CN110492966B - 一种分布式继电保护装置的时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分布式继电保护装置的时间同步方法，本发明通过在主机和子机之间利用晶振计数器实现秒沿精准定位，并通过秒间隔计算方法和秒间隔内的余数均分算法来实现下一秒秒间隔、下一秒采样值发送间隔以及下一秒余数均分间隔的计算，解决了时间同步过程中时间刻度离散性能出现较大波动的问题以及无GPS信号时主机和子机无法进行高精度时间同步的问题，通过秒间隔内余数均分算法将采样值发送间隔的离散值保持在纳秒级别，大大提高了采样值发送周期的稳定性，且无需借助外部GPS信号，可实现继电保护装置分布式主机和子机之间的高精度时间同步，提高继电保护的可靠性。

Description

一种分布式继电保护装置的时间同步方法

技术领域

本发明涉及电力通信技术领域，特别是一种分布式继电保护装置的时间同步方法。

背景技术

随着通信技术的高速发展，继电保护装置的形态由集中式向分布式发展。分布式继电保护主机和分布式继电保护子机分布式布置，协同工作，通过光纤共享各自采集的数据，主机和子机间需要实现高精度的时间同步，来保证主机和子机的高精度数据同步。

现有技术中继电保护装置主机和子机时间同步的方式有以下两种：

1.使用全站GPS时钟，主机和子机分别和GPS时钟源连接，和GPS进行时间同步，此方式需要消耗大量硬件资源，在GPS信号失效的情况下，主机和子机无法实现时间同步；

2.使用NTP对时服务器，主机和子机分别通过NTP协议和NTP时钟源进行时间同步，此方式基于UDP/IP协议，对时误差大，无法满足分布式继电保护装置间的高精度时间同步需求。

传统的两个***节点进行时间同步的方式主要是子节点接收主节点的对时帧，根据某种算法对传输延时进行补偿后，更新子节点的时间和主节点一致。此种方式可以进行高精度的时间同步，但是子节点时间刻度的离散性能在同步时会有较大的波动。在继电保护领域，这种大的波动是不能被接受的，比如采样点的发送间隔，要求在任何情况下离散性能不大于10us，因此急需一种分布式继电保护装置时间同步方法，让继电保护装置在不依赖外部对时的情况下，主机和子机间能够实现高精度时间同步。

发明内容

本发明的目的是提供一种分布式继电保护装置的时间同步方法，旨在解决现有技术中时间同步过程中时间刻度离散性能出现较大波动的问题以及无GPS信号时主机和子机无法进行高精度时间同步的问题，提高采样值发送周期的稳定性，且无需借助外部GPS信号，提高继电保护的可靠性。

为达到上述技术目的，本发明提供了一种分布式继电保护装置的时间同步方法，所述方法包括以下操作：

保护子机接收主机的同步帧，通过子机晶振计数表示间隔大小，根据主机发送的相邻同步帧秒沿之间的间隔，以及主机同步帧秒沿和本机秒沿之间的间隔，分别计算下一秒秒间隔、下一秒采样值发送间隔、下一秒余数均分间隔，并以此控制下一秒的秒间隔、采样值发送间隔，每隔一个余数均分间隔，临时将采样值发送间隔加1，使子机和主机秒沿同步并保持采样值发送间隔的离散值为纳秒级别；

保护子机接收主机的对时帧，当子机和主机秒沿同步后，将主机对时帧中携带的时钟信息，更新到子机。

优选地，所述同步帧格式包含帧类型、帧长度、发送延时以及传输延时。

优选地，所述对时帧包含帧类型、帧长度以及主机时钟。

优选地，所述下一秒秒间隔、下一秒采样值发送间隔、下一秒余数均分间隔的计算过程如下：

假设保护子机收到的下一个主机同步帧编号为3，下一秒结束时，主机同步帧4对应的秒沿的晶振计数器值预测为：

T3＝BT1+2×(BT1-BT0)

其中BT0为主机同步帧1对应的保护子机晶振计数器值，BT1为主机同步帧2对应的保护子机晶振计数器值；

子机在本秒结束时子机秒沿的晶振计数器值预测为：

T2＝(T1+DT1)

T1为子机上一秒结束时秒沿的晶振计数器值，DT1为子机本秒的秒间隔；

子机下一秒秒间隔为两个秒沿对应的晶振计数器值的差：

DTs＝T3-T2＝BT1+2×(BT1-BT0)-(T1+DT1)

当已知子机下一秒的采样点数为Nsv，则下一秒采样值发送间隔为：

DTsv＝DTs/Nsv

在一个秒间隔内对余数进行均匀补偿，下一秒余数均分间隔为：

DTy＝DTs/Ny＝DTs/(DTs-(DTsv×Nsv))。

优选地，所述主机每秒发送一次同步帧给子机，并在秒沿后500ms时，发送一个对时帧给子机。

优选地，所述采样值发送间隔的离散值为1个晶振振荡周期，为纳秒级别。

优选地，在计算下一秒秒间隔、下一秒采样值发送间隔、下一秒余数均分间隔之前，需对主机同步帧秒间隔校验BT1-BT0是否有效。

优选地，主机对时帧中携带的时钟信息为UTC秒值，同时需要执行下述操作来确定子机的毫秒时间：当子机秒沿到来时，将毫秒值置为0

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

与现有技术相比，本发明通过在主机和子机之间利用晶振计数器实现秒沿精准定位，并通过秒间隔计算方法和秒间隔内的余数均分算法来实现下一秒秒间隔、下一秒采样值发送间隔以及下一秒余数均分间隔的计算，解决了时间同步过程中时间刻度离散性能出现较大波动的问题以及无GPS信号时主机和子机无法进行高精度时间同步的问题，通过秒间隔内余数均分算法将采样值发送间隔的离散值保持在纳秒级别，大大提高了采样值发送周期的稳定性，且无需借助外部GPS信号，可实现继电保护装置分布式主机和子机之间的高精度时间同步，提高继电保护的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例中所提供的主机和子机间同步帧以及对时帧的格式示意图；

图2为本发明实施例中所提供的一种子机和主机秒沿同步示意图；

图3为本发明实施例中所提供的一种子机和主机秒沿同步逻辑流程图；

图4为本发明实施例中所提供的一种子机更新时钟示意图；

图5为本发明实施例中所提供的一种子机更新时钟逻辑流程图。

具体实施方式

为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

下面结合附图对本发明实施例所提供的一种分布式继电保护装置的时间同步方法进行详细说明。

本发明实施例公开了一种分布式继电保护装置的时间同步方法，所述方法包括以下操作：

保护子机接收主机的同步帧，通过子机晶振计数表示间隔大小，根据主机发送的相邻同步帧秒沿之间的间隔，以及主机同步帧秒沿和本机秒沿之间的间隔，分别计算下一秒秒间隔、下一秒采样值发送间隔、下一秒余数均分间隔，并以此控制下一秒的秒间隔、采样值发送间隔，每隔一个余数均分间隔，临时将采样值发送间隔加1，使子机和主机秒沿同步并保持采样值发送间隔的离散值为纳秒级别；

保护子机接收主机的对时帧，当子机和主机秒沿同步时，将主机对时帧中携带的时钟信息，更新到子机。

保护主机和保护子机时间同步的帧格式分为两种，分别是同步帧和对时帧，如图1所示。同步帧格式包含帧类型、帧长度、发送延时以及传输延时，例如，帧类型固定为A；帧长度固定为8字节；发送延时由主机发送同步帧时动态填写，是从保护主机秒沿发生到保护主机开始发出同步帧的时间延时，通过晶振振荡周期数量表示，由主机通过实际情况填写；传输延时由主子机间的传输介质决定，通过配置文件配置，为从保护主机开始发送同步帧到保护子机接收完毕同步帧的时间延时，通过晶振振荡周期数量表示。对时帧包含帧类型、帧长度以及主机时钟，例如帧类型固定为B，帧长度固定为8字节，主机时钟为UTC时间的秒。

假设保护主机和保护子机的晶振的频率为50000000Hz，每个振荡周期晶振计数器的值增加1，当晶振计数器的值大于49999999时，反转为0，计时***基于三个参数：秒间隔DTs、采样值发送间隔DTsv以及余数均分间隔DTy。秒间隔为一秒内晶振振荡周期的数量，计算出下一秒晶振振荡周期的数量，就得到了下一秒的秒间隔，如果子机从未收到主机的时间同步信号，则一秒内晶振振荡周期的数量为50000000。采样发送间隔为子机采样值发送周期包含的晶振振荡周期的数量。余数均分间隔为一秒内余数均分周期包含的晶振振荡周期的数量。

主机在秒沿发生时通过发布同步帧给子机，通知子机秒沿发生。主机每秒发送一次同步帧给子机，在秒沿后500ms时，发送一个对时帧给子机，更新子机的秒以及以上的时间信息。子机通过计算主机发送的相邻同步帧秒沿之间的间隔，以及主机同步帧秒沿和本机秒沿之间的间隔，计算出下一秒子机秒间隔DTs，同时基于余数均分算法，计算下一秒采样点发送间隔DTsv和余数均分间隔DTy，每隔一个余数均分间隔，采样值发送间隔临时调整为DTsv+1，此时采样值发送间隔的离散值为1个晶振振荡周期，为纳秒级别，在下一秒结束时，实现子机秒沿和主机秒沿对齐，秒沿对齐后，子机通过读取对时帧，更新本机的时间。

如图2、3所示，主机同步帧1到来时，保护子机对保护主机同步帧中的发送延时和传输延时补偿后，得到保护子机晶振计数器值BT0；主机同步帧2到来时，保护子机对保护主机同步帧中的发送延时和传输延时补偿后，得到保护子机晶振计数器值BT1，校验主机同步帧秒间隔BT1-BT0是否有效，如无效，则继续记录同步帧到来时，保护子机的晶振计算器值，如有效，则继续下述步骤：上一秒结束时，秒沿对应的晶振计数器值为T1，已知保护子机本秒的秒间隔为DT1，同步帧下一秒结束时主机同步帧4对应的秒沿的晶振计数器预测为：

T3＝BT1+2×(BT1-BT0)

子机本秒结束时的子机秒沿3对应的晶振计数器的值预测为：

T2＝(T1+DT1)

子机下一秒秒间隔为两个秒沿对应的晶振计数器的差为：

DTs＝T3-T2＝BT1+2×(BT1-BT0)-(T1+DT1)

已知子机下一秒的采样点数为Nsv，则下一秒的采样值发送间隔为：

DTsv＝DTs/Nsv

由于DTs以及Nsv均为整数数据类型，因此DTs除以Nsv得到的余数Ny为：

Ny＝DTs-(DTsv×Nsv)

为保证采样间隔的离散性能，在一个秒间隔内对余数进行均匀补偿，下一秒余数均分间隔为：

DTy＝DTs/Ny＝DTs/(DTs-(DTsv×Nsv))

以上分别计算出下一秒秒间隔DTs，下一秒采样值发送间隔DTsv，下一秒余数均分间隔DTy，子机在本秒结束后，根据本秒计算出的DTs控制下一秒的秒间隔，根据本秒计算出的DTsv，控制下一秒的采样值发送间隔；在此基础上，下一秒每隔一个余数均分间隔，采样值发送间隔临时调整为DTsv+1，并循环执行。

如图4、5所示，子机接收主机的对时帧，更新时间。每当子机的秒沿到来时，将毫秒值置为0；当子机接收到主机的对时帧后，如果子机和主机秒沿已经同步，将主机对时帧中携带的时钟信息，更新到子机，如果子机和主机的秒沿未同步，则在子机秒沿到来时，将毫秒值置为0，如此循环执行。

本发明实施例通过在主机和子机之间利用晶振计数器实现秒沿精准定位，并通过秒间隔计算方法和秒间隔内的余数均分算法来实现下一秒秒间隔、下一秒采样值发送间隔以及下一秒余数均分间隔的计算，解决了时间同步过程中时间刻度离散性能出现较大波动的问题以及无GPS信号时主机和子机无法进行高精度时间同步的问题，通过秒间隔内余数均分算法将采样值发送间隔的离散值保持在纳秒级别，大大提高了采样值发送周期的稳定性，且无需借助外部GPS信号，可实现继电保护装置分布式主机和子机之间的高精度时间同步，提高继电保护的可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种分布式继电保护装置的时间同步方法，其特征在于，所述方法包括以下操作：

保护子机接收主机的同步帧，通过子机晶振计数表示间隔大小，根据主机发送的相邻同步帧秒沿之间的间隔，以及主机同步帧秒沿和本机秒沿之间的间隔，分别计算下一秒秒间隔、下一秒采样值发送间隔、下一秒余数均分间隔，计算过程如下：

假设保护子机收到的下一个主机同步帧编号为3，下一秒结束时，主机同步帧4对应的秒沿的晶振计数器值预测为：

T3＝BT1+2×(BT1-BT0)

其中BT0为主机同步帧1对应的保护子机晶振计数器值，BT1为主机同步帧2对应的保护子机晶振计数器值；

子机在本秒结束时子机秒沿的晶振计数器值预测为：

T2＝(T1+DT1)

T1为子机上一秒结束时秒沿的晶振计数器值，DT1为子机本秒的秒间隔；

子机下一秒秒间隔为两个秒沿对应的晶振计数器值的差：

DTs＝T3-T2＝BT1+2×(BT1-BT0)-(T1+DT1)

当已知子机下一秒的采样点数为Nsv，则下一秒采样值发送间隔为：

DTsv＝DTs/Nsv

式中，DTsv为DTs除以Nsv得到的整数；

在一个秒间隔内对余数进行均匀补偿，下一秒余数均分间隔为：

DTy＝DTs/Ny＝DTs/(DTs-(DTsv×Nsv))

其中，Ny为DTs除以Nsv得到的余数；

并以此控制下一秒的秒间隔、采样值发送间隔，每隔一个余数均分间隔，临时将采样值发送间隔加1，使子机和主机秒沿同步并保持采样值发送间隔的离散值为纳秒级别；

保护子机接收主机的对时帧，当子机和主机秒沿同步后，将主机对时帧中携带的时钟信息，更新到子机。

2.根据权利要求1所述的一种分布式继电保护装置的时间同步方法，其特征在于，所述同步帧格式包含帧类型、帧长度、发送延时以及传输延时。

3.根据权利要求1所述的一种分布式继电保护装置的时间同步方法，其特征在于，所述对时帧包含帧类型、帧长度以及主机时钟。

4.根据权利要求1所述的一种分布式继电保护装置的时间同步方法，其特征在于，所述主机每秒发送一次同步帧给子机，并在秒沿后500ms时，发送一个对时帧给子机。

5.根据权利要求1所述的一种分布式继电保护装置的时间同步方法，其特征在于，所述采样值发送间隔的离散值为1个晶振振荡周期，为纳秒级别。

6.根据权利要求1所述的一种分布式继电保护装置的时间同步方法，其特征在于，在计算下一秒秒间隔、下一秒采样值发送间隔、下一秒余数均分间隔之前，需对主机同步帧秒间隔校验BT1-BT0是否有效。

7.根据权利要求1所述的一种分布式继电保护装置的时间同步方法，其特征在于，主机对时帧中携带的时钟信息为UTC秒值，同时需要执行下述操作来确定子机的毫秒时间：当子机秒沿到来时，将毫秒值置为0。

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