一种分布式传感器时间同步装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于分布式传感器的时间同步装置，包括上行数据时间传递单元、时差测量单元、高精度时频驾驭单元和高精度时钟单元，还包括本地数据时间传递单元，本地数据时间传递单元分别连接Lora AP模块、Zigbee AP模块、Eth模块和串口模块；还公开了分布式传感器的时间同步方法，依次为基准时间溯源、内生高精度时间源、有线传感器时间同步和无线传感器时间同步等，使用时间戳技术减小传输延时以及预设阀值减小时间同步次数。本发明专利技术为支持Eth、串口接入等有线方式接入的传感器，为支持Lora、Zigbee等无线方式接入的传感器提供时间同步方法，实现传感器网络内部时间同步，并实现传感器网络对基准时间溯源。现传感器网络对基准时间溯源。现传感器网络对基准时间溯源。

【技术实现步骤摘要】
一种分布式传感器时间同步装置及方法


[0001]本专利技术专利属于时间同步
，具体涉及一种用于电力领域的高精度时间同步装置，以及时间同步方法。

技术介绍

[0002]随着电力系统设备数字化和智能化发展，分布式的智能设备之间的时间同步变得越来越重要。尤其在主要负责数据采样、传输跳闸命令的感知层，传感器的时间同步精度直接决定着数据采样和保护装置动作的可靠性。
[0003]电力系统分布式传感器差异化的工作机理和技术路线对时间同步精度要求差异大，特别是交、直流避雷器、铁芯夹件接地电流、振动、音频、高频和特高频局放、套管电容量与介损等站域在线监测传感器，具有高精度时间同步需求传感器的时间信息需要依赖网络中其他时钟设备，在接收到传感器数据报文时，将本地时间作为传感器采集数据包的时间戳。
[0004]这种“打补丁”式授时方式过度依赖外部时钟信号，链路传输延时不确定，对环境的抗干扰能力差，无法保障分布式传感器采集数据时间信息的精度和有效性。部分传感器网络为实现时间同步，在每个传感器中安装GNSS接收板，获取GNSS时间信息来实现传感器之间的时间同步，GNSS接收机型号、连接电缆长度等因素导致站内时间源不统一，管理难度大，且传感器时间只能保持相对同步，无法对基准时间溯源。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上不足，本专利技术的目的之一是提供一种分布式传感器的时间同步装置，支持Lora、Zigbee、Eth、串口等方式接入进行数据通信，并支持对接入的设备授时。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种分布式传感器时间同步装置，包括顺序连接的上行数据时间传递单元、时差测量单元、高精度时频驾驭单元和高精度时钟单元，还包括同时与时差测量单元、高精度时频驾驭单元和高精度时钟单元连接的本地数据时间传递单元，所述的本地数据时间传递单元分别连接有Eth模块和串口模块，可连接有线的ETH传感器和串口传感器，还通过Eth模块连接有Lora AP模块或Zigbee AP模块，可连接无线的Lora传感器和Zigbee传感器；上行数据时间传递单元通过上行ETH口接收上行网络数据并进行解析和处理后，通过本地数据时间传递单元传递到ETH传感器、串口传感器、Lora传感器、Zigbee传感器等，本地数据时间传递单元对上送的传感器采集的数据进行清洗和加工，经上行数据时间传递单元传递到上行网络。
[0007]本专利技术的目的之二是提供一种分布式传感器时间同步方法，基于上述的时间同步装置，步骤为：
[0008]S1，基准时间溯源：时间同步装置的上行数据时间传递单元通过上行Eth端口与上行网络节点进行时间同步，以上行网络为PTP主时钟，时间同步装置为PTP从时钟，进行PTP协议交互，上行数据时间传递单元以高精度时钟单元输出的10MHz为参考时钟信号，根据上
行网络时间信息恢复出1PPS信号，与本地数据时间传递单元输出的1PPS信号一并输出到时差测量单元，时差测量单元实时测量两路1PPS信号之间的时差，输出到高精度时频驾驭单元，高精度时频驾驭单元根据时差信息计算出频率驾驭量和时间驾驭量，通过频率驾驭量校准高精度时钟单元输出的10MHz参考时钟信号的频率，通过时间驾驭量校准本地数据时间传递单元输出的1PPS信号的相位，实现对上行网络基准时间溯源；
[0009]S2，内生高精度时间源：时间同步装置利用上行网络时间信息对高精度时钟单元校准驯服后的高精度时钟单元，在上行网络时间不可用时，作为守时频率源实现高精度守时，为时间同步装置及其下行网络提供高精度时间基准；
[0010]S3，当Eth模块和串口模块分别连接Eth传感器和串口传感器时，以时间同步装置为主时钟，传感器为从时钟，时间同步装置判断传感器是否支持PTP；是则用PTP对传感器授时，否则继续判断传感器是否支持NTP，是则用NTP对传感器授时；否则进一步判断传感器是否支持自定义时间同算法；是则用自定义时间同算法对传感器授时；
[0011]S4，无线传感器时间同步。
[0012]进一步，所述的自定义时间同步算法流程为：传感器发起start报文，开始时间同步；时间同步装置收到request报文后发送sync报文；传感器记录接收到sync报文时间t2；时间同步装置发送follow up报文，将sync报文完成发送的时间t1发送给传感器；传感器发送request报文，并记录request报文完成发送时间t3；时间同步装置发送response报文，将request报文的接收时间t4发送给传感器，通过交互后传感器获取了的t1、t2、t3、t4带入公式校准本地时间，实现与时间同步装置的时间同步。
[0013]进一步，所述的无线传感器时间同步具体流程为：
[0014]S41，无线传感器接入时间同步：Lora AP模块或Zigbee AP模块通过ETH连接本地数据时间传递单元，以时间同步装置为PTP主时钟，Lora AP模块或Zigbee AP模块为PTP从时钟，Lora AP模块或Zigbee AP模块通过PTP协议交获取本地时间和时间同步装置之间的绝对时间偏差校准参数Tap
offset
；
[0015]S42，建立无线传感器的时钟模型：假设无线传感器网络中每个节点可以在任何绝对时间t上访问自己的时钟，同时也可以访问其它节点发送的时间信息，通常认为频率在短时间内保持不变，则无线传感器的时钟模型τ(t)＝at+b可以视为t的线性函数，其中a表示时钟的固有漂移，b表示时钟的固有偏差，如果无线传感器网络中的一些节点有不同的a或b，则网络的时间不同步；引入线性时间模型其中表示漂移补偿参数，为偏差补偿参数，其中表示为虚拟时钟漂移，为虚拟时钟偏差，τ(t)是传感器节点自己的时钟读数；
[0016]S43，无线传感器的时间同步：Lora AP模块或Zigbee AP模块向无线传感网络中发出开始时间同步命令，传感器网络中的节点接收到命令后开始时间同步过程，从广播第一个时钟数据包开始，节点(包含Lora AP模块或Zigbee AP模块)每隔同步周期T广播一次时间数据包，任意一个节点j的同步数据包都包含节点编号j、广播该数据包时的硬件时间τ
j
(t
j
)、漂移校正参数偏移校正参数和绝对时间偏差校准参数Tap
offset
，传感器节点i接
收节点j的同步数据包信息，并计算相对漂移比率a
ij
、漂移补偿偏差补偿
[0017]S44，传感器的相对时间补偿：通过以上步骤得到传感器i的虚拟线性时间通过虚拟线性时间修正传感器本地相对时间，实现传感器之间的时间同步，从而实现传感器网络内时间同步；
[0018]S45，传感器的绝对时间补偿：传感器利用绝对时间偏差校准参数Tap
offset
修正本地绝对时间T
i
＝C
i
(t)+(1
‑
μ)Tap
offset
，权重参本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分布式传感器时间同步装置，其特征在于：包括顺序连接的上行数据时间传递单元(1)、时差测量单元(2)、高精度时频驾驭单元(3)和高精度时钟单元(4)，还包括同时与时差测量单元(2)、高精度时频驾驭单元(3)和高精度时钟单元(4)连接的本地数据时间传递单元(5)，所述的本地数据时间传递单元(5)分别连接有Eth模块和串口模块，还通过Eth模块连接有Lora AP模块(6)或Zigbee AP模块(7)；上行数据时间传递单元(1)通过上行ETH口接收上行网络数据并进行解析和处理后，通过本地数据时间传递单元(5)传递到各类传感器，本地数据时间传递单元(5)对上送的传感器数据进行清洗和加工，经上行数据时间传递单元(1)传递到上行网络。2.一种分布式传感器时间同步方法，基于权利要求1所述的时间同步装置，其特征在于，步骤为：S1，时间同步装置的上行数据时间传递单元(1)通过上行Eth端口与上行网络节点进行时间同步，以上行网络为PTP主时钟，时间同步装置为PTP从时钟，进行PTP协议交互，上行数据时间传递单元(1)以高精度时钟单元(4)输出的频率信号为参考时钟信号，根据上行网络时间信息恢复出1PPS信号，与本地数据时间传递单元(5)输出的1PPS信号一并输出到时差测量单元(2)，时差测量单元(2)实时测量两路1PPS信号之间的时差，输出到高精度时频驾驭单元(3)，高精度时频驾驭单元(3)根据时差信息计算出频率驾驭量和时间驾驭量，通过频率驾驭量校准高精度时钟单元(4)输出的10MHz参考时钟信号的频率，通过时间驾驭量校准本地数据时间传递单元(5)输出的1PPS信号的相位，实现对上行网络基准时间溯源；S2，时间同步装置利用上行网络时间信息对高精度时钟单元(4)校准，驯服后的高精度时钟单元(4)，在上行网络时间不可用时，作为守时频率源实现高精度守时，为时间同步装置及其下行网络提供高精度时间基准；S3，当Eth模块和串口模块分别连接Eth传感器和串口传感器时，以时间同步装置为主时钟，传感器为从时钟，时间同步装置判断传感器是否支持PTP；是则用PTP对传感器授时，否则继续判断传感器是否支持NTP，是则用NTP对传感器授时；否则进一步判断传感器是否支持自定义时间同算法；是则用自定义时间同算法对传感器授时；S4，无线传感器时间同步。3.根据权利要求2所述的一种分布式传感器时间同步方法，其特征在于，所述的步骤S3中自定义时间同步算法流程：传感器发起start报文，开始时间同步；时间同步装置收到request报文后发送sync报文；传感器记录接收到sync报文时间t2；时间同步装置发送follow up报文，将sync报文完成发送的时间t1发送给传感器；传感器发送request报文，并记录request报文完成发送时间t3；时间同步装置发送response报文，将request报文的接收时间t4发送给传感器，通过交互后传感器获取了t1、t2、t3、t4带入公式校准本地时间，实现与时间同步装置的时间同步。4.根据权利要求3所述的一种分布式传感器时间同步方法，其特征在于，所述的步骤S4具体为：S41，Lora AP模块(6)或Zigbee AP模块(7)通过ETH连接本地数据时间传递单元(5)，以时间同步装置为PTP主时钟，Lora AP模块(6)或Zigbee AP模块(7)为PTP从时钟，Lora AP模块(6)或Zigbee AP模块(7)通过PTP协议交获取本地时间和时间同步装置之间的绝对时间
偏差校准参数Tap
offset
；S42，假设无线传感器网络中每个节点可以在任何绝对时间t上访问自己的时钟，同时也可以访问其它节点发送的时间信息，频率在短时间内保持不变，则时钟模型τ(t)＝at+b可以视为t的线性函数，其中a表示时钟的固有漂移，b表示时钟的固有偏差，不同的a或b表示网络的时间不同步；引入线性时间模型其中表示漂移补偿参数，为偏差补偿参数，其中表示为虚拟时钟漂移，为虚拟时钟偏差，τ(t)是传感器节点自己的时钟读数；S43，Lora AP模块(6)或Zigbee A...

【专利技术属性】
技术研发人员：王庆，张东磊，陆阳，刘岸杰，田传帮，杨晚晴，黎炜，陈巳阳，刘钊，
申请(专利权)人：武汉华中天纬测控有限公司国网宁夏电力有限公司国网宁夏电力有限公司超高压公司，
类型：发明
国别省市：