基于DLPTP 时钟同步机制的电力用电信息采集系统对时方法研究.pdf

第 5 l卷第 1 3期 2 0 1 4年7月 1 0日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e n t& I ns t r u me n t a t i o n V0 1 5l NO 1 3 J u 1 1 3， 2 01 4 基于 D L P T P时钟 同步机制 的电力用 电信 息 采集 系统对 时方法研究 术 徐睛， 纪峰， 鲍进， 穆小星， 田正其， 周超 ( 江苏省 电力公司电力科学研 究院， 南京 2 1 1 1 0 0 ) 摘要： 针对电力用电信息采集系统内主站、 采集终端、 电能表时钟的准确性问题 ， 在电力系统传输规约的基础上 自定义 D L P T P协议 ， 采用 G P S首先对主站时问进行校准 ， 然后 以主站为基准， 采用 D L P T P协议对采集终端进 行对时， 最后调整电能表设备的时钟 ， 逐步实现系统时钟的同步 ， 从而保证了系统 内所有设备时钟 的一致性 ， 有 效提升了系统内采集数据的准确性。 关键词： 电力用电信息采集； 时钟同步； D L F F P 协议； 采集终端 中图分类号： T M 9 3 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 11 3 9 0 ( 2 0 1 4 ) 1 3 0 0 0 9 0 5 Re s e a r c h o n Po we r I nf o r m a t i o n Co l | e c t i o n S y s t e m Ti m e Ti c k Ba s e d o n DLPTP Ti me Cl o c k S y nc hr 0 ni z a t i 0 n M e c ha ni s m X U Q i n g ， j I F e n g ， B A O J i n ，MU X i a o x i n g ， T I A N Z h e n g q i ， Z H O U C h a o ( S t a t e G r i d J i a n g s u E l e c t r i c P o w e r C o m p a n y R e s e a r c h I n s t i t u t e ， N a n j i n g 2 1 0 0 0 0 ，C h i n a ) Abs t r a c t ： Ai mi n g a t t h e p r o b l e m o f t h e c l o c k a c c u r a c y i n t h e e l e c t r i c i n f o r ma t i o n a c q ui s i t i o n s y s t e m ma s t e r s t a t i o n， d a t a a c q u i s i t i o n t e r mi n a l a n d t h e e l e c t r i c e n e r g y me t e r c l o c kt h e DL FF P p r o t o c o l h a s b e e n de fin e d b a s e d o n t h e t r a d i t i o n a l t r a n s mi s s i o n p r o t o c o l o f p o we r s y s t e mGP S i s a d o p t e d fir s t l y t o c a l i b r a t e t h e ma s t e r t i me，a n d t h e n DLP TP p r o t o c o l i S t a k e n t o p e r f o r m t i me t i c k f o r t h e a c q u i s i t i o n t e r mi n a l w i t h t h e ma i n s t a t i o n a s r e f e r e n e e F i n a l l y t h e e l e c t r i c e n e r g y m e t e r c l o c k w i l l b e a d j u s t e d t o r e a l i z e t i m e s y n c h r o n i z a t i o n s t e p b y s t e p ， S O a s t o g u a r a n t e e t h e t i m e c o n s i s t e n c y 0 f a l l e q ui pme n t s i n s y s t e m c l o c kwhi c h wi l l e f f e c t i v e l y i mp r o v e t h e a c c u r a c y o f d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m Ke y wo r ds： e l e c t r i c i n f o r ma t i o n a c q u i s i t i o n，c l o c k s y n c h r o n i z a t i o n，DLP TP pr o t o c o l ，d a t a a c q u i s i t i o n t e r mi n a l 0 引 言 目 前电力用电信息采集系统 时钟的同步， 多 数使用的方式是主 站对采集终端 对时 ， 采集终端 每 天定时对 电能表进 行对时的两级对 时方法 。但是 ， 如果主站与采集终端的通信因传输延时， 或者因采 集终端 自身 的故 障， 都会 使电能表 的时钟 出现较 大 的误差。目 前国内针对此电力用电信息采集系统时 钟同步问题的解决方法有 ： ( 1 ) 在对 时的过程 中， 加 入信道传输延时的补偿， 即对时前控制台和对时对 象进行一次( 或数次 ) 通信 ， 将返 回延时的一半作 为 命令下发的传输延时 ， 在下发对时命令时 ， 当前时钟 基金项目 ： 国家 电网公 司总部科技资助项 目( 国家 电网发展 2 0 1 3 1 7 0号 ) 加上传输延时作为下发命令 中的时钟 ， 然而 ， 由于信 道存在不稳定性 ， 前几次通信 的延 时并不代表 真 正对时命令 的延时 ， 有可能 出现真正下发 的对时命 令传输延时超过正常延时数倍 的情况 ， 另外 ， 采集终 端与电能表在接收到对时命令后到返回时有一段处 理延时， 采集终端与 电能表处理延 时也存 在 因 自身 处理任务的繁重程度而具备一定 的不确定性 ， 有 可 能会达到数秒级别， 因此， 依然存在一定的出现不可 预知的对时误差 的风险 ； ( 2 ) 采用 P r r P协议或 N T P协 议 J ， 其协议 比较完整地定义了时间同步过程 中使 用的结构和算法 ， 该协议使 用方便 ， 实用性强 ， 能 够 相对精确地对系统 内时间进行 同步 ， 值得推广 应 用， 但是电力系统因通信信道较复杂， 无法完全实现 P T P协议或者 N T P协议。另外 ， 国内一些 主流的对 一 9 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 1卷第 1 3期 2 0 1 4年7月 1 0日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e m e nt I n s t r ume n t a t i o n Vo I 5 1 No 1 3 J u 1 1 3。 2 01 4 时技术 j ， 系统 建设 成本高 ， 软硬件 实施难度大 ， 技 术推广的周期十分漫长。 针对上述两种方法的不足， 并且考虑方案在实际应 用中的可行 ， 本文对 P T P协议进行了改进， 提出了一 种基于 D L P T P时钟同步机制的对时方法， 解决了信道 延时计算不准确 、 无法实现 P T P协议的问题。 1 D L P T P时钟同步机制 1 1 D L V F P时钟同步原理 如图 1 所示 ， 主 、 从 时钟之 问交互同步报文并记 录报文的收发时间 ， 通过计算报文往 返的时间差来 计算主 、 从时钟之 间的往返总延时 ， 如果网络是对称 的( 即两个方 向的传输延时相同) ， 则往 返总延 时的 一 半就是单 向延时 ， 这个单 向延时便是主、 从时钟之 间的时钟偏差 ， 从时钟按照该偏差来调整本地时间， 就可以实现其与主时钟的同步。 主站 终端 图 1 延 时计 算 F i g 1 De l a y c a l c u l a t i o n 首先 ， 测量主站与采集终端信道传输延时 ， 主站发 送带有时间标签 t 的报文给采集终端 ， 采集终端接收 到报文后 ， 记录此时的接收时间， 记为 t ， ； 采集终端在 t 时刻发送带有时间标签为 t 的响应报文给主站 ， 主 站接收到报文后 ， 记录此时 的接收时间， 记为 t ； 主站 根据 t 时刻的时问组织一帧时间报文立 即发送给采 集终端 ， 这样采集终端即拥有 t 、 t 、 t 和 t 四个时间， 根据这四个时间即可计算 出网络延时为( ( t 一t )一 ( t 。 一 t ) ) 2 ， 其中( t 一t ) 为采集设备的处理延时。 其次， 主站发送 t 时间报文时， 附上此时主站的 时标 t ， 然后将报文发送给采集终端， 采集终端在 t 时 刻接收到 D L P T P协议报文后 ， 首先判断 ： t 一 t 和 t 一 t 是否相等， 如果不等， 说明此时信道处于不稳定状 态， 采集终端通过应答报文告诉主站， 对时失败 ， 主站 采取重试机制重复上述步骤 ； 如果 t ： 一t 和 t 一t 相 等证明在对时时刻， 信道处于稳定状态， 采集终端将 自 一 1 0 一 身的时钟调整为 t +( ( t 一t 。 ) 一( t 3 一t ： ) ) 2 ， 通过应 答报文告知主站对时成功 ， 如图 2 所示。 主站 终端 图 2 时钟 同步 Fi g 2 Cl o c k s y n c h r o n i z a t i o n 1 2 D L P T P传 输协议 本文 自定义 了 D L P T P协议 ， D L P T P协议分为主 站与采集终端通信协议、 主站与电能表通信协议。 1 2 1 D L P T P主站与采集终端传输协议 主站与采集终端通信协议格式由图3可以看 出， 起始字符 固定 以6 8开头 ， 长度是控制域 、 地址域 、 链 路用户数据 ( 应 用层) 的字节总数。控制码 C， 定义 如图 4所示。地址域 A， 定义如图 5所示。D L P T P时 标 ， 格式定义如图 6所示 。 说 明 代码 帧起始符 6 8 H 长度 L 1 长度 L 2 帧起始符 6 8 H 控制域 C 地址域 A 链路用户数据 D A T A D L P T P时标 _r P 校验和 C S 结束字符 1 6 H 图 3 主站 与采 集终端 通信 协议 格 式 Fi g 3 Co mmu n i c a t i o n p r o t o c o l f o r ma t b e t we e n t h e ma s t e r s t a t i o n a n d t h e t e r mi n a l D 7 D 6 D 5 1 ) 4 D 3 D 0 下行 帧计数 帧计数有 方 向 传输方 向 启动标识 位 F C B 效位 F C V 功能码 上行 位 D 1 R 位 P R M 请求访 问 方向 位 AC D 保 留 图 4控制码 C定义 Fi g 4 De f i ni t i o n o f c o n t r o l c o d e C 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 l卷第 1 3期 2 0 1 4年7月 1 0日 电测 与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t& I n s t r u me n t a t i o n V0 I 51 No 1 3 J l l 1 1 3 。 2 0 1 4 地址域 数据格式 字节数 行政区划码 Al B C D 2 终端地址 3 _ 2 B I N 2 主站地址和终 端组地址标识 A 3 B I N 1 图 5地 址域 A定 义 Fi g 5 De f i n i t i o n o f a d d r e s s do ma i n A 图 6 D L P T P时标 格式 Fi g 6 DL PTP t i me s t a mp f o r ma t 帧校验和是用户数据区所有字节的八位组算术 和 ， 不考虑 溢 出位 。用户 数据 区包 括控制 域 、 地址 域 、 链路用户数据 3部分 ； 结束符 1 6 H标识一帧信息 的结束。 1 2 2 D L P T P主站与电能表传输协议 主站与电能表通信协议格式如图7所示。帧起始 符6 8 H标识一帧信息的开始； 地址域 A 0 A 5地址域 由6个字节构成， 每字节 2位 B C D码 ， 地址长度可达 1 2 位十进制数。每块表具有唯一的通信地址， 且与物 理层信道无关。当使用的地址码长度不足 6字节时， 高位用“ 0 ” 补足 6字节 ， 地址域传输 时低字节在前 ， 高 字节在后 ； 控制码 C包括了传输方向以及功能码 ； 控制 说 明 代码 帧起始符 6 8 H A 0 A1 A 2 地址域 A3 A4 A 5 帧起始符 6 8 H 控制码 C 数据域长度 L 数据域 D A T A 时间标签 T P 校验码 C S 结束符 1 6 H 图7 主站与电能表通信协议格式 Fi g 7 Co mmu n i c a t i o n pr o t o c o l f o r ma t b e t we e n t h e ma s t e r s t a t i o n a n d e l e c t r i c e n e r g y me t e r 码 c ， D 8 位为上下行传输方向， 低5位为功能码； 数据 域长度 ， 为数据域的字节数； 数据域 D A T A， 数据域 包括数据标识、 密码、 操作者代码、 数据、 帧序号等， 其 结构随控制码的功能而改变。传输时发送方按字节进 行加 3 3 H处理 ， 接收方按字节进行减 3 3 H处理。时间 标签 ， 格式为年月 日时分秒十分之一秒， 7个字节 ， 时间精确到十分之一秒 ； 校验码 c S从第一个帧起始 符开始到校验码之前的所有各字节的模 2 5 6的和 ， 即 各字节二进制算术和， 不计超过 2 5 6的溢出值 ； 结束符 1 6 H标识一帧信息的结束。 1 3 D L P T P时钟同步流程 1 3 1 电力用电信息采集系统结构 主站 、 采集终端 以及 电能表作为 电力用 电信息 采集系统的主体 ， 采用树形拓扑结构图组建 系统 ， 主 站作为时钟同步的发起者 ， 其 时钟 的正确性来源于 G P S对时( 本 系统 的授 时也可以接受北斗卫星导航 系统的时间) 。 1 3 2 基于 D L P T P的电力用电信息采集系统时钟 同步流程 主站与采集终端、 电能表的时钟同步采用点对 点通信方式， 主站每 日 定时巡测终端时钟， 对时钟误 差超过设定阈值的终端和电能表进行时钟的同步， 采用 自定义的 D L P T P协议算法 ， 进行多次计算得 出 时钟误差 ， 对采集终端 和电能表进行 时钟调整 ， 如 图 8所示 ， 分如下几步实现 ： ( 1 ) 主站发送带有时间标签 t 的报文给采集终 端 ， 采集终端收到报文后 ， 记录此时的时问记为 t ； ( 2 ) 采集终端在 t 时刻返 回一帧相应报文给主 站 ， 主站接收到报文后 ， 记录此时的时间记为 t ； ( 3 ) 主站将一帧数据域内内容为时间t 、 时标为 t 的时间报文发送给采集终端 ； ( 4 ) 采 集终端 记 录接 受报文 的 时间记 为 t ， 这 样 ， 采集终端 由此可以得到 t 、 2 、 t 、 t 、 t 和 t 六个时 标 ， 采集终端根据 网络发送 的延时 ， 即 t 一t 是否等 于 f ： 一 t ， 判断时钟同步程中信道是否稳定， 如果信道 稳定 ， 计算网络之间的延时为： ( ( t 一t )一( t 一t ： ) ) 2 ， 采 集终 端 将 时钟调 整 为 t +( ( t 一t )一( t 一 t ) ) 2 ； 采集终端应答主站对时成功； ( 5 ) 如果信道不稳定 ， 采集终端应答主站对时失 败 ， 通知主站重复以上对时步骤， 本系统 可根据实际 应用情况设置最大重试次数 ； ( 6 ) 采集终端时钟成功同步调整后 ， 定时抄读 电 能表的时钟 ， 将 电表的时钟与采集终端 的时钟 做 比 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m