基于自学习改进的电网时间同步测量系统和方法与流程

本发明涉及通信网络技术领域，尤其涉及一种通过自学习方法实现判断电网时间同步测量延迟请求报文发送时间方法，具体是一种基于自学习改进的电网时间同步测量系统和方法。用于解决电网中同步测量时延迟请求报文与电网其他报文碰撞概率过大问题，通过电网同步测量精度并降低电网其他报文延迟。

背景技术：

我国电网已初步建成了以大机组，自动化和超高压机组为主要特征的现代化大型电网系统，为了保证电网的安全和经济的运行，各种以通信和计算机技术为基础的自动化装置被广泛应用，如电力故障录波装置、同步向量测量装置、调度自动化装置、变电站计算机监控系统和火电厂机组自动控制系统等。这些装置的正常工作和使用离不开统一的全网时间同步。此外，各种微机型装置内部都带有实时时钟，其运行时的固有误差无法避免，随着运行时间的增加，累积误差就会越来越大，从而无法正确的计算时间，因此，也要求由外部时间源定期输入使其时间同步。

随着IT技术的发展，通过网络为电网授时成为了可能，目前的网络时间协议主要有基于1588协议的NTP和PTP两种。

NTP(Network Time Protocol)是设计用来同步网络中各个计算机时间的协议，其同步精度在局域网内可达0.1ms，在互联网上绝大多数的地方其精度可以达到1-50ms。

PTP(Precision Time Protocol)精密时间协议，相对NTP，PTP提高了设备同步精度，其同步精度可达到微妙(us)级。PTP协议有4种报文类型，包括同步报文，跟随报文，延迟请求报文和延迟应答报文。

现有的电网同步网络协议普遍使用1588协议的PTP协议，但并未考虑PTP报文与电网中其他网络报文之间的影响。由于网络中的其他报文是随机到达的，因此现有方法无法预测网络中其他报文到达时间，受网络带宽限制，实际应用中，当PTP报文与电网其他网络报文冲突时有可能造成同步报文或网络报文的延迟不确定，也会造成其他网络报文延迟增加。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于网络自学习的改进的电网时间同步测量系统，实现在不影响电网各节点同步精度的前提下减少同步报文与电网其他网络报文的碰撞。

本发明是一种基于网络自学习改进的电网时间同步测量系统，电网基础设备包括故障录波装置、同步向量测量装置、调度自动化装置、变电站计算机监控装置和火电厂机组自动控制装置，这些设备称作待测设备，待测设备均通过交换机连接到1588协议时间同步模块上，电网通过1588协议时间同步，1588协议包括网络中的主时钟与从时钟，1588协议时间同步模块通过交换机网络接口作为从时钟与电网中的主时钟同步，其特征在于，在1588协议时间同步模块上附加有自学习测量设备模块，自学习测量设备模块通过交换机获取网络其他报文，同时通过1588协议时间同步模块上时间输出接口记录来自网络各个待测设备的其他报文到达时间，计算出改进的1588协议同步报文中延迟请求报文的最佳发送时间，通过配置输出接口，设置1588协议时间同步模块延迟请求报文发送时间，1588协议时间同步模块于最佳发送时间时发送延迟请求报文，通过网络接口与主时钟同步，减少延迟请求报文与电网中其他报文的碰撞概率，实现更精确的网络时间同步。

本发明还是一种基于网络自学习改进的电网时间同步测量方法，其特征在于，包括有以下步骤：

(1)网络传输中，传输1588协议同步报文、跟随报文、延迟请求报文和延迟请求响应报文，以及各待测设备输出的网络其他报文；

(2)网络其他报文通过交换机到达自学习测量设备模块，同时自学习测量设备模块还通过1588协议时间同步模块时间输出接口读取网络其他报文的到达时间，并为所有到达的其他报文打上时间戳并转发给下一节点；

(3)自学习测量设备模块记录并存储一段时间内所有到达其他报文及其到达时间，通过自学习方法根据所述一段时间内的其他报文到达时间及时间差概率分布，计算出最佳PTP延迟请求报文发送时间；

(4)1588协议时间同步模块根据自学习测量设备模块计算得到的最佳PTP延迟请求报文时间，在最佳PTP延迟请求报文时间点上向网络主时钟采用单播方式发送延迟请求报文给主时钟，降低延迟请求报文与网络其他报文的碰撞概率，1588协议时间同步模块计算出从时钟与主时钟的时间误差，并消除时间误差，1588协议时间同步模块误差消除后与主时钟同步，更新本地时间，在从时钟与主时钟稳定同步前暂停记录其他报文到达时间；

(5)在从时钟与主时钟保持稳定同步后，返回步骤2，自学习测量设备模块重新开始不断记录来自各待测设备其他报文及其到达时间，并根据之前一段时间的到达时间数据不断更新计算最佳PTP延迟请求报文发送时间，在最佳时间发送PTP延迟请求报文，以减少PTP延迟请求报文和电网其他网络报文碰撞的概率，减少同步误差。

与现有技术相比，发本明优点

1.传统电网时间同步系统中延迟请求报文易与电网中其他报文碰撞，造成同步误差增大，电网其他报文延迟增大，本发明在原有1588协议模块上增设了自学习测量设备模块，用自学习测量设备模块记录网络其他报文到达时间，计算最佳延迟请求报文发送时间，并在最佳延迟请求报文发送时间发送延迟请求报文，降低延迟请求报文与电网中其他报文碰撞概率，可降低电网中各类网络信号的延迟，提高时间同步精度。

2.与普通1588协议相比，本发明仅改变延迟请求报文发送时间，根据1588议不会降低1588协议从时钟的同步精度。本发明可优化电网中的时间同步测量系统。

3.本发明的自学习测量设备模块可以用FPGA电路方式实现，通过接口与1588协议时间同步模块通过接口连接，同时通过网络接口与交换机连接，具有成本低、安装配置简单的优点。

附图说明

图1是本发明的系统构成示意图；

图2是本发明的自学习测量设备模块的构成示意图；

图3是本发明的同步测量方法示意图；

图4是本发明改进的1588协议示意图。

具体实施方式

现有的电网同步网络协议普遍使用PTP协议，但并未考虑PTP报文与电网中其他网络报文之间的影响，存在网络其他报文与同步报文相互碰撞问题。为实现本发明目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面参照附图对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明是一种基于网络自学习改进的电网时间同步测量系统，电网基础设备包括故障录波装置、同步向量测量装置、调度自动化装置、变电站计算机监控装置和火电厂机组自动控制装置等，上述设备统称为待测设备，待测设备均各自通过交换机连接到1588协议时间同步模块上，1588协议时间同步模块简称同步模块，电网通过1588协议时间同步，1588协议包括网络中的主时钟与从时钟，1588协议时间同步模块通过交换机网络接口作为从时钟与电网中的主时钟同步，参见图1，本发明在1588协议时间同步模块上附加有自学习测量设备模块，自学习测量设备模块简称自学习模块。自学习测量设备模块通过交换机获取网络其他报文，同时通过1588协议时间同步模块上时间输出接口记录来自网络各个待测设备的其他报文到达时间，计算出改进的1588协议同步报文中延迟请求报文的最佳发送时间，通过配置输出接口，设置1588协议时间同步模块延迟请求报文发送时间，1588协议时间同步模块于最佳发送时间时发送延迟请求报文，通过网络接口与主时钟同步，减少延迟请求报文与电网中其他报文的碰撞概率，实现更精确的网络时间同步。

本发明中作为从时钟的1588协议时间同步模块，在计算出的延迟请求报文最佳发送时间时发送延迟请求报文，由于通过自学习方法学习了网络其他报文到达时间间隔概率分布，因此可减少延迟请求报文与网络其他报文碰撞概率，提高电网同步精度，这就是本发明对于1588同步协议基于电网系统的改进点。

从实际应用的角度来讲，本发明在1588协议时间同步模块上附加有自学习测量设备模块，同步报文和网络其他报文通过交换机时，自学习测量设备模块接收网络其他报文，并通过1588协议时间同步模块时间输出接口获取其他网络报文到达时间，不断记录和存储网络其他报文及其到达时间，通过自学习方法，根据存储的网络其他报文的到达时间计算出最佳延迟请求报文发送时间，并设置1588协议时间同步模块在计算的最佳延迟请求报文发送时间发送延迟请求报文。由于在最佳延迟请求报文发送时间发送延迟请求报文，可以减少延迟请求报文与网络其他报文的碰撞概率。

通过网络接口与主时钟同步，减少延迟请求报文与电网中其他报文的碰撞概率，实现更精确的网络时间同步。

实施例2

基于网络自学习改进的电网时间同步测量系统的总体构成同实施例1，自学习测量设备模块与1588协议时间同步模块数据双向交互，自学习模块通过网络接口连接网络，通过时间输出接口与各待测设备连接，自学习模块通过网络接口接收网络其他报文，同时通过时间输出接口读取网络其他报文到达时间并记录。并根据记录的待测设备其他报文到达时间，通过机器学习、数据挖掘和统计分析预测和计算精密时间协议(PTP)报文中的延迟请求报文最佳发送时间，在最佳时间发送PTP延迟请求报文给网络中的主时钟，以减少PTP延迟请求报文和电网其他网络报文碰撞的概率，减少同步误差。

本发明中自学习过程可使用C4.5算法、最大期望算法等机器学习、数据挖掘算法，通过概率统计根据网络其他报文到达时间预测最佳延迟请求报文发送时间。

实施例3

基于网络自学习改进的电网时间同步测量系统的总体构成同实施例1-2，自学习测量设备模块可由FPGA电路或计算机实现，参见图2，本例中自学习测量设备模块使用FPGA实现。自学习测量设备模块内设有存储单元、计算单元，其中，存储单元连接网络接口接收网络报文，通过时间输入接口从1588协议时间同步模块获取网络报文到达时间并存储报文到达时间数据。计算单元与存储单元连接，读取存储单元的报文到达时间数据并计算得到最佳延迟请求报文发送时间，计算单元通过配置输出接口设置改进的1588协议时间同步模块延迟请求报文发送时间。

工作时，自学习模块通过网络接口与网络中的交换机相连，输入网络报文，同时，自学习测量设备模块通过时间输入接口获得网络报文到达时间，为网络报文打上时间戳，计算单元根据存储单元存储的网络报文到达时间数据计算出最佳延迟请求报文发送时间，并通过延迟请求报文发送时间配置输出接口设置1588协议时间同步模块的延迟请求报文发送时间。

实施例4

本发明还是一种基于网络自学习改进的电网时间同步测量方法，是在上述的基于网络自学习改进的电网时间同步测量系统上实现，参见图3，包括有以下步骤：

(1)网络传输中，传输1588协议同步报文、跟随报文、延迟请求报文和延迟请求响应报文，以及各待测设备输出的网络其他报文；

(2)网络其他报文通过交换机到达自学习测量设备模块，同时自学习测量设备模块还通过1588协议时间同步模块时间输出接口读取网络其他报文的到达时间，并为所有到达的其他报文打上时间戳并转发给下一节点；

(3)自学习测量设备模块记录并存储一段时间内所有到达其他报文及其到达时间，通过自学习方法根据所述一段时间内的其他报文到达时间及时间差概率分布，计算出最佳PTP延迟请求报文发送时间；本例中，一段时间取值为4分钟。

(4)1588协议时间同步模块根据自学习测量设备模块计算得到的最佳PTP延迟请求报文时间，在最佳PTP延迟请求报文时间点上向网络主时钟采用单播方式发送延迟请求报文给主时钟，降低延迟请求报文与网络其他报文的碰撞概率，形成改进的1588协议。1588协议时间同步模块计算出从时钟与主时钟的时间误差，并消除时间误差，1588协议时间同步模块误差消除后与主时钟同步，更新本地时间，在从时钟与主时钟稳定同步前暂停记录其他报文到达时间。

(5)在从时钟与主时钟保持稳定同步后，即误差波动范围小于协议标准时，返回步骤2，自学习测量设备模块重新开始不断记录来自各待测设备其他报文到达时间，并根据之前一段时间的到达时间数据不断更新计算最佳PTP延迟请求报文发送时间，在最佳时间发送PTP延迟请求报文，以减少PTP延迟请求报文和电网其他网络报文碰撞的概率，减少同步误差。

简而言之，参见图3，自学习测量设备模块工作时具体包括有以下步骤：

1)网络其他报文通过交换机网络接口进入自学习测量设备模块。

2)自学习测量设备模块通过1588协议时间同步模块时间输出接口获取网络其他报文到达时间并存储在存储单元。

3)存储一段时间数据后自学习测量设备模块计算模块根据存储的一段时间内网络其他报文到达时间计算最佳延迟请求报文发送时间。

4)自学习测量设备模块控制1588协议时间同步模块在最佳延迟请求发送时间发送延迟请求报文，与主时钟同步，并暂时停止记录其他网络报文到达时间。

5)1588协议时间同步模块与主时钟保持稳定同步后自学习测量设备模块重新开始记录其他报文到达时间。

6)自学习测量设备模块持续计算更新最佳延迟请求发送时间，控制1588协议时间同步模块在计算的最佳延迟请求发送时间发送延迟请求报文。

实施例5

基于网络自学习改进的电网时间同步测量方法同实施例4，步骤3所述的一段时间取值在3-5分钟。根据电网中各类报文频率，设置3-5分钟为自学习时间可充分学习电网中各类报文的周期性发送规律。本例中，一段时间取值为3分钟。

实施例6

基于网络自学习改进的电网时间同步测量方法同实施例4-5，步骤3所述的通过自学习方法根据所述一段时间内的其他报文到达时间分布，具体包括：

3.1)自学习方法记录一段时间内网络其他报文到达时间；

3.2)统计各待测设备每两个网络其他报文到达时间间隔概率分布；

3.3)根据其他报文到达时间间隔概率分布，选取分布概率较小的时间间隔；

3.4)将上个报文到达时间加上选取的分布概率较小的时间间隔得到最佳PTP延迟请求报文发送时间。

自学习测量设备模块通过上述步骤，完成最佳延迟请求报文发送时间分析，得到最佳延迟请求报文发送时间。

实施例7

基于网络自学习改进的电网时间同步测量方法同实施例4-6，步骤4中所述的1588协议时间同步模块消除时间误差后与主时钟同步，更新本地时间的过程包括：

4.1.主时钟首先采用多播方式周期性的发出同步报文给从时钟；

4.2然后紧接着主时钟发出跟随报文给从时钟，该跟随报文中包含同步报文发出时的精确时间戳值；

4.3从时钟接收同步报文并记下接收的时间戳值；

4.4从时钟采用单播方式在最佳延迟请求报文发送时间发出延迟请求报文给主时钟，并记下发出的时间戳值，最佳延迟请求报文发送时间是从时钟在上个网络其他报文到达时间加上选取的分布概率较小的时间间隔；

本发明在这一步中采用了自学习方式改进了电网中1588协议，学习了之前一段时间的网络其他报文到达规律，改变了延迟请求报文发送时间，减少了延迟请求报文与网络其他报文的碰撞概率。

4.5主时钟收到延迟请求报文后，记下接收的时间戳值，并随之产生延迟请求响应报文反馈给从时钟，该响应报文包含延迟请求报文的接收时间戳值；

4.6最后从时钟根据这四个记录的时间值由同步算法计算出与主时钟的时间偏差，从而根据时间偏差来调整从时钟的本地时间，以实现从时钟和主时钟的时间同步。

下面结合图4进一步说明基于自学习方法改进的1588协议的同步过程：

(1)主时钟首先发送同步报文给从时钟，并记录发送时间t1；

(2)从时钟记录接收同步报文时间t2

(3)主时钟发送跟随报文给从时钟，跟随报文包括时间t1；

(4)从时钟接收同步报文和跟随报文后在自学习模块计算的最佳时间发送延迟请求报文；

(5)主时钟记录收到延迟请求报文时间t3；

(6)主时钟发送延迟请求响应报文给从时钟，延迟请求响应报文包括时间t1；

上述步骤完成后从时钟得到时间t1、t2、t3和t4，通过公式OFFSET＝(t1-t2+t3-t4)/2得到主从时钟间误差OFFSET，并修正从时钟时间与主时钟同步。

与普通1588协议相比，本发明仅改变延迟请求报文发送时间，根据1588协议公式OFFSET＝(t1-t2+t3-t4)/2，不会造成协议计算错误，不会降低1588协议从时钟的同步精度。

实施例8

基于网络自学习改进的电网时间同步测量系统和方法同实施例1-7，本发明的基于网络自学习的改进的电网时间同步测量系统也可以从另一角度描述，即包括待测设备和测量设备。

A.待测设备模块

待测设备模块包括故障录波装置、同步向量测量装置、调度自动化装置、变电站计算机监控装置和火电厂机组自动控制装置等电网基础设备，输出电网网络报文。

B.测量设备模块，包括：

(B1)1588协议时间同步模块：通过1588协议与PTP主时钟同步，为电网其他设备提供精确时钟源。

(B2)自学习测量设备模块：用于记录历史网络报文到达时间，并通过机器学习、数据挖掘和统计分析等方法预测PTP延迟请求报文最佳发送时间，以减少PTP延迟请求报文和电网其他网络报文碰撞的概率。

基于网络自学习的改进的电网时间同步测量方法包括以下步骤：

(1)网络传输中，传输1588协议同步报文、跟随报文、延迟请求报文和延迟请求响应报文，以及各待测设备输出的网络其他报文。

(2)包含时间同步报文的网络其他报文到达自学习测量设备模块，自学习测量设备模块通过1588协议时间同步模块时间输出接口读取网络其他报文到达时间并为所有到达的其他报文打上时间戳并转发给下一节点。

(3)自学习测量设备模块记录一段时间内所有到达其他报文的到达时间，通过自学习方法根据之前一段时间内的其他报文到达时间分布，计算出最佳PTP延迟请求报文发送时间。本例中，一段时间取值为5分钟。

(4)自学习测量设备模块根据计算的最佳PTP延迟请求报文时间向网络主时钟采用单播方式发送延迟请求报文给主时钟，自学习测量设备模块根据1588协议计算出从时钟与主时钟的时间误差，1588协议时间同步模块消除时间误差后与主时钟同步，更新本地时间，在从时钟与主时钟稳定同步前暂停记录其他报文到达时间。

(5)在从时钟与主时钟保持稳定同步后，返回步骤2，重新开始通过1588协议时间同步模块时间输出接口不断记录来自各待测设备其他报文到达时间，并根据之前一段时间的到达时间数据不断更新计算最佳PTP延迟请求报文发送时间，用最佳时间发送PTP延迟请求报文，以减少PTP延迟请求报文和电网其他网络报文碰撞的概率，减少同步误差。

综上所述，本发明公开的基于网络自学习的改进的电网时间同步测量系统和方法，主要解决电网网络中1588同步协议延迟请求报文与电网网络中其他报文碰撞概率过大问题。本发明在原有同步测量系统中增设自学习模块，通过网络接收各类网络报文，记录报文到达时间，计算并设置同步模块最佳延迟请求报文发送时间，以减少延迟请求报文与网络其他报文的碰撞概率。同步测量方法为：在原有1588同步协议基础上增加了网络自学习功能，用自学习方法学习网络其他报文到达规律，计算最佳延迟请求报文发送时间，并控制1588协议同步模块在计算的最佳延迟请求报文发送时间发送延迟请求报文，减少延迟请求报文与网络其他报文的碰撞概率，可提高电网中同步测量精度，并降低网络其他报文的时延。