KR102766867B1 - Apparatus and Method for time synchronization in linkage with master clock - Google Patents
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Abstract
마스터 클럭(Master clock)과의 통신에 일시적인 문제가 발생하더라도 각 설비 내 오실레이션 펄스의 동기화 정밀도의 향상 및 지속성과 안정성을 확보할 수 있는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치가 개시된다. 상기 시각 동기화 장치는, 제 1 기준 클럭신호를 생성하는 수신기, 상기 제 1 기준 클럭신호와 이종관계인 제 2 기준 클럭 신호를 생성하는 클럭 신호 생성기, 상기 제 1 기준 클럭 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호를 선택하는 선택기, 상기 제 1 기준 클럭 또는 상기 제 2 기준 클럭과 미리 생성되는 현재 동기 클럭 신호를 비교하는 비교기, 상기 비교 결과에 따라 동기 제어를 위한 제어 출력 신호를 생성하는 제어기, 상기 제어 출력 신호를 수치값-전압값 변환하여 변환 출력값을 생성하는 변환기, 및 상기 변환 출력값으로 위상 및 주파수를 동시에 동기화시켜 최종 동기 클럭 신호를 생성하는 발진기를 포함하는 것을 특징으로 한다.A master clock-linked time synchronization device capable of improving the synchronization precision of oscillation pulses within each facility and ensuring continuity and stability even when a temporary problem occurs in communication with a master clock is disclosed. The time synchronization device is characterized by including a receiver which generates a first reference clock signal, a clock signal generator which generates a second reference clock signal which is heterogeneous with the first reference clock signal, a selector which selects the first reference clock or the second reference clock signal, a comparator which compares the first reference clock or the second reference clock with a current synchronous clock signal which is generated in advance, a controller which generates a control output signal for synchronous control according to a result of the comparison, a converter which converts the control output signal into a numerical value-to-voltage value to generate a converted output value, and an oscillator which simultaneously synchronizes a phase and a frequency with the converted output value to generate a final synchronous clock signal.
Description
본 발명은 시각 동기화 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 위상 및 주파수를 동시에 마스터 클럭과 동기화시켜 자체 발진기내 마스터 클럭 추종형 시각동기를 이루도록 최적화한 형태로 신호의 샘플링 동작의 운용을 가능하게 하는 시각 동기화 장치 및 방법에 대한 것이다.The present invention relates to a time synchronization technology, and more specifically, to a time synchronization device and method that enable operation of a signal sampling operation in an optimized form to simultaneously synchronize phase and frequency with a master clock to achieve master clock-tracking time synchronization within an internal oscillator.
먼저, 주요 용어를 설명하면 다음과 같다.First, let me explain the key terms:
- 시각동기 : 다수 기기(Client)의 시각을 하나의 기준시각(Time server)에 맞추는 것- Time synchronization: aligning the time of multiple devices (clients) to a single reference time (time server)
- 지능형 전자장치(IED: Intelligent Electronic Device):- Intelligent Electronic Device (IED):
일반적으로 송배전 선로와 발전기, 부하 전압 및 전류 등의 아날로그 신호를 입력받아 신호처리과정을 통해 전력계통의 사고발생 여부를 감지하며, 단락, 지락 및 개방 등의 사고 발생 시에는 해당 고장선로를 건전선로로부터 신속하게 분리시켜 피해를 최소범위로 한정하는 전력계통 보호장치이다.It is a power system protection device that generally receives analog signals such as transmission and distribution lines, generators, load voltage and current, processes the signals to detect whether an accident has occurred in the power system, and in the event of an accident such as a short circuit, ground fault, or open circuit, it quickly separates the faulty line from the healthy line to minimize damage.
또한, 사고발생에 의한 계전요소 동작, 입출력 접점의 상태변화, 각종 기기설정 변경 등의 이벤트 발생정보를 발생시각 정보와 함께 저장함으로써 고장분석 및 기기조작 내역에 대한 조회를 용이하게 하는 기능을 제공한다.In addition, it provides a function that facilitates fault analysis and device operation history inquiry by storing event occurrence information such as relay element operation due to accident occurrence, status change of input/output contacts, and changes in various device settings along with occurrence time information.
MU(Merging Unit) : 현장의 아날로그 입력 신호를 샘플링하여 IEC 61850 표준에 따라 디지털 값으로 변환하여 전송하는 Analog to Digital 신호변환 및 전송장치.MU(Merging Unit): An analog-to-digital signal conversion and transmission device that samples analog input signals in the field, converts them into digital values according to the IEC 61850 standard, and transmits them.
시각 동기화 디바이스(Time Synchronization Device): 보호 제어 자동화 시스템 등 전력설비와 기타 시스템의 시각을 표준 시각에 맞추어 주기적으로 동기시키는 장치. 일반적으로 GPS(Global Positioning System)에 맞추어 시각동기가 되도록 함.Time Synchronization Device: A device that periodically synchronizes the time of power facilities and other systems, such as protection control automation systems, to a standard time. Generally, the time is synchronized to the Global Positioning System (GPS).
전력 설비 분야의 기존방식은 아날로그 신호(전류, 전압, 위상)를 IED(Intelligent Electronic Device)에 내장된 디지털 신호 변환부까지 신호선을 연결하여 IED 내부에서 디지털 신호로 변환하여 출력하는 형태를 가진다.The conventional method in the power equipment field is to connect signal lines to the digital signal conversion unit built into the IED (Intelligent Electronic Device) to convert analog signals (current, voltage, phase) into digital signals and output them inside the IED.
변전분야의 각종 보호 제어 자동화 설비들이 디지털화되면서, 설비는 단순화되고, 운영의 신뢰성과 각종 정보의 활용성은 더욱 높아지고 있다. 확대되는 전력수급량에 효율적으로 대응하기 위해 지능형 전력망이 점진적으로 도입되고 있다. 이를 위해 국내외적으로 감시·보호·제어 자동화 변전소를 구성하는 전력시스템의 통신방식은 IEC 61850 기반의 국제표준으로 구축되고 있는 추세이다.As various protection control automation facilities in the substation sector are digitized, the facilities are simplified, and the reliability of operation and the usability of various information are further increased. In order to efficiently respond to the expanding power supply and demand, intelligent power grids are gradually being introduced. To this end, the communication method of the power system that constitutes the monitoring, protection, and control automation substations domestically and internationally is trending toward being built as an international standard based on IEC 61850.
IED가 MU(Merging Unit)로부터 수신한 SV(Sampled Value), 상태 신호값 등의 취득 데이터는 IED간 정보 공유를 하게 되며, IED는 상위 운영장치(Station Control)와 GW(Gate Way) 등으로 리포트, 상태값 등을 전송하게 된다.The acquired data such as SV (Sampled Value) and status signal value received by the IED from the MU (Merging Unit) are shared between IEDs, and the IED transmits reports, status values, etc. to the upper operating device (Station Control) and GW (Gate Way).
전압, 전류 등의 샘플링 값은 정확한 보호제어 및 감시 기능 수행을 위해 시각 또는 위상정보를 정확히 일치시켜야 한다. 이를 위해 클럭유닛(Substation Clock)(120)을 통해 시스템 내에 필요로 하는 모든 장치들(110,130,140)을 시각 동기화시키게 된다. 이를 보여주는 도면이 도 1에 도시된다. Sampling values such as voltage, current, etc. must match the time or phase information exactly to perform accurate protection control and monitoring functions. To this end, all devices (110, 130, 140) required within the system are synchronized in time through a clock unit (Substation Clock) (120). A drawing showing this is shown in Fig. 1.
최근에는 프로세스 버스(Process bus)를 이용하여 현장의 신호원에서 직접 디지털 변환을 하여 구현하는 형태로 전환되고 있다. 이때에 IEC 61850-9-2 (Sampled Value, SV) 표준을 기준으로 IED(130)에서 디지털 데이터를 리모트 억세스(230) 및 네트워크(220)로 전달하는 방식으로 진행된다.Recently, it is being converted to a form of implementation in which digital conversion is performed directly from the signal source in the field using a process bus. At this time, digital data is transmitted from the IED (130) to remote access (230) and the network (220) based on the IEC 61850-9-2 (Sampled Value, SV) standard.
머징유닛(MU)(140)은 현장의 신호원에서 디지털값으로 변환하고 SV 데이터를 추출 및 출력하게 되며, 서로 다른 지점에 설치된 머징유닛들(140)은 마스터 클럭(Master clock, 주시각원)(210-1,210-2)과의 시각동기가 필수적이다. 이를 보여주는 도면이 도 2이다.The merging unit (MU) (140) converts the signal source on site into a digital value and extracts and outputs SV data. The merging units (140) installed at different locations must be synchronized with the master clock (master clock, main clock source) (210-1, 210-2). A drawing showing this is shown in Fig. 2.
시각동기가 정상적인 범위를 만족하지 못할 경우, 동일 선로에서 측정한 전압 데이터와 전류 데이터의 위상이 각 MU 내에서 처리될 때 아날로그 신호의 디지털 변환시 샘플링 시각 불일치로 인해 오차가 발생하게 된다. 이는 변전소 자동화 설비의 오동작을 유발하게 된다.If the time synchronization does not meet the normal range, errors will occur due to sampling time mismatch when converting analog signals to digital when the phase of voltage data and current data measured on the same line is processed within each MU. This will cause malfunction of substation automation equipment.
한편, 기존 시각 동기화 방식의 경우, IED 내장형 ADC(Analog to Digital Converter) 장치 또는 MU 내부의 샘플링 클럭을 생성하기 위해 클럭 장치 내부에 고정형 발진기(오실레이터 : Oscillator)를 가지고 있다. 이 발진기를 통해 마스터 클럭(주시각원)으로부터의 동기신호를 수신하여 내부 고정형 발진기와의 시각 차이를 보정하게 된다.Meanwhile, in the case of the existing time synchronization method, a fixed oscillator is located inside the clock device to generate a sampling clock inside the IED built-in ADC (Analog to Digital Converter) device or MU. A synchronization signal from the master clock (main clock source) is received through this oscillator to correct the time difference with the internal fixed oscillator.
또한, 시각차이 신호를 샘플링 기준점으로 활용하는 방식에 있어서는 마스터 클럭의 동기신호를 순간적으로 잃을 경우, 규모가 큰 네트워크 시스템에서는 해당 기간동안 마스터 클럭과 동기되지 않은 내부 고정형 발진기에 의존하여 전압과 전류 등 주요 신호의 샘플링을 진행하게 된다. 이때, 시각동기 오차가 확대될 경우, 보호제어 기능에 문제가 발생하게 된다. In addition, in the method of utilizing a time difference signal as a sampling reference point, if the synchronization signal of the master clock is momentarily lost, in a large-scale network system, sampling of major signals such as voltage and current is performed by relying on an internal fixed-type oscillator that is not synchronized with the master clock during that period. In this case, if the time synchronization error increases, problems occur in the protective control function.
이때, 고정형 발진기의 내부오차의 정확도와 관련한 표준은 IEC( International Electrotechnical Commission) 61850에서는 SV(Sampled Value) 출력장치인 MU와 IED 등의 전송 경로상에 있는 전자장치의 시각동기 정확도를 국제표준에서는 1[μsec] 내외로 규정하고 있다. 그러나, 자체 하드웨어 성능을 구현한 것으로 마스터 클럭과의 지속적인 연동을 통한 고정밀 설비 운영은 불가능하여 시각 동기 오차가 확대될 수 있다는 단점이 있다.At this time, the standard related to the accuracy of the internal error of the fixed oscillator is IEC (International Electrotechnical Commission) 61850, which stipulates the time synchronization accuracy of electronic devices on the transmission path, such as MU and IED, which are SV (Sampled Value) output devices, as approximately 1 [μsec] in the international standard. However, since it implements its own hardware performance, it is impossible to operate high-precision equipment through continuous linkage with the master clock, so there is a disadvantage that the time synchronization error may increase.
한편, 다수의 장치가 버스(Bus)형 네트워크로 연결된 경우, 다수의 전송경로상에 있는 전자장치에 대해서는 IEC등 관련 표준에서는 제작 가이드가 존재하지 않고 있다. 때문에 변전소 등의 전력설비 보호를 위한 보호제어 요건을 제시하지 않고 있어, 효과적인 네트워크 시스템의 구현을 위한 제약사항이 되고 있다. Meanwhile, when multiple devices are connected to a bus-type network, there is no manufacturing guide in the relevant standards such as IEC for electronic devices on multiple transmission paths. Therefore, protection control requirements for protecting power facilities such as substations are not provided, which is a limitation for implementing an effective network system.
한편, GPS(Global Positioning System) 수신기에서 1초마다 전송되는 기준 PPS 신호(또는 IEEE 1588 PTP 신호)와 자체 고정형 발진기의 출력 클럭 간의 지연에 의한 위상/시간 정보를 비교하여 그 차분에 대하여 보정을 수행한다. 이후, 샘플링(Sampling) 클럭 신호를 제공하여 기준 PPS와의 동기를 맞추는 것으로 기준신호 상실시, 주기적으로 동기를 맞추는 것이 곤란하다는 단점이 있다.Meanwhile, the phase/time information due to the delay between the reference PPS signal (or IEEE 1588 PTP signal) transmitted every second from the GPS (Global Positioning System) receiver and the output clock of the self-locking oscillator is compared to perform compensation for the difference. After that, a sampling clock signal is provided to synchronize with the reference PPS, but there is a disadvantage in that it is difficult to periodically synchronize when the reference signal is lost.
또한, 기존 설비의 운용특성은 설비 또는 시스템 구성이 간단하거나 기준클럭을 제공하는 마스터 클럭의 상실(중단) 없이 운용되는 일반적인 동작환경(또는 설비상태)에서는 문제가 발생하지는 않는다. 그러나, 기준 클럭인 PPS 신호를 상실할 경우이거나, 설비를 구성하는 네트워크 시스템이 복잡한 구조일 경우에는 네트워크시스템 타 장치와의 동기를 맞추는데 있어서 정밀도 유지가 곤란하여 정확한 보호제어 감시 기능의 수행이 어렵다는 단점이 있다.In addition, the operating characteristics of existing equipment do not cause problems in general operating environments (or equipment conditions) where the equipment or system configuration is simple or where the master clock providing the reference clock is not lost (interrupted). However, if the PPS signal, which is the reference clock, is lost or the network system configuring the equipment has a complex structure, it is difficult to maintain precision in synchronizing with other devices in the network system, which makes it difficult to perform accurate protection control monitoring functions.
부연하면, 기존설비의 시각 동기화의 핵심은 장치간 시간지연에 대한 차분을 보상하여 클럭의 정밀도가 개선되도록 샘플링 클럭신호를 제공하는 구조이다. 그러나 마스터 클럭이 상실되거나 복잡한 구조를 갖는 시스템 적용시는 시각동기 정밀도 유지가 곤란하다는 문제점이 있다.In other words, the core of the time synchronization of existing equipment is the structure that provides a sampling clock signal to improve the clock precision by compensating for the difference in time delay between devices. However, when the master clock is lost or a system with a complex structure is applied, there is a problem that it is difficult to maintain the time synchronization precision.
즉, 기존 국제표준(IEC) 기반의 시스템에서는 시스템의 규모가 확대 될수록, 네트워크 시스템의 토폴로지(구조)가 복잡해지고 구성기기의 수량이 증가하여, 변전소내 IED, MU 등 기타 설비간 적절한 시각 동기 이행이 어렵게 되어, 전력설비의 보호제어감시 시스템의 오동작을 유발할 수 있다.That is, in a system based on existing international standards (IEC), as the scale of the system increases, the topology (structure) of the network system becomes more complex and the number of component devices increases, making it difficult to properly synchronize time between IEDs, MUs, and other equipment within a substation, which may cause malfunctions in the protection, control, and monitoring system of power equipment.
또한, 기준 클럭인 마스터 클럭의 상실시에는 장치 내부의 발진기 오차가 시간이 지날수록 확대되어 신호 샘플링시 정밀도가 저하되어 시스템의 오동작을 유발하게 된다. In addition, when the master clock, which is the reference clock, is lost, the oscillator error inside the device increases over time, which reduces the precision of signal sampling and causes the system to malfunction.
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 마스터 클럭(Master clock)과의 통신에 일시적인 문제가 발생하더라도 각 설비 내 오실레이션 펄스의 동기화 정밀도의 향상 및 지속성과 안정성을 확보할 수 있는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the problems according to the above background technology, and its purpose is to provide a master clock-linked time synchronization device and method capable of improving the synchronization precision of oscillation pulses within each facility and ensuring continuity and stability even when a temporary problem occurs in communication with a master clock.
또한, 본 발명은 변전소 등 전력설비의 보호 제어 자동화 시스템 규모가 큰 네트워크 시스템 적용에 있어서도 시각 동기화 운용시 샘플링되는 기준 클럭의 고정밀도를 구현을 위해 PID(Proportional Integral Derivative Control : 비례적분미분) 제어 및 제어 출력값의 전압 변환기술, 전압 제어 발진기 등을 이용하여 시각 동기화를 위한 클럭의 정밀도를 안정된 고정밀도로 유지할 수 있는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.In addition, the present invention provides a master clock-linked time synchronization device and method capable of maintaining the precision of the clock for time synchronization at a stable, high precision by using PID (Proportional Integral Derivative Control) control and voltage conversion technology of the control output value, a voltage-controlled oscillator, etc., to implement high precision of the reference clock sampled during time synchronization operation in a large-scale network system application of the protection control automation system of power facilities such as substations. Another purpose of the present invention is to provide a master clock-linked time synchronization device and method capable of maintaining the precision of the clock for time synchronization at a stable, high precision by using PID (Proportional Integral Derivative Control) control and the voltage conversion technology of the control output value.
또한, 본 발명은 고신뢰 시각동기 시스템의 운용을 가능하게 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치 및 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다. In addition, another purpose of the present invention is to provide a master clock-linked time synchronization device and method that enable operation of a high-reliability time synchronization system.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해 마스터 클럭(Master clock)과의 통신에 일시적인 문제가 발생하더라도 각 설비 내 오실레이션 펄스의 동기화 정밀도의 향상 및 지속성과 안정성을 확보할 수 있는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치를 제공한다.The present invention provides a master clock-linked time synchronization device capable of improving the synchronization precision of oscillation pulses within each facility and ensuring continuity and stability even when a temporary problem occurs in communication with a master clock to achieve the task presented above.
상기 시각 동기화 장치는,The above visual synchronization device,
제 1 기준 클럭신호를 생성하는 수신기;A receiver generating a first reference clock signal;
상기 제 1 기준 클럭신호와 이종관계인 제 2 기준 클럭 신호를 생성하는 클럭 신호 생성기;A clock signal generator that generates a second reference clock signal that is heterogeneous with the first reference clock signal;
상기 제 1 기준 클럭 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호를 선택하는 선택기;A selector for selecting the first reference clock signal or the second reference clock signal;
상기 제 1 기준 클럭 또는 상기 제 2 기준 클럭과 미리 생성되는 현재 동기 클럭 신호를 비교하는 비교기;A comparator for comparing a current synchronous clock signal generated in advance with the first reference clock or the second reference clock;
상기 비교 결과에 따라 동기 제어를 위한 제어 출력 신호를 생성하는 제어기;A controller that generates a control output signal for synchronous control according to the above comparison result;
상기 제어 출력 신호를 수치값-전압값 변환하여 변환 출력값을 생성하는 변환기; 및A converter that converts the above control output signal into a numerical value-to-voltage value and generates a converted output value; and
상기 변환 출력값으로 위상 및 주파수를 동시에 동기화시켜 최종 동기 클럭 신호를 생성하는 발진기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.It is characterized by including an oscillator that simultaneously synchronizes phase and frequency with the above-mentioned conversion output value to generate a final synchronous clock signal.
이때, 상기 제 1 기준 클럭 신호는 GPS(Global Positioning System) 신호를 이용하여 생성되며, 상기 제 2 기준 클럭 신호는 PTP(Precision Time Protocol) 통신으로부터 추출되는 것을 특징으로 한다.At this time, the first reference clock signal is generated using a GPS (Global Positioning System) signal, and the second reference clock signal is characterized in that it is extracted from PTP (Precision Time Protocol) communication.
또한, 상기 PTP 통신은 IEEE 1588 PTP 통신인 것을 특징으로 한다.In addition, the PTP communication is characterized as IEEE 1588 PTP communication.
또한, 상기 비교기는 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호가 특정 시간 동안 입력되지 않으면, 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호와 상기 발진기의 자체 전압 제어 발진 클럭 신호와의 차분값을 추출하는 것을 특징으로 한다.In addition, the comparator is characterized in that it extracts a differential value between the first reference clock signal or the second reference clock signal and the self-voltage control oscillation clock signal of the oscillator when the first reference clock signal or the second reference clock signal is not input for a specific time.
또한, 상기 차분값은 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호와 상기 발진기(380)의 자체 전압 제어 발진 클럭 신호와의 오차가 최소화되도록 TOF(Time of Flight) 차분 비교를 통해 산출되는 것을 특징으로 한다.In addition, the differential value is characterized in that it is calculated through a TOF (Time of Flight) differential comparison so that the error between the first reference clock signal or the second reference clock signal and the self-voltage control oscillation clock signal of the oscillator (380) is minimized.
또한, 상기 제어 출력 신호는 PID(Proportional Integral Derivative Control : 비례적분미분) 제어 기능을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 한다.In addition, the control output signal is characterized in that it is produced using a PID (Proportional Integral Derivative Control) control function.
또한, 상기 변환 출력값은 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호를 상실하기 직전 일정기간의 제어값의 평균값과 유효값을 계산하여 수치값-전압값 변환(NVC: Numeric to Voltage Conversion)을 통해 산출되는 것을 특징으로 한다.In addition, the conversion output value is characterized in that it is produced through numeric to voltage conversion (NVC) by calculating the average value and the effective value of the control value for a certain period immediately before losing the first reference clock signal or the second reference clock signal.
또한, 상기 제 1 기준 클럭 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호는 PPS(Pulse Per Second)인 것을 특징으로 한다.Additionally, the first reference clock or the second reference clock signal is characterized in that it is PPS (Pulse Per Second).
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 수신기가 제 1 기준 클럭신호를 생성하는 단계; (b) 클럭 신호 생성기가 상기 제 1 기준 클럭신호와 이종관계인 제 2 기준 클럭 신호를 생성하는 단계; (c) 선택기가 상기 제 1 기준 클럭 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호를 선택하는 단계; (d) 비교기가 상기 제 1 기준 클럭 또는 상기 제 2 기준 클럭과 미리 생성되는 현재 동기 클럭 신호를 비교하는 단계; (e) 제어기가 상기 비교 결과에 따라 동기 제어를 위한 제어 출력 신호를 생성하는 단계; (f) 변환기가 상기 제어 출력 신호를 수치값-전압값 변환하여 변환 출력값을 생성하는 단계; 및 (g) 발진기가 상기 변환 출력값으로 위상 및 주파수를 동시에 동기화시켜 최종 동기 클럭 신호를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 방법을 제공한다.On the other hand, another embodiment of the present invention provides a master clock-linked time synchronization method, characterized by including: (a) a step of a receiver generating a first reference clock signal; (b) a step of a clock signal generator generating a second reference clock signal which is heterogeneous with the first reference clock signal; (c) a step of a selector selecting the first reference clock or the second reference clock signal; (d) a step of a comparator comparing the first reference clock or the second reference clock with a current synchronous clock signal that is generated in advance; (e) a step of a controller generating a control output signal for synchronous control according to a result of the comparison; (f) a step of a converter converting the control output signal into a numerical value-to-voltage value to generate a converted output value; and (g) a step of an oscillator synchronizing a phase and a frequency simultaneously with the converted output value to generate a final synchronous clock signal.
또한, 상기 (d) 단계는, 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호가 특정 시간 동안 입력되지 않으면, 상기 비교기가 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호와 상기 발진기의 자체 전압 제어 발진 클럭 신호와의 차분값을 추출하는 것을 특징으로 한다.In addition, the step (d) is characterized in that, if the first reference clock signal or the second reference clock signal is not input for a specific time, the comparator extracts a differential value between the first reference clock signal or the second reference clock signal and the self-voltage control oscillation clock signal of the oscillator.
본 발명에 따르면, 전력설비 보호, 제어, 감시 등의 자동화 시스템 운용시에 GPS(Global Positioning System)를 통한 마스터 클럭과의 동기 신호를 잃을 경우에도 자체 장치 내부의 동기 상태를 마스터 클럭과 연계한 동기 최적화 시스템을 구현함으로써 데이터 샘플링부에 고정밀 동기화 신호를 전달 및/또는 동작 가능하도록 한다.According to the present invention, when operating an automated system for power facility protection, control, monitoring, etc., even if the synchronization signal with the master clock through the Global Positioning System (GPS) is lost, a synchronization optimization system is implemented that links the synchronization state within the device to the master clock, thereby enabling transmission and/or operation of a high-precision synchronization signal to a data sampling unit.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 IEEE 1588 PTP(Precision Time Protocol)를 이용한 패킷 전송방식의 시각동기화 측면에 있어서 T/C(Time/Clock)를 이용한 직렬 네트워크 구성시, 기존 기술 최대 15개 노드(750ns) 구성에 제약을 받지 않고 20~30개 이상의 장치 구성이 가능하여 대규모 전력설비의 보호제어자동화용 네트워크시스템의 설계와 구현, 운영을 용이하게 한다는 점을 들 수 있다.In addition, another effect of the present invention is that, in terms of time synchronization in a packet transmission method using IEEE 1588 PTP (Precision Time Protocol), when configuring a serial network using T/C (Time/Clock), it is not limited to the maximum 15 nodes (750 ns) of the existing technology, and configuring 20 to 30 or more devices is possible, thereby facilitating the design, implementation, and operation of a network system for protection and control automation of large-scale power facilities.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 네트워크 시스템내에 각종 클럭장치(TC(Tranparent Clock), BC(Boundary Clock), OC(Ordinary Clock)), 스위치 등이 부설되더라도 IED, MU 등 네트워크 내 타 장비들간의 전류, 전압 데이터값의 최적화 동기신호 제공으로 오차(위상, 시간) 없는 고정밀 샘플링 동기 유지가 가능하다는 점을 들 수 있다.In addition, another effect of the present invention is that even if various clock devices (TC (Tranparent Clock), BC (Boundary Clock), OC (Ordinary Clock)), switches, etc. are installed in a network system, it is possible to maintain high-precision sampling synchronization without error (phase, time) by providing optimized synchronization signals for current and voltage data values between other devices in the network, such as IEDs and MUs.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 마스터 클럭과 연계한 고정밀 시각동기 알고리즘을 적용함으로써 기존 기술을 적용한 시스템의 운용 시, 시각동기 오차 확대로 인한 일시적인 오동작과 이로 인한 큰 사고를 방지하여 변전소 보호제어 자동화시스템의 운용신뢰도를 극대화할 수 있으며 향후, 지능형 어플리케이션 시스템의 효과적인 적용과 운영시스템의 고도화 및 효율 향상을 기대할 수 있다는 점을 들 수 있다.In addition, another effect of the present invention is that by applying a high-precision time synchronization algorithm linked to a master clock, temporary malfunctions due to increased time synchronization error and major accidents caused by these can be prevented when operating a system applying existing technology, thereby maximizing the operational reliability of a substation protection control automation system, and in the future, effective application of an intelligent application system and advancement and efficiency improvement of an operating system can be expected.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 기존 설비 대비 더욱 정밀한 시각 동기화 기술을 제공하여 분산전원, 계통해석, 발/변전소 등 다양한 전력설비의 위상분석, 보호제어, 고장분석 기능을 효과적으로 달성할수 있다는 점을 들 수 있다.In addition, another effect of the present invention is that it can effectively achieve phase analysis, protection control, and fault analysis functions of various power facilities such as distributed power sources, system analysis, and power plants/substations by providing more precise time synchronization technology compared to existing facilities.
도 1은 일반적인 변전 자동화 시스템의 주요 구성장치 접속 구조도이다.
도 2는 일반적인 전력설비 프로세스 버스 네트워크 적용 보호 제어 자동화 시스템의 구성 개요도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치의 구성 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 시각 동기화 과정을 보여주는 흐름도이다.Figure 1 is a diagram showing the main components of a typical substation automation system.
Figure 2 is a schematic diagram of the configuration of a protection control automation system applied to a general power facility process bus network.
FIG. 3 is a block diagram of a master clock-linked time synchronization device according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a flowchart showing a visual synchronization process according to one embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention can have various modifications and various embodiments, and specific embodiments are illustrated in the drawings and specifically described in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, but should be understood to include all modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.When describing each drawing, similar reference numerals are used to refer to similar components.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only to distinguish one component from another.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.For example, without departing from the scope of the present invention, the first component could be referred to as the second component, and similarly, the second component could also be referred to as the first component. The term "and/or" includes any combination of a plurality of related listed items or any item among a plurality of related listed items.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with their meaning in the context of the relevant art, and should not be interpreted in an idealized or overly formal sense, unless expressly defined in this application.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a master clock-linked time synchronization device and method according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치(300)의 구성 블럭도이다. 도 3을 참조하면, 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치(300)는, 제 1 기준 클럭신호를 생성하는 수신기(320), 상기 제 1 기준 클럭신호와 이종관계인 제 2 기준 클럭 신호를 생성하는 클럭 신호 생성기(330), 제 1 기준 클럭 또는 제 2 기준 클럭 신호를 선택하는 선택기(340), 제 1 기준 클럭 또는 제 2 기준 클럭과 발진기(380)로부터의 미리 생성되는 현재 동기 클럭 신호를 비교하는 비교기(350), 비교 결과에 따라 동기 제어를 위한 제어 출력 신호를 생성하는 제어기(360), 제어 출력 신호를 수치값-전압값 변환하여 변환 출력값을 생성하는 변환기(370), 변환 출력값으로 위상 및 주파수를 동시에 동기화시켜 최종 동기 클럭 신호를 생성하는 발진기(380) 등을 포함하여 구성될 수 있다.FIG. 3 is a block diagram of a master clock-linked time synchronization device (300) according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the master clock-linked time synchronization device (300) may include a receiver (320) that generates a first reference clock signal, a clock signal generator (330) that generates a second reference clock signal that is different from the first reference clock signal, a selector (340) that selects the first reference clock or the second reference clock signal, a comparator (350) that compares the first reference clock or the second reference clock with a current synchronous clock signal generated in advance from an oscillator (380), a controller (360) that generates a control output signal for synchronous control according to the comparison result, a converter (370) that converts the control output signal into a numerical value-to-voltage value to generate a converted output value, and an oscillator (380) that simultaneously synchronizes the phase and frequency with the converted output value to generate a final synchronous clock signal.
수신기(320)는 GPS(Global Positioning System) 위성(310)으로부터 GPS 신호를 수신하여 제 1 기준 클럭 신호(PPS: Pulse Per Second)를 생성한다.The receiver (320) receives a GPS signal from a GPS (Global Positioning System) satellite (310) and generates a first reference clock signal (PPS: Pulse Per Second).
클럭 신호 생성기(330)는 이더넷 프로토콜(Ethernet protocol)인 1588 PTP(Precision Time Protocol) 통신에서 추출하는 PPS 신호를 선택하여 제 2 기준 클럭 신호를 생성한다. The clock signal generator (330) selects a PPS signal extracted from 1588 PTP (Precision Time Protocol) communication, which is an Ethernet protocol, to generate a second reference clock signal.
선택기(340)는 제 1 기준 클럭 또는 제 2 기준 클럭 신호를 선택하는 기능을 수행한다. 부연하면, 마스터 시각 동기 신호를 수신하는데 있어서 GPS 수신기로부터의 PPS 신호 또는 이더넷 망을 통한 IEEE1588 PTP 신호를 입력받아서 사용자의 선택에 의해 필요로 하는 시각동기 신호를 선택하는 기능을 수행한다. The selector (340) performs the function of selecting the first reference clock signal or the second reference clock signal. In detail, in receiving the master time synchronization signal, it performs the function of selecting the time synchronization signal required by the user's selection by receiving the PPS signal from the GPS receiver or the IEEE1588 PTP signal through the Ethernet network.
비교기(350) 앞단에서 분기되는 기준 클럭(PPS)은 GPS를 통한 마스터 클럭에서 제공되는 신호로, 마스터 클럭의 정상동작(비고장) 상태에서 항상 제공되는 신호이다. 비교/제어/변환/발진기 등을 통한 동기 클럭은 기준 클럭이 제공되지 않을 때 기준 클럭을 대체하는 기능을 갖도록 생성되는 클럭 신호이다. 따라서, 기준 클럭은 마스터 클럭 정상 동작/제공 시, 각 전자 장치별 내부의 시각 동기화 모듈에 제공되는 클럭신호이다.The reference clock (PPS) branched from the front of the comparator (350) A signal provided from the master clock via GPS, which is always provided in the normal operation (non-fault) state of the master clock. A synchronous clock via comparison/control/conversion/oscillator, etc., is a clock signal generated to have the function of replacing the reference clock when the reference clock is not provided. Therefore, the reference clock is a clock signal provided to the internal time synchronization module of each electronic device when the master clock is operating/provided normally.
비교기(350)는 제 1 기준 클럭 신호 또는 제 2 기준 클럭 신호와 발진기(380)로부터 출력되고 있는 현재 동기 클럭 신호를 비교하는 기능을 수행한다.The comparator (350) performs a function of comparing the first reference clock signal or the second reference clock signal with the current synchronous clock signal output from the oscillator (380).
마스터 클럭(즉, 수신기(320) 또는 클럭 신호 생성기(330))로부터의 기준 시각 동기 신호(PPS)(즉, 제 1 기준 클럭 신호 또는 제 2 기준 클럭 신호)가 입력되지 않고 장시간(예를 들면, 10분) 상실될 경우, 기준 시각동기 신호와 수치 제어 발진기(NCO: Numerically Controlled Oscillator)(380)로부터의 출력 클럭 신호(즉 현재 동기 클럭 신호)를 상호 비교하여 기준 신호 및 클럭 신호간의 차분값을 추출하는 기능을 수행한다. 엄밀하게 말하면, 마스터 클럭의 기준 동기 신호(PPS)와 자체 전압 제어 발진(VCO: Voltage Controlled Oscillator) 클럭 신호와의 차분값을 추출하는 기능을 수행한다. When a reference time synchronization signal (PPS) (i.e., a first reference clock signal or a second reference clock signal) from a master clock (i.e., a receiver (320) or a clock signal generator (330)) is not input and is lost for a long period of time (e.g., 10 minutes), a function is performed to compare the reference time synchronization signal with an output clock signal (i.e., a current synchronization clock signal) from a numerically controlled oscillator (NCO) (380) to extract a differential value between the reference signal and the clock signal. Strictly speaking, a function is performed to extract a differential value between the reference time synchronization signal (PPS) of the master clock and its own voltage controlled oscillator (VCO) clock signal.
마스터 클럭의 기준클럭과 전자장치 자체의 동기클럭은 모두 10MHz의 구형파로 구성되며, 1초 단위로 최우선 라이징 에지의 시점을 기록하게 된다. 기준클럭의 라이징 에지 시점과 동기클럭의 라이징 에지 시점의 시간차를 계산한 값이 차분값이며, 이 차분값은 곧 위상차이로 정의할 수 있다.The master clock's reference clock and the electronic device's own synchronous clock are both composed of 10MHz square waves, and the time of the highest priority rising edge is recorded in 1-second units. The time difference between the rising edge of the reference clock and the rising edge of the synchronous clock is calculated as the difference value, and this difference value can be defined as the phase difference.
비교는 기준이 되는 마스터 클럭과 자체 전압 제어 발진 클럭 신호와의 오차가 최소화되도록 차분값을 비교하는 TOF(Time of Flight) 차분 비교가 될 수 있다. 즉 차분값은 TOF(Time of Flight) 차분 비교를 통해 산출될 수 있다.The comparison can be a TOF (Time of Flight) differential comparison that compares the differential values so that the error between the reference master clock and the self-voltage control oscillation clock signal is minimized. In other words, the differential value can be calculated through a TOF (Time of Flight) differential comparison.
제어기(360)는 비교 결과에 따라 동기 제어를 위한 제어 출력 신호를 생성하는 기능을 수행한다. 부연하면, 비교기(350)로부터 출력되는 시각 동기화 운용시 샘플링되는 기준 클럭신호의 고정밀도 구현을 위해 PID(Proportional Integral Derivative Control : 비례적분미분) 제어 기능을 수행한다. The controller (360) performs a function of generating a control output signal for synchronous control according to the comparison result. In detail, a PID (Proportional Integral Derivative Control) control function is performed to implement high precision of a reference clock signal sampled during time synchronization operation output from the comparator (350).
부연하면, 기준클럭에 대해 동기클럭의 위상값이 앞서거나 뒤처지는 경우는 전자장치 동기클럭의 주파수가 정확히 약 10MHz가 되지 않은 경우에 발생하게 된다. 따라서 소프트웨어적인 제어명령에 의해 동기클럭이 10MHz 이하/이상일때는 전압의 주파수를 비교기(350)를 통해 추출한 차분값의 크기(즉, 위상차)를 고려하여 전압 주파수 수치값에 대해 PID 제어기를 통한 증감제어로 제어 출력값을 도출하고 이 출력값을 변환기를 통해 전압값으로 변환후 발진기를 통해 고정밀 구형파를 생성함한다. PID 제어를 통한 차분값은 더 이상 확대되지 않고 점점 작은값으로 수렴해 간다.In detail, when the phase value of the synchronous clock is ahead or behind the reference clock, this occurs when the frequency of the synchronous clock of the electronic device is not exactly approximately 10 MHz. Therefore, when the synchronous clock is less than/more than 10 MHz by a software control command, the voltage frequency is extracted through a comparator (350) and the size of the difference value (i.e., the phase difference) is considered to derive the control output value through increase/decrease control using a PID controller for the voltage frequency numerical value, and this output value is converted into a voltage value through a converter and then a high-precision square wave is generated through an oscillator. The difference value through PID control is no longer expanded but gradually converges to a smaller value.
변환기(370)는 제어 출력 신호를 수치-전압값으로 변환하여 변환 출력값을 생성하는 기능을 수행한다. 부연하면, 수신기(320) 또는 클러 신호 생성기(330)로부터의 외부 PPS 신호(즉, 기준 클럭 신호(PPS))를 상실하더라도, 기준 클럭 신호(PPS)를 잃기 직전 일정기간의 안정적인 제어값의 평균값과 유효값을 계산하여 수치값-전압값 변환(NVC: Numeric to Voltage Conversion)을 통해 수치제어 발진기(NCO)(380)를 제어하도록 하는 기능을 수행한다. The converter (370) performs a function of converting a control output signal into a numeric-voltage value and generating a converted output value. In detail, even if an external PPS signal (i.e., a reference clock signal (PPS)) from a receiver (320) or a clock signal generator (330) is lost, the converter performs a function of controlling a numerically controlled oscillator (NCO) (380) through a numeric to voltage conversion (NVC: Numeric to Voltage Conversion) by calculating an average value and an effective value of a stable control value for a certain period of time immediately before losing the reference clock signal (PPS).
부연하면, 변환 출력값은 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호를 상실하기 직전 일정기간의 제어값의 평균값과 유효값을 계산하여 수치값-전압값 변환(NVC: Numeric to Voltage Convertsion)을 통해 산출된다.In detail, the conversion output value is produced through numeric to voltage conversion (NVC) by calculating the average value and effective value of the control value for a certain period of time immediately before losing the first reference clock signal or the second reference clock signal.
발진기(380)는 변환 출력값으로 위상 및 주파수를 동시에 동기화시켜 최종 동기 클럭 신호를 생성하는 기능을 수행한다. 일반적으로 마스터 클럭(주시각원)으로부터의 동기신호를 수신하여 내부 고정형 발진기와의 시각 차이를 보정하는 기능을 수행한다. 본 발명의 일실시예에서는 위상 제어 및 주파수 제어가 가능한 발진기능을 갖는 샘플링(Sampling) 클럭신호를 제공하여 기준 PPS와의 동기를 맞추는 것이 특징으로 한다.The oscillator (380) performs the function of generating a final synchronous clock signal by synchronizing the phase and frequency simultaneously with the conversion output value. In general, it performs the function of receiving a synchronizing signal from a master clock (a master clock source) and correcting the time difference with the internal fixed oscillator. In one embodiment of the present invention, it is characterized by providing a sampling clock signal having an oscillation function capable of phase control and frequency control to synchronize with a reference PPS.
또한, 발진기(380)는 발진기 출력단의 클럭 신호를 기준클럭과 비교하여 상호간의 지연에 의한 위상/시간 정보를 비교하여 그 차분에 대하여 보정을 수행하도록 지원하는 기능을 수행한다. 즉, 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호와 상기 발진기(380)의 자체 전압 제어 발진 클럭 신호와의 차분값을 보정하여 최종 동기 클럭 신호를 생성한다.In addition, the oscillator (380) performs a function to support comparing the clock signal of the oscillator output terminal with the reference clock, comparing the phase/time information due to the delay between them, and performing compensation for the difference. That is, the differential value between the first reference clock signal or the second reference clock signal and the self-voltage control oscillation clock signal of the oscillator (380) is compensated to generate a final synchronous clock signal.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 시각 동기화 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 4를 참조하면, 기준 클럭을 GPS 수신기(320)에서 송출하는 PPS 신호와 이더넷 프로토콜(Ethernet protocol)인 1588 PTP 통신에서 추출하는 PPS 신호를 선택할 수 있는 구성을 갖추고 신호의 샘플링 단계에서는 고 정밀 시각동기 클럭을 제공하여 고효율, 고성능 보호제어 자동화 시스템의 운용을 가능하게 한다.FIG. 4 is a flow chart showing a time synchronization process according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, a configuration is provided that can select a PPS signal transmitted from a GPS receiver (320) as a reference clock and a PPS signal extracted from 1588 PTP communication, which is an Ethernet protocol, and a high-precision time synchronization clock is provided in the signal sampling stage, thereby enabling the operation of a high-efficiency, high-performance protection control automation system.
IEEE PTP 등 신규 국제표준의 가이드에도 불구하고 MU(Merging Unit), 스위치, IED(Intelligent Electronic Device: 지능형 전자장치) 등의 기기 단일링 내에서 접속되는 시스템에서 IEEE PTP 및 TC(Transparent Clock)를 이용한 활용 시는 효과적인 보호제어 자동화시스템의 구현을 위해 기기의 수량 확대가 불가피해지게 되고 이로 인해 시각동기 오차가 확대되어 다수 기기의 접속 또는 네트워크시스템의 구성에 제약요소로 작용하게 된다. Despite the guidance of new international standards such as IEEE PTP, when utilizing IEEE PTP and TC (Transparent Clock) in a system where devices such as MU (Merging Unit), switches, and IED (Intelligent Electronic Device) are connected within a single ring, the number of devices inevitably increases to implement an effective protection and control automation system, which in turn increases the time synchronization error, which acts as a constraint on the connection of multiple devices or the configuration of a network system.
IEEE 1588 PTP 및 TC를 활용한 노드의 구성은 장치 내부의 정밀도 오차 최대 한도(1μs)를 충족시키기 위한 방안으로 여유분을 고려하여 750ns 정도를 한도로 규정하고 있어 네트워크 내 직렬구성 노드(장치)는 대략 최대 15개로 한정된다. 이는 곧 효과적인 네트워크 시스템의 설계와 구성을 위한 제약요소로 작용하게 된다.The configuration of nodes utilizing IEEE 1588 PTP and TC is a measure to satisfy the maximum limit of precision error (1 μs) within the device, and is stipulated as a limit of approximately 750 ns considering the margin, so the number of serially configured nodes (devices) within the network is limited to approximately 15. This will soon act as a constraint for the design and configuration of an effective network system.
최근, 글로벌 디지털 변전소에 확대 적용되고 있는 IEEE 1588 PTP(Precision Time Protocol)은 변전소내의 이더넷 네트워크를 통해 기준(Reference) 시간정보를 배분하기 위한 시각동기화 방법으로 네트워크 시스템에서 효과적인 방식으로 활용되고 있다. Recently, IEEE 1588 PTP (Precision Time Protocol), which is being widely applied to global digital substations, is being effectively utilized in network systems as a time synchronization method for distributing reference time information through Ethernet networks within substations.
정밀도가 미흡한 경우는 이를 보완하기 위해 IEC 61588 및 IEEE에서는 MU의 시각동기 신호의 처리를 위해 IEEE 1588-PTP 기반의 시각 동기화 방식으로 마스터 클럭과 시각 동기화 수행을 하도록 하고 있다. PTP 적용 시각 동기화 기술 적용 특성을 비교하면 다음 표와 같다.In cases where precision is insufficient, IEC 61588 and IEEE perform time synchronization with the master clock using the IEEE 1588-PTP-based time synchronization method to process the time synchronization signal of the MU to compensate for this. The following table compares the characteristics of the time synchronization technology applied with PTP.
운영구조Visual motivation
Operating structure
필요 유무Hardware Support
Need or not
네트워크 구성Visual motivation
Network configuration
NTP는 패킷 교환, 가변 레이턴시 데이터 네트워크를 통해 컴퓨터 시스템 간 시간 동기화를 위한 네트워크 프로토콜이다. NTP is a network protocol for time synchronization between computer systems over packet-switched, variable-latency data networks.
IRIG-B는 일반적으로 IRIG 타임 코드로 알려진 범위 간 계측 그룹 타임 코드는 타이밍 정보를 전송하기위한 표준 형식이다.IRIG-B, commonly known as IRIG Time Code, is a standard format for transmitting timing information.
도 4를 계속 참조하면, 기준 시각동기 신호와 수치 제어 발진기(NCO)로부터의 전압 제어 발진기의 출력 클럭의 신호를 상호 비교하여 기준 신호 및 클럭 신호간의 차분값을 추출한다(단계 S420).Referring to FIG. 4, a reference time synchronization signal and a signal of an output clock of a voltage controlled oscillator from a numerically controlled oscillator (NCO) are mutually compared to extract a difference value between the reference signal and the clock signal (step S420).
이후, 시각동기화 운용시 샘플링 되는 기준 클럭신호의 고정밀도 구현을 위해 PID(Proportional Integral Derivative Control : 비례적분미분) 제어기능을 수행한다(단계 S430). 부연하면, 계산 수치에 따라 주파수 제어가 가능한 구조로 수치제어 기반의 발진 기능을 수행하는 수치 제어 발진기(NCO : Numerically Controlled Oscillator)와 TOF 차분 비교기, PID 제어기 등을 이용하여 고정밀 시각 동기화 알고리즘을 구동한다.Thereafter, in order to implement high precision of the reference clock signal sampled during time synchronization operation, a PID (Proportional Integral Derivative Control) control function is performed (step S430). In detail, a numerically controlled oscillator (NCO: Numerically Controlled Oscillator) that performs a numerical control-based oscillation function with a structure capable of frequency control according to calculated values, a TOF differential comparator, a PID controller, etc. are used to drive a high precision time synchronization algorithm.
정상운영시 마스터 클럭이 정상동작 중일 때, 각 장치별 내장형 시각동기화 장치가 마스터 클럭으로부터의 특정기간 동안의 입력클럭에 대하여 수치제어 발진기(NCO)의 위상과 주파수를 PID 제어를 통해, 지속적으로 입력되는 마스터 클럭과 일치시키는 알고리즘을 갖는 기능을 갖도록 한 것이다.In normal operation, when the master clock is operating normally, the built-in time synchronization device of each device has a function that has an algorithm that continuously matches the phase and frequency of the numerically controlled oscillator (NCO) with the input clock from the master clock for a specific period of time through PID control.
이 경우, 마스터 클럭으로부터의 시각동기 신호를 상실할 경우, 수치제어 발진기(NCO) 내부의 전압 제어 발진기(VCO)로부터 출력된 클럭 제어 신호를 시각 동기를 잃기 직전의 일정기간 동안의 평균값을 산출한다. 이후, 이것을 활용하여 이값을 안정적으로 유지 하도록(Holding) 함으로써, 시각동기 상실기간 동안에도 동기화된 신호를 지속적으로 데이터 샘플링 부에 전달하여 고정밀 시각동기화 운용이 가능하도록 한다.In this case, when the time synchronization signal from the master clock is lost, the clock control signal output from the voltage-controlled oscillator (VCO) inside the numerically controlled oscillator (NCO) is averaged for a certain period of time immediately before losing the time synchronization. Afterwards, by utilizing this to stably maintain this value (holding), the synchronized signal is continuously transmitted to the data sampling section even during the time synchronization loss period, enabling high-precision time synchronization operation.
이후, 신호를 잃기 직전 일정기간의 안정적인 제어값의 평균값과 유효값을 계산하여 수치값-전압값 변환(NVC, Numeric to Voltage Conversion)을 통해 수치제어 발진기(NCO)(380)를 제어한다(단계 S440).Thereafter, the average value and effective value of the stable control values for a certain period of time immediately before losing the signal are calculated to control the numerical control oscillator (NCO) (380) through numerical to voltage conversion (NVC) (step S440).
이후, 최종적으로, 발진기 출력단의 클럭신호를 기준 클럭과 비교하여 상호간의 지연에 의한 위상/시간 정보를 비교하여 그 차분에 대하여 보정을 수행하여 최종 동기 클럭 신호를 생성하여 출력한다(단계 S450).Afterwards, finally, the clock signal of the oscillator output terminal is compared with the reference clock, and the phase/time information due to the delay between them is compared, and compensation is performed for the difference to generate and output the final synchronous clock signal (step S450).
그러므로, 외부 PPS 신호를 상실하더라도, 신호를 잃기 직전 일정기간의 안정적인 제어값의 평균값과 유효값을 계산하여 수치값-전압값 변환기(NVC, Numeric to Voltage Converter)로 제공하여 수치제어 발진기(NCO)(380)를 제어할 수 있게 된다. Therefore, even if an external PPS signal is lost, the average value and effective value of the stable control value for a certain period of time immediately before the signal is lost are calculated and provided to a numeric to voltage converter (NVC) to control the numerically controlled oscillator (NCO) (380).
따라서, 클럭의 주파수나 위상이 변하지 않는 상태를 지속적으로 유지 가능하게 되어, 마스터로부터의 기준 PPS가 없는 상태에서도 마스터 클럭과의 시각동기 오차에 대한 문제점을 최소화하여 운영 가능하다. Accordingly, it is possible to continuously maintain a state in which the clock frequency or phase does not change, so that operation is possible while minimizing problems with time synchronization errors with the master clock even in a state in which there is no reference PPS from the master.
기준 클럭을 GPS 수신기(320)에서 송출하는 PPS 신호와 이더넷 프로토콜(Ethernet protocol)인 1588 PTP 통신에서 추출하는 PPS 신호를 선택할 수 있는 구성을 갖추면서 신호의 샘플링 단계에서는 고 정밀 시각동기 클럭을 제공하여 고효율, 고성능 보호제어 자동화 시스템의 운용을 가능하다. By having a configuration that can select a PPS signal transmitted from a GPS receiver (320) as a reference clock and a PPS signal extracted from 1588 PTP communication, which is an Ethernet protocol, a high-precision time synchronization clock is provided at the signal sampling stage, enabling the operation of a high-efficiency, high-performance protection control automation system.
또한, 여기에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은, 마이크로프로세서, 프로세서, CPU(Central Processing Unit) 등과 같은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 (명령) 코드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. In addition, the steps of the method or algorithm described in connection with the embodiments disclosed herein may be implemented in the form of program instructions that can be executed by various computer means, such as a microprocessor, a processor, a CPU (Central Processing Unit), and the like, and recorded on a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program (instruction) codes, data files, data structures, etc., alone or in combination.
상기 매체에 기록되는 프로그램 (명령) 코드는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프 등과 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD, 블루레이 등과 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM: Read Only Memory), 램(RAM: Random Access Memory), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 (명령) 코드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 반도체 기억 소자가 포함될 수 있다. The program (command) code recorded on the above medium may be specially designed and configured for the present invention, or may be known and available to those skilled in the art of computer software. Examples of the computer-readable recording medium may include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and Blu-rays, and semiconductor memory devices specially configured to store and execute program (command) codes such as ROMs (Read Only Memory), RAMs (Random Access Memory), and flash memories.
여기서, 프로그램 (명령) 코드의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Here, examples of program (instruction) code include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter, etc. The above-mentioned hardware device can be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.
110: 스테이션 제어기 120: 클럭 유닛
130: IED(Intelligent Electronic Device) 140: 머징 유닛
210-1,210-2: 마스터 클럭
220: 네트워크 230: 리모트 억세스
300: 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치
310: GPS(Global Positioning System) 위성
320: 수신기 330:클럭 신호 생성기
340: 선택기 350: 비교기
360: 제어기 370: 변환기
380: 발진기110: Station controller 120: Clock unit
130: IED(Intelligent Electronic Device) 140: Merging Unit
210-1,210-2: Master Clock
220: Network 230: Remote Access
300: Master clock-linked time synchronization device
310: GPS(Global Positioning System) satellite
320: Receiver 330: Clock signal generator
340: Selector 350: Comparator
360: Controller 370: Converter
380: Generator
Claims (16)
상기 제 1 기준 클럭신호와 이종관계인 제 2 기준 클럭 신호를 생성하는 클럭 신호 생성기(330);
상기 제 1 기준 클럭 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호를 선택하는 선택기(340);
상기 제 1 기준 클럭 또는 상기 제 2 기준 클럭과 미리 생성되는 현재 동기 클럭 신호를 비교하는 비교기(350);
상기 비교 결과에 따라 동기 제어를 위한 제어 출력 신호를 생성하는 제어기(360);
상기 제어 출력 신호를 수치값-전압값 변환하여 변환 출력값을 생성하는 변환기(370); 및
상기 변환 출력값으로 위상 및 주파수를 동시에 동기화시켜 최종 동기 클럭 신호를 생성하는 발진기(380);를 포함하며,
상기 수신기(320) 또는 클럭 신호 생성기(330)인 마스터 클럭과의 동기 신호를 잃을 경우에도 자체 장치 내부의 동기 상태를 상기 마스터 클럭과 연계하기 위해 상기 비교기(350)는 상기 마스터 클럭으로부터의 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호가 특정 시간 동안 입력되지 않으면, 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호와 상기 발진기(380)의 자체 전압 제어 발진 클럭 신호와의 차분값을 추출하는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치.
A receiver (320) generating a first reference clock signal;
A clock signal generator (330) that generates a second reference clock signal that is different from the first reference clock signal;
A selector (340) for selecting the first reference clock or the second reference clock signal;
A comparator (350) for comparing a current synchronous clock signal generated in advance with the first reference clock or the second reference clock;
A controller (360) that generates a control output signal for synchronous control according to the above comparison result;
A converter (370) that converts the above control output signal into a numerical value-voltage value and generates a converted output value; and
It includes an oscillator (380) that simultaneously synchronizes the phase and frequency with the above conversion output value to generate a final synchronous clock signal;
A master clock-linked time synchronization device characterized in that, even when the synchronization signal with the master clock, which is the receiver (320) or clock signal generator (330), is lost, the comparator (350) extracts the difference value between the first reference clock signal or the second reference clock signal and the self-voltage control oscillation clock signal of the oscillator (380) if the first reference clock signal or the second reference clock signal from the master clock is not input for a specific period of time in order to link the synchronization state within the device with the master clock.
상기 제 1 기준 클럭 신호는 GPS(Global Positioning System) 신호를 이용하여 생성되며, 상기 제 2 기준 클럭 신호는 PTP(Precision Time Protocol) 통신으로부터 추출되는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치.
In paragraph 1,
A master clock-linked time synchronization device, characterized in that the first reference clock signal is generated using a GPS (Global Positioning System) signal, and the second reference clock signal is extracted from PTP (Precision Time Protocol) communication.
상기 PTP 통신은 IEEE 1588 PTP 통신인 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치.
In the second paragraph,
A master clock-linked time synchronization device characterized in that the above PTP communication is IEEE 1588 PTP communication.
상기 차분값은 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호와 상기 발진기(380)의 자체 전압 제어 발진 클럭 신호와의 오차가 최소화되도록 TOF(Time of Flight) 차분 비교를 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치.
In paragraph 1,
A master clock-linked time synchronization device characterized in that the above differential value is calculated through a TOF (Time of Flight) differential comparison so as to minimize an error between the first reference clock signal or the second reference clock signal and the self-voltage control oscillation clock signal of the oscillator (380).
상기 제어 출력 신호는 PID(Proportional Integral Derivative Control : 비례적분미분) 제어 기능을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치.
In paragraph 1,
A master clock-linked time synchronization device, characterized in that the above control output signal is produced using a PID (Proportional Integral Derivative Control) control function.
상기 변환 출력값은 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호를 상실하기 직전 일정기간의 제어값의 평균값과 유효값을 계산하여 수치값-전압값 변환(NVC: Numeric to Voltage Conversion)을 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치.
In paragraph 1,
A master clock-linked time synchronization device characterized in that the above-mentioned conversion output value is produced through numeric to voltage conversion (NVC) by calculating the average value and the effective value of the control value for a certain period immediately before losing the first reference clock signal or the second reference clock signal.
상기 제 1 기준 클럭 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호는 PPS(Pulse Per Second)인 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 장치.
In paragraph 1,
A master clock-linked time synchronization device, characterized in that the first reference clock or the second reference clock signal is PPS (Pulse Per Second).
(b) 클럭 신호 생성기(330)가 상기 제 1 기준 클럭신호와 이종관계인 제 2 기준 클럭 신호를 생성하는 단계;
(c) 선택기(340)가 상기 제 1 기준 클럭 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호를 선택하는 단계;
(d) 비교기(350)가 상기 제 1 기준 클럭 또는 상기 제 2 기준 클럭과 미리 생성되는 현재 동기 클럭 신호를 비교하는 단계;
(e) 제어기(360)가 상기 비교 결과에 따라 동기 제어를 위한 제어 출력 신호를 생성하는 단계;
(f) 변환기(370)가 상기 제어 출력 신호를 수치값-전압값 변환하여 변환 출력값을 생성하는 단계; 및
(g) 발진기(380)가 상기 변환 출력값으로 위상 및 주파수를 동시에 동기화시켜 최종 동기 클럭 신호를 생성하는 단계;를 포함하며,
상기 (d) 단계는,
상기 수신기(320) 또는 클럭 신호 생성기(330)인 마스터 클럭과의 동기 신호를 잃을 경우에도 자체 장치 내부의 동기 상태를 상기 마스터 클럭과 연계하기 위해 상기 비교기(350)는 상기 마스터 클럭으로부터의 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호가 특정 시간 동안 입력되지 않으면, 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호와 상기 발진기(380)의 자체 전압 제어 발진 클럭 신호와의 차분값을 추출하는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 방법.
(a) a step in which the receiver (320) generates a first reference clock signal;
(b) a step in which a clock signal generator (330) generates a second reference clock signal that is different from the first reference clock signal;
(c) a step of selecting the first reference clock or the second reference clock signal by the selector (340);
(d) a step of comparing a current synchronous clock signal generated in advance with the first reference clock or the second reference clock by a comparator (350);
(e) a step in which the controller (360) generates a control output signal for synchronous control according to the comparison result;
(f) a step of the converter (370) converting the control output signal into a numerical value-voltage value to generate a converted output value; and
(g) a step of generating a final synchronous clock signal by synchronizing the phase and frequency simultaneously with the above conversion output value by the oscillator (380);
Step (d) above,
A master clock-linked time synchronization method characterized in that, even when the synchronization signal with the master clock, which is the receiver (320) or the clock signal generator (330), is lost, the comparator (350) extracts the difference value between the first reference clock signal or the second reference clock signal and the self-voltage control oscillation clock signal of the oscillator (380) if the first reference clock signal or the second reference clock signal from the master clock is not input for a specific period of time in order to link the synchronization state within the self-device with the master clock.
상기 제 1 기준 클럭 신호는 GPS(Global Positioning System) 신호를 이용하여 생성되며, 상기 제 2 기준 클럭 신호는 PTP(Precision Time Protocol) 통신으로부터 추출되는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 방법.
In Article 9,
A master clock-linked time synchronization method, characterized in that the first reference clock signal is generated using a GPS (Global Positioning System) signal, and the second reference clock signal is extracted from PTP (Precision Time Protocol) communication.
상기 PTP 통신은 IEEE 1588 PTP 통신인 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 방법.
In Article 10,
A master clock-linked time synchronization method characterized in that the above PTP communication is IEEE 1588 PTP communication.
상기 차분값은 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호와 상기 발진기(380)의 자체 전압 제어 발진 클럭 신호와의 오차가 최소화되도록 TOF(Time of Flight) 차분 비교를 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 방법.
In Article 9,
A master clock-linked time synchronization method, characterized in that the above differential value is calculated through a TOF (Time of Flight) differential comparison so as to minimize an error between the first reference clock signal or the second reference clock signal and the self-voltage control oscillation clock signal of the oscillator (380).
상기 제어 출력 신호는 PID(Proportional Integral Derivative Control : 비례적분미분) 제어 기능을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 방법.
In Article 9,
A master clock-linked time synchronization method, characterized in that the above control output signal is produced using a PID (Proportional Integral Derivative Control) control function.
상기 변환 출력값은 상기 제 1 기준 클럭 신호 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호를 상실하기 직전 일정기간의 제어값의 평균값과 유효값을 계산하여 수치값-전압값 변환(NVC: Numeric to Voltage Conversion)을 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 방법.
In Article 9,
A master clock-linked time synchronization method characterized in that the above-mentioned conversion output value is produced through numeric to voltage conversion (NVC) by calculating the average value and the effective value of the control value for a certain period immediately before losing the first reference clock signal or the second reference clock signal.
상기 제 1 기준 클럭 또는 상기 제 2 기준 클럭 신호는 PPS(Pulse Per Second)인 것을 특징으로 하는 마스터 클럭 연계형 시각 동기화 방법.In Article 9,
A master clock-linked time synchronization method, characterized in that the first reference clock or the second reference clock signal is PPS (Pulse Per Second).
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