盧繼哲，巫鐘興，阿遼沙·葉，鄭國(guó)權(quán)，劉喆

(中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192 )

0 引 言

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，用電信息采集系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)成為智能用電的重要支撐[1]。用電信息采集系統(tǒng)中，主站、采集終端及電能表的時(shí)間精度是制約階梯電價(jià)實(shí)施、用電信息采集準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP利用雙向傳輸?shù)姆椒?，提出時(shí)間戳的概念，通過(guò)申請(qǐng)應(yīng)答的方式，有效解決了用電信息采集系統(tǒng)時(shí)間同步問(wèn)題。采用NTP協(xié)議對(duì)采集終端及電能表進(jìn)行時(shí)間同步，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，用電信息采集系統(tǒng)的時(shí)間達(dá)到一致和精確。以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了基于用電信息采集系統(tǒng)的時(shí)間同步系統(tǒng)[2-3]。

1 NTP協(xié)議時(shí)間同步機(jī)制

1.1 NTP協(xié)議的原理

網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP(Network Time Protocol)是互聯(lián)網(wǎng)中時(shí)間同步的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，用于解決時(shí)間信息在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲不確定性，把時(shí)間同步到某些標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。由于延遲的不確定性，從時(shí)間服務(wù)器到客戶機(jī)的單向傳輸無(wú)法獲得精確的時(shí)間信息，NTP協(xié)議采用時(shí)間服務(wù)器與客戶機(jī)信息雙向傳輸?shù)姆椒ㄌ岢鰰r(shí)間戳的概念，利用客戶機(jī)和服務(wù)器的申請(qǐng)應(yīng)答方式解決網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难舆t及時(shí)間偏移問(wèn)題[4-5]。

如圖1所示，當(dāng)NTP協(xié)議以客戶機(jī)/服務(wù)器模式進(jìn)行通信時(shí)，客戶機(jī)將生成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的NTP查詢信息包發(fā)送至?xí)r間服務(wù)器，時(shí)間服務(wù)器收到信息查詢包后，根據(jù)本地時(shí)間生成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的NTP信息包返回給客戶機(jī)，兩個(gè)信息包都帶有發(fā)送和接收的時(shí)間戳，根據(jù)時(shí)間戳來(lái)確定時(shí)間延遲和偏差，進(jìn)而達(dá)到時(shí)間同步的效果。

圖1 NTP協(xié)議工作原理圖

圖中T1是客戶機(jī)發(fā)送查詢信息包的時(shí)間；T2是服務(wù)器接收到查詢請(qǐng)求包的時(shí)間；T3是服務(wù)器回復(fù)時(shí)間信息包的時(shí)間;T4是客戶機(jī)接收到時(shí)間信息包的時(shí)間，當(dāng)請(qǐng)求信息包和回復(fù)信息包在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時(shí)間相等時(shí)，由此可得服務(wù)器和客戶機(jī)之間的偏差θ和網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲δ：

(1)

(2)

可以發(fā)現(xiàn)θ和δ與T2和T3之間的差值無(wú)關(guān)，即與服務(wù)器處理請(qǐng)求所消耗的時(shí)間無(wú)關(guān)。

1.2 NTP協(xié)議的工作模式

(1)廣播模式。在廣播模式下，沒(méi)有時(shí)間同步的發(fā)起方，服務(wù)器定期向網(wǎng)絡(luò)廣播自己的時(shí)間信息，客戶機(jī)接收這些報(bào)文，判斷時(shí)間延遲，修改本地的時(shí)鐘。數(shù)據(jù)包的傳送方式上，采用多個(gè)客戶機(jī)對(duì)一個(gè)服務(wù)器的方法，這種方式需要系統(tǒng)的開銷和占用的通信寬帶都比較小，在本文中電能表的時(shí)間同步方式采用廣播模式；

(2)客戶/服務(wù)器模式?？蛻?服務(wù)器模式是NTP協(xié)議最典型的操作模式，傳送方式上，它是一種客戶端和服務(wù)器一對(duì)一的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式。NTP協(xié)議在該模式下工作時(shí)，客戶端周期性的向服務(wù)器發(fā)送NTP時(shí)間報(bào)文向服務(wù)器請(qǐng)求時(shí)間同步。時(shí)間報(bào)文中包含：離開客戶端的時(shí)間戳、服務(wù)器接收到該報(bào)文的時(shí)間戳、交換報(bào)文的源地址和目標(biāo)地址、報(bào)文離開服務(wù)器的時(shí)間戳，數(shù)據(jù)包返回客戶端后，客戶端把接收的報(bào)文的時(shí)間填入報(bào)文中。客戶端利用4個(gè)時(shí)間戳算出客戶機(jī)與服務(wù)器之間的時(shí)鐘偏移量θ和網(wǎng)絡(luò)延遲δ，從而修正時(shí)鐘，在文中采集終端的時(shí)間同步方式采用客戶/服務(wù)器模式。

2 用電信息采集系統(tǒng)的時(shí)間同步

2.1 用電信息采集系統(tǒng)

用電信息采集系統(tǒng)是對(duì)電力用戶的用電信息進(jìn)行采集、處理和實(shí)時(shí)監(jiān)控的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用電信息的采集、計(jì)量異常監(jiān)測(cè)、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、用電分析和管理、相關(guān)信息發(fā)布、分布式能源監(jiān)控、智能用電設(shè)備的信息交互等功能[6-7]。用電信息采集系統(tǒng)主要包括主站、通信信道、集中器、采集器、電能表等組成，如圖2所示。數(shù)據(jù)傳輸方式上，主站與集中器之間的通信方式一般采用公網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)方式，集中器與采集器之間采用電力線載波和微功率無(wú)線方式，采集器與電能表之間的通信方式為RS-485，集中器與電能表之間采用電力線載波和微功率無(wú)線方式。用電信息采集系統(tǒng)時(shí)間同步采用分層設(shè)計(jì)，主站負(fù)責(zé)對(duì)采集終端進(jìn)行同步，集中器負(fù)責(zé)對(duì)采集器、電能表進(jìn)行同步，從而保證用電信息的準(zhǔn)確性及對(duì)營(yíng)銷系統(tǒng)計(jì)量及費(fèi)控業(yè)務(wù)的支撐[8-9]。

圖2 用電信息采集系統(tǒng)構(gòu)架

2.2 主站對(duì)采集終端的時(shí)間同步

在用電信息采集系統(tǒng)中，主站與采集終端的數(shù)據(jù)交互屬于遠(yuǎn)程通信，通信方式包括230 MHz無(wú)線專網(wǎng)和GPRS/CDMA無(wú)線公網(wǎng)、微功率無(wú)線、光纖專網(wǎng)等[10]。使用NTP協(xié)議進(jìn)行時(shí)間同步時(shí)，終端作為客戶端，主站作為時(shí)間服務(wù)器時(shí)間同步方式如圖3所示。

此時(shí)，NTP協(xié)議工作在客戶/服務(wù)器模式，其中T1采集終端發(fā)送查詢請(qǐng)求的時(shí)間；T2是主站收到查詢請(qǐng)求的時(shí)間；T3是主站回復(fù)時(shí)間信息包的時(shí)間；T4是采集終端收到時(shí)間信息包的時(shí)間；δ1是請(qǐng)求信息在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r(shí)間；δ2是回復(fù)信息在網(wǎng)絡(luò)上傳播的傳輸時(shí)間?？梢缘玫剑?/p>

T2=T1+θ+δ1

(3)

T4=T3-θ+δ2

(4)

δ=δ1+δ2

(5)

圖3 主站與采集終端時(shí)間同步工作原理

主站與采集終端通信方式的網(wǎng)絡(luò)延遲對(duì)稱時(shí)，采集終端與主站之間的時(shí)間偏差為：

(6)

采集終端的時(shí)間同步流程如下：采集終端發(fā)送時(shí)間同步請(qǐng)求，并記錄時(shí)間T1，主站接收到時(shí)間同步請(qǐng)求時(shí)間，主站對(duì)時(shí)間同步請(qǐng)求進(jìn)行回復(fù)記錄時(shí)間，采集終端接收到回復(fù)時(shí)間信息包，記錄時(shí)間，并寫入時(shí)間信息包中。根據(jù)公式(6)可獲得時(shí)間偏差θ，將時(shí)間偏差與采集終端的時(shí)間相加即得到精確的時(shí)間。

當(dāng)主站與采集終端之間通信的網(wǎng)絡(luò)延遲不對(duì)稱時(shí)，

此時(shí)請(qǐng)求信息在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時(shí)間與回復(fù)信息在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時(shí)間不相同，為保證時(shí)間同步的精度，典型的NTP協(xié)議時(shí)間同步方式不再適用，由此我們引入網(wǎng)絡(luò)不對(duì)稱系數(shù)k：

δ1=kδ2

(7)

可以推出不對(duì)稱系數(shù)k和時(shí)間偏差的等式：

(8)

如果精確出不對(duì)稱系數(shù)k的值，就可以將時(shí)間偏差θ的值確定，進(jìn)而時(shí)間同步的精度也可以提高。

為了精確不對(duì)稱系數(shù)k，主站和采集終端之間將采用多次NTP時(shí)間同步過(guò)程。第一次時(shí)間同步后，對(duì)采集終端的時(shí)鐘進(jìn)行校正，此時(shí)認(rèn)為采集終端與主站之間的時(shí)間已達(dá)到同步，再進(jìn)行第二次NTP時(shí)間同步，此時(shí)有：

δ1=T2-T1

(9)

δ2=T4-T3

(10)

得到新的k值，將該值帶入公式(8)得到新的偏差值，對(duì)第一次的NTP過(guò)程進(jìn)行修正，重復(fù)進(jìn)行，直至連續(xù)兩次k值接近時(shí)，得到的偏差值是精確的，最終將得到的精確的時(shí)間偏差值與采集終端時(shí)間相加，完成經(jīng)過(guò)不對(duì)稱系數(shù)修正的時(shí)間同步過(guò)程。

根據(jù)上述算法和模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)采集終端進(jìn)行時(shí)間同步實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

經(jīng)過(guò)NTP協(xié)議對(duì)時(shí)后的采集終端時(shí)間平均誤差為87 ms，在用采系統(tǒng)對(duì)時(shí)間誤差允許范圍內(nèi)。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 采集終端對(duì)電能表的時(shí)間同步

在用電信息采集系統(tǒng)中多塊電能表對(duì)應(yīng)一個(gè)采集終端，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了采集終端對(duì)電能表進(jìn)行時(shí)間同步時(shí)受限于通信信道的帶寬，不能采用客戶/服務(wù)器模式。采用廣播模式會(huì)更有效率的進(jìn)行時(shí)間同步，在廣播模式下，采集終端定期向電能表發(fā)送時(shí)間信息包，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的傳輸，電能表接收到時(shí)間信息包后，完成時(shí)間的同步。

在對(duì)電能表進(jìn)行時(shí)間同步之前，采集終端首先向主站請(qǐng)求時(shí)間同步，主站根據(jù)NTP協(xié)議，對(duì)采集終端進(jìn)行時(shí)間同步，采集終端可發(fā)起多次時(shí)鐘同步請(qǐng)求，進(jìn)行多次NTP，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)的不對(duì)稱系數(shù)做出最好的估計(jì)，并優(yōu)化時(shí)間同步的誤差，采集終端對(duì)主站請(qǐng)求對(duì)電能表時(shí)間同步任務(wù)，采集主站根據(jù)采集終端的請(qǐng)求時(shí)間判斷采集終端的時(shí)間是否在誤差允許范圍內(nèi)，返回允許或禁止采集終端執(zhí)行時(shí)間同步的任務(wù)信息。采集終端得到主站授權(quán)后，對(duì)電能表進(jìn)行時(shí)間同步，并產(chǎn)生相應(yīng)的事件信息。如果采集終端與主站失去聯(lián)系一段時(shí)間或掉電復(fù)位重啟后，采集終端自動(dòng)禁止對(duì)電能表的時(shí)間同步任務(wù)，需要重新向主站授權(quán)。

通過(guò)上述電能表時(shí)間同步方法，測(cè)試電能表的時(shí)間同步效果。

表2 電能表時(shí)間同步實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 用電信息采集時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)架

用電信息采集系統(tǒng)的邏輯構(gòu)架可以分為三層，即時(shí)鐘源至主站的時(shí)間同步、主站至采集終端的時(shí)間同步、采集終端至電能表的時(shí)間同步。時(shí)鐘源至主站的時(shí)間同步，時(shí)鐘源至主站之間采用以太網(wǎng)進(jìn)行連接，上行通信與下行通信對(duì)稱將采用在客戶/服務(wù)器工作模式下的NTP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，主站至采集終端的時(shí)間同步由于上行與下行通信的不對(duì)稱性，采用經(jīng)過(guò)不對(duì)稱系數(shù)k修正的NTP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，采集終端至電能表的時(shí)間同步，電能表與采集終端的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用多個(gè)電能表通過(guò)總線方式連接一個(gè)采集終端，如果采用客戶/服務(wù)器模式進(jìn)行時(shí)間同步，多個(gè)電能表同時(shí)申請(qǐng)對(duì)時(shí)，終端將無(wú)法回應(yīng)，造成宕機(jī)，因此對(duì)電能表的時(shí)間同步將采用廣播模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

時(shí)鐘源與主站之間采用以太網(wǎng)進(jìn)行連接，以太網(wǎng)的通信延遲是對(duì)稱的，因此可直接采用NTP協(xié)議對(duì)主站進(jìn)行時(shí)間同步。主站對(duì)采集終端的時(shí)間同步由于通信信道的不對(duì)稱性，通信延遲δ1和δ2并不相等，因此需要經(jīng)過(guò)不對(duì)稱系數(shù)k修正來(lái)提高同步精度。采集終端對(duì)電能表的時(shí)間同步，應(yīng)在自身允許范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)主站授權(quán)后，對(duì)電能表進(jìn)行時(shí)間同步。

用電信息采集時(shí)間同步系統(tǒng)的技術(shù)構(gòu)架可分為界面展示層、應(yīng)用服務(wù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)層、接口層等。其中界面展示層采用BS的形式以圖形化的界面向用戶展示對(duì)時(shí)數(shù)據(jù)及相應(yīng)的參數(shù)配置信息等；應(yīng)用服務(wù)層，可以降低各個(gè)邏輯模塊之間的耦合程度，為系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)管理、終端對(duì)時(shí)，電能表對(duì)時(shí)等相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供服務(wù)；業(yè)務(wù)邏輯層用以實(shí)現(xiàn)采集終端和電能表的精確對(duì)時(shí)；數(shù)據(jù)層采用Oracle，用Spring + Ibatis技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取，同時(shí)采用事務(wù)處理保障數(shù)據(jù)的一致性，采用數(shù)據(jù)緩存機(jī)制來(lái)保證服務(wù)的性能；接口層將封裝表計(jì)終端的通信規(guī)約及接口協(xié)議，用于與設(shè)備之間的通信來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。

圖4 用電信息采集時(shí)間同步系統(tǒng)

3.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)采集終端的時(shí)間同步具備如下功能，能夠按供電單位、終端類型、處理狀態(tài)、終端型號(hào)、事件日期和終端資產(chǎn)號(hào)等條件查詢統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)發(fā)生時(shí)鐘超差的終端，并展示對(duì)應(yīng)的終端資產(chǎn)號(hào)、型號(hào)、發(fā)生超差的最早時(shí)間和最近時(shí)間、發(fā)生次數(shù)、處理狀態(tài)、對(duì)時(shí)結(jié)果等明細(xì)，并能夠通過(guò)統(tǒng)計(jì)功能導(dǎo)出相應(yīng)的清單。

系統(tǒng)電能表的時(shí)間同步具備如下功能，能夠按供電單位、電能表局編號(hào)、用戶編號(hào)、電能表廠家、事件日期、電能表類型和抄表段號(hào)等條件，查詢統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)發(fā)生時(shí)鐘超差的電能表，并展示對(duì)應(yīng)電能表的局編號(hào)，測(cè)量點(diǎn)序號(hào)，用戶編號(hào)，用戶名稱，抄表段號(hào)，電能表時(shí)鐘，透抄時(shí)刻，滯后時(shí)間等明細(xì)，可以選擇多個(gè)或全部問(wèn)題電能表進(jìn)行時(shí)鐘召測(cè)和廣播校時(shí)，人工校時(shí)需在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)時(shí)人工登記功能中進(jìn)行填寫。

4 結(jié)束語(yǔ)

提出一種基于用電信息采集系統(tǒng)的時(shí)間同步系統(tǒng)，該系統(tǒng)以NTP協(xié)議為基礎(chǔ)，結(jié)合遠(yuǎn)程通信延時(shí)不對(duì)稱系數(shù)的修正，采用分層結(jié)構(gòu)，自上而下對(duì)采集終端和電能表進(jìn)行時(shí)間同步，通過(guò)建立用電信息采集時(shí)間同步系統(tǒng)構(gòu)架以及對(duì)同步系統(tǒng)系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)完成用電信息采集時(shí)間同步系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)時(shí)間同步精度達(dá)到現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求。本系統(tǒng)魯棒性好、應(yīng)用性強(qiáng)，為用電信息采集系統(tǒng)的精準(zhǔn)、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了重要保證。