CN107251456B - 用于对控制网络中的装置进行时间同步的方法 - Google Patents

用于对控制网络中的装置进行时间同步的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于使用第一装置对控制网络中的一个或多个装置进行时间同步的方法。该方法包括根据控制网络的拓扑的信息选择第一装置。方法进一步包括将第一组数据包发送给第二装置，接收响应于第一组数据包的第一组延迟请求，以及发送响应于第一组延迟请求的第一组延迟响应。方法进一步包括确定第一组前向时间和第一组后向时间。方法进一步包括确定第一最小前向时间和第一最小后向时间。另外，方法包括确定第一校正因子。方法还包括对在第二装置处提供的时钟应用第一校正因子，以及存储第一校正因子。

Description

用于对控制网络中的装置进行时间同步的方法
技术领域
本发明大体涉及控制装置，并且更具体地，涉及对自动化环境中的控制装置进行时间同步。
背景技术
诸如控制器、智能电子装置等控制装置在工业中用来监测和控制各种装备。另外，控制装置还执行记录自动化环境中出现的故障的功能。连同故障，控制装置还记录对应的故障的相应的时间实例。可根据控制装置所记录的相应的时间实例来标识控制装置所记录的故障的顺序。为了对自动化环境设计较好的保护***，标识故障的校正顺序是至关重要的。因此关键是对多个控制装置进行时间同步。
为了实现时间同步，高端控制装置通过各种协议具有高级时间同步能力。使用这样的各种协议在网络接口硬件处需要对应于多个通信元件、主时钟和具有边界时钟的多个网络元件中的各个的时间戳。
在通信网络中这种精确的时间同步所需的装备是较昂贵的。这种装备在成本上对于低端控制装置来说不高效。因此通常经由通过串联接口将装置插到独立的个人计算机或手持装置上来人工地对低端控制装置进行时间同步。进行时间同步的方法包括人工地对控制装置的时钟写入基准时间。这是费时且效率低下的方法，尤其是在工厂内部的大片区域中分布着许多控制装置时。此外，该方法不精确且可有几毫秒至几秒的时间同步误差。
因此需要一种用于对自动化环境中的控制装置进行时间同步的改进的方法。
发明内容
本发明的一方面提供一种用于使用第一装置对自动化环境中的一个或多个装置进行时间同步的方法，该一个或多个装置通过控制网络连接，其中，第一装置包括控制网络的拓扑的信息。方法包括通过第一装置，基于控制网络的拓扑的信息，选择控制网络中的第二装置。另外方法包括通过第一装置，将第一组数据包发送给第二装置，以及通过第一装置，接收对应于第一组相应的数据包的第一组延迟请求。方法进一步包括通过第一装置，将对应于第一组相应的延迟请求的第一组延迟响应发送给第二装置。
另外，方法包括通过第二装置，分别基于第一组数据包和第一组延迟响应，确定第一组前向时间和第一组后向时间。方法进一步包括通过第二装置，确定第一组前向时间中的第一最小前向时间和第一组后向时间中的第一最小后向时间。方法进一步包括通过第二装置，根据第一最小前向时间和第一最小后向时间确定对应于第一时间同步实例的第一校正因子。方法还包括通过第二装置，对在第二装置处提供的时钟应用第一校正因子，以及将第一校正因子存储在第一装置处。
根据该方面，从控制网络的拓扑选择第二装置可基于与第二装置直接通信的装置的数量。备选地，从控制网络的拓扑选择第二装置可基于第二装置和待进行时间同步的第三装置之间的连接强度。另外，根据该方面，控制网络可包括至少一个后备装置，其中，该至少一个后备装置构造成在第一装置失效时对一个或多个装置进行时间同步。
根据该方面，方法可进一步包括通过第一装置，将第二组数据包发送给第二装置，以及通过第一装置，接收对应于第二组相应的数据包的第二组延迟请求。另外，方法可包括通过第一装置，将对应于第二组相应的延迟请求的第二组延迟响应发送给第二装置。方法可进一步包括通过第二装置，分别基于第二组数据包和第二组延迟响应，确定第二组前向时间和第二组后向时间。方法可进一步包括通过第二装置，确定第二组前向时间中的第二最小前向时间和第二组后向时间中的第二最小后向时间。
另外，方法可包括通过第二装置，根据第二最小前向时间和第二最小后向时间确定对应于第二时间同步实例的第二校正因子。方法可进一步包括通过第二装置，对在第二装置处提供的时钟应用第二校正因子，以及将第二校正因子存储在第一装置处。方法可还包括通过对在第一时间同步实例和第二时间同步实例之间第二装置记录的事件的时间实例进行插值，基于第一校正因子和第二校正因子，校正所述事件的时间实例。另外，根据该方面，事件的时间实例的插值可包括利用线性插值函数。
附图说明
将在下文中参照附图中示出的示例性实施例，更详细地说明本发明的主题：
图1示出在变电站中实现的示例性自动化环境；
图2示出流程图，它描绘在使用第一装置对变电站中的一个或多个装置进行时间同步中包括的多个步骤；
图3示出在工业工厂中实现的第二示例性自动化环境；
图4示出使用数据聚合器作为第一装置的传感器的时间同步的时序图；
图5示出对应于根据现有技术使用的方法的时间同步误差值和对应于本发明的时间同步误差值之间的比较。
具体实施方式
以下详细描述示出了本公开的实施例和可实现它们的方式。虽然公开了执行本公开的一些模式，但本领域技术人员将认识到，用于执行或实践本公开的其它实施例也是可行的。
本发明提供一种用于对自动化环境中的一个或多个装置进行时间同步的方法。一个或多个装置包括(但不限于)分布在自动化环境上的智能电子装置(IED)、控制器、数据聚合器和传感器等。
图1示出在变电站100中实现的示例性自动化环境。变电站100包括主总线102。多个馈线114(例如，114a、114b和114c等)连接到主总线102上。变电站100还包括多个断路器106(例如，106a、106b和106c等)，使得在多个馈线114中的每一个中提供至少一个断路器。多个断路器106中的各个断路器构造成被多个IED110(例如，110a、110b和110c等)中的对应的IED触发。多个IED110又构造成接收来自多个对应的功率变压器108(例如，108a、108b和108c)的多个电压信号作为输入。多个IED110还构造成接收来自多个对应的电流变压器112(例如，112a、112b和112c)的多个电流信号。
多个IED110利用多个电压信号和多个电流信号来检测故障状况且使对应的断路器跳脱，从而使下游网络构件免受故障电流引起的损伤。另外，多个IED110还记录多个故障的出现和发生对应的故障的相应的时间实例。多个故障和相应的时间实例作为多个干扰纪录存储在多个对应的IED110处。可通过与多个IED 110连接的控制网络104来访问多个干扰纪录。
可基于相应的时间实例来对多个IED 110所记录的多个故障进行排序。为了对变电站100设计较好的保护***，标识多个IED 110所记录的多个故障的正确顺序是至关重要的。因此关键是对多个IED 110进行时间同步。使用连接到控制网络104上的第一装置116来对多个IED 110中的一个或多个IED进行时间同步。第一装置116存储控制网络104的拓扑的信息。根据实施例，第一装置116是移动手持装置。
根据各种实施例，移动手持装置以点对点的方式对一个或多个IED进行时间同步，即，使用移动手持装置对一个或多个IED中的各个单独进行时间同步。根据各种实施例，一个或多个IED分成一个或多个控制器IED和一个或多个下级IED，使得一个或多个控制器IED构造成使用移动手持装置作为第一装置116来进行时间同步。一个或多个下级IED构造成使用对应的控制器IED作为第一装置116来进行时间同步。
根据各种实施例，控制网络104包括至少一个后备IED，使得在控制器IED失效的情况下，至少一个后备IED使用移动手持装置来进行时间同步。移动手持装置使用控制网络104的拓扑的信息，来标识后备IED。然后后备IED对对应于失效控制器的下级IED进行时间同步。
图2示出流程图，它描绘了使用第一装置116对变电站100中的一个或多个装置进行时间同步中包括的多个步骤。方法在步骤210处开始。在步骤220处，第一装置116基于控制网络104的拓扑的信息选择第二装置来进行时间同步。选择第二装置使得最大程度地缩短对一个或多个装置进行时间同步花费的总时间。根据各种实施例，基于与控制网络104中的第二装置直接通信的装置的数量来选择第二装置。根据各种实施例，基于第二装置和待进行时间同步的第三装置之间的连接强度来选择第二装置。在另一个实施例中，基于最小传播延迟来选择第二装置，即，第一装置选择具有最小传播延迟的装置作为第二装置。
在实施例中，第一装置116选择IED110a来进行时间同步。根据实施例，在步骤230处，第一装置116将第一组数据包发送给IED110a。第一装置116还接收对应于第一组相应的数据包的第一组延迟请求。在步骤240处，第一装置116发送第一组延迟响应，它对应于第一组相应的延迟请求。在步骤250处，IED110a分别根据第一组数据包和第一组延迟响应来确定第一组前向时间和第一组后向时间。可从以下示例中理解第一组前向时间和第一组后向时间的确定。
例如，第一装置116在时间t1处将数据包发送给IED110a。数据包包括用于对IED110a进行时间同步的时间戳t1。在时间t2处在IED110a处接收数据包。IED110a将使用在IED110a处提供的时钟来标记时间t2。备选地，第一装置116还可发送具有时间戳t1的追踪数据包，以便应对数据包传输延迟，这由IED110a记录。IED110a使用公式1来根据时间戳t1和t2确定前向时间A11。
(公式1)。
前向时间A11是在IED110a处提供的时钟的偏移和数据包从第一装置到IED110a的传播延迟C11的总和。传播延迟C11(前向或后向)是可变的，并且易受数据包传输时的网络状况的影响，而第一装置的时钟和IED110a之间的偏移则较稳定。为了应对传播延迟C11，以确定使IED110a同步的偏移，IED110a在时间t3处将具有时间戳t3的延迟请求发送给第一装置116。在时间t4处在第一装置116处接收延迟请求。然后第一装置116将有时间戳t4的延迟响应发送给IED110a。IED110a使用公式2根据时间戳t3和t4确定后向时间B11。
(公式2)。
对第一组数据包中的各个数据包应用公式1，以得出第一组前向时间(例如，A11、A12、A13…A1n等)。对第一组延迟响应中的各个延迟响应应用公式2，以得出第一组后向时间(例如，B11、B12、B13…B1n等)。在步骤260处，IED110a分别确定第一组前向时间和第一组后向时间中的第一最小前向时间A1min和第一最小后向时间B1min。在步骤270处，IED110a使用公式3根据第一最小前向时间A1min和第一最小后向时间B1min，确定第一校正因子△1。
(公式3)。
在步骤280处，IED110a将第一校正因子△1应用于在IED110a处提供的时钟，并且将第一校正因子△1存储在第一装置116处。在实施例中，从IED110a的时钟中减去校正因子。在步骤290处，方法结束。上面描述的方法不局限于变电站环境。相同的方法可应用于多个自动化环境。
图3示出在工业工厂300中实现的第二示例性自动化环境。根据各种实施例，工业工厂300是制造工厂或食品处理工厂或热动力工厂。工业工厂300包括多个马达310(例如，310a和310b等)。工业工厂300还包括多个传感器320(例如，320a和320b)，使得多个马达310中的各个马达连接到多个传感器320中的相应的传感器上。数据聚合器330通过网络325连接到多个传感器320上。数据聚合器330构造成收集来自多个传感器320的对应于多个马达310的数据。
在马达(例如，310a)失效的情况下，对应的传感器320a对数据聚合器330报告失效。这允许失效马达310a与其它马达(例如，310b)隔离开，并且防止其它马达由于级联效应而失效。此外，传感器320a还在数据聚合器330处以对应的失效时间实例记录失效。标识多个传感器320所记录的多个失效的正确顺序允许有针对工业工厂300所设计的较好的保护***。因此利用数据聚合器330对多个传感器320进行时间同步是至关重要的。
在实施例中，数据聚合器330对多个传感器320中的传感器320a进行时间同步。根据实施例，数据聚合器330将第一组数据包发送给传感器320a。数据聚合器330还接收对应于第一组相应的数据包的第一组延迟请求。然后数据聚合器330发送对应于第一组相应的延迟请求的第一组延迟响应。传感器320a分别根据第一组数据包和第一组延迟响应来确定第一组前向时间和第一组后向时间。可从以下计时图中理解关于第一组前向时间和第一组后向时间的确定。
图4示出关于使用数据聚合器330对传感器320a进行时间同步的时序图。数据聚合器330在时间t1处将数据包发送给传感器320a。数据包包括用于对传感器320进行时间同步的时间戳t1。在时间t2处在传感器320a处接收数据包。传感器320a将使用在传感器320a处提供的时钟来标记时间t2。数据聚合器330还可发送具有时间戳t1的追踪数据包，以便应对数据包传输延迟，这由传感器320a记录。传感器320a使用公式1来根据时间戳t1和t2确定前向时间A11。
前向时间A11是在传感器320a处提供的时钟的偏移和数据包从数据聚合器330到传感器320a的传播延迟C11的总和。然后传感器320a在时间t3处将延迟请求发送给数据聚合器330，以应对传播延迟C11。在时间t4处在数据聚合器330处接收延迟请求。然后数据聚合器330将具有时间戳t4的延迟响应发送给传感器320a。传感器320a使用公式2来根据时间戳t3和t4确定后向时间B11。
传感器320a类似地分别根据接收自数据聚合器330的第一组数据包和第一组延迟响应确定第一组前向时间(例如，A11、A12、A13…A1n等)和第一组后向时间(例如，B11、B12、B13…B1n等)。然后传感器320a分别确定第一组前向时间和第一组后向时间中的第一最小前向时间A1min和第一最小后向时间B1min。然后传感器320使用公式3根据第一最小前向时间A1min和第一最小后向时间B1min来确定第一校正因子△1。
然后传感器320将第一校正因子△1在时间实例T11处应用于在传感器320a处提供的时钟。数据聚合器330存储第一校正因子△1以及传感器320a的网络位置。多个传感器320中的其它传感器利用相同的方法来利用数据聚合器330对相应的时钟进行时间同步。
在数据聚合器330和多个传感器320处提供的相应的时钟趋向于独立地漂移。因此，利用数据聚合器330对多个传感器320的时间同步不断地执行，以使在多个传感器320处提供的时钟保持时间同步。
确定多个校正因子，并且在多个传感器320的重复时间同步期间存储多个校正因子。多个校正因子用来校正对应于多个传感器320所记录的多个失效的多个时间实例。例如，传感器320a在时间实例T22处进行第二次时间同步。对应的第二校正因子△2存储在数据聚合器330处。然后使用公式4来校正对应于传感器320a在时间实例T11和T22之间记录的失效的时间实例T。
(公式4)。
其中TC表示校正后的失效时间实例。相同的方法可应用于对应于多个传感器320所记录的多个失效的所有其它时间实例。
图5示出对应于根据现有技术使用的方法的时间同步误差值和对应于本发明的时间同步误差值之间的比较。用“o”记号显示了对应于根据现有技术的方法的时间同步误差值。用“x”记号显示对应于本发明的时间同步误差值。根据现有技术的方法根据最小往返时间来确定校正因子。最小往返时间是对于多个延迟请求而言在第二装置的延迟请求发送到第一装置和在第二装置处接收到来自第一装置的延迟响应之间获得的最小时间。
本发明应用多个数据包从第一装置行进到第二装置花费的多个时间中的最小值，以及多个延迟请求从第二装置行进到第一装置花费的多个时间中的最小值，以确定校正因子。可从图5中看到，对应于本发明的时间同步误差值小于对应于根据现有技术的方法的时间同步误差值。由于这么做，本发明能够选择使网络延迟的影响最小的A1min和B1min的值。因此本发明提供较准确的时间同步方法。
此外，本发明使得能够使用移动手持装置对分布***(例如，功率***和过程自动化***等)中的多个控制装置进行时间同步。使用移动手持装置来进行时间同步具有许多优点。第一，移动手持装置是便携式的，而且可方便地带到工厂的任何区域。移动手持装置支持多种网络协议，从而允许在选择控制网络104时较大的灵活性。移动手持装置还与GPS时钟进行时间同步，并且允许一个或多个IED与GPS时钟进行时间同步。GPS时钟受益于使用原子时间，原子时间可提供高达六千万年分差一秒的精度的时间。
此外，可以经济的方式对诸如低端控制装置的遗留装置实现该解决方案。可通过对多个网络化控制装置实现控制器-下级构造，来在较短的持续时间里对多个装置进行时间同步。此外，方法可扩展到工厂的远程位置或不可接近的位置中的控制装置。
将理解的是，本公开的特征可按各种组合结合，而不偏离由所附权利要求限定的本公开的范围。

Claims (6)

1.一种用于使用第一装置对自动化环境中的一个或多个装置进行时间同步的方法，所述一个或多个装置通过控制网络连接，其中，所述第一装置包括所述控制网络的拓扑的信息，所述方法包括：
通过所述第一装置，基于所述控制网络的所述拓扑的所述信息，选择所述控制网络中的第二装置；
通过所述第一装置，将第一组数据包发送给所述第二装置，以及通过所述第一装置，接收对应于所述第一组相应的数据包的第一组延迟请求；
通过所述第一装置，将对应于所述第一组相应的延迟请求的第一组延迟响应发送给所述第二装置；
通过所述第二装置，分别基于所述第一组数据包和所述第一组延迟响应，确定第一组前向时间和第一组后向时间；
通过所述第二装置，确定所述第一组前向时间中的第一最小前向时间和所述第一组后向时间中的第一最小后向时间；
通过所述第二装置，根据所述第一最小前向时间和所述第一最小后向时间确定对应于第一时间同步实例的第一校正因子；以及
通过所述第二装置，对在所述第二装置处提供的时钟应用所述第一校正因子，以及将所述第一校正因子存储在所述第一装置处。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述控制网络的所述拓扑中选择所述第二装置是基于与所述第二装置直接通信的装置的数量的。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述控制网络的所述拓扑中选择所述第二装置是基于所述第二装置和待进行时间同步的第三装置之间的连接强度的。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制网络包括至少一个后备装置，其中，所述至少一个后备装置构造成在所述第一装置失效时对所述一个或多个装置进行时间同步。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
通过所述第一装置，将第二组数据包发送给所述第二装置，以及通过所述第一装置，接收对应于所述第二组相应的数据包的第二组延迟请求；
通过所述第一装置，将对应于所述第二组相应的延迟请求的第二组延迟响应发送给所述第二装置；
通过所述第二装置，分别基于所述第二组数据包和所述第二组延迟响应，确定第二组前向时间和第二组后向时间；
通过所述第二装置，确定所述第二组前向时间中的第二最小前向时间和所述第二组后向时间中的第二最小后向时间；
通过所述第二装置，根据所述第二最小前向时间和所述第二最小后向时间确定对应于第二时间同步实例的第二校正因子；以及
通过所述第二装置，对在所述第二装置处提供的所述时钟应用所述第二校正因子，以及将所述第二校正因子存储在所述第一装置处；以及
通过对在所述第一时间同步实例和所述第二时间同步实例之间所述第二装置记录的事件的时间实例进行插值，基于所述第一校正因子和所述第二校正因子，校正所述事件的时间实例。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述事件的所述时间实例的插值包括利用线性插值函数。
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