混杂网络时间同步系统研究

2022-09-10

随着电网自动化水平的不断提高, 电力系统统一时钟的重要性也愈来愈突现出来。在电力系统运行过程中, 电网运行状态瞬息万变, 而电网调度实行多级分层管理, 调度管理中心远离现场, 因此在全网自动化装置的实时时钟必须统一。此外, 在事故分析中, 有了统一时钟, 就能更加准确地分析事故的原因及过程。再者, 随着电能量的分时计费的推行, 时钟同步在经济上的重要性将更加突出。

为了满足各领域随时随地需要正确的时刻, 由各国有关天文台提供标准时刻和频率标准的这种工作, 就叫做时间 (包括频率) 服务, 也称为授时工作。随着各种新技术飞跃发展, 对时间测量精确度要求不断提高。于是短波授时、长波授时、电视授时 (同步) 、卫星授时、网络授时、电话授时等授时技术相继问世, 从而把时间工作的精确度推进到微秒 (10~6) 量级, 甚至更高。

对于联网的计算机, 通常使用的对时方式是采用网络对时协议 (NTP) 作为网络内对时协议, NTP是一种在网络计算机上同步计算机时钟的协议, 现在是一个因特网标准, NTP使用的调整的格林尼治时间 (UTC) 对计算机时钟的时间进行同步, 精确到毫秒, 有时比毫秒的精度还要高。UTC时间是使用多种不同的方法得到的, 包括无线电和卫星系统。但是, 在每台计算机都安装这些接收机是不实际, 也是不经济的。作为替代, 指定的时间服务器的计算机上安装这种接收机, 并使用如NTP的协议来同步时间。

对于物理相对隔离的网段及物理分离的计算机, 采用服务器间通过串口或USB扩展接口间通信的解决方案, 通过特殊的自定义协议和自主知识产权的算法实现准确对时, 同时有效保障了安全性。

由于故障录波等系统只提供G P S接口, 对这一部分的系统对时采用主控PC服务器直接通过GPS集线器 (各端口相互独立) 向GPS端口发送标准GPS时钟格式的方式时间同步 (非标准GPS格式需提供专用协议) 。

1 NTP协议

NTP适用于运行在计算机上的和客户端/服务器程序和协议, 程序由作为NTP客户端、服务器端或两者的用户编写, 在基本条件下, NTP客户端发出时间请求, 与时间服务器交换时间, 这个交换的结果是, 客户端能计算出网络时间的延迟, 形成弥补值, 并调整与服务器时间同步。冗余服务器和不同的网络路径用于保证可靠性的精确度, 除了客户端/服务器商的同步以外, N T P还支持同等计算机的广播同步。N T P在设计上是高度容错和可升级的。这也为以后方案的升级以及时间精度的进一步提高提供了保证。

时间精度误差由传输延时 (T1) 与程序运行时间消耗两部分组成 (T2) 。这里首先介绍传输延时的提取。

基于局域网环境的对时系统, 采用NTP协议完成时间的传输与校准。NTP协议的包头结构与SNTP时间戳结构定义如下 (参见RPC2030) 。

由包结构可知:客户端获取的精确时间=时间内容-参考点延时。

2 232/485/USB端口对时技术

所有参与时间同步的物理隔离的服务器及分离的计算机通过串口/USB HUB集联到时钟服务器, 时间同步信息发送由时钟服务器通过串口H U B集中推送。串口/USB HUB支持级联方式扩展。

由握手协议可知, 时间精度误差主要由传输延时 (T1) 与程序运行时间消耗两部分组成 (T2) 。

传输延时测试:计算出一个误差参考值。

T1=[服务器开始发送完整时间信息→客户端接收到完整时间信息]时间间隔

在实际误差计算中:

T1= ([服务器开始发送完整时间信息→客户端接收到完整时间信息并返回→服务器接收到完整时间信息]时间间隔) /2

经测试, 在传输距离稳定的情况下, T1通常稳定在某个典型值区间, 精度误差为25ms左右。因此, 在对时前的基准误差测试中, 我们采用多次采样, 然后取平均值的方法来确定服务器到每台客户机之间的传输误差。

3 实验结果与分析

经实地大量测试, 本系统对广域网时钟服务器时间同步精度误差低于±50ms, 局域网时间同步精度误差见表1, 从实验结果上看, 可以有效满足实际工作中故障检测等事项对时间精度的需要。

由上表可见, N T P协议仍然能获得最小的精度误差;232/485/USB接口模式在传输条件大致相同的情况下, 误差比较稳定在30ms左右, 高于NTP协议的误差, 其原因在于算法中采用了多次误差取平均值的方法, 造成了误差计算精度的损失。

4 结语

在本文中提出了一种综合采用NTP时间协议与232/485/USB接口模式的时间同步方法;其中NTP协议用于局域网内时间同步, 而232/485/USB接口对时方法则用于GPS时钟下达, 物理隔离计算机及物理隔离的网段之间时间同步。通过实地实验, 本文中的时间同步方法获得了不错的效果。

但是从实验结果来看, 232/485接口模式的时间精度误差仍然高于NTP协议, 这是由误差计算方法造成的, 因此如何减小232/485接口模式的时间同步精度是下一步的研究方向。

摘要：随着电网自动化水平的不断提高, 电力系统统一时钟的重要性也愈来愈突现出来, 因此在全网自动化装置的实时时钟必须统一。考虑到电力系统计算机及计算机网络的特性, 在本文中提出了一种综合采用NTP时间协议与232/485接口模式的时间同步方法;其中NTP协议用于局域网内时间同步, 而232/485接口对时方法则用于GPS时钟下达, 物理隔离计算机及物理隔离的网段之间时间同步。通过实地实验, 本文中的时间同步方法获得了不错的效果。

关键词：时间同步,NTP协议,接口