应信息的时间tB5，

(d)记录响应信息到达第一通信装置(A)的时间tA^*，

(e)按照tp1^*＝tB^*-tA1计算发送路径的近似传播时延tp1^*，

(f)按照tp2^*＝tA^*-tB5计算接收路径的近似传播时延tp2^*，

(g)如果是在第一和第二通信装置之间通信开始时初始计算dt，则按dt＝0.5(tp2^*-tp1^*)，计算时钟源之间的相对时差dt，

(h)在相对时差dt的初始计算之后，

(I)将发送路径的近似传播时延tp1^*和接收路径的近似传播时延tp2^*与它们以前获得的相应值比较，

(II)如果tp1^*和tp2^*在多次计算上都有相反方向的单调变化，并且如果变化率低于一个预定的阈限，则检测第一和第二时钟频率之间发生的漂移，

(III)如果检测到时钟漂移，则从tp1^*和tp2^*的变化中导出时钟漂移值ddt，并且按照dt_new＝dt+ddt计算新的相对时差dt_new，和

(i)按以下方式之一计算传播时延tp1，tp2：

(I)如果已经检测到时钟漂移，则对于发送路径按照tp1＝tp1^*+dt_new来进行，和对于响应路径按照tp2＝tp2^*-dt_new来进行，或

(II)如果未检测到时钟漂移，则对于发送路径按照tp1＝tp1^*+dt来进行，和对于响应路径按照tp2＝tp2^*-dt来进行。

12.根据权利要求9或权利要求11的方法，其特征在于周期性地确定所述时钟的相对漂移率，根据该漂移率与所述中断的持续时间的乘积而计算出中断期间的总漂移率，并用此总漂移率ddt来修正相对时差dt，公式为上述(h)(III)所示，即：dt_NEW＝dt+ddt，新的dt计算出来后，可根据上述(i)(I)公式计算出中断恢复后的传播时延tp1和tp2。

13.根据前述任何一个权利要求的方法，其特征在于所述第一和第二通信装置(A，B)是分别连接到电力线两端的继电器，所述继电器彼此之间互相发送包括涉及所述电力线的电参数数据的信息。

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