一种变电站设备时钟同步的改进方法与流程

本发明涉及一种变电站设备时钟同步的改进方法，属于变电站网络对时技术领域。

背景技术：

现代化变电站以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、监测和计量等基本功能。但无论测控装置、保护保护装置，还是计量装置的计算处理都要求采样数据应在同一个时间点上采集，以免相位和幅值产生误差。对于过电流保护等保护，因为微机保护的本地晶振时钟的短期稳定性非常高，不会对保护的动作精度造成影响。但对于差动保护和计量，由于微机保护本地晶振时钟并不十分准确，经过长时间的误差累积，会造成跨间隔间不同采样数据的相位误差和幅值误差的逐渐扩大，导致差动保护的误动作和计量的严重误差，因此需要对时技术对本地时钟进行校正。

IEEE1588定义了一个能在测量和控制系统中实现高精度时钟同步的协议——精确时钟同步协议(Precision Time Protocol，PTP)。PTP协议的基本原理是主时钟与本地时钟之间进行同步信息包的发送，对信息包的发出时间和接收时间信息进行记录，并且在每一条信息包上打上时间戳标签。PTP协议为了使用和描述时间信息，定义了四种多点传送的信息包，即同步信息包Sync、同步信息包之后的跟随信息包Follow_Up、延时测量信息包Delay_Req和延时测量应答信息包Delay_Resp。

同步信息包传递的机制成为“延时—请求响应机制”，如图1所示，主时钟周期性发送包含时钟质量的Sync信息包，紧接着发送Follow_up信息包告知本地时钟上个信息包的实际发送时间T_m1；本地时钟记录Sync信息包的到达时间T_s1，随后在T_s3时刻发送Delay_Req信息包；主时钟记录Delay_Req信息包的到达时间T_m3，并发送信息包Delay_Resp把T_m3告知本地时钟。本地时钟根据这四个时间信息计算出时钟的偏移和传输延迟。假设在时钟的信息通信中认为信息包的往返延迟是相等的，则图1中T_m1、T_s1、T_s3、T_m3四个点的连线是一个等腰梯形。

本地时钟便可计算出自身与主时钟之间的信息交换延时T_delay为

T_delay＝[(T_m3﹣T_m1)﹣(T_s3﹣T_s1)]/2 (1.1)

本地时钟与主时钟的时钟相位偏移T_offset为

T_offset＝[(T_s1﹣T_m1)+(T_s3﹣T_m3)]/2 (1.2)

本地时钟根据计算出来的相位偏移修改本地时间，从而达到与主时钟同步。

PTP协议通过这种“延时—请求响应机制”消除了物理层处理延时的影响，从而进一步提高了对时精度。虽然IEEE1588通过PTP协议消除了上层处理延时与物理层处理延时造成的影响，但它与所有网络对时算法一样存在局限性，PTP协议为计算时钟相偏所进行的四次测量都以对时信息的传输延迟在传输方向上相同为基础，但在实际使用中，不可能绝对满足这个前提。虽然IEEE1588协议引入了透明时钟和边界时钟，但需要交换机支持IEEE 1588时钟机制，同时网络传输延时测量的随机性和较低频率，但当网络负载突发性变化时，造成信息包在传输方向上的延时差异变大，因此公式(1.1)与公式(1.2)成立前提的假设——信息包交换的往返延迟相等便不成立，图1中T_m1、T_s1、T_s3、T_m3四个点的连线将是一个不等腰梯形，若简单地通过公式(1.2)对本地时钟相偏进行计算，便会对本地时钟的校正带来较大误差。

该方法只对本地时钟的相位偏移进行了补偿，并未对本地时钟的频率偏移进行补偿。而造成相位偏移的根本原因是本地晶振时钟频率并不十分准确，与主时钟频率相比存在误差，经过长时间的误差累积而造成相位偏差。

技术实现要素：

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种变电站设备时钟同步的改进方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种变电站设备时钟同步的改进方法，包括步骤如下：

步骤一：本地时钟的频偏计算，假设本地时钟与主时钟之间由于频偏η的影响，时钟相偏单调递增，即频偏η不变，构建时钟相偏与频偏的对时信息交换的时钟模型；一次对时中对时信息共进行N次交换，其中第k次对时信息交换的T_2,k与T_3,k均为本地时钟的本地时间，与均为主时钟的本地时间；忽略上层处理延时，物理层处理延时为定值d，信息由主时钟到本地时钟的网络传输延时为随机变量X_k，信息由本地时钟到主时钟的网络传输延时为随机变量Y_k；选择T_1,1为参考时间，即T_1,1为主时钟实际本地时间的零时刻；则与分别为主时钟实际本地时间与的相对时间；表示在时刻的参考时钟相位偏移，其中Φ^r代表本地时钟的实际相偏；本地时钟接收到第k次对时信息时的相对观测时间为T_2,k，发送第k次对时信息时的相对观测时间为T_3,k，有：

有

同理有T_3,k＝(T_4,k-d-Y_k)(1+η)+Φ

(2.2)

由式(2.1)，用T_2,N减去T_2,1可得：

T_2,N-T_2,1＝(T_1,N-T_1,1+X_N-X₁)(1+η) (2.3)

同理，根据式(2.2)可得：

T_3,N-T_3,1＝(T_4,N-T_4,1+Y₁-Y_N)(1+η) (2.4)

将第N个与第1个时间戳的差值分别定义为D₁＝T_1,N-T_1,1，D₂＝T_2,N-T_2,1，D₃＝T_3,N-T_3,1，D₄＝T_4,N-T_4,1，且第N次信息交换与第1次信息交换的网络传输差值定义为D_X＝X_N-X₁与D_Y＝Y_N-Y₁，则式(2.3)与(2.4)可分别改写为

D₂＝(D₁+D_X)(1+η) (2.5)

D₃＝(D₄-D_Y)(1+η) (2.6)

假设网络传输延时和为相互独立但同指数分布的随机变量，指数分布均值为λ，则D_X与D_Y为零均值的拉普拉斯随机变量，方差为2λ²；因此D_X与D_Y的联合概率密度函数为：

式(2.5)与(2.6)描述的简化观测模型的似然函数为：

令代入式(2.8)得：

通过使式(2.8)的似然函数L(η′,λ)取得最大值，则可以得到η′的最大似然估计值，为

式中为的从小到大顺序统计量，K_i为与δ_(i)对应的D₂或D₃，当δ₍₁₎＝δ₁时，K₁＝D₂，K₂＝D₃；当δ₍₁₎＝δ₂时，K₁＝D₃，K₂＝D₂。

解得本地时钟频偏η的最大似然估计值为：

步骤二：本地时钟的相偏计算，相偏计算时需要先对本地时钟的观测时间T_2,k、T_3,k(k＝1…N)进行频率补偿，得到修正后的时间T’_2,k、T’_3,k：

T′_2,k＝T_2,k-(T_1,k+d+X_k)η_MLE (3.1)

T′_3,k＝T_3,k-(T_4,k-d-Y_k)η_MLE (3.2)

由式(3.3)计算出N次对时每次的相偏Φ_k

Φ_k＝T′_2,k+T′_3,k-T_1,k-T_4,k (3.3)

计算N次对时相偏Φ_k的平均值作为相偏值Φ

步骤三：设本地时钟晶振固有频率为f，对其进行补偿后，实际频率f’为

f’＝f×(1+η_MLE) (2.12)

步骤四：设本地时钟此时输出时间为C_i(t)，对其进行补偿后，实际输出时间C’_i(t)为

C’_i(t)＝C_i(t)+Φ (3.5)

有益效果：针对智能变电站网络负荷较重时，网络传输往返延时不对称，传统的精确时钟同步协议(Precision Time Protocol，PTP)单次对时在本地时钟的校正上误差较大，本发明提供的一种变电站设备时钟同步的改进方法，通过统计学方法在多次对时后计算出本地时钟频偏与相偏误差的最优解进而进行补偿。

附图说明

图1为延时—请求响应机制原理示意图；

图2为时钟相偏与频偏的对时信息交换的时钟模型示意图；

图3为本地时钟频偏与相偏补偿流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一、本地时钟的频偏计算

假设本地时钟与主时钟之间由于频偏η的影响，时钟相偏单调递增，即频偏η不变，构建时钟相偏与频偏的对时信息交换的时钟模型，如图2所示。一次对时中对时信息共进行N次交换，其中第k次对时信息交换的T_2,k与T_3,k均为本地时钟的本地时间，与均为主时钟的本地时间。忽略上层处理延时，物理层处理延时为定值d，信息由主时钟到本地时钟的网络传输延时为随机变量X_k，信息由本地时钟到主时钟的网络传输延时为随机变量Y_k。选择T_1,1为参考时间，即T_1,1为主时钟实际本地时间的零时刻。则与分别为主时钟实际本地时间与的相对时间；表示在时刻的参考时钟相位偏移，其中Φ^r代表本地时钟的实际相偏。本地时钟接收到第k次对时信息时的相对观测时间为T_2,k，发送第k次对时信息时的相对观测时间为T_3,k，有：

有

同理有T_3,k＝(T_4,k-d-Y_k)(1+η)+Φ

(2.2)

从式(2.1)与(2.2)中可以看出，受到频偏的影响，本地时钟的相对观测时间分别会受到式中(T_1,k+d+X_k)η项与(T_4,k-d-Y_k)η项的影响。

从图2中可以看出，基于线性时钟模型由于受到频偏的影响，主时钟与本地时钟间的时间偏移不断增大，第N次信息交换与第1次交换时间戳的时间差异最大，因此可以通过使用第N个和第1个信息交换时的观测值，得到对于本地时钟频偏的类最大似然估计。

由式(2.1)，用T_2,N减去T_2,1可得：

T_2,N-T_2,1＝(T_1,N-T_1,1+X_N-X₁)(1+η) (2.3)

同理，根据式(2.2)可得：

T_3,N-T_3,1＝(T_4,N-T_4,1+Y₁-Y_N)(1+η) (2.4)

将第N个与第1个时间戳的差值分别定义为D₁＝T_1,N-T_1,1，D₂＝T_2,N-T_2,1，D₃＝T_3,N-T_3,1，D₄＝T_4,N-T_4,1，且第N次信息交换与第1次信息交换的网络传输差值定义为D_X＝X_N-X₁与D_Y＝Y_N-Y₁，则式(2.3)与(2.4)可分别改写为

D₂＝(D₁+D_X)(1+η) (2.5)

D₃＝(D₄-D_Y)(1+η) (2.6)

假设网络传输延时和为相互独立但同指数分布的随机变量，指数分布均值为λ，则D_X与D_Y为零均值的拉普拉斯随机变量，方差为2λ²。因此D_X与D_Y的联合概率密度函数为：

式(2.5)与(2.6)描述的简化观测模型的似然函数为：

令代入式(2.8)得：

通过使式(2.8)的似然函数L(η′,λ)取得最大值，则可以得到η′的最大似然估计值，为

式中为的从小到大顺序统计量，K_i为与δ_(i)对应的D₂或D₃，当δ₍₁₎＝δ₁时，K₁＝D₂，K₂＝D₃；当δ₍₁₎＝δ₂时，K₁＝D₃，K₂＝D₂。

解得本地时钟频偏η的最大似然估计值为：

设本地时钟晶振固有频率为f，对其进行补偿后，实际频率f’为

f’＝f×(1+η_MLE) (2.12)

该方法不需要考虑相偏的影响，只需通过第N次与第1次主时钟与本地时钟间信息交换的观测值即可快速算出，可简单快捷地对频率进行补偿频率补偿。

二、本地时钟的相偏计算

相偏计算时需要先对本地时钟的观测时间T_2,k、T_3,k(k＝1…N)进行频率补偿，得到修正后的时间T’_2,k、T’_3,k：

T′_2,k＝T_2,k-(T_1,k+d+X_k)η_MLE (3.1)

T′_3,k＝T_3,k-(T_4,k-d-Y_k)η_MLE (3.2)

由式(3.3)计算出N次对时每次的相偏Φ_k

Φ_k＝T′_2,k+T′_3,k-T_1,k-T_4,k (3.3)

计算N次对时相偏Φ_k的平均值作为相偏值Φ

如图3所示，设本地时钟此时输出时间为C_i(t)，对其进行补偿后，实际输出时间C’_i(t)为

C’_i(t)＝C_i(t)+Φ (3.5)

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。