CN107959969B - 一种应用于暂态录波型故障指示器的时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于暂态录波型故障指示器的时间同步方法，汇聚单元向各相采集单元广播同步信标帧进行同步；各相采集单元向其他相采集单元和汇聚单元发送含有同步字节的数据帧，各相采集单元监听其他相采集单元的数据帧并打上同步字节；先发送数据帧的两相采集单元根据相对时间漂移和相对初始时间偏移将本地时间与最后发送数据帧的采集单元进行同步。汇聚单元根据获得的时间偏差对各相数据帧进行同步。本发明实现了采集单元之间本地同步，实现了各相数据帧在汇聚单元中的后同步。

Description

一种应用于暂态录波型故障指示器的时间同步方法

技术领域

本发明属于电力***配电网状态监测、故障定位技术领域，尤其涉及一种应用于暂态录波型故障指示器的时间同步方法。

背景技术

在配电网***中，线路分支多、运行情况复杂，发生短路、接地故障时，故障区段难以确定，给检修工作带来不小的困难，尤其是偏远地区，查找起来更是费时费力。随着我国配电自动化和农网改造的推进，故障指示器作为配电故障定位技术手段之一，已经大量投入使用。由于传统的二遥故障指示器对单相接地故障判断准确率低，国家电网开始推行暂态录波型故障指示器，通过三相合成的零序暂态电流特征来判断单相接地故障，这就要求安装在三相线路上的采集单元间必须维持高精度时间同步，国家标准规定：“每组采集单元三相时间同步误差不大于100μs”。

暂态录波型故障指示器的采集单元安装在架空线路上，同一位置A、B、C三相线路上安装的采集单元组成一组，与汇聚单元通信，合成零序电流，采集单元采用晶体振荡器来维持本地时钟，由于晶体振荡器相位的随机偏移和漂移，各个采集单元的本地时间将会出现偏差。如果没有时间校正，每组采集单元之间就会失去同步，合成零序电流不准确。同时，出于经济方面考虑，采集单元一般采用普通时钟晶振，晶振精度不高，这里我们假设晶振精度为20ppm，要维持100μs的同步误差，时间同步周期必须小于5s。但是，采集单元一般采用取能CT和电池供电，对功耗要求非常高，国家标准规定：“采集单元在电池单独供电时，最小工作电流应不大于80μA。在不更换电池情况下，持续工作时间应不低于8年，且满足闪光报警大于2000小时”，5s的时间同步周期下采集单元肯定满足不了功耗要求，所以暂态录波型故障指示器时间同步算法不仅要求有较高的同步精度，还要求能量高效性。

暂态录波型故障指示器由汇聚单元和指示单元组成，汇聚单元、采集单元及采集单元间通过无线信号通信，组成了一个小型的无线传感器网络，其同步机制设计需遵循无线传感器网络时间同步机制特性：稳定性、收敛性、能量感知等，但由于传感器网络具有很强应用相关性，现有的时间同步机制不适合故障指示器场景，需要设计符合故障指示器这种高同步精度和超低功耗场景下的时间同步机制。根据国网统计现有各厂家的暂态录波型故障指示器专项检测中时间同步精度都不能达到100μs的同步误差，这就必然会影响合成的暂态零序电流准确度，从而导致单相接地故障判断不准，影响暂态录波型故障指示器的应用效果。因此研究开发适用于暂态录波型故障指示器的能量高效时间同步机制对保证暂态录波型故障指示器对单相接地故障的准确判断和可靠定位有重要现实意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种应用于暂态录波型故障指示器的时间同步方法。本发明的技术方案，利用数据帧夹带时标来减少时间同步能量消耗，利用时钟偏移和时钟漂移估计补偿方法减少同步误差，汇聚单元基于接收时标间和采集单元发送时标间的时差实现了采集单元间的后同步，汇聚单元根据采集单元同步误差自适应调整时间同步信标帧发送周期，结合了基于发送者-接受者的双向报文交换同步和基于发送端的单向广播同步，从而解决了现有方案存在的局限和缺点，实现了暂态录波型故障指示器时间同步的高同步精度和能量的高效利用，从而保证合成零序电流的准确性。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种应用于暂态录波型故障指示器的时间同步方法，包括以下步骤：

步骤一、汇聚单元向A相采集单元、B相采集单元和C相采集单元广播同步信标帧，A相采集单元、B相采集单元和C相采集单元在接收到同步信标帧后将各自的本地时间与汇聚单元同步；

步骤二、A相采集单元、B相采集单元和C相采集单元分别周期采集A相线路负荷数据、B相线路负荷数据、C相线路负荷数据，并各自利用本地时钟记录下A相采样时刻t_A、B相采样时刻t_B、C相采样时刻t_C，将各相同步字节、上述各相线路负荷数据和上述各相采样时刻对应封装进各相数据帧，各相同步字节位于对应相数据帧的最前端；

A相采集单元发送完A相数据帧中的A相同步字节后，在A相数据帧中A相同步字节之后的每个字节开始处都打上时间戳，形成A相采集单元本地时标

i＝0,1,…,n，n为大于1的自然数；

B相采集单元、C相采集单元侦听到A相采集单元发送的A相数据帧，在A相数据帧中A相同步字节之后的每个字节开始处也都打上时间戳，分别形成本地时标

和本地时标

B相采集单元发送完B相数据帧中的B相同步字节后，在B相数据帧中B相同步字节之后的每个字节开始处都打上时间戳，形成B相采集单元本地时标

A相采集单元、C相采集单元侦听到B相采集单元发送的B相数据帧，在B相数据帧中B相同步字节之后的每个字节开始处也都打上时间戳，分别形成本地时标

和

C相采集单元发送完C相数据帧中的C相同步字节后，在C相数据帧中C相同步字节之后的每个字节开始处都打上时间戳，形成C相采集单元本地时标

A相采集单元、B相采集单元侦听到C相采集单元发送的C相数据帧，在C相数据帧中C相同步字节之后的每个字节开始处也都打上时间戳，分别形成本地时标

和本地时标

步骤三、通过下式求

其中：q∈{A、B}；

利用最小二乘法拟合出

中的相对时间漂移α^qc和相对初始时间偏移θ^qc，q相采集单元根据相对时间漂移α^qc和相对初始时间偏移θ^qc由

调整自己的本地时间。

步骤四、汇聚单元侦听A相数据帧、B相数据帧和C相数据帧，在接收到各相数据帧中的同步字节后，在各相数据帧中的同步字节后的每个字节开始处都打上时间戳，分别得到

通过下式求A相采集单元与C相采集单元之间的时间偏差△^AC、以及B相采集单元与C相采集单元之间的时间偏差△^BC：

根据时间偏差△^AC、△^BC调整A相、B相采集单元的采样时刻t_A、t_B，实现A相数据帧、B相数据帧、C相数据帧在汇聚单元中的同步。

步骤五、当时间偏差△^AC或△^BC大于阈值T_th时，汇聚单元向采集单元广播同步信标帧，A相采集单元、B相采集单元和C相采集单元在接收到同步信标帧后将各自的本地时间与汇聚单元同步。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

利用采集单元主动上报数据帧夹带时标和无线信号的广播特性实现了采集单元之间本地同步，汇聚单元基于接收时标间和采集单元发送时标间的时差实现了采集单元间的后同步，汇聚单元根据采集单元间同步误差自适应调整汇集单元发送时间同步帧的周期，能在保证时间同步精度的同时大大减少了同步信标帧数量，从而解决了时间同步精度和能量效率间的矛盾，保证了合成零序电流的精确性，大大提高了故障指示器接地故障判断的准确率。

附图说明

图1各相采集单元侦听数据帧示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

在架空线路同一地点的A、B、C三相上，分别安装A相采集单元、B相采集单元和C相采集单元，在靠近采集单元的电力塔架上安装汇聚单元，汇聚单元、A相采集单元、B相采集单元和C相采集单元内均设置433MHz或2.4GHz无线通信模块，每只采集单元与另外两只采集单元及汇聚单元之间通过无线通信模块通信。

步骤一、A相采集单元、B相采集单元和C相采集单元安装到线路上开始工作时，首先汇聚单元向A相采集单元、B相采集单元和C相采集单元广播同步信标帧(Beacon)，同步信标帧包含了信标帧同步字节(SYNC)、汇聚单元本地时标、汇聚单元ID号、信标帧顺序号(SeqNum)，汇聚单元本地时标为在同步信标帧的同步字节发送之后在MAC层记录下的汇聚单元本地时间，A相、B相和C相采集单元在接收到同步信标帧的信标帧同步字节后在MAC层记录下各自的本地时间，将各相采集单元的本地时间调整为汇聚单元本地时标加上把接收到的无线电波消息转换为比特数据所花费的解码时间和中断处理延时，从而实现A、B、C相采集单元的本地时间都与汇聚单元的本地时间同步。

步骤二、A相采集单元、B相采集单元和C相采集单元分别周期采集A相线路负荷数据、B相线路负荷数据、C相线路负荷数据，并利用本地时钟记录下A相采样时刻t_A、B相采样时刻t_B、C相采样时刻t_C，上述各相线路负荷数据均包括线路电流、场强等，将各相同步字节、上述各相线路负荷数据和上述各相采样时刻对应封装为各相数据帧，各相同步字节位于对应相数据帧的最前端，即：A相同步字节、A相线路负荷数据和A相采样时刻t_A对应封装进A相数据帧，A相同步字节位于A相数据帧的最前端；B相同步字节、B相线路负荷数据和B相采样时刻t_B对应封装进B相数据帧，B相同步字节位于B相数据帧的最前端；C相同步字节、C相线路负荷数据和C相采样时刻t_C对应封装进C相数据帧，C相同步字节位于C相数据帧的最前端，并在主动上报周期分别向汇聚单元发送A相数据帧、B相数据帧、C相数据帧，主动上报周期小于10min，本实施例中主动上报顺序为A相、B相、C相线路负荷数据，

A相采集单元发送完A相数据帧中的A相同步字节后，在A相数据帧中A相同步字节之后的每个字节开始处都打上时间戳，形成A相采集单元本地时标

n为大于1的自然数(一般情况下n取7就够了)，

B相采集单元、C相采集单元侦听到A相采集单元发送的A相数据帧，在接收到A相数据帧的A相同步字节后，在A相数据帧中A相同步字节之后的每个字节开始处也都打上时间戳，分别形成本地时标

和本地时标

B相采集单元向汇聚单元发送B相数据帧，B相数据帧包含了B相同步字节、本地时标

B相采集单元ID、B相线路负荷数据、B相采样时刻t_B，B相同步字节位于B相数据帧的最前端，B相采集单元在发送完B相数据帧中的B相同步字节后，在B相数据帧中B相同步字节之后的每个字节开始处都打上时间戳，形成B相采集单元的本地时标

A相采集单元、C相采集单元侦听到B相采集单元发送的B相数据帧，在接收到B相数据帧的B相同步字节后，在B相数据帧中B相同步字节之后的每个字节开始处也都打上时间戳，分别形成本地时标

和

C相采集单元向汇聚单元发送C相数据帧，C相数据帧包含了C相同步字节、

C相采集单元ID、C相线路负荷数据、C相采样时刻t_C，C相同步字节位于C相数据帧的最前端，C相采集单元在发送完C相数据帧中的C相同步字节后，在C相数据帧中C相同步字节之后的每个字节开始处都打上时间戳，形成C相采集单元的本地时标

A相采集单元、B相采集单元侦听到C相采集单元发送的C相数据帧，在接收到C相数据帧的C相同步字节后，在C相数据帧中C相同步字节之后的每个字节开始处也都打上时间戳，分别形成本地时标

和本地时标

这样，A相采集单元获得n组时标

B相采集单元获得n组时标

步骤三、每相采集单元采用晶体振荡器来维持本地时钟，晶体振荡器频率的变化非常小，在短时期内认为采集单元的晶振频率是保持不变的。我们记m相采集单元时间为T_m(t)，参考全局时间记为t，故可以采用以下线性时钟模型：

T_m(t)＝α·t+θ 公式(1)

其中α为m相采集单元中的晶体振荡器的时间漂移(频差)，θ为m相采集单元中的晶体振荡器初始时间偏移(初始相差)，m∈{A、B、C}，

记p相采集单元时间为T_p(t)，则p相采集单元与m相采集单元之间的时间同步模型可以表示为：

T_p(t)＝α^pm·T_m(t)+θ^pm 公式(2)

其中α^pm为p相采集单元中的晶体振荡器与m相采集单元中的晶体振荡器间的相对时间漂移(相对频差)，θ^pm为p相采集单元中的晶体振荡器与m相采集单元中的晶体振荡器间的相对初始时间偏移(相对相差)，m，p∈{A、B、C}，m≠p，

每个主动上报周期中，m采集单元为最后一个上报数据帧，在本实施例中，m为C相，由步骤二可知，q相采集单元可以获得n组时标

q∈{A、B}，i＝0,1,…,n，令

为与

相同全局参考时间的q相采集单元的本地时间，假设C相采集单元到q相采集单元与q相采集单元到C相采集单元的传播时延相等，则可以通过下式求

这样就得到n对时标

i＝0,1,…,n，根据公式(4)利用最小二乘法就可以估计出α^qc、θ^qc：

q相采集单元根据相对时间漂移α^qc和相对初始时间偏移θ^qc由

调整自己的本地时间，从而实现与C相采集单元的同步，从而保证A、B、C三相采集单元同步采样。

假设每个主动上报周期中，A相、B相、C相采集单元依次上报各相数据帧，

由步骤二可知，A相、B相、C相采集单元每个负荷数据上报周期，A相采集单元可以获得n组时标

i＝0,1,…,n，令

为与

相同全局参考时间的A相采集单元的本地时间，假设C相采集单元到A相采集单元与A相采集单元到C相采集单元的传播时延相等，则可以通过下式求

这样就得到n对时标

i＝0,1,…,n，根据公式(8)利用最小二乘法就可以估计出α^AC、θ^AC：

A相采集单元根据相对时间漂移α^AC和相对初始时间偏移θ^AC由

调整自己的本地时间，从而实现与C相采集单元的同步。

步骤四、汇聚单元(root)侦听到A相数据帧、B相数据帧和C相数据帧，在接收到各相数据帧的同步字节后，在各相数据帧中的同步字节后的每个字节开始处都打上时间戳，可以得到

i＝0,1,…,n，这样汇聚单元分别得到与A相、B相、C相采集单元相对应的n组时标对

i＝0,1,…,n，由下式求A相、B相采集单元与C相采集单元之间的时间偏差△^AC、△^BC：

根据时间偏差△^AC、△^BC调整A相、B相采集单元的采样时刻t_A、t_B，实现A相数据帧、B相数据帧、C相数据帧在汇聚单元中的同步。

步骤五、当时间偏差△^AC或△^BC大于阈值T_th时，汇聚单元向采集单元广播同步信标帧，各相采集单元按照步骤一同步到汇聚单元，阈值T_th根据暂态录波型故障指示器采集单元主动上报负荷数据的周期和采集单元采用的晶振精度来设置，为了保证采集单元间采集数据的时间偏差小于半个工频周波，可以取10ms。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种应用于暂态录波型故障指示器的时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、汇聚单元向A相采集单元、B相采集单元和C相采集单元广播同步信标帧，A相采集单元、B相采集单元和C相采集单元在接收到同步信标帧后将各自的本地时间与汇聚单元同步；

步骤二、A相采集单元、B相采集单元和C相采集单元分别周期采集A相线路负荷数据、B相线路负荷数据、C相线路负荷数据，并各自利用本地时钟记录下A相采样时刻t_A、B相采样时刻t_B、C相采样时刻t_C，将各相同步字节、上述各相线路负荷数据和上述各相采样时刻对应封装进各相数据帧，各相同步字节位于对应相数据帧的最前端；

A相采集单元发送完A相数据帧中的A相同步字节后，在A相数据帧中A相同步字节之后的每个字节开始处都打上时间戳，形成A相采集单元本地时标

n为大于1的自然数；

B相采集单元、C相采集单元侦听到A相采集单元发送的A相数据帧，在A相数据帧中A相同步字节之后的每个字节开始处也都打上时间戳，分别形成本地时标

和本地时标

B相采集单元发送完B相数据帧中的B相同步字节后，在B相数据帧中B相同步字节之后的每个字节开始处都打上时间戳，形成B相采集单元本地时标

A相采集单元、C相采集单元侦听到B相采集单元发送的B相数据帧，在B相数据帧中B相同步字节之后的每个字节开始处也都打上时间戳，分别形成本地时标

和

C相采集单元发送完C相数据帧中的C相同步字节后，在C相数据帧中C相同步字节之后的每个字节开始处都打上时间戳，形成C相采集单元本地时标

A相采集单元、B相采集单元侦听到C相采集单元发送的C相数据帧，在C相数据帧中C相同步字节之后的每个字节开始处也都打上时间戳，分别形成本地时标

和本地时标

步骤三、通过下式求

其中：q∈{A、B}；

利用最小二乘法拟合出

中的相对时间漂移α^qc和相对初始时间偏移θ^qc，q相采集单元根据相对时间漂移α^qc和相对初始时间偏移θ^qc由

调整自己的本地时间，

还包括以下步骤：

汇聚单元侦听A相数据帧、B相数据帧和C相数据帧，在接收到各相数据帧中的同步字节后，在各相数据帧中的同步字节后的每个字节开始处都打上时间戳，分别得到

通过下式求A相采集单元与C相采集单元之间的时间偏差△^AC、以及B相采集单元与C相采集单元之间的时间偏差△^BC：

根据时间偏差△^AC、△^BC调整A相、B相采集单元的采样时刻t_A、t_B，实现A相数据帧、B相数据帧、C相数据帧在汇聚单元中的同步。

2.根据权利要求1所述的一种应用于暂态录波型故障指示器的时间同步方法，其特征在于，还包括以下步骤：

当时间偏差Δ^AC或△^BC大于阈值T_th时，汇聚单元向采集单元广播同步信标帧，A相采集单元、B相采集单元和C相采集单元在接收到同步信标帧后将各自的本地时间与汇聚单元同步。

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