分布式电力监控系统精确对时的研究与实现

摘要

现今电力行业发展迅速，自动化设备在分布式电力监控系统中的投入量不断增加，微秒级时间精度要求的电力设备也逐步出现。传统的时钟同步方式对时精度只能保证毫秒级，已经不能满足当下分布式电力监控系统的对时精度的要求。为了解决工业自动化中网络测量和控制系统中时钟同步误差过大的问题，IEEE标准委员会在2002年颁布了IEEE1588精确时钟同步协议(PTP）。PTP协议通过以太网实现分布式网络中各个节点之间的时钟同步过程，对时精度可以达到亚微秒级，完全可以解决分布式电力监控系统时钟同步误差过大的问题。　　本文首先详细介绍了IEEE1588精确时钟同步协议，与当下的分布式电力监控系统的对时方法进行了对比。其次对PTP协议的时钟同步机制进行了研究，包括PTP时钟类型，PTP对时系统网络拓扑结构、PTP对时报文、PTP时钟同步算法和时间戳的记录方案等。最后对影响IEEE1588协议时钟同步精度的因素进行了总结，针对同步过程中存在的网络延迟量不对称的问题，对PTP时钟同步算法提出了改进，加入移动平均算法对网络延迟量进行处理，减小其对时钟同步精度造成的影响。根据分布式电力监控系统的对时精度要求，选择通过物理层记录硬件时间戳的方案实现IEEE1588协议，设计了基于“STM32F107+DP83640”的IEEE1588嵌入式硬件平台，其中STM32F107芯片作为嵌入式硬件平台的MCU，DP83640作为外置PHY芯片，负责硬件时间戳的记录和修正本地时钟。本文完成了IEEE1588嵌入式硬件平台的搭建，网络协议栈的移植、DP83640驱动的编写、PTP时钟同步算法的改进和平台的调试工作。在文章的最后，对IEEE1588嵌入式硬件平台的对时精度和本文提出的算法改进进行了验证。测试结果证明，本文设计的IEEE1588时钟同步协议的对时精度可以达到亚微秒级，并且改进的算法提高了时钟同步的稳定性，完全满足了分布式电力监控系统的对时精度要求，证明本文的研究思想和算法改进策略是可行的。

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1 绪论

1.1 研究背景及选题意义

1.2 分布式电力监控系统时间精度要求

1.3 时钟同步方方式

1.4 主要研究内容

1.5 论文的组织结构

2 IEEE1588协议的分析

2.1 PTP时钟类型

2.2 网络拓补结构

2.3 PTP报文

2.4 同步过程

2.5 加入透明时钟的同步过程

2.6 小结

3 误差分析及改进

3.1时间戳的生成方式

3.2 时钟频率的同步

3.3 网络延迟的对称性

3.4 小结

4 实验平台的设计与实现

4.1 实现方案的选择

4.2 硬件平台的设计

4.3 实物图

4.4 LwIP协议

4.5 硬件时间戳记录方法

4.6 PTP报文传输流程

4.7 PTP时间更新

4.8 小结

5 实验平台性能测试

5.1 测试方法

5.2 验证算法改进的效果

5.3 测试结论

5.4 小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果