基於自學習改進的電網時間同步測量系統和方法與流程

2023-09-23 03:14:45 1

本發明涉及通信網絡技術領域，尤其涉及一種通過自學習方法實現判斷電網時間同步測量延遲請求報文發送時間方法，具體是一種基於自學習改進的電網時間同步測量系統和方法。用於解決電網中同步測量時延遲請求報文與電網其他報文碰撞概率過大問題，通過電網同步測量精度並降低電網其他報文延遲。

背景技術：

我國電網已初步建成了以大機組，自動化和超高壓機組為主要特徵的現代化大型電網系統，為了保證電網的安全和經濟的運行，各種以通信和計算機技術為基礎的自動化裝置被廣泛應用，如電力故障錄波裝置、同步向量測量裝置、調度自動化裝置、變電站計算機監控系統和火電廠機組自動控制系統等。這些裝置的正常工作和使用離不開統一的全網時間同步。此外，各種微機型裝置內部都帶有實時時鐘，其運行時的固有誤差無法避免，隨著運行時間的增加，累積誤差就會越來越大，從而無法正確的計算時間，因此，也要求由外部時間源定期輸入使其時間同步。

隨著IT技術的發展，通過網絡為電網授時成為了可能，目前的網絡時間協議主要有基於1588協議的NTP和PTP兩種。

NTP(Network Time Protocol)是設計用來同步網絡中各個計算機時間的協議，其同步精度在區域網內可達0.1ms，在網際網路上絕大多數的地方其精度可以達到1-50ms。

PTP(Precision Time Protocol)精密時間協議，相對NTP，PTP提高了設備同步精度，其同步精度可達到微妙(us)級。PTP協議有4種報文類型，包括同步報文，跟隨報文，延遲請求報文和延遲應答報文。

現有的電網同步網絡協議普遍使用1588協議的PTP協議，但並未考慮PTP報文與電網中其他網絡報文之間的影響。由於網絡中的其他報文是隨機到達的，因此現有方法無法預測網絡中其他報文到達時間，受網絡帶寬限制，實際應用中，當PTP報文與電網其他網絡報文衝突時有可能造成同步報文或網絡報文的延遲不確定，也會造成其他網絡報文延遲增加。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種基於網絡自學習的改進的電網時間同步測量系統，實現在不影響電網各節點同步精度的前提下減少同步報文與電網其他網絡報文的碰撞。

本發明是一種基於網絡自學習改進的電網時間同步測量系統，電網基礎設備包括故障錄波裝置、同步向量測量裝置、調度自動化裝置、變電站計算機監控裝置和火電廠機組自動控制裝置，這些設備稱作待測設備，待測設備均通過交換機連接到1588協議時間同步模塊上，電網通過1588協議時間同步，1588協議包括網絡中的主時鐘與從時鐘，1588協議時間同步模塊通過交換機網絡接口作為從時鐘與電網中的主時鐘同步，其特徵在於，在1588協議時間同步模塊上附加有自學習測量設備模塊，自學習測量設備模塊通過交換機獲取網絡其他報文，同時通過1588協議時間同步模塊上時間輸出接口記錄來自網絡各個待測設備的其他報文到達時間，計算出改進的1588協議同步報文中延遲請求報文的最佳發送時間，通過配置輸出接口，設置1588協議時間同步模塊延遲請求報文發送時間，1588協議時間同步模塊於最佳發送時間時發送延遲請求報文，通過網絡接口與主時鐘同步，減少延遲請求報文與電網中其他報文的碰撞概率，實現更精確的網絡時間同步。

本發明還是一種基於網絡自學習改進的電網時間同步測量方法，其特徵在於，包括有以下步驟：

(1)網絡傳輸中，傳輸1588協議同步報文、跟隨報文、延遲請求報文和延遲請求響應報文，以及各待測設備輸出的網絡其他報文；

(2)網絡其他報文通過交換機到達自學習測量設備模塊，同時自學習測量設備模塊還通過1588協議時間同步模塊時間輸出接口讀取網絡其他報文的到達時間，並為所有到達的其他報文打上時間戳並轉發給下一節點；

(3)自學習測量設備模塊記錄並存儲一段時間內所有到達其他報文及其到達時間，通過自學習方法根據所述一段時間內的其他報文到達時間及時間差概率分布，計算出最佳PTP延遲請求報文發送時間；

(4)1588協議時間同步模塊根據自學習測量設備模塊計算得到的最佳PTP延遲請求報文時間，在最佳PTP延遲請求報文時間點上向網絡主時鐘採用單播方式發送延遲請求報文給主時鐘，降低延遲請求報文與網絡其他報文的碰撞概率，1588協議時間同步模塊計算出從時鐘與主時鐘的時間誤差，並消除時間誤差，1588協議時間同步模塊誤差消除後與主時鐘同步，更新本地時間，在從時鐘與主時鐘穩定同步前暫停記錄其他報文到達時間；

(5)在從時鐘與主時鐘保持穩定同步後，返回步驟2，自學習測量設備模塊重新開始不斷記錄來自各待測設備其他報文及其到達時間，並根據之前一段時間的到達時間數據不斷更新計算最佳PTP延遲請求報文發送時間，在最佳時間發送PTP延遲請求報文，以減少PTP延遲請求報文和電網其他網絡報文碰撞的概率，減少同步誤差。

與現有技術相比，發本明優點

1.傳統電網時間同步系統中延遲請求報文易與電網中其他報文碰撞，造成同步誤差增大，電網其他報文延遲增大，本發明在原有1588協議模塊上增設了自學習測量設備模塊，用自學習測量設備模塊記錄網絡其他報文到達時間，計算最佳延遲請求報文發送時間，並在最佳延遲請求報文發送時間發送延遲請求報文，降低延遲請求報文與電網中其他報文碰撞概率，可降低電網中各類網絡信號的延遲，提高時間同步精度。

2.與普通1588協議相比，本發明僅改變延遲請求報文發送時間，根據1588議不會降低1588協議從時鐘的同步精度。本發明可優化電網中的時間同步測量系統。

3.本發明的自學習測量設備模塊可以用FPGA電路方式實現，通過接口與1588協議時間同步模塊通過接口連接，同時通過網絡接口與交換機連接，具有成本低、安裝配置簡單的優點。

附圖說明

圖1是本發明的系統構成示意圖；

圖2是本發明的自學習測量設備模塊的構成示意圖；

圖3是本發明的同步測量方法示意圖；

圖4是本發明改進的1588協議示意圖。

具體實施方式

現有的電網同步網絡協議普遍使用PTP協議，但並未考慮PTP報文與電網中其他網絡報文之間的影響，存在網絡其他報文與同步報文相互碰撞問題。為實現本發明目的、技術方案以及優點更加清楚明白，下面參照附圖對本發明進行詳細說明。

實施例1

本發明是一種基於網絡自學習改進的電網時間同步測量系統，電網基礎設備包括故障錄波裝置、同步向量測量裝置、調度自動化裝置、變電站計算機監控裝置和火電廠機組自動控制裝置等，上述設備統稱為待測設備，待測設備均各自通過交換機連接到1588協議時間同步模塊上，1588協議時間同步模塊簡稱同步模塊，電網通過1588協議時間同步，1588協議包括網絡中的主時鐘與從時鐘，1588協議時間同步模塊通過交換機網絡接口作為從時鐘與電網中的主時鐘同步，參見圖1，本發明在1588協議時間同步模塊上附加有自學習測量設備模塊，自學習測量設備模塊簡稱自學習模塊。自學習測量設備模塊通過交換機獲取網絡其他報文，同時通過1588協議時間同步模塊上時間輸出接口記錄來自網絡各個待測設備的其他報文到達時間，計算出改進的1588協議同步報文中延遲請求報文的最佳發送時間，通過配置輸出接口，設置1588協議時間同步模塊延遲請求報文發送時間，1588協議時間同步模塊於最佳發送時間時發送延遲請求報文，通過網絡接口與主時鐘同步，減少延遲請求報文與電網中其他報文的碰撞概率，實現更精確的網絡時間同步。

本發明中作為從時鐘的1588協議時間同步模塊，在計算出的延遲請求報文最佳發送時間時發送延遲請求報文，由於通過自學習方法學習了網絡其他報文到達時間間隔概率分布，因此可減少延遲請求報文與網絡其他報文碰撞概率，提高電網同步精度，這就是本發明對於1588同步協議基於電網系統的改進點。

從實際應用的角度來講，本發明在1588協議時間同步模塊上附加有自學習測量設備模塊，同步報文和網絡其他報文通過交換機時，自學習測量設備模塊接收網絡其他報文，並通過1588協議時間同步模塊時間輸出接口獲取其他網絡報文到達時間，不斷記錄和存儲網絡其他報文及其到達時間，通過自學習方法，根據存儲的網絡其他報文的到達時間計算出最佳延遲請求報文發送時間，並設置1588協議時間同步模塊在計算的最佳延遲請求報文發送時間發送延遲請求報文。由於在最佳延遲請求報文發送時間發送延遲請求報文，可以減少延遲請求報文與網絡其他報文的碰撞概率。

通過網絡接口與主時鐘同步，減少延遲請求報文與電網中其他報文的碰撞概率，實現更精確的網絡時間同步。

實施例2

基於網絡自學習改進的電網時間同步測量系統的總體構成同實施例1，自學習測量設備模塊與1588協議時間同步模塊數據雙向交互，自學習模塊通過網絡接口連接網絡，通過時間輸出接口與各待測設備連接，自學習模塊通過網絡接口接收網絡其他報文，同時通過時間輸出接口讀取網絡其他報文到達時間並記錄。並根據記錄的待測設備其他報文到達時間，通過機器學習、數據挖掘和統計分析預測和計算精密時間協議(PTP)報文中的延遲請求報文最佳發送時間，在最佳時間發送PTP延遲請求報文給網絡中的主時鐘，以減少PTP延遲請求報文和電網其他網絡報文碰撞的概率，減少同步誤差。

本發明中自學習過程可使用C4.5算法、最大期望算法等機器學習、數據挖掘算法，通過概率統計根據網絡其他報文到達時間預測最佳延遲請求報文發送時間。

實施例3

基於網絡自學習改進的電網時間同步測量系統的總體構成同實施例1-2，自學習測量設備模塊可由FPGA電路或計算機實現，參見圖2，本例中自學習測量設備模塊使用FPGA實現。自學習測量設備模塊內設有存儲單元、計算單元，其中，存儲單元連接網絡接口接收網絡報文，通過時間輸入接口從1588協議時間同步模塊獲取網絡報文到達時間並存儲報文到達時間數據。計算單元與存儲單元連接，讀取存儲單元的報文到達時間數據並計算得到最佳延遲請求報文發送時間，計算單元通過配置輸出接口設置改進的1588協議時間同步模塊延遲請求報文發送時間。

工作時，自學習模塊通過網絡接口與網絡中的交換機相連，輸入網絡報文，同時，自學習測量設備模塊通過時間輸入接口獲得網絡報文到達時間，為網絡報文打上時間戳，計算單元根據存儲單元存儲的網絡報文到達時間數據計算出最佳延遲請求報文發送時間，並通過延遲請求報文發送時間配置輸出接口設置1588協議時間同步模塊的延遲請求報文發送時間。

實施例4

本發明還是一種基於網絡自學習改進的電網時間同步測量方法，是在上述的基於網絡自學習改進的電網時間同步測量系統上實現，參見圖3，包括有以下步驟：

(1)網絡傳輸中，傳輸1588協議同步報文、跟隨報文、延遲請求報文和延遲請求響應報文，以及各待測設備輸出的網絡其他報文；

(2)網絡其他報文通過交換機到達自學習測量設備模塊，同時自學習測量設備模塊還通過1588協議時間同步模塊時間輸出接口讀取網絡其他報文的到達時間，並為所有到達的其他報文打上時間戳並轉發給下一節點；

(3)自學習測量設備模塊記錄並存儲一段時間內所有到達其他報文及其到達時間，通過自學習方法根據所述一段時間內的其他報文到達時間及時間差概率分布，計算出最佳PTP延遲請求報文發送時間；本例中，一段時間取值為4分鐘。

(4)1588協議時間同步模塊根據自學習測量設備模塊計算得到的最佳PTP延遲請求報文時間，在最佳PTP延遲請求報文時間點上向網絡主時鐘採用單播方式發送延遲請求報文給主時鐘，降低延遲請求報文與網絡其他報文的碰撞概率，形成改進的1588協議。1588協議時間同步模塊計算出從時鐘與主時鐘的時間誤差，並消除時間誤差，1588協議時間同步模塊誤差消除後與主時鐘同步，更新本地時間，在從時鐘與主時鐘穩定同步前暫停記錄其他報文到達時間。

(5)在從時鐘與主時鐘保持穩定同步後，即誤差波動範圍小於協議標準時，返回步驟2，自學習測量設備模塊重新開始不斷記錄來自各待測設備其他報文到達時間，並根據之前一段時間的到達時間數據不斷更新計算最佳PTP延遲請求報文發送時間，在最佳時間發送PTP延遲請求報文，以減少PTP延遲請求報文和電網其他網絡報文碰撞的概率，減少同步誤差。

簡而言之，參見圖3，自學習測量設備模塊工作時具體包括有以下步驟：

1)網絡其他報文通過交換機網絡接口進入自學習測量設備模塊。

2)自學習測量設備模塊通過1588協議時間同步模塊時間輸出接口獲取網絡其他報文到達時間並存儲在存儲單元。

3)存儲一段時間數據後自學習測量設備模塊計算模塊根據存儲的一段時間內網絡其他報文到達時間計算最佳延遲請求報文發送時間。

4)自學習測量設備模塊控制1588協議時間同步模塊在最佳延遲請求發送時間發送延遲請求報文，與主時鐘同步，並暫時停止記錄其他網絡報文到達時間。

5)1588協議時間同步模塊與主時鐘保持穩定同步後自學習測量設備模塊重新開始記錄其他報文到達時間。

6)自學習測量設備模塊持續計算更新最佳延遲請求發送時間，控制1588協議時間同步模塊在計算的最佳延遲請求發送時間發送延遲請求報文。

實施例5

基於網絡自學習改進的電網時間同步測量方法同實施例4，步驟3所述的一段時間取值在3-5分鐘。根據電網中各類報文頻率，設置3-5分鐘為自學習時間可充分學習電網中各類報文的周期性發送規律。本例中，一段時間取值為3分鐘。

實施例6

基於網絡自學習改進的電網時間同步測量方法同實施例4-5，步驟3所述的通過自學習方法根據所述一段時間內的其他報文到達時間分布，具體包括：

3.1)自學習方法記錄一段時間內網絡其他報文到達時間；

3.2)統計各待測設備每兩個網絡其他報文到達時間間隔概率分布；

3.3)根據其他報文到達時間間隔概率分布，選取分布概率較小的時間間隔；

3.4)將上個報文到達時間加上選取的分布概率較小的時間間隔得到最佳PTP延遲請求報文發送時間。

自學習測量設備模塊通過上述步驟，完成最佳延遲請求報文發送時間分析，得到最佳延遲請求報文發送時間。

實施例7

基於網絡自學習改進的電網時間同步測量方法同實施例4-6，步驟4中所述的1588協議時間同步模塊消除時間誤差後與主時鐘同步，更新本地時間的過程包括：

4.1.主時鐘首先採用多播方式周期性的發出同步報文給從時鐘；

4.2然後緊接著主時鐘發出跟隨報文給從時鐘，該跟隨報文中包含同步報文發出時的精確時間戳值；

4.3從時鐘接收同步報文並記下接收的時間戳值；

4.4從時鐘採用單播方式在最佳延遲請求報文發送時間發出延遲請求報文給主時鐘，並記下發出的時間戳值，最佳延遲請求報文發送時間是從時鐘在上個網絡其他報文到達時間加上選取的分布概率較小的時間間隔；

本發明在這一步中採用了自學習方式改進了電網中1588協議，學習了之前一段時間的網絡其他報文到達規律，改變了延遲請求報文發送時間，減少了延遲請求報文與網絡其他報文的碰撞概率。

4.5主時鐘收到延遲請求報文後，記下接收的時間戳值，並隨之產生延遲請求響應報文反饋給從時鐘，該響應報文包含延遲請求報文的接收時間戳值；

4.6最後從時鐘根據這四個記錄的時間值由同步算法計算出與主時鐘的時間偏差，從而根據時間偏差來調整從時鐘的本地時間，以實現從時鐘和主時鐘的時間同步。

下面結合圖4進一步說明基於自學習方法改進的1588協議的同步過程：

(1)主時鐘首先發送同步報文給從時鐘，並記錄發送時間t1；

(2)從時鐘記錄接收同步報文時間t2

(3)主時鐘發送跟隨報文給從時鐘，跟隨報文包括時間t1；

(4)從時鐘接收同步報文和跟隨報文後在自學習模塊計算的最佳時間發送延遲請求報文；

(5)主時鐘記錄收到延遲請求報文時間t3；

(6)主時鐘發送延遲請求響應報文給從時鐘，延遲請求響應報文包括時間t1；

上述步驟完成後從時鐘得到時間t1、t2、t3和t4，通過公式OFFSET＝(t1-t2+t3-t4)/2得到主從時鐘間誤差OFFSET，並修正從時鐘時間與主時鐘同步。

與普通1588協議相比，本發明僅改變延遲請求報文發送時間，根據1588協議公式OFFSET＝(t1-t2+t3-t4)/2，不會造成協議計算錯誤，不會降低1588協議從時鐘的同步精度。

實施例8

基於網絡自學習改進的電網時間同步測量系統和方法同實施例1-7，本發明的基於網絡自學習的改進的電網時間同步測量系統也可以從另一角度描述，即包括待測設備和測量設備。

A.待測設備模塊

待測設備模塊包括故障錄波裝置、同步向量測量裝置、調度自動化裝置、變電站計算機監控裝置和火電廠機組自動控制裝置等電網基礎設備，輸出電網網絡報文。

B.測量設備模塊，包括：

(B1)1588協議時間同步模塊：通過1588協議與PTP主時鐘同步，為電網其他設備提供精確時鐘源。

(B2)自學習測量設備模塊：用於記錄歷史網絡報文到達時間，並通過機器學習、數據挖掘和統計分析等方法預測PTP延遲請求報文最佳發送時間，以減少PTP延遲請求報文和電網其他網絡報文碰撞的概率。

基於網絡自學習的改進的電網時間同步測量方法包括以下步驟：

(1)網絡傳輸中，傳輸1588協議同步報文、跟隨報文、延遲請求報文和延遲請求響應報文，以及各待測設備輸出的網絡其他報文。

(2)包含時間同步報文的網絡其他報文到達自學習測量設備模塊，自學習測量設備模塊通過1588協議時間同步模塊時間輸出接口讀取網絡其他報文到達時間並為所有到達的其他報文打上時間戳並轉發給下一節點。

(3)自學習測量設備模塊記錄一段時間內所有到達其他報文的到達時間，通過自學習方法根據之前一段時間內的其他報文到達時間分布，計算出最佳PTP延遲請求報文發送時間。本例中，一段時間取值為5分鐘。

(4)自學習測量設備模塊根據計算的最佳PTP延遲請求報文時間向網絡主時鐘採用單播方式發送延遲請求報文給主時鐘，自學習測量設備模塊根據1588協議計算出從時鐘與主時鐘的時間誤差，1588協議時間同步模塊消除時間誤差後與主時鐘同步，更新本地時間，在從時鐘與主時鐘穩定同步前暫停記錄其他報文到達時間。

(5)在從時鐘與主時鐘保持穩定同步後，返回步驟2，重新開始通過1588協議時間同步模塊時間輸出接口不斷記錄來自各待測設備其他報文到達時間，並根據之前一段時間的到達時間數據不斷更新計算最佳PTP延遲請求報文發送時間，用最佳時間發送PTP延遲請求報文，以減少PTP延遲請求報文和電網其他網絡報文碰撞的概率，減少同步誤差。

綜上所述，本發明公開的基於網絡自學習的改進的電網時間同步測量系統和方法，主要解決電網網絡中1588同步協議延遲請求報文與電網網絡中其他報文碰撞概率過大問題。本發明在原有同步測量系統中增設自學習模塊，通過網絡接收各類網絡報文，記錄報文到達時間，計算並設置同步模塊最佳延遲請求報文發送時間，以減少延遲請求報文與網絡其他報文的碰撞概率。同步測量方法為：在原有1588同步協議基礎上增加了網絡自學習功能，用自學習方法學習網絡其他報文到達規律，計算最佳延遲請求報文發送時間，並控制1588協議同步模塊在計算的最佳延遲請求報文發送時間發送延遲請求報文，減少延遲請求報文與網絡其他報文的碰撞概率，可提高電網中同步測量精度，並降低網絡其他報文的時延。