CN112118065B - 一种用于低压配电台区的时钟同步***及方法 - Google Patents

一种用于低压配电台区的时钟同步***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于低压配电台区的时钟同步***及方法，所述主对时装置通过三相交流线路分别与多个从对时装置相连接，所述主对时装置、从对时装置均具有本地时钟功能；所述主对时装置包括：过零频率计量模块、电网频率控制模块和载波通信头端模块；所述从对时装置包括：过零频率计量模块、载波通信尾端模块。本发明通过主对时装置的载波通信头端模块和从对时装置的载波通信尾端模块的配合，完成全部对时流程。本设计与现有对时***相比具有简单、经济、高效的优点。

Description

一种用于低压配电台区的时钟同步***及方法
技术领域
本发明涉及一种用于低压配电台区的时钟同步***及方法，属于配电网电气设备自动识别技术领域。
背景技术
目前，随着国家对配电网的大力建设和改造，和配电网电气测控设备智能化水平的不断提高，配电网中各设备的时钟同步有助于获得更精确的时间戳，对于后期故障定位、拓扑识别、大数据分析等高级应用有着重要的作用。
对于配电网中的智能设备，若其通过以太网与其他设备通信，可以通过NTP/SNTP、PTP（IEEE-1588）等协议实现高精度的对时。对于低压配电台区的分布设备，常用电力载波通信作为主要的对外通信方式，无法使用以太网中的高精度对时协议，但可采用GPS、北斗、IRIG等方式对时。
对于依赖以太网连接的NTP/SNTP协议的对时方案，在局域网中可以达到1ms精度，在广域网中根据传输延迟、丢包率的不同，精度会显著降低。而PTP（IEEE-1588）协议同样需要以太网连接，由于其增加了专用硬件，时间同步精度依不同网络情况，可达到1ns—100ns水平。GPS、北斗等基于卫星的无线定位***，也提供了对时服务和技术，在信号强度良好时，其对时精度可达1us。但GPS不适用于安装在信号屏蔽位置的设备上，例如金属材质的箱体，或钢混结构的建筑物内部。IRIG对时需要另外连接一根串口线，也不适用于在复杂结构的配电网中的设备上安装使用。
当前的时钟同步方案，不适用于安装在无法提供以太网连接，GPS、北斗等卫星导航信号微弱，以电力载波通信为主要通信方式的低压配电台区电力设备中。直接使用电力载波通信发送对时时间，会遇到通信延时时间波动、通信丢帧等等问题，对时精确度不足。
发明内容
目的：为了解决没有以太网连接，安装在弱GPS、北斗等卫星导航信号环境中，以电力载波通信为主要通信方式的低压配电台区电力设备的时间同步问题，本发明提出了一种用于低压配电台区的时钟同步***及方法，能够快速、高精度地使低压配电台区中多个设备的时间同步。以更好地实现后期的故障定位、拓扑识别、大数据分析等高级应用。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种用于低压配电台区的时钟同步***，包括：主对时装置，多个从对时装置；所述主对时装置通过三相交流线路分别与多个从对时装置相连接，所述主对时装置、从对时装置均具有本地时钟功能。
所述主对时装置包括：过零频率计量模块、电网频率控制模块和载波通信头端模块；所述过零频率计量模块用于根据各相位电压数字信号相邻上升沿、下降沿间隔时间进行时间计量，并通过间隔时间的变化监测电网的瞬时频率的变化；所述电网频率控制模块用于改变某相位的瞬时频率；所述载波通信头端模块用于主对时装置向从对时装置发送和接收消息。
所述从对时装置包括：过零频率计量模块、载波通信尾端模块；所述过零频率计量模块用于根据各相位电压数字信号相邻上升沿、下降沿间隔时间进行时间计量，并通过间隔时间的变化监测电网的瞬时频率的变化；所述载波通信尾端模块用于从对时装置向主对时装置发送和接收消息。
作为优选方案，所述主对时装置安装在低压配电台区的变压器出线侧、线路分支后侧或断路器内。
作为优选方案，所述从对时装置集成在低压配电台区的开关、计量、测控设备中。
作为优选方案，所述主对时装置的过零频率计量模块、电网频率控制模块和载波通信头端模块分别并联接入低压配电台区的三相交流线路。
作为优选方案，所述主对时装置和从对时装置均设有唯一的设备标识符。
作为优选方案，所述设备标识符包括：地址号、ID。
一种用于低压配电台区的时钟同步方法，其特征在于：包括如下步骤：
主对时装置的载波通信头端模块与所有从对时装置的载波通信尾端模块通信，获取所有需要对时的从对时装置，并记录从对时装置的设备标识符；
主对时装置设置t2时间后为对时时标，并通过主对时装置的载波通信头端模块向所有从对时装置的载波通信尾端模块发送对时时标，从对时装置收到此消息后，向主对时装置回复确认收到的消息，并使用过零频率计量模块开始监测电网频率的瞬时变化；
主对时装置通过过零频率计量模块开始计时，当计时等于t2时间时，主对时装置的时钟到达预定的对时时标时，通过电网频率控制模块改变某相位的瞬时频率；
对应相位的从对时装置通过过零频率计量模块同步监测到了电网的瞬时频率的变化，并将当前的从对时装置的时钟设置为对时时标；通过载波通信尾端模块向主对时装置回复确认消息；
主对时装置的载波通信头端模块持续接收从对时装置回复的确认消息，根据确认消息，主对时装置在所有需要对时的从对时装置中，标记收到了回复确认消息的从对时装置。
作为优选方案，主对时装置的载波通信头端模块若没有收到某个从对时装置回复确认收到对时时标的消息，需重发多次对时时标，直到所有的从对时装置都回复了确认收到消息。
作为优选方案，还包括从对时装置的时钟和主对时装置的时钟的验证，具体步骤如下：
主对时装置的载波通信头端模块记录当前所有通信正常的从对时装置，将所有通信正常的已对时成功的从对时装置选出，记录其设备标识符和所在的相位；
主对时装置向选中的从对时装置发送准备验证的消息，从对时装置收到后回复确认信息，并使用过零频率计量模块监测电网瞬时频率的变化；
主对时装置通过电网频率控制模块在对应相位上改变电网的瞬时频率，并记录瞬时频率发生变化时的时刻，作为校验时标；
当从对时装置的过零频率计量模块同步监测到了对应相位电网的瞬时频率的变化，并记录瞬时频率变化的时刻。
主对时装置向所有从对时装置读取其监测到的瞬时频率变化的时刻，与校验时标作作差，若差值小于阈值，则校验成功；反之校验失败。
作为优选方案，主对时装置若没有收到某个从对时装置回复的确认收到准备验证的消息，需重发多次，直到所有的从对时装置都回复了确认收到消息。
一种用于低压配电台区的时钟同步***及方法，由于在同一配电台区中，各个位置的交流电频率时刻同步的，频率的传递没有延迟，故此时从对时设备的过零频率计量模块可同步检测到电网频率的瞬时变化。通过主对时装置的载波通信头端模块和从对时装置的载波通信尾端模块的配合，完成全部对时流程。本设计与现有对时***相比具有简单、经济、高效的优点。
附图说明
图1为本发明时钟同步***的安装示意图。
图2为改变瞬时频率前的电压数字信号示意图。
图3为改变瞬时频率后的电压数字信号示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明提出一种用于低压配电台区的时钟同步***包括：主对时装置，多个从对时装置，主对时装置和从对时装置均设有唯一的设备标识符，所述设备标识符包括：地址号、ID。
如图1所示，主对时装置安装在低压配电台区的变压器出线侧、线路分支后侧或断路器内，主对时装置包括：过零频率计量模块、电网频率控制模块和载波通信头端模块，过零频率计量模块、电网频率控制模块和载波通信头端模块分别并联接入低压配电台区的三相交流线路。所述过零频率计量模块，根据接入三相交流电，输出三路电压数字信号，输出信号的高电平对应该相位的电压当前大于零，输出信号的低电平对应此相位的电压当前小于零。电压信号的上升沿或下降沿时刻，即为此相位的电压过零时刻。过零频率计量模块同时具有对电压信号的相邻上升沿、下降沿间隔时间的计量功能。电网频率控制模块用于改变某相位的瞬时频率，可使任意一相交流电瞬时对地短路，并根据过零频率计量模块输出的电压信号，在上升沿或下降沿时刻后瞬时对地短路，从而瞬时改变此相电路上相邻两次电压过零的间隔时间，也就是改变了瞬时频率。载波通信头端模块是用于主对时装置与从对时装置之间通信的，其通过在电力线上叠加、接收特定高频的信号实现通信数据的传送。
从对时装置包括：过零频率计量模块和载波通信尾端模块。从对时装置作为一个附属的模块，集成在低压配电台区每相的开关、计量、测控设备中。如图2所示，在低压配电台区的频率恒定为50Hz，那么一个周波信号的时间为20ms，过零信号的相邻上升/下降沿时间间隔为10ms，将正常运行时的相邻上升/下降沿时间间隔值记录为t。由于在同一配电台区中，各个位置的交流电频率时刻同步的，频率的传递没有延迟，故此时从对时设备的过零频率计量模块可同步检测到电网频率的瞬时变化。如图3所示，当主对时装置的电网频率控制模块瞬时改变配电台区中的某一相交流电的频率时，从对时装置中过零频率计量模块测得t瞬时改变，即电网频率发生了瞬时变化，以此作为同步对时的依据。载波通信尾端模块用于从对时装置与主对时装置通信的，其通过在电力线上叠加、接收特定高频的信号实现通信数据的传送。
一种用于低压配电台区的时钟同步方法，包括如下步骤：
1.主对时装置的载波通信头端模块与低压配电台区中所有从对时装置的载波通信尾端模块通信，获取到所有需要对时的从对时装置，并记录从对时装置的设备标识符。
2.主对时装置设置t2时间后为对时时标，并通过主对时装置的载波通信头端模块向所有从对时装置的载波通信尾端模块发送对时时标，从对时装置收到此消息后，向主对时装置回复确认收到的消息，并使过零频率计量模块开始监测电网频率的瞬时变化。所述对时时标包含年、月、日、周、时、分、秒、毫秒。
主对时装置的载波通信头端模块若没有收到某个从对时装置回复消息，需重发多次，直到所有的从对时装置都回复了确认收到消息。
3. 主对时装置通过过零频率计量模块开始计时，当计时等于t2时间时，主对时装置的时钟到达预定的对时时标时，通过电网频率控制模块改变某相位的瞬时频率。
4.对应相位的从对时装置通过过零频率计量模块同步监测到了电网的瞬时频率的变化，并将当前的从对时装置的时钟设置为对时时标；通过载波通信尾端模块向主对时装置回复确认消息。
5.主对时装置的载波通信头端模块持续接收从对时装置回复的确认消息。根据确认消息，主对时装置在所有需要对时的从对时装置中，标记收到了回复确认消息的从对时装置。
在对时完成后，还需要进行验证步骤，验证从对时装置的时钟和主对时装置的时钟是否一致。具体步骤如下：
1.主对时装置的载波通信头端模块记录当前低压配电台区中所有通信正常的从对时装置，将所有通信正常的已对时成功的从对时装置选出，记录其设备标识符和所在的相位。
2.主对时装置向选中的从对时装置发送准备验证的消息。从对时装置收到后回复确认信息，并使用过零频率计量模块监测电网瞬时频率的变化。主对时装置若没有收到某个从对时装置回复的确认收到消息，需重发多次，直到所有的从对时装置都回复了确认收到消息。
3.主对时装置通过电网频率控制模块在对应相位上改变电网的瞬时频率，并记录瞬时频率发生变化时的时刻，作为校验时标。
4.当从对时装置的过零频率计量模块同步监测到了对应相位电网的瞬时频率的变化，并记录瞬时频率变化的时刻。
5.主对时装置向所有从对时装置读取其监测到的瞬时频率变化的时刻，与校验时标作作差，若差值小于阈值，则校验成功；反之校验失败。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于低压配电台区的时钟同步方法，其特征在于：包括如下步骤：
主对时装置的载波通信头端模块与所有从对时装置的载波通信尾端模块通信，获取所有需要对时的从对时装置，并记录从对时装置的设备标识符；
主对时装置设置t2时间后为对时时标，并通过主对时装置的载波通信头端模块向所有从对时装置的载波通信尾端模块发送对时时标，从对时装置收到此消息后，向主对时装置回复确认收到的消息，并使用过零频率计量模块开始监测电网频率的瞬时变化；
主对时装置通过过零频率计量模块开始计时，当计时等于t2时间时，主对时装置的时钟到达预定的对时时标时，通过电网频率控制模块改变某相位的瞬时频率；
对应相位的从对时装置通过过零频率计量模块同步监测到了电网的瞬时频率的变化，并将当前的从对时装置的时钟设置为对时时标；通过载波通信尾端模块向主对时装置回复确认消息；
主对时装置的载波通信头端模块持续接收从对时装置回复的确认消息，根据确认消息，主对时装置在所有需要对时的从对时装置中，标记收到了回复确认消息的从对时装置。
2.根据权利要求1所述的一种用于低压配电台区的时钟同步方法，其特征在于：主对时装置的载波通信头端模块若没有收到某个从对时装置回复确认收到对时时标的消息，需重发多次对时时标，直到所有的从对时装置都回复了确认收到消息。
3.根据权利要求1所述的一种用于低压配电台区的时钟同步方法，其特征在于：还包括从对时装置的时钟和主对时装置的时钟的验证，具体步骤如下：
主对时装置的载波通信头端模块记录当前所有通信正常的从对时装置，将所有通信正常的已对时成功的从对时装置选出，记录其设备标识符和所在的相位；
主对时装置向选中的从对时装置发送准备验证的消息，从对时装置收到后回复确认信息，并使用过零频率计量模块监测电网瞬时频率的变化；
主对时装置通过电网频率控制模块在对应相位上改变电网的瞬时频率，并记录瞬时频率发生变化时的时刻，作为校验时标；
当从对时装置的过零频率计量模块同步监测到了对应相位电网的瞬时频率的变化，并记录瞬时频率变化的时刻；
主对时装置向所有从对时装置读取其监测到的瞬时频率变化的时刻，与校验时标作差，若差值小于阈值，则校验成功；反之校验失败。
4.根据权利要求3所述的一种用于低压配电台区的时钟同步方法，其特征在于：主对时装置若没有收到某个从对时装置回复的确认收到准备验证的消息，需重发多次，直到所有的从对时装置都回复了确认收到消息。
5.一种应用权利要求1-4任一项所述方法的用于低压配电台区的时钟同步***，包括：主对时装置，多个从对时装置，其特征在于：所述主对时装置通过三相交流线路分别与多个从对时装置相连接，所述主对时装置、从对时装置均具有本地时钟功能；
所述主对时装置包括：过零频率计量模块、电网频率控制模块和载波通信头端模块；所述过零频率计量模块用于根据各相位电压数字信号相邻上升沿、下降沿间隔时间进行时间计量，并通过间隔时间的变化监测电网的瞬时频率的变化；所述电网频率控制模块用于改变某相位的瞬时频率；所述载波通信头端模块用于主对时装置向从对时装置发送和接收消息；
所述从对时装置包括：过零频率计量模块、载波通信尾端模块；所述过零频率计量模块用于根据各相位电压数字信号相邻上升沿、下降沿间隔时间进行时间计量，并通过间隔时间的变化监测电网的瞬时频率的变化；所述载波通信尾端模块用于从对时装置向主对时装置发送和接收消息。
6.根据权利要求5所述的用于低压配电台区的时钟同步***，其特征在于：所述主对时装置安装在低压配电台区的变压器出线侧、线路分支后侧或断路器内。
7.根据权利要求5所述的用于低压配电台区的时钟同步***，其特征在于：所述从对时装置集成在低压配电台区的开关、计量、测控设备中。
8.根据权利要求5所述的用于低压配电台区的时钟同步***，其特征在于：所述主对时装置的过零频率计量模块、电网频率控制模块和载波通信头端模块分别并联接入低压配电台区的三相交流线路。
9.根据权利要求5所述的用于低压配电台区的时钟同步***，其特征在于：所述主对时装置和从对时装置均设有唯一的设备标识符。
10.根据权利要求9所述的用于低压配电台区的时钟同步***，其特征在于：所述设备标识符包括：地址号、ID。
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