专利名称：利用工业以太网传递高精度时间的ieee1588主站设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种利用工业以太网传递高精度时间的IEEE1588主站设备。
背景技术：
高精度标准时间信号基于以太网的有线的传递技术是智能电网和智能变电站建设的基础支撑技术之一。智能变电站实现了一次设备智能化和二次设备网络化。大量的采集数据和控制命令都需要依靠工业以太网来传输。时间统一系统是其重要的支撑系统，因此研制依托工业以太网传递高精度时间的IEEE1588主站设备具有重要的应用价值。目前基于以太网的时间同步技术是一种软件方式的网络时间协议(NTP)。1992年 NTP版本的同步准确度可以达到200 μ s。由于是基于纯软件技术，同步精度也不可能再提高多少。NTP的时间同步精度难以达到智能变电站小于1 μ s的苛刻要求。ΙΕΕΕ1588网络精确对时协议的基本构思是通过硬件和软件将网络设备(客户机) 的内时钟与主站设备时钟实现同步。由于有硬件单元的辅助，各个时间戳的精度大大提高， 因而ΙΕΕΕ1588协议的时间同步精度能够达到小于lus。当然IEEE1588协议软件架构与NTP 也差异很大，使得IEEE1588能够适应智能变电站网络精确对时的要求。目前IEEE1588在智能变电站的应用领域还处于研究阶段，尚没有成熟稳定的可用于变电站内的高精度网络授时产品问世。
发明内容本发明的目的是研制适用于智能变电站的IEEE1588网络精确对时协议主站设备 (PowerPTP以太网时间服务器)。为了实现上述发明目的，本实用新型采用如下技术方案利用工业以太网传递高精度时间的IEEE1588主站设备，包括主时钟时间源注入模块、时间获取模块、频率驯服模块、本地晶振模块、相位跟踪模块、守时单元模块、时间质量检测模块、PTP引擎、跳变吸收模块、PTP端口，其中主时钟时间源输入模块与频率驯服模块之间采用TLL秒脉冲接口相连接；频率驯服模块与本地晶振模块之间采用SPI总线接口相连接；主时钟时间输入模块与时间获取模块之间采用RS323 TTL加TTL秒脉冲接口相连接；主时钟时间获取模块与相位跟踪模块之间采用RS323 TTL加TTL秒脉冲接口相连接；相位跟踪模块与守时单元模块之间采用TTL秒脉冲加RS232 TTL时报接口相连接；时间获取模块与时间质量检测模块之间采用RS232 TTL时报接口相连接；守时单元与跳变吸收模块之间采用TTL秒脉冲加数据总线接口相连接；PTP引擎与时间质量检测模块之间采用数据总线接口相连接，与跳变吸收模块之间采用数据总线接口相连接；PTP引擎与PTP端口之间采用PHY网络差分数据线接口相连接。本实用新型的有益效果在于能够为智能变电站提供坚强稳定的授时服务，具有广阔的应用前景。
[0012]图1是IEEE1588主时钟模块框图；[0013]图2是PTPv2引擎硬件平台；[0014]图3是本地晶体频率驯服模块框图；[0015]图4是时间脉冲大跳变缓释模块框图。[0016]具体的实施方式[0017](一)总体方案[0018]本发明的模块主要包括如下几个部分(参见附图1)[0019](1)主时钟时间源注入模块，采用光(电)B码注入和秒脉冲+时间报注入两种方
式。时间源注入模块一方面为时间获取模块提供时间，另一方面为频率驯服模块提供参考源。(2)时间获取模块，利用FPGA解码获取注入时间，得到秒脉冲和时间报。时间获取模块提供时间质量信息，同时提供秒脉冲为相位跟踪模块做参考。(3)频率驯服模块，驯服本地晶振的频率，使本地频率与时间源频率谐振，提高守时性能和授时精度。频率驯服模块提供模拟电压调整信号调整本地晶振频率。(4)本地晶振模块，为整个系统提供标准频率源。本地晶振为守时单元提供IOMHz 频率。(5)相位跟踪模块，实时跟踪时间源的秒脉冲相位，使得本地时间相位与时间源相位同步。相位跟踪模块为守时单元提供修正后的时间。(6)守时单元模块，守时单元以晶振频率输入为基准，以相位跟踪模块的秒脉冲和时间报为参考，执行守时功能，当时间源中断时自动守时，正常时恢复跟踪功能。(7)时间质量检测模块，根据从时间获取模块得到的时间源的信息和本地的测量， 检测时间源质量，给PTP引擎提供参考。(8) PTP引擎，基于ARM9的硬件平台，运行PTP协议，为PTP从节点授时。(9)跳变吸收模块，对于从守时模块过来的秒脉冲的异常、或注入源切换引起的时间源相位跳变进行缓释吸收处理，平滑时间输出信号，避免时间信号相位大跳变对用时设备的影响。(10) 1 端口，？1 网络端口，包括10/100厘泡自适应电接口和IOOMHz光以太网接口。主时钟时间源输入模块与频率驯服模块之间采用TLL秒脉冲接口 ；频率驯服模块与本地晶振模块之间采用SPI总线接口 ；主时钟时间输入模块与时间获取模块之间为 RS323 TTL加TTL秒脉冲接口 ；主时钟时间获取模块与相位跟踪模块之间是为RS323 TTL加 TTL秒脉冲接口 ；相位跟踪模块与守时单元模块之间是TTL秒脉冲加RS232 TTL时报接口 ； 时间获取模块与时间质量检测模块之间为RS232 TTL时报接口 ；守时单元与跳变吸收模块之间是TTL秒脉冲加数据总线接口 ；PTP引擎与时间质量检测模块之间是数据总线接口，与跳变吸收模块之间也是数据总线接口 ；PTP引擎与PTP端口之间是PHY网络差分数据线接另外，采用嵌入式系统实现IEEE1588主时钟，硬件平台采用Atmel AT91RM9200处
4理器，为PTP引擎提供强大稳定的运行平台。 (二)PTPv2引擎软、硬件平台本发明的研制离不开软硬件平台的支撑，一个强大稳定的软硬件平台是PTPv2引擎可靠稳定工作的基础。本发明的软硬件平台参见附图2。PTPv2运行平台主要包括两个部分一是硬件平台层，一是板级支持包(BSP)层。 硬件平台层是以ARM9 CPU为核心，Flash用于存放操作系统和PTPv2协议引擎及相关应用； 10/100M自适应电网络接口和100M光网络接口用于支持网络应用；管理串口作为嵌入式系统的控制台，进行信息显示和配置；FPGA实现IEEE1588协议的硬件辅助工作，包括脉冲发生器、移相器、时间编解码器、自行钟、定时器等等。PTPv2引擎的软件平台采用实时性、可靠性强的实时操作系统VxWorks，BSP支持网络驱动、串口驱动、IEEE1588驱动、Flash文件系统驱动等等。本发明中采用的软、硬件平台全部自主设计，具有完全的自主知识产权。(三)PTPv2协议引擎PTPv2协议引擎是本项目的关键技术之一。PTPv2协议引擎包括协议报文格式的定义；协议数据集的构造和维护；协议状态机的可靠设计和实现；PTP的网络管理；PTP时间源的获取；PTP硬件的初始化；故障检测和自动修复。本发明中使用的PTPv2协议引擎是在我们深入研究并消化吸收了 IEEE1588v2标准的基础上，利用标准C语言独立自主的实现的，因而具有自主知识产权。(四)本地时钟驯服技术由于外部时间源的频率与本地晶体不同振荡源生成的，所以频差难以避免，差别在于频差的大小。使用外部时间源输入对本地晶体频率进行驯服，使得本地晶体频率与外部时间源的频率谐振的过程就是驯服。对本地振荡源进行驯服，能够提高授时精度，同时提高守时精度。本发明采用的驯服技术参见附图3。(五)时间相位大跳变缓释技术当由于异常或注入源切换等原因造成外部注入时间信号的相位发生大的跳变，或者由于注入时间信号长期失效造成的本地时间信号相位长期漂移时，如果IEEE1588主站设备不能够吸收或缓释这个跳变或漂移，会引起变电站内的用时设备例如合并单元、继电保护、测控装置等产生误动作。因此采用一定的技术措施缓释或吸收这种跳变是非常关键的，本发明采用的参见附图4。(六)PTP网络管理技术IEEE1588授时技术是基于网络的，因此其网络管理是非常重要的。传统的秒脉冲 /时间报授时方式和B码授时方式虽然精度很高，但是它们只是单向的时间授予，没有办法实时掌握各个用时单元的用时质量。由于缺少反馈通道，授时质量是不可掌控的，对依赖于时间同步的光电互感器、MU合并单元、全数字化保护等可靠运行带来不利。PTP网络授时技术是基于可双向通信的以太网络，因此可实时掌控网络上每一用时设备的授时质量，并利用双通信网和双PTP主时钟实现冗余切换，可以免受二次设备的单点故障影响电网可靠运行。这依赖于PTP网络管理技术。PTP网络管理主要包括如下几个方面配置管理、性能管理、安全管理、故障管理。智能变电站的IEEE1588网络授时系统主要包括PTP主站设备(主时钟)、PTP交换机(透明时钟)和PTP从站设备(用时设备)。作为IEEE1588网络精确对时协议的核心构件， IEEE1588主站设备对智能变电站的安全稳定运行具有重要作用。 本发明在智能变电站的部署方式是时间多源输入、双工业以太网、每网双主钟。在智能变电站架设时间源，通常采用多源输入，例如第一时间源采用GPS，第二时间源为北斗， 第三时间源为地面高精度时间传递系统。多时间源经过时间综合设备后，输出两路光B码信号，为IEEE1588主站设备提供基准时间源。为了提供授时可靠性，在变电站建设主备双工业以太网，每个工业以太网配置双IEEE1588主时钟。在智能变电站中的所有用时设备，例如合并单元、继电保护装置、故障录波设备等从双网利用IEEE1588协议获取高精度时间。
权利要求1.利用工业以太网传递高精度时间的IEEE1588主站设备，其特征在于，包括主时钟时间源注入模块、时间获取模块、频率驯服模块、本地晶振模块、相位跟踪模块、守时单元模块、时间质量检测模块、PTP引擎、跳变吸收模块、PTP端口，其中主时钟时间源输入模块与频率驯服模块之间采用TLL秒脉冲接口相连接；频率驯服模块与本地晶振模块之间采用 SPI总线接口相连接；主时钟时间输入模块与时间获取模块之间采用RS323 TTL加TTL秒脉冲接口相连接；主时钟时间获取模块与相位跟踪模块之间采用RS323 TTL加TTL秒脉冲接口相连接；相位跟踪模块与守时单元模块之间采用TTL秒脉冲加RS232 TTL时报接口相连接；时间获取模块与时间质量检测模块之间采用RS232 TTL时报接口相连接；守时单元与跳变吸收模块之间采用TTL秒脉冲加数据总线接口相连接；PTP引擎与时间质量检测模块之间采用数据总线接口相连接，与跳变吸收模块之间采用数据总线接口相连接；PTP引擎与PTP端口之间采用PHY网络差分数据线接口相连接。
专利摘要利用工业以太网传递高精度时间的IEEE1588主站设备，包括主时钟时间源注入模块、时间获取模块、频率驯服模块、本地晶振模块、相位跟踪模块、守时单元模块、时间质量检测模块、PTP引擎、跳变吸收模块、PTP端口，其中主时钟时间源输入模块与频率驯服模块之间采用TLL秒脉冲接口相连接；频率驯服模块与本地晶振模块之间采用SPI总线接口相连接；主时钟时间输入模块与时间获取模块之间采用RS323TTL加TTL秒脉冲接口相连接；本实用新型的有益效果在于能够为智能变电站提供坚强稳定的授时服务，具有广阔的应用前景。
文档编号H04L7/00GK201976121SQ20102059982
公开日2011年9月14日 申请日期2010年11月10日 优先权日2010年11月10日
发明者何迎利, 张宇新, 李万林 申请人:南京南瑞集团公司, 国网电力科学研究院