王黎明+閆曉玲+卜樂(lè)平

收稿日期：2013-03-26

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61101206）

作者簡(jiǎn)介：王黎明（1978—），男，山東萊陽(yáng)人，副教授,博士，研究方向：智能控制，網(wǎng)絡(luò)通信等相關(guān)。

文章編號(hào)：1003-6199(2014)02-0052-05

摘 要：針對(duì)船舶電力系統(tǒng)相對(duì)于陸地廣域電力系統(tǒng)的不同特性，分析傳統(tǒng)時(shí)鐘同步方法對(duì)于船舶同步向量測(cè)量單元（SPMU）的局限性，采用一種基于IEEE1588協(xié)議的衛(wèi)星時(shí)鐘同步與局域網(wǎng)時(shí)鐘同步相結(jié)合的混合時(shí)鐘同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)SPMU的時(shí)鐘同步，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)同步偏差性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明時(shí)鐘同步偏差維持在±500ns以內(nèi)，可以滿足電力系統(tǒng)對(duì)電力參數(shù)測(cè)量的同步精度要求。

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關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng); 時(shí)鐘同步; SPMU

中圖分類號(hào)：U665文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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Research on Hybrid Clock Synchronization Technology Used in Phasor Measurement of Ship Power System

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WANG Liming, YAN Xiaoling, PU Leping

(Electric and Information College, Naval Engineering Univ., Wuhan,Hubei 430033,China)

Abstract:Contrast to terrestrial widearea power system, the ship has many different characteristic; as a result, traditional clock synchronization method is not fit for ships power system. According to the problem, the article proposed a method based on IEEE1588 protocol for the clock synchronization scheme of SPMU, this method mixes satellite clock synchronization and localarea network clock synchronization. By synchronization offset capability experiment using the new method, it has been confirmed that its offset is less than ±500n, which could meet the accuracy requirement of power system synchronization parameter measurement.

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Key words:power system; clock synchronization;SPMU

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1 引 言

隨著船舶綜合電力技術(shù)的不斷發(fā)展，船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行需要通過(guò)分布式系統(tǒng)來(lái)獲得深層次的能量調(diào)度及動(dòng)態(tài)監(jiān)控。分布式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度和精確控制的核心是各個(gè)節(jié)點(diǎn)在統(tǒng)一的時(shí)間系統(tǒng)下同步運(yùn)行，因此如何同步各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘對(duì)于分布式系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)具有決定性的作用。船舶同步相量測(cè)量單元（SPMU）可為船舶的分布式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)度與動(dòng)態(tài)管理提供精確、實(shí)時(shí)、同步的電力系統(tǒng)原始狀態(tài)參數(shù)，完成各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步。

2 混合同步方案在艦船電力系統(tǒng)同步相量

測(cè)量單元中應(yīng)用分析

從時(shí)鐘同步實(shí)現(xiàn)的機(jī)制上主要分為硬件時(shí)鐘同步、軟件時(shí)鐘同步和混合時(shí)鐘同步三種方式。硬件同步是借助衛(wèi)星時(shí)間信號(hào)接收機(jī)（如GPS、北斗、GLONASS接收機(jī)）或各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都聯(lián)入專用的時(shí)鐘信號(hào)線進(jìn)行時(shí)鐘同步，硬件同步精度很高，但成本很高、操作不便；軟件時(shí)鐘同步是指利用時(shí)鐘同步協(xié)議和相關(guān)算法在同步域內(nèi)進(jìn)行的時(shí)鐘同步，軟件同步的程序復(fù)雜，而且同步報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)上的延遲時(shí)間受環(huán)境影響較大，而且軟件同步的精度隨著時(shí)間的增加逐漸降低; 混合時(shí)鐘同步方式是指將軟、硬件時(shí)鐘同步的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，形成一種綜合方案。

船舶電力系統(tǒng)同步相量測(cè)量單元的應(yīng)用對(duì)象艦船電力系統(tǒng)不同于陸地廣域測(cè)量系統(tǒng)（WideArea Measurement System, WAMS）的應(yīng)用對(duì)象陸地廣域電力系統(tǒng)，船舶電力系統(tǒng)是小區(qū)域的獨(dú)立系統(tǒng)。目前的廣域測(cè)量電力系統(tǒng)為保證電力參數(shù)的同步測(cè)量給每個(gè)SPMU單獨(dú)配置一個(gè)衛(wèi)星時(shí)鐘接收模塊(如GPS、北斗、GLONASS)。但船舶電力系統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備、配電設(shè)備、母線等布設(shè)在艦船的底層，而且由于艦船空間狹小、布線密集，每個(gè)SPMU測(cè)量點(diǎn)都配備衛(wèi)星時(shí)鐘接收模塊是沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)的。因此需要采用基于局域網(wǎng)的時(shí)鐘同步方式，傳統(tǒng)的基于廣域網(wǎng)的時(shí)鐘同步協(xié)議NTP、SNTP，所需的設(shè)備簡(jiǎn)單，精度較低只能達(dá)到毫秒級(jí)，難以滿足IEC61580標(biāo)準(zhǔn)T5等級(jí)對(duì)計(jì)量精度達(dá)到±1μS的要求。而在局域網(wǎng)內(nèi)應(yīng)用IEEE1588協(xié)議可以達(dá)到亞微妙級(jí)的時(shí)鐘同步精度。此外與針對(duì)廣域網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步協(xié)議不同，PTP協(xié)議是針對(duì)小型的同構(gòu)或異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的，它特別適合于工控和測(cè)量環(huán)境。

計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化2014年6月

第33卷第2期王黎明等:混合時(shí)鐘同步技術(shù)在船舶電力系統(tǒng)同步相量測(cè)量中的應(yīng)用研究

根據(jù)船舶電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，可以將其抽象化為一個(gè)局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，考慮到艦船電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上的特性以及對(duì)時(shí)間精度的要求，本文采用基于IEEE1588協(xié)議的衛(wèi)星時(shí)鐘同步與局域網(wǎng)時(shí)鐘同步相結(jié)合的混合時(shí)鐘同步技術(shù)作為艦船同步相量測(cè)量系統(tǒng)的時(shí)鐘同步方法。

3 基于局域網(wǎng)的時(shí)鐘同步協(xié)議

IEEE1588(the Precision Time Protocol 簡(jiǎn)稱為PTP)是精密網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步協(xié)議的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，最初，PTP協(xié)議是被設(shè)計(jì)為專門針對(duì)基于工業(yè)以太網(wǎng)的傳感器與作動(dòng)器所組成的小規(guī)模局域網(wǎng)上采用的一種時(shí)鐘同步協(xié)議，它的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)在高精度與高性能。由于PTP是針對(duì)相對(duì)穩(wěn)定和安全的局域網(wǎng)環(huán)境設(shè)計(jì)的，所以更為簡(jiǎn)單，占用的網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算資源也更少，甚至可以在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中使用。

PTP定義了一個(gè)在測(cè)量和控制系統(tǒng)中，與網(wǎng)絡(luò)通信，本地計(jì)算和分配對(duì)象有關(guān)的精確時(shí)鐘同步協(xié)議，該協(xié)議適用于任何滿足多點(diǎn)通信的分布式控制系統(tǒng)，對(duì)于采用多播技術(shù)終端的時(shí)鐘可實(shí)現(xiàn)亞微秒級(jí)同步。支持PTP協(xié)議的時(shí)鐘同步域包括多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)時(shí)鐘，時(shí)鐘之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相連接，并由網(wǎng)絡(luò)中最精確的時(shí)鐘以基于報(bào)文的傳輸方式同步所有其他時(shí)鐘。PTP協(xié)議的核心內(nèi)容是如何在一個(gè)同步域內(nèi)選擇最佳的主時(shí)鐘以及從時(shí)鐘如何與主時(shí)鐘保持同步。

3.1 IEEE1588時(shí)鐘同步模型

IEEE1588協(xié)議采用了P/S (發(fā)布者/接收者)模式。主時(shí)鐘作為時(shí)間信息發(fā)布者，從時(shí)鐘作為接收者。PTP同步主要可以分成兩個(gè)階段：①主從時(shí)鐘的確定；②從時(shí)鐘依據(jù)主時(shí)鐘調(diào)整本地時(shí)鐘。在同步開(kāi)始之后，由最佳主時(shí)鐘算法(BMC)比較同步域中所有時(shí)鐘的狀態(tài)，從而確定同步域中的主時(shí)鐘。同步過(guò)程是由時(shí)鐘偏移測(cè)量和網(wǎng)絡(luò)延遲測(cè)量2個(gè)階段組成。在IEEE1588V1版本中，這兩個(gè)測(cè)量階段是一個(gè)整體過(guò)程，只是從邏輯上加以區(qū)分。

第一階段：偏移測(cè)量階段，修正主時(shí)鐘和從時(shí)鐘之間的時(shí)間偏差。如圖1所示，主時(shí)鐘周期性（一般為2S）地向從時(shí)鐘發(fā)送Sync報(bào)文，主時(shí)鐘記錄報(bào)文的準(zhǔn)確發(fā)送時(shí)間tm1。從時(shí)鐘在收到Sync報(bào)文后記下報(bào)文的精確到達(dá)時(shí)間ts1。主時(shí)鐘隨后發(fā)送攜帶tm1的Follow_Up報(bào)文。

圖1 PTP時(shí)鐘同步模型

第二階段：延遲測(cè)量階段，測(cè)量主從時(shí)鐘之間的鏈路延遲。從時(shí)鐘向主時(shí)鐘發(fā)送一個(gè)延遲請(qǐng)求Delay_Req報(bào)文，同時(shí)記錄該報(bào)文的精確發(fā)送時(shí)間ts2。主時(shí)鐘記錄延遲請(qǐng)求報(bào)文到達(dá)的準(zhǔn)確時(shí)間tm2，然后在延遲請(qǐng)求響應(yīng)報(bào)文Delay_Resp中把ts2回發(fā)到從時(shí)鐘。假定傳輸路徑是均勻?qū)ΨQ的，即TD1=TD2。根據(jù)ts1、ts2、tm1、tm2由下面公式計(jì)算出報(bào)文的傳輸延時(shí)TDelay和主從時(shí)鐘偏差TOffset。

TD1=TD2=(Ts1－Tm1)－(Ts2－Tm2)2 (1)

TOffset=(Ts1－Tm1)+(Ts2－Tm2)2 (2)

在PTP協(xié)議中一個(gè)主時(shí)鐘同步多個(gè)從時(shí)鐘，因此主時(shí)鐘需要處理大量的Delay_Req報(bào)文，如果Delay_Req報(bào)文都在集中在某一時(shí)刻到達(dá)主時(shí)鐘，則勢(shì)必造成丟包或者擁塞致使主時(shí)鐘無(wú)法響應(yīng)所有從時(shí)鐘的報(bào)文，因此在接收Follow_Up報(bào)文后隨即延時(shí)一短時(shí)間在發(fā)送Delay_Req報(bào)文，這樣就可以避免所有從時(shí)鐘的Delay_Req報(bào)文集中到達(dá)主時(shí)鐘，使得主時(shí)鐘可以分別處理不同從時(shí)鐘的請(qǐng)求，這樣可以大大提高主時(shí)鐘的處理效率，最大程度的避免丟包和擁塞現(xiàn)象的出現(xiàn)。因此延遲測(cè)量是不規(guī)則進(jìn)行的，其測(cè)量間隔時(shí)間為4~60S之間的隨機(jī)值。

3.2 對(duì)IEEE1588時(shí)鐘同步模型延遲測(cè)量方法的改進(jìn)

由上文可知，基于IEEE1588時(shí)鐘同步模型，其平均網(wǎng)路延遲時(shí)間的測(cè)量需要用到同步信息包Sync獲得的時(shí)間信息，而且只能測(cè)量主時(shí)鐘與從時(shí)鐘之間的平均網(wǎng)路延遲時(shí)間。在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生改變致使主時(shí)鐘發(fā)生改變時(shí)，就必須重新進(jìn)行平均網(wǎng)路延遲時(shí)間的測(cè)量，在新的主時(shí)鐘到達(dá)穩(wěn)態(tài)之前會(huì)引入較大的誤差。

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圖2 對(duì)等延遲測(cè)量機(jī)制

針對(duì)上述問(wèn)題，文章增加了一種專門用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)端口間平均網(wǎng)路延遲時(shí)間的獨(dú)立消息模式，叫做點(diǎn)對(duì)點(diǎn)延遲請(qǐng)求。這種模式可以測(cè)量同步域中任意兩點(diǎn)之間的平均網(wǎng)路延遲時(shí)間，而且可以在任意時(shí)刻進(jìn)行任意次的測(cè)量。改進(jìn)后的測(cè)量網(wǎng)絡(luò)延遲的機(jī)制與之前相比，不需要與同步過(guò)程配合使用，是一個(gè)獨(dú)立的測(cè)量過(guò)程。這種機(jī)制意味著鏈路的兩個(gè)末端端口已知鏈路延時(shí)，它允許網(wǎng)絡(luò)重新配置時(shí)立即校正路徑長(zhǎng)度。因此可以進(jìn)行多次測(cè)量求平均值，以得到更精確的網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間。而且在同步域中的主時(shí)鐘發(fā)生改變時(shí)不需要重新測(cè)量，可以直接使用預(yù)先測(cè)量的從時(shí)鐘與新主時(shí)鐘之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)平均網(wǎng)路延遲時(shí)間。

對(duì)等延時(shí)機(jī)制只能在普通時(shí)鐘、邊界時(shí)鐘或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)透明時(shí)鐘的兩個(gè)固定的端口之間測(cè)量傳播延時(shí)，因此與延遲—響應(yīng)機(jī)制不同，對(duì)等延時(shí)機(jī)制的消息是不可以跨越端口傳播的。

對(duì)等延時(shí)鏈路測(cè)量的測(cè)量過(guò)程如圖2所示：首先由測(cè)量端口A向被測(cè)端口 B發(fā)送 Pdelay_Req報(bào)文，并記錄發(fā)送的精確時(shí)刻t1，端口B記錄接收到Pdelay_Req報(bào)文時(shí)的精確時(shí)刻t2。接下來(lái)端口B發(fā)送Pdelay_Resp報(bào)文到端口A，并記錄精確發(fā)送時(shí)刻t3，端口A記錄接收到Pdelay_Resp報(bào)文的精確時(shí)刻t4。端口B在發(fā)送完P(guān)delay_Resp報(bào)文后，緊接著將t2與t3的差值Δt (Δt = t 3 - t 2 )打包進(jìn)Pdelay_Res p_Foll ow_Up報(bào)文并發(fā)送給端口A。

記從端口A到端口B的延遲時(shí)間為：

TAB=t2-t1 (3)

記從端口B到端口A的延遲時(shí)間為：

TBA=t2-t1 (4)

假設(shè)從端口A到端口B以及從端口B到端口A的平均網(wǎng)路延遲時(shí)間相等，即TAB =TBA,則端口 A與端口 B間的網(wǎng)路延遲時(shí)間 t為：

 t=(TAB +TBA)/2(5)

將(3)和(4)帶入(5)得：

t=(t4-t1-Δt)/2(6)

3.3 基于IEEE1588新增的時(shí)鐘模型

傳統(tǒng)的IEEE1588時(shí)鐘同步模型僅僅是普通時(shí)鐘和邊界時(shí)鐘，邊界時(shí)鐘是為了支持PTP協(xié)議在包含多個(gè)子網(wǎng)的的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)應(yīng)用而建立的。一個(gè)典型的邊界時(shí)鐘應(yīng)該包含兩個(gè)以上的端口，其中一個(gè)用做上游時(shí)鐘的從時(shí)鐘，另一個(gè)用作下游時(shí)鐘的主時(shí)鐘。

由于在同步域內(nèi)多重私服時(shí)鐘校正和多級(jí)邊界時(shí)鐘的級(jí)聯(lián)的累積會(huì)極大的降低系統(tǒng)的同步精度。為了避免上述情況的發(fā)生，論文中引入了兩種透明時(shí)鐘模型，即點(diǎn)到點(diǎn)透明時(shí)鐘和端到端透明時(shí)鐘，透明時(shí)鐘測(cè)量PTP消息經(jīng)過(guò)設(shè)備的時(shí)間并將此信息提供給接收次PTP消息的時(shí)鐘，因此，可以將透明時(shí)鐘傳播鏈路看做一條不會(huì)引入時(shí)間偏差的“傳輸線”。1）端到端透明時(shí)鐘

端到端透明時(shí)鐘（E2E TC）點(diǎn)到點(diǎn)透明時(shí)鐘與端到端時(shí)鐘不同，它不僅測(cè)量通過(guò)透明時(shí)鐘的時(shí)間，但是不校正透明時(shí)鐘到接收PTP消息的時(shí)鐘之間路徑的傳播延遲，對(duì)普通網(wǎng)絡(luò)信息包不做任何處理讓其正常通過(guò)， 但對(duì)于 PTP事件信息包則將接收端口到發(fā)送端口的時(shí)間延遲累加到信息包中的時(shí)間修正域中，以補(bǔ)償 PTP 信息包通過(guò)端對(duì)端透明時(shí)鐘造成的延遲誤差。端到端透明時(shí)鐘使用延遲—響應(yīng)機(jī)制而不使用對(duì)等延遲機(jī)制。校正模型如圖4所示。

圖3 延遲-響應(yīng)鏈路延遲測(cè)量機(jī)制與對(duì)等

延遲測(cè)量鏈路延遲機(jī)制的對(duì)比

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圖4 端到端駐留時(shí)間校正模型

2）點(diǎn)到點(diǎn)透明時(shí)鐘

點(diǎn)到點(diǎn)透明時(shí)鐘與端到端時(shí)鐘不同，它不僅測(cè)量通過(guò)透明時(shí)鐘的時(shí)間，而且也校正透明時(shí)鐘到接收PTP消息的時(shí)鐘之間路徑的傳播延遲， 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)透明時(shí)鐘是專門針對(duì)采用對(duì)等延遲機(jī)制網(wǎng)絡(luò)延遲測(cè)量方法建立的，它能夠自動(dòng)測(cè)量每個(gè)端口與所連接的端口間的網(wǎng)絡(luò)延遲， 并在每次接收到 PTP事件信息包時(shí)將接收端口的路徑延遲時(shí)間和端口間時(shí)間延遲累加到時(shí)間修正域，以補(bǔ)償從數(shù)據(jù)源到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)透明時(shí)鐘出口的時(shí)間延遲。點(diǎn)到點(diǎn)透明時(shí)鐘使用對(duì)等延遲機(jī)制來(lái)測(cè)量主從時(shí)鐘之間的延遲，校正模型如圖5所示。

圖5 點(diǎn)到點(diǎn)駐留時(shí)間校正模型

3.4 SPMU同步方案總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的船舶電力系統(tǒng)同步相量測(cè)量單元時(shí)鐘同步方案總體結(jié)構(gòu)如圖6所示，方案采用了分布式體系結(jié)構(gòu)，將艦船電力系統(tǒng)劃分為若干個(gè)同步域，每個(gè)同步域由互為備份的兩個(gè)NMC和若干SPMU構(gòu)成。同步域在物理上以布設(shè)若干個(gè)SPMU的艦船供配電區(qū)域的形式存在。

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圖6 混合時(shí)鐘同步模型總體結(jié)構(gòu)圖

時(shí)鐘同步方案采用混合時(shí)鐘同步方案。同步域內(nèi)的時(shí)鐘同步過(guò)程在邏輯上分為兩個(gè)過(guò)程，首先由衛(wèi)星時(shí)間信號(hào)接收設(shè)備同步每個(gè)同步域內(nèi)的NMC，然后NMC通過(guò)PTP協(xié)議同步其所在同步域內(nèi)的SPMU，但實(shí)際上兩個(gè)過(guò)程是并行運(yùn)行的。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，每個(gè)子網(wǎng)還配有一個(gè)備用的NMC，兩個(gè)NMC是互為備份的關(guān)系，正常工作時(shí)，處于備用的NMC作為一個(gè)偽從時(shí)鐘不斷接收NMC的時(shí)間信號(hào)，當(dāng)備用NMC接收到的來(lái)自當(dāng)前工作主時(shí)鐘的同步信號(hào)發(fā)生異常時(shí)，可認(rèn)為當(dāng)前NMC出現(xiàn)了故障，備用NMC自動(dòng)切換到工作模式。

3.5 基于混合時(shí)鐘的SPMU實(shí)驗(yàn)

NMC和SPMU在其本地時(shí)鐘的整秒時(shí)刻向偏差測(cè)量設(shè)備發(fā)送一個(gè)高電平脈沖，偏差測(cè)量設(shè)備在開(kāi)機(jī)1min后啟動(dòng)捕獲兩個(gè)PPS脈沖的到達(dá)時(shí)刻的功能，并計(jì)算兩個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)刻之差ΔT，樣本數(shù)據(jù)保存在一個(gè)長(zhǎng)度為2000數(shù)組當(dāng)中，當(dāng)數(shù)組填滿后，偏差測(cè)量設(shè)備停止捕獲PPS和計(jì)算工作，將樣本數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送到上位機(jī)，為防止數(shù)據(jù)丟失，測(cè)試結(jié)束后將樣本數(shù)據(jù)備份到本地SD卡上。

圖7 偏差樣本隨時(shí)間變化曲線

本文對(duì)測(cè)試開(kāi)始1min后的2000個(gè)樣本進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其中單個(gè)偏差樣本的平均獲取時(shí)間為1S，圖7反映了偏差樣本隨時(shí)間的變化情況，從測(cè)試結(jié)果可以看出雖然測(cè)試過(guò)程中存在隨機(jī)出現(xiàn)的偏移幅值較大的噪聲點(diǎn)，但是總的偏差值可以維持在±500ns以內(nèi)。偏差樣本數(shù)據(jù)的分布直方圖如圖8所示，可以看出偏差值的分布基本上滿足正態(tài)分布。說(shuō)明偏移樣本是可信的。



圖8 偏差樣本分布直方圖

表1給出了對(duì)測(cè)試樣本的詳細(xì)統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示系統(tǒng)的平均偏差以96ns為基準(zhǔn)上下波動(dòng)。樣本一階矩的統(tǒng)計(jì)結(jié)果在500ns以內(nèi)的性能滿足電力系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘同步達(dá)到亞微妙的要求［3，4］。說(shuō)明本文提出的同步測(cè)量方法是合理且可行的，但是從樣本方差的統(tǒng)計(jì)結(jié)果也可以看出樣本的方差性能不夠理想，說(shuō)明樣本的波動(dòng)比較大，有待進(jìn)一步改善。

表1 SPMU軟件功能列表

統(tǒng)計(jì)內(nèi)容

測(cè)試及統(tǒng)計(jì)結(jié)果

單位

樣本的數(shù)量

2000

個(gè)

樣本最大值

1330

ns

樣本的均值

291.12

ns

樣本的方差

100917.73

—

由于本文實(shí)現(xiàn)PTP精確時(shí)鐘同步協(xié)議是RTOS平臺(tái)的系統(tǒng)任務(wù)中實(shí)現(xiàn)的，且PTP任務(wù)在NMC和SPMU中均不是最高優(yōu)先級(jí)響應(yīng)的任務(wù)，因此RTOS任務(wù)調(diào)度必定引入了一個(gè)固定延遲量的系統(tǒng)響應(yīng)誤差。其次，PTP主從時(shí)鐘之間的報(bào)文交互均要經(jīng)過(guò)TCP/IP協(xié)議棧，因此，進(jìn)出協(xié)議棧也將帶來(lái)一定延遲。同時(shí)，NMC和SPMU晶振的精度和穩(wěn)定度，以及主從時(shí)鐘之間線路延時(shí)的波動(dòng)，以及LM3S8938的主頻限制也是造成同步偏差的原因。經(jīng)過(guò)上述分析，可以粗略的得出如下提高同步精度的方法：

1)在NMC和SPMU上選用恒溫晶振；

2)購(gòu)買定制的RTOS和商用TCP/IP協(xié)議棧，以保證報(bào)文進(jìn)出的延時(shí)；

3)采用雙CPU系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，將PTP任務(wù)獨(dú)立于其他系統(tǒng)應(yīng)用；

4)換用更高主頻的處理器；

5)需用帶有硬件時(shí)鐘頻率補(bǔ)償單元的處理器；

6)增加頻率補(bǔ)償單元。

參考文獻(xiàn)

［1］ 馬偉明．艦船動(dòng)力發(fā)展的方向［J］．海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2002， (6)：1-9．

［2］ 馮源．艦船電力系統(tǒng)同步相量測(cè)量技術(shù)研究［D］．武漢：海軍工程大學(xué)，2007．

［3］ 陳丹丹．艦船電力系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)性能研究［D］．武漢：海軍工程大學(xué)，2010．

［4］ PHGDKE G G．Synchronized phase measurements in power system［J］．IEEE Computer Applications in Power，1993，6(2)：42-47．

［5］ WILSONR E．Methods and Uses of Precise Time in Power System［J］．IEEE Trans on PWRD，1992，7(1)：126-132．

［6］ PHADKE A G．Synchronized phasor measurements in power systems［J］．IEEE Computer Applications in Power，1993，62(4)：10-15．

［7］ 許樹(shù)楷，謝小榮，辛耀中．基于同步相量測(cè)量技術(shù)的廣域測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(2)：44-49．

［8］ LIANG Z，ABUR A．Multi Area State Estimation Using Synchronized Phasor Measurements［J］.IEEE Transactions on Power System，2005，20(2)：611-617．

［9］ KAMWA I．Using MIMO system identification for modal analysis and global stabilization of large power systems．IEEE Power Engineering Society Summer Meeting［C］．2000，61(2)：817-822．

［10］閡勇．電力系統(tǒng)全網(wǎng)同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］．清華大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，37(7)：86-88．

［11］許勇．QNX嵌入式操作系統(tǒng)在電力系統(tǒng)相量測(cè)量裝置中的應(yīng)用［D］．北京：中國(guó)電力科學(xué)研究院，2004．

3.5 基于混合時(shí)鐘的SPMU實(shí)驗(yàn)

NMC和SPMU在其本地時(shí)鐘的整秒時(shí)刻向偏差測(cè)量設(shè)備發(fā)送一個(gè)高電平脈沖，偏差測(cè)量設(shè)備在開(kāi)機(jī)1min后啟動(dòng)捕獲兩個(gè)PPS脈沖的到達(dá)時(shí)刻的功能，并計(jì)算兩個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)刻之差ΔT，樣本數(shù)據(jù)保存在一個(gè)長(zhǎng)度為2000數(shù)組當(dāng)中，當(dāng)數(shù)組填滿后，偏差測(cè)量設(shè)備停止捕獲PPS和計(jì)算工作，將樣本數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送到上位機(jī)，為防止數(shù)據(jù)丟失，測(cè)試結(jié)束后將樣本數(shù)據(jù)備份到本地SD卡上。

圖7 偏差樣本隨時(shí)間變化曲線

本文對(duì)測(cè)試開(kāi)始1min后的2000個(gè)樣本進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其中單個(gè)偏差樣本的平均獲取時(shí)間為1S，圖7反映了偏差樣本隨時(shí)間的變化情況，從測(cè)試結(jié)果可以看出雖然測(cè)試過(guò)程中存在隨機(jī)出現(xiàn)的偏移幅值較大的噪聲點(diǎn)，但是總的偏差值可以維持在±500ns以內(nèi)。偏差樣本數(shù)據(jù)的分布直方圖如圖8所示，可以看出偏差值的分布基本上滿足正態(tài)分布。說(shuō)明偏移樣本是可信的。



圖8 偏差樣本分布直方圖

表1給出了對(duì)測(cè)試樣本的詳細(xì)統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示系統(tǒng)的平均偏差以96ns為基準(zhǔn)上下波動(dòng)。樣本一階矩的統(tǒng)計(jì)結(jié)果在500ns以內(nèi)的性能滿足電力系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘同步達(dá)到亞微妙的要求［3，4］。說(shuō)明本文提出的同步測(cè)量方法是合理且可行的，但是從樣本方差的統(tǒng)計(jì)結(jié)果也可以看出樣本的方差性能不夠理想，說(shuō)明樣本的波動(dòng)比較大，有待進(jìn)一步改善。

表1 SPMU軟件功能列表

統(tǒng)計(jì)內(nèi)容

測(cè)試及統(tǒng)計(jì)結(jié)果

單位

樣本的數(shù)量

2000

個(gè)

樣本最大值

1330

ns

樣本的均值

291.12

ns

樣本的方差

100917.73

—

由于本文實(shí)現(xiàn)PTP精確時(shí)鐘同步協(xié)議是RTOS平臺(tái)的系統(tǒng)任務(wù)中實(shí)現(xiàn)的，且PTP任務(wù)在NMC和SPMU中均不是最高優(yōu)先級(jí)響應(yīng)的任務(wù)，因此RTOS任務(wù)調(diào)度必定引入了一個(gè)固定延遲量的系統(tǒng)響應(yīng)誤差。其次，PTP主從時(shí)鐘之間的報(bào)文交互均要經(jīng)過(guò)TCP/IP協(xié)議棧，因此，進(jìn)出協(xié)議棧也將帶來(lái)一定延遲。同時(shí)，NMC和SPMU晶振的精度和穩(wěn)定度，以及主從時(shí)鐘之間線路延時(shí)的波動(dòng)，以及LM3S8938的主頻限制也是造成同步偏差的原因。經(jīng)過(guò)上述分析，可以粗略的得出如下提高同步精度的方法：

1)在NMC和SPMU上選用恒溫晶振；

2)購(gòu)買定制的RTOS和商用TCP/IP協(xié)議棧，以保證報(bào)文進(jìn)出的延時(shí)；

3)采用雙CPU系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，將PTP任務(wù)獨(dú)立于其他系統(tǒng)應(yīng)用；

4)換用更高主頻的處理器；

5)需用帶有硬件時(shí)鐘頻率補(bǔ)償單元的處理器；

6)增加頻率補(bǔ)償單元。

參考文獻(xiàn)

［1］ 馬偉明．艦船動(dòng)力發(fā)展的方向［J］．海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2002， (6)：1-9．

［2］ 馮源．艦船電力系統(tǒng)同步相量測(cè)量技術(shù)研究［D］．武漢：海軍工程大學(xué)，2007．

［3］ 陳丹丹．艦船電力系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)性能研究［D］．武漢：海軍工程大學(xué)，2010．

［4］ PHGDKE G G．Synchronized phase measurements in power system［J］．IEEE Computer Applications in Power，1993，6(2)：42-47．

［5］ WILSONR E．Methods and Uses of Precise Time in Power System［J］．IEEE Trans on PWRD，1992，7(1)：126-132．

［6］ PHADKE A G．Synchronized phasor measurements in power systems［J］．IEEE Computer Applications in Power，1993，62(4)：10-15．

［7］ 許樹(shù)楷，謝小榮，辛耀中．基于同步相量測(cè)量技術(shù)的廣域測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(2)：44-49．

［8］ LIANG Z，ABUR A．Multi Area State Estimation Using Synchronized Phasor Measurements［J］.IEEE Transactions on Power System，2005，20(2)：611-617．

［9］ KAMWA I．Using MIMO system identification for modal analysis and global stabilization of large power systems．IEEE Power Engineering Society Summer Meeting［C］．2000，61(2)：817-822．

［10］閡勇．電力系統(tǒng)全網(wǎng)同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］．清華大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，37(7)：86-88．

［11］許勇．QNX嵌入式操作系統(tǒng)在電力系統(tǒng)相量測(cè)量裝置中的應(yīng)用［D］．北京：中國(guó)電力科學(xué)研究院，2004．

3.5 基于混合時(shí)鐘的SPMU實(shí)驗(yàn)

NMC和SPMU在其本地時(shí)鐘的整秒時(shí)刻向偏差測(cè)量設(shè)備發(fā)送一個(gè)高電平脈沖，偏差測(cè)量設(shè)備在開(kāi)機(jī)1min后啟動(dòng)捕獲兩個(gè)PPS脈沖的到達(dá)時(shí)刻的功能，并計(jì)算兩個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)刻之差ΔT，樣本數(shù)據(jù)保存在一個(gè)長(zhǎng)度為2000數(shù)組當(dāng)中，當(dāng)數(shù)組填滿后，偏差測(cè)量設(shè)備停止捕獲PPS和計(jì)算工作，將樣本數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送到上位機(jī)，為防止數(shù)據(jù)丟失，測(cè)試結(jié)束后將樣本數(shù)據(jù)備份到本地SD卡上。

圖7 偏差樣本隨時(shí)間變化曲線

本文對(duì)測(cè)試開(kāi)始1min后的2000個(gè)樣本進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其中單個(gè)偏差樣本的平均獲取時(shí)間為1S，圖7反映了偏差樣本隨時(shí)間的變化情況，從測(cè)試結(jié)果可以看出雖然測(cè)試過(guò)程中存在隨機(jī)出現(xiàn)的偏移幅值較大的噪聲點(diǎn)，但是總的偏差值可以維持在±500ns以內(nèi)。偏差樣本數(shù)據(jù)的分布直方圖如圖8所示，可以看出偏差值的分布基本上滿足正態(tài)分布。說(shuō)明偏移樣本是可信的。



圖8 偏差樣本分布直方圖

表1給出了對(duì)測(cè)試樣本的詳細(xì)統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示系統(tǒng)的平均偏差以96ns為基準(zhǔn)上下波動(dòng)。樣本一階矩的統(tǒng)計(jì)結(jié)果在500ns以內(nèi)的性能滿足電力系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘同步達(dá)到亞微妙的要求［3，4］。說(shuō)明本文提出的同步測(cè)量方法是合理且可行的，但是從樣本方差的統(tǒng)計(jì)結(jié)果也可以看出樣本的方差性能不夠理想，說(shuō)明樣本的波動(dòng)比較大，有待進(jìn)一步改善。

表1 SPMU軟件功能列表

統(tǒng)計(jì)內(nèi)容

測(cè)試及統(tǒng)計(jì)結(jié)果

單位

樣本的數(shù)量

2000

個(gè)

樣本最大值

1330

ns

樣本的均值

291.12

ns

樣本的方差

100917.73

—

由于本文實(shí)現(xiàn)PTP精確時(shí)鐘同步協(xié)議是RTOS平臺(tái)的系統(tǒng)任務(wù)中實(shí)現(xiàn)的，且PTP任務(wù)在NMC和SPMU中均不是最高優(yōu)先級(jí)響應(yīng)的任務(wù)，因此RTOS任務(wù)調(diào)度必定引入了一個(gè)固定延遲量的系統(tǒng)響應(yīng)誤差。其次，PTP主從時(shí)鐘之間的報(bào)文交互均要經(jīng)過(guò)TCP/IP協(xié)議棧，因此，進(jìn)出協(xié)議棧也將帶來(lái)一定延遲。同時(shí)，NMC和SPMU晶振的精度和穩(wěn)定度，以及主從時(shí)鐘之間線路延時(shí)的波動(dòng)，以及LM3S8938的主頻限制也是造成同步偏差的原因。經(jīng)過(guò)上述分析，可以粗略的得出如下提高同步精度的方法：

1)在NMC和SPMU上選用恒溫晶振；

2)購(gòu)買定制的RTOS和商用TCP/IP協(xié)議棧，以保證報(bào)文進(jìn)出的延時(shí)；

3)采用雙CPU系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，將PTP任務(wù)獨(dú)立于其他系統(tǒng)應(yīng)用；

4)換用更高主頻的處理器；

5)需用帶有硬件時(shí)鐘頻率補(bǔ)償單元的處理器；

6)增加頻率補(bǔ)償單元。

參考文獻(xiàn)

［1］ 馬偉明．艦船動(dòng)力發(fā)展的方向［J］．海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2002， (6)：1-9．

［2］ 馮源．艦船電力系統(tǒng)同步相量測(cè)量技術(shù)研究［D］．武漢：海軍工程大學(xué)，2007．

［3］ 陳丹丹．艦船電力系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)性能研究［D］．武漢：海軍工程大學(xué)，2010．

［4］ PHGDKE G G．Synchronized phase measurements in power system［J］．IEEE Computer Applications in Power，1993，6(2)：42-47．

［5］ WILSONR E．Methods and Uses of Precise Time in Power System［J］．IEEE Trans on PWRD，1992，7(1)：126-132．

［6］ PHADKE A G．Synchronized phasor measurements in power systems［J］．IEEE Computer Applications in Power，1993，62(4)：10-15．

［7］ 許樹(shù)楷，謝小榮，辛耀中．基于同步相量測(cè)量技術(shù)的廣域測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(2)：44-49．

［8］ LIANG Z，ABUR A．Multi Area State Estimation Using Synchronized Phasor Measurements［J］.IEEE Transactions on Power System，2005，20(2)：611-617．

［9］ KAMWA I．Using MIMO system identification for modal analysis and global stabilization of large power systems．IEEE Power Engineering Society Summer Meeting［C］．2000，61(2)：817-822．

［10］閡勇．電力系統(tǒng)全網(wǎng)同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］．清華大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，37(7)：86-88．

［11］許勇．QNX嵌入式操作系統(tǒng)在電力系統(tǒng)相量測(cè)量裝置中的應(yīng)用［D］．北京：中國(guó)電力科學(xué)研究院，2004．