一种基于报文同步实现的分布式授时和守时方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种工业设备精确授时和守时方法，属于工业控制技术领域。
【背景技术】
[0002]在工业控制领域的设备中通常获取绝对时间的方式是通过外部时钟源(GPS接收器等设备)输出B码或其他格式的时间信息到终端设备，实现对设备的授时功能，每台设备都有通过这种点对点方式与时钟源获取时间信息，但是在某些设备数量多，且同步运行的应用场合，例如变电站分布式保护装置，可能有上百个保护单元，这些保护单元同步运行，且都需要精确的绝对时间，如果每台设备路都使用一个外部时钟源提供精确时钟信号，整个时钟系统将会异常复杂，不好维护，点对点的授时方式在这种情形下不再适用。
【发明内容】
[0003]为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于报文同步实现的分布式授时和守时方法，在报文同步的基础上扩展报文协议，在实现报文同步的同时，利用现成的传输通道实现精确的一主多从的精确授时，并在从设备终端优化守时算法，实现高精度的守时功能。
[0004]为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案:
[0005]—种基于报文同步实现的分布式授时和守时方法，其特征是，包括如下步骤:
[0006]1)主单元发送报文，在发送报文头的时刻获取世纪秒的值和纳秒计数器的值，将放入报文的同步头内；
[0007]2)子单元接收到报文，解析获取世纪秒值和纳秒值，根据报文传输延时值补偿报文内部的时间信息得到当前绝对时间的值；
[0008]补偿的公式为:当前绝对时间的值=世纪秒+纳秒+传输延时值；
[0009]3)子单元使用快慢结合的方式快速逼近主单元时间:若子单元计算本地时间和主单元的时间差大于设定值，使用大步伐快速调整本地时间；当子单元计算本地时间和主单元的时间差达到设定值时，使用小步伐调整本地时间；所述大步伐和小步伐可根据逼近的速度要求做调整。
[0010]4)主单元使用广播的方式向各子单元发送授时信息:
[0011]若通信正常，子单元根据偏差调整步伐，不断逼近主单元的时间，在逼近的过程中采用持续的均值老化学习方法，学习最近一次接收报文的绝对时间，学习主单元最近的η次接收主单元报文的时间，计算这η次报文的平均时间间隔Λ= (Τη-Τ0) /η以及余数Λ t =(Tn-T0) % η ;
[0012]若出现通信异常或者子单元在超过Λ—定时间没有正常发送或接收报文，子单元进入守时流程；所述一定时间根据经验值设定；子单元根据均值Λ和余数Λ t，将余数均匀的补偿到各中断INT中，产生本地INT和秒脉冲。
[0013]前述的一种基于报文同步实现的分布式授时和守时方法，其特征是，所述子单元设置有若干个，通过光纤通道与主单元的通信板传输报文；所述主单元通过通信扩展板配置子单元的数量。
[0014]前述的一种基于报文同步实现的分布式授时和守时方法，其特征是，所述主单元采用晶振维护一个纳秒计数器；所述纳秒计数器在秒脉冲上升沿清零，上升沿之间累加计数。
[0015]本发明所达到的有益效果:
[0016]1)利用现成的报文一主多从的报文传输系统，通道复用，系统结构简单。
[0017]2)授时信息附在同步信息内部，利用原有的报文同步机制，不需要额外的专用报文来实现授时和守时，处理简单，对时快，系统开销小；
[0018]3)子单元利用不同深度均值老化和余数补偿法可实现不同的守时精度，守时灵活；
[0019]4)扩展性好，根据不同场合可以用配置不同的子单元数量，扩展性灵活性强。
【附图说明】
[0020]图1是本发明的流程图；
[0021]图2是系统的构架示意图；
[0022]图3是报文传输示意图；
[0023]图4是报文结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0025]本发明是利用FPGA(可编程逻辑门阵列)实现一主多从的分布式报文同步、授时和守时系统，主设备利用FPGA作为报文的发送和接收控制器，并在中断同步的基础上扩展报文内容，嵌入主时钟信息，通过广播的报文实现对各子设备的精确授时，同时子设备接收授时报文，解析报文中的时间信息，并利用同步计算的延时信息和收发和本地的优化算法，实现与主设备的同步和高精度守时功能。
[0026]系统的架构示意图如图2，由一个主单元和若干个子单元组成，子单元通过光纤通道与主单元的通信板传输报文，主单元通过通信扩展板，可以灵活配置子单元的数量，适用于不同应用场合。
[0027]主单元与子单元之间的传输如图3所示，M-S MSG报文是主单元发送给子单元的报文，S-M MSG是子单元发送到主单元的报文，ΤΙ、T3分别为主单元和子单元的定时中断INT时刻，该时刻触发报文发送，T2、T4分别为子单元和主单元接收到对方报文的时间。
[0028]只要知道了 T1、T2、T3、T4这四个时间，就可以计算出主子单元中断INT偏移和通道传输延时Delay。
[0029]在主单元在INT时刻向子单元发送的报文中，都有一个同步头，同步头内容就带有中断同步的时标信息，具体方式如下:主单元通过外部的时钟源获取绝对时间信息产生世纪秒值和秒脉冲PPS，并且主单元使用高精度晶振维护一个纳秒计数器，该计数器在PPS上升沿清零，上升沿之间累加计数。
[0030]主单元发送报文时，在发送报文头的时刻获取世纪秒的值和纳秒计数器的值，将它们放入报文的同步头内，子单元接收到报文解析获取的世纪秒就是当前的据对时间的秒的数值，纳秒值是主单元发送时刻处于两秒之间的位置，子单元获取这些信息就是主单元发送报文时主单元的绝对时间，由于报文传输需要时间，子单元接收到报文之后必须根据报文传输延时Delay的值补偿报文内部的时间信息才可以得到当前绝对时间的值。
[0031]补偿的公式为:当前绝对时间的值=世纪秒+纳秒+传输延时。
[0032]在逼近主单元时间的过程中，子单元使用快慢结合的快速逼近方式，子单元计算本地时间和主单元的时间差若大于某设定值则使用大步伐快速调整本地时间，当达到设定值时，使用小步伐调整，这种快慢结合的逼近方式能有效提高逼近速度、效率和均匀度。
[0033]主单元使用广播的方式向各子单元发送授时信息，若出现通信异常，子单元能自动实现高精度的守时功能。各子单元中使用高稳定度的晶振维护时间信息，在通信正常的情况下，不断修正偏差，不断逼近主单元的时间，同时，在逼近的过程中使用持续的老化学习方法，学习最近一次接收报文的绝对时间。本实施例中，学习主单元最近的η次(可根据精度要求调整均值深度η，越大精度越高)，η = 1025，接收主单元报文的时间，然后计算这1025次报文的平均时间间隔和余数:
[0034]Δ= (Τ1024-Τ0)/1024
[0035]Δ t = (T1024-T0) % 1024
[0036]子单元在超过Λ—定时间(可配置)没有正常发送或接收报文，判断通信中断异常，进入守时流程，子单元将根据自学习得到的Λ产生本地的与Λ t(均匀的补到各个中断INT中)，产生本地INT和PPS，在使用高稳定度的晶振条件下，守时误差小于lus每小时。
[0037]本发明所提出的分布式授时和守时方法，经过实际的验证和测试，结构简单，通信开销小，精度高，在变电站继电保护等需要同步运行的分布式应用场合，具有很高的适用价值。
[0038]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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种基于报文同步实现的分布式授时和守时方法，其特征是，包括如下步骤: 1)主单元发送报文，在发送报文头的时刻获取世纪秒的值和纳秒计数器的值，将放入报文的同步头内； 2)子单元接收到报文，解析获取世纪秒值和纳秒值，根据报文传输延时值补偿报文内部的时间信息得到当前绝对时间的值； 补偿的公式为:当前绝对时间的值=世纪秒+纳秒+传输延时值； 3)子单元使用快慢结合的方式快速逼近主单元时间:若子单元计算本地时间和主单元的时间差大于设定值，使用大步伐快速调整本地时间；当子单元计算本地时间和主单元的时间差达到设定值时，使用小步伐调整本地时间；所述大步伐和小步伐可根据逼近的速度要求做调整。 4)主单元使用广播的方式向各子单元发送授时信息: 若通信正常，子单元根据偏差调整步伐，不断逼近主单元的时间，在逼近的过程中采用持续的均值老化学习方法，学习最近一次接收报文的绝对时间，学习主单元最近的η次接收主单元报文的时间，计算这η次报文的平均时间间隔Λ= (Τη-Τ0)/η以及余数Λ t =(Tn-T0) % η ; 若出现通信异常或者子单元在超过Λ—定时间没有正常发送或接收报文，子单元进入守时流程；所述一定时间根据经验值设定；子单元根据均值Λ和余数Λ t，将余数均匀的补偿到各中断INT中，产生本地INT和秒脉冲。2.根据权利要求1所述的一种基于报文同步实现的分布式授时和守时方法，其特征是，所述子单元设置有若干个，通过光纤通道与主单元的通信板传输报文；所述主单元通过通信扩展板配置子单元的数量。3.根据权利要求1所述的一种基于报文同步实现的分布式授时和守时方法，其特征是，所述主单元采用晶振维护一个纳秒计数器；所述纳秒计数器在秒脉冲上升沿清零，上升沿之间累加计数。
【专利摘要】本发明公开了一种基于报文同步实现的分布式授时和守时方法，主、子单元在各自的中断时刻发送报文，通过这种报文的交换，各子单元实现中断与主单元的同步，本发明在报文同步系统的基础上，扩展报文协议，嵌入授时时间信息，在实现报文同步的同时，实现授时和守时功能。本发明所达到的有益效果：利用现成的报文一主多从的报文传输系统，通道复用，系统结构简单；授时信息附在同步信息内部，利用原有的报文同步机制，不需要额外的专用报文来实现授时和守时，处理简单，对时快，系统开销小；子单元利用不同深度均值老化和余数补偿法可实现不同的守时精度，守时灵活；扩展性好，根据不同场合可以用配置不同的子单元数量，扩展性灵活性强。
【IPC分类】H04L7/00
【公开号】CN105245323
【申请号】CN201510536831
【发明人】王凯, 周华良, 甘云华, 宋斌, 汪世平
【申请人】国电南瑞科技股份有限公司, 国电南瑞南京控制系统有限公司
【公开日】2016年1月13日
【申请日】2015年8月27日