CN101772872A

CN101772872A - 估计静态时钟之间的时间偏差

Info

Publication number: CN101772872A
Application number: CN200880102070A
Authority: CN
Inventors: D·曾格; M·拉森
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: Hitachi Energy Co ltd
Priority date: 2007-08-06
Filing date: 2008-06-23
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2028-06-23
Also published as: ATE492930T1; ES2357179T3; US7865331B2; EP2174397B1; US20100138187A1; DE602008004160D1; CN101772872B; WO2009019067A1; EP2023456A1; BRPI0814984A2; EP2174397A1

Abstract

本发明涉及两个静态时钟间改善的时间同步。来自全球时间参考或者共同时间源的全球时间信号用于计算两静态时钟间基于共视的时钟偏差。并行地，两时钟间基于网络的时钟偏差基于通过将两个时钟互连的通信网络交换的消息且在不回复到全球时间参考的情况下计算出。基于共视和网络的时钟偏差的两个最新值然后以无缝或无碰撞的方式被组合或者叠加以产生最终时间偏移估计。被独立计算的基于共视和网络的时钟偏移组合是所述两个值的加权平均，涉及基于对所述两个值质量估计的相应权重。优选，基于全球定位***(GPS)的时间同步方案与广域通信网络组合以将广域监测***相量测量单元(PMU)静态时钟同步到该***网络控制中心(NCC)处的中央服务器时钟。

Description

估计静态时钟之间的时间偏差

技术领域

本发明涉及两个地理上分离的静态时钟、尤其是用于输电网络的广域监测***的相量测量单元的时钟之间的时间同步领域。

背景技术

为了对输电网络进行广域监测，相量测量单元(PMU)被安装在分布的位置处。PMU执行对电流和电压波型的采样，根据采样的波型计算相量值，并且通过广域通信网络将所述相量值周期性地发送给网络控制中心(NCC)。NCC通过比较从分布位置所接收的同步相量测量值来监测输电网络的状态。因此，相量测量的同步性是关键的，并且需要对PMU的采样时钟进行同步。为了使***对通信网络上的传输延迟和抖动鲁棒(robust)，由PMU所传输的相量消息包括指示精确测量时间的时间戳。同样，广域通信网络中的路由器和交换机需要类似程度的时间同步。

如今，使用商用全球定位***(GPS)时间接收机来进行对分布式PMU时钟的广域同步。然而，已知的是，传播和干扰问题可能恶化或者甚至阻止GPS接收。周围的景观可能遮蔽特定的位置使其对GPS卫星不可见，或者太阳风可能在数分钟内影响GPS信号的接收。尽管导航车辆可以容易地切换到其它***以用于确定其位置，但是如今还未针对静态时钟的时间同步实现这样的替代物。

发明内容

因此，本发明的目的是改善两个静态时钟的时间同步。该目的通过根据权利要求1和7的用于估计时间偏差的方法和设备来实现。根据从属的专利权利要求，其它的优选实施例是显而易见的。

根据本发明，来自共视中(in common view)的全球时间参考或者时间源的全球时间信号被用于计算两个静态时钟之间的基于共视的时钟偏差而不是每个时钟与全球时间参考之间的两个相应的时钟偏差。并行地，两个时钟之间的基于网络的时钟偏差基于通过将两个时钟互连的通信网络而被交换的消息且在没有回复到全球时间参考的情况下被计算出。基于共视和网络的时钟偏差的两个最新值然后以无缝或无碰撞的方式被组合或者叠加以产生最终的时间偏移估计。

在本发明的优选变型方案中，被独立地计算的基于共视和网络的时钟偏移的组合是所述两个值的加权平均，所述加权平均涉及基于对所述两个值的质量估计的相应权重。在本发明的一个有利的实施例中，对基于共视的时钟偏差和基于网络的时钟偏差的计算彼此独立地被更新并且以适当的频率被重复。

为了以最优的方式组合基于全球定位***(GPS)的时间同步方案和针对广域监测***的相量测量单元(PMU)的静态时钟的通信网络，PMU客户端时钟被同步到该***的网络控制中心(NCC)处的中央服务器时钟，而不是被同步到GPS时钟本身。在实际中，由于预计GPS单向时间分配(如果可用并且起作用)具有比基于网络的同步更高的精确度，所以本发明的方法将主要充当每当GPS同步失败时就使用网络的动态后备方案。尽管GPS可用，但是该方法被用于提高基于网络的同步的精确度，具体而言，是通过校正基于网络的同步方案中的传输抖动和延迟非对称性。

附图说明

在下文中，将参考附图中所示的优选的示例性实施例更详细地解释本发明的主题，附图：

图1示意性地示出了广域监测***；

图2描述了基本时钟关系；以及

图3示出了根据本发明的消息序列图。

附图中所使用的参考标记以及其含义以概要的形式被列举在参考标记列表中。原则上，在附图中相同的部分具有相同的参考标记。

具体实施方式

图1示出了用于输电网络的广域监测***，其中若干个相量测量单元(PMU)被安装在分布的位置处。所述PMU计算相量值并且将通过广域通信网络将这些相量值周期性的发送给网络控制中心(NCC)。全球定位***(GPS)的卫星广播全球时间信号。在所述PMU之一处的任何时钟、即客户端时钟或从时钟C需要与NCC处的时钟、即服务器时钟或主时钟S同步。

图2描述了时钟关系。PMU的时钟C(t)由

C(t)＝φ_C·t+θ_C (1)

来表征，其中θ_C是时间偏差，φ_C·t是时钟漂移，并且t表示真实时间。类似地，对于NCC的时钟S(t)，

S(t)＝φ_S·t+θ_S (2)

PMU的时钟C(t)必需被同步为NCC的时钟S(t)，也就是说，必需估计PMU时钟与NCC时钟的时间偏差x(t)并且然后在客户端校正所述偏差，其中

在此，项y(t)表示频率偏差。获得该偏差的实际方法是：

1.单向GPS测量：客户端和服务器都从共同的源、在实践中是从GPS卫星接收时间信息G(t)广播。由客户端和服务器所测量的接收时间分别为C’(t)和S’(t)，对所述接收时间有下式成立：

C′(t)＝G(t)+x_CG(t)+d_GC (4)

S′(t)＝G(t)+x_SG(t)+d_GS (5)

在(4)中，x_CG是客户端与GPS时钟之间的偏差，并且d_GC是GPS卫星与客户端之间的传播延迟。类似的定义被用在(5)中。在已知时钟和卫星的相对位置的情况下，所述延迟可以被补偿，从而给出经过校正的时钟

C(t)＝C′(t)-d_GC (6)

S(t)＝S′(t)-d_GS (7)

通过比较值C(t)和G(t)，然后直接获得x_CG(t)＝＝C(t)-G(t)和x_SG(t)＝S(t)-G(t)。这是用于同步PMU时钟的常用方式。信号x_CG(t)控制生成1pps(1脉冲每秒)和例如10MHz时钟信号的本地PMU振荡器，以同步PMU采样和加时间戳。

2.共视GPS测量：在许多应用中，不必或者不期望分别估计x_CG(t)和x_SG(t)，而是获得客户端与服务器之间的时钟偏差x(t)可能就足够了。这可以通过利用如下事实来实现：GPS广播信号G(t)被它们共视。针对商定的GPS广播时间G(t_i)，客户端和服务器记录接收时间C(t_i)和S(t_i)，并且通过某个通信网络以非时间先决的方式交换这些测量值。使用(4)至(7)和图2，这些测量值的差为：

C(t_i)-S(t_i)＝x_CG(t_i)-x_SG(t_i)＝x_G(t_i) (8)

在此，x_G(ti)表示C(t)相对于S(t)的偏差x(t)，其通过抵消共同的GPS测量值G(t_i)而被确定。卡尔曼(Kalman)滤波器或者其它平均技术可以用于进一步改善对x(t)的估计。该共视方法是如今用于比较原子钟以定义协调世界时间(UTC)的标准方法。

3.双向测量：时钟客户端和服务器通过(时间先决的)通信网络实时地执行时间测量以及交换时间测量值，以直接确定客户端的时间偏差。标准的双向时间同步协议是英特网上的SNTP、以及用于连接到LAN的设备的IEEE 1588。在使用IEEE 1588术语的情况下，基本步骤如下：

(i)在时间t_n，服务器广播具有时间戳S₁(tn)的Sync消息，该Sync消息在C₁(tn)处被客户端接收。考虑到该Sync消息从服务器到客户端的消息传输延迟d_SC(t)，有下式成立：

C₁(t_n)＝S₁(t_n)+x(t_n)+d_SC(t_n) (9)

其中x(t)是将通过该双向方法确定的偏差。

(ii)在客户端时间C₂(t_n)，客户端将Delay-Request消息发送给服务器，该Delay-Request消息在时间S₂(t_n)被服务器接收。服务器利用Delay-Response消息作出响应，该Delay-Response消息含有S₂(t_n)的值。类似于上面，d_CS(t)表示Delay-Request在从客户端到服务器的反向上的传播延迟。

S₂(t_n)＝C₂(t_n)-x(t_n)+d_CS(t_n) (10)

(iii)现在，4个测量值S₁(t_n)，C₁(t_n)，C₂(t_n)以及S₂(t_n)在客户端可用。假设传输延迟相等、即d_SC(t)＝d_CS(t)＝d(t)，则客户端可以解(9)和(10)而求出x(t_n)作为对时钟偏差的估计：

d (t_{n}) = \frac{(C_{1} (t_{n}) - S_{1} (t_{n})) + (S_{2} (t_{n}) - C_{2} (t_{n}))}{2} - - - (11)

x_{T} (t_{n}) = (C_{1} (t_{n}) - S_{1} (t_{n})) - d (t_{n}) = \frac{(C_{1} (t_{n}) - S_{1} (t_{n})) - (S_{2} (t_{n}) - C_{2} (t_{n}))}{2}

(12)

其中x_T(t_n)表示对真实偏差x(t)的估计，该偏差通过双向测量方法在时间t_n被获得。诸如卡尔曼滤波器和求平均的方法可以在给定在时间t_n，t_n+1，t_n+2等等所执行的一系列测量的情况下进一步改善对时间和频率偏差(x和y)的估计精确度。

所述用于时间同步的双向方法依靠客户端与服务器之间的通信网络。该通信在如下意义上是时间先决的：延迟d_SC(t)和d_CS(t)中的任何随机变化和非对称性都会影响同步精确度。

下面针对具有时钟C(t)的特定的PMU客户端时钟节点C来说明所述程序的详细步骤。所有的PMU都并行地执行该程序以将它们的各个时钟同步到服务器S的中央服务器时钟S(t)。S通常位于NCC处。

图3示出了所提出的程序的一回合的消息序列图。

1.服务器时钟S(t)最初自由振荡(未受控的振荡器)。

2.客户端时钟C(t)最初自由振荡。

3.如果GPS单向时间接收在服务器S处可用，则它在时间t_i接收GPS时间G(t_i)，并且记录其接收时间S(t_i)。它可以使用该GPS时间来控制其振荡器。

4.服务器S周期性地在时间t_k将Sync消息广播到所有的客户端Cs。该消息含有：

-消息传输的时间戳S₁(t_k)，

-(如果从3可用)GPS时间消息的接收时间S(t_i)。

5.C接收Sync消息并且也记录消息接收时间C₁(t_k)。

6.如果GPS单向时间接收在客户端C处可用，则它在时间t_i接收GPS时间G(t_i)，并且记录其接收时间C(t_i)。如果从4可用，则C根据共视方法计算其与S的时钟偏差，

x_G(t_i)＝C(t_i)-S(t_i)

C应当使用连续的测量值或者其它***信息(例如来自GPS数据的关于卫星健康和时钟质量的信息)来确定时钟偏差估计x_G(t_i)的质量，该质量例如由方差σ_G ²来表达。

7.C将Delay-Request消息发送给S。该消息含有：

-消息传输的时间戳C₂(t_n)，

并且可以与周期性PMU相量数据消息相组合，以便减少通信网络上的消息数目和消息开销。

8.S接收Delay-Request消息并且记录消息接收时间S₂(t_n)，并且利用Delay-Response消息对C作出响应(在时间t_n’)。该消息含有：

-S₂(t_n)的值，

-可选地，其自己传输的时间戳S₁(t_n’)。

9.C接收Delay-Request消息，并且如果其在8已经接收到S₁(t_n’)，则可以记录消息接收时间C₁(t_n’)。

10.C按如下方式计算其与S的通过双向方法测量的时钟偏差：

x_{T} (t_{n}) = \frac{(C_{1} (t_{k}) - S_{1} (t_{k})) - (S_{2} (t_{n}) - C_{2} (t_{n}))}{2}

一种选择是，来自9的较新的测量值S₁(t_n’)和C₁(t_n’)可以被用在合适位置或者与S₁(t_k)和C₁(t_k)结合使用。客户端还例如通过估计测量方差σ_T ²来确定x_T(t_n)的质量。

11.最后C在考虑到它们的估计质量的情况下将两个偏差测量值x_G和x_T组合成最终的偏差估计x(t)。例如，

x (t) = x_{G} (t_{i}) \frac{σ_{T}^{2}}{σ_{G}^{2} + σ_{T}^{2}} + x_{T} (t_{n}) \frac{σ_{G}^{2}}{σ_{G}^{2} + σ_{T}^{2}}

客户端可以最后根据C(t)←C(t)-x(t)来调整其时钟。最终的偏差估计在形式上作为最大似然估计而从两个具有方差σ_G ²和σ_T ²的独立的高斯测量值x_G和x_T被得出。在GPS得出的测量值x_G远比x_T精确的实际上相关的情况下，由于网络传输延迟以及x_T的抖动、即σ_G ²＜＜σ_T ²，因此这简单地导致x(t)＝x_G(t_i)。本程序允许在一个偏差测量方案失败并且因此其方差增加的情况下无缝地或无碰撞地在两个偏差测量方案之间转变。

12.更新时间t_n、t_k、以及t_i，并且周期性地从步骤3循环。

对时刻t_i(执行GPS时间测量和偏差传递的时刻)、时间t_k(服务器广播Sync消息的时刻)以及对时刻t_n(执行双向测量值交换的时刻)的更新不需要为同步的。应该在更新算法中使用最新可用的经过平滑处理的测量值。可以基于资源(比如处理器时同和网络带宽)的可用性来选择这些程序的更新速率。较高的速率增加估计的精确度，但是以较高的处理和通信负荷为代价。

为了精确地测量和校正时间偏差x(t)，还必需使用连续的时间偏差测量值来估计时钟的频率偏差y(t)。该基本假设是(3)、即线性增加的时钟偏差，其中也可以设想二次模型。

所述消息传输延迟经历随机抖动和异常值。对所述程序的周期重复允许应用已知平滑算法来提高精确度。而且，噪声(抖动)方差可以被估计，并且可以使用其它用于评估测量精确度的方法。例如，差|C_k(t_n)-S_k(t_n)|的大值是异常值，其指示影响传输延迟的孤立的传输问题，并且应当不被用于更新所期望的时钟偏差估计。可以应用可以在缺失样本(比如暂时丢失GPS接收)或者网络延迟的异常值之间插值的递归估计算法来改善性能。

名称列表

1.相量测量单元(Phasor Measurement Unit，PMU)

2.网络控制中心(Network Control Center，NCC)

3.GPS卫星(GPS satellite)

4.广域通信网络(Wide Area Communication Network)

Claims

1.一种用于估计第一与第二静态时钟C、S之间的时间偏差x的方法，所述静态时钟C、S适于接收全球时间信号G并且通过通信网络(4)被互连，该方法包括：

-由第一和第二时钟C、S从全球时间参考(3)接收被广播的全球时间信号G(t_i)，并且在第一时钟处基于全球时间信号G(t_i)的接收时间C(t_i)、S(t_i)来计算第一与第二静态时钟之间的基于共视的时钟偏差x_G(t_i)；

-在第一与第二时钟C、S之间交换时间先决的消息，并且在第一时钟处基于所述消息的传输时间S₁(t_k)、C₂(t_n)以及接收时间C₁(t_k)、S₂(t_n)来计算第一与第二静态时钟之间的基于网络的时钟偏差x_T(t_n)；以及

-将基于共视的时钟偏差x_G(t_i)与基于网络的时钟偏差x_T(t_n)相组合以估计时间偏差x。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于包括：

-估计针对基于共视和网络的时钟偏差x_G(t_i)、x_T(t_n)的质量↑_G、↑_T；以及

-通过基于所估计的质量↑_G、↑_T计算x的加权平均来组合所述两个时钟偏差。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对基于共视的时钟偏差x_G(t_i)的计算包括：

-由第二时钟以非时间先决的方式将包括全球时间信号G(t_i)在第二时钟处的接收时间S(t_i)的消息发送给第一时钟。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于包括：

-独立地并且重复地更新对基于共视的时钟偏差x_G(t_i)和基于网络的时钟偏差x_T(t_n)的计算。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一时钟C是广域监测***的相量测量单元(PMU)的时钟，并且第二时钟S是该广域监测***的网络控制中心(NCC)的时钟。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对基于网络的时钟偏差x_T(t_n)的计算包括

-将包括PMU相量数据的时间先决的消息从第一时钟C发送给第二时钟S。

7.一种设备，其具有静态第一时钟C并且适于接收全球时间信号G以及通过通信网络(4)交换消息，该设备包括：

-用于基于全球时间信号G(t_i)在第一和第二时钟C、S的位置处的接收时间S(t_i)、C(t_i)来计算第一时钟C与第二时钟S之间的基于共视的时钟偏差x_G(t_i)的装置；

-用于基于在第一和第二时钟C、S之间被交换的时间先决消息的传输时间S₁(t_k)、C₂(t_n)和接收时间C₁(t_k)、S₂(t_n)来计算第一时钟C与第二时钟S之间的基于网络的时钟偏差x_T(t_n)的装置；以及

-用于将基于共视的时钟偏差x_G(t_i)与基于网络的时钟偏差x_T(t_n)相组合以估计第一时钟C与第二时钟S之间的时间偏差x的装置。