使用传输时间作为提高简单网络时间协议精确度的方法

摘要

一种用于提高简单网络时间协议的精确度的方法。发送来自分站中至少一个设备的时间询问到时间提供者。从时间提供者接收包括基准时间的消息。计算所述基准时间的精确度。如果所述基准时间的精确度低于阈值，提高所述基准时间的精确度。利用所述基准时间进行同步。

说明书

技术领域

【0001】本发明涉及用于在保护和监控终端中提高简单网络时间协议(SNTP)同步的精确度的方法，使得SNTP的软件解决方案给出足够好的同步以用于标记事件和干扰的时间。

背景技术

【0002】对于电力传输和分配系统的需求持续增加。电网中的干扰导致社会和经济困难。结果是增加了对电网的监视和管理。人们一直在寻找改善电网的管理的方法。一种获得更可靠电网的方法是通过对事件和干扰的更精确的识别而实现。

【0003】SNTP为广泛应用于数字通信系统中的通信协议。SNTP是网络时间协议(NTP)的简化的衍生物，NTP是用来同步计算机时间的互联网协议。SNTP的特定版本称作请求注解(RFC)版本。SNTP的RFC版本的一些例子包括RFC2030、RFC1769和RFC1361。

【0004】IEC 61850是用于分站自动系统的国际标准，该系统在分站和相关的系统必要设备中限定诸如智能电子设备(IED)的设备间的通信。IEC-61850-8-1为IEC 61850标准的8-1部分(特定通信服务映射)，其详细说明用于分站中IED的时间同步的SNTP RFC 2030的应用。在现代电力分站中，IEC-61850-8-1典型地用于IED的垂直和水平的通信。IEC-618S0-8-1使用SNTP用于同步目的，并且IED中的良好同步对于事件处理和干扰处理是至关重要的。

【0005】SNTP提供同步的“往复式”(ping-pong)方法。沿着线路，消息通常被从IED发送到时间提供者。时间提供者通常在填写接收时间和传输时间之后，返回消息。典型地，SNTP提供大约10ms的同步水平。

发明内容

【0006】参照说明书、附图和实施例，本发明的其它目的和优点以及示例性实施例的结构和功能将变得清晰。

【0007】本发明的一个实施例提供了用于提高简单网络时间协议的精确度的方法。所述方法包括发送来自分站中至少一个设备的时间询问到时间提供者。接收来自时间提供者的包括基准时间的消息。计算所述基准时间的精确度。如果所述基准时间的精确度低于阈值，则提高所述基准时间的精确度。将所述基准时间用于分站中设备的同步。

【0008】本发明的多个实施例也包括计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机可读介质和记录在计算机可读介质上的计算机程序指令、处理器可执行所述计算机程序指令用于执行所述方法。

附图说明

【0009】通过以下对本发明的示例性实施例的更详细说明，本发明的前述和其它特征以及优点将更为清晰，如附图中所示，图中相同标号总的表示相同、功能上相似和/或结构上相似的部件。

图1为说明“往复式”方法的示意图；

图2为说明根据本发明的时间计算的实施例的示意图；

图3为说明可以包括在本发明实施例中的步骤的流程图；

图4为作为实际时间的函数的传输时间、传输时间限制和同步偏移量曲线图；

图5为相比于GPS同步时钟，传输时间、传输时间限制和SNTP消息的偏移量之间关系的曲线图；

图6为根据本发明的系统的框图。

具体实施方式

【0010】以下详细讨论本发明的实施例。在实施例的描述中，为了明确，使用了特定术语。但是本发明并不是意欲限制于所选的特定术语。尽管讨论了特定的示例性实施例，但应该理解，其仅用于说明目的。相关领域内的普通技术人员将认识到在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以使用其它的组件和配置。

【0011】图1示出用于在设备和时间提供者之间通信的往复式方法。在图1所示实施例中，设备为IED。时间提供者为时钟。此时钟的例子包括由德国巴特皮尔蒙特(Bad Pyrmont)的Meinberg Funkuhren Gmbh&Co KG提供的Meinberg LANTIME/GPS/LNE/ZTE和由挪威奥斯陆的WestermoOnTime AS提供的OnTime T200。可以使用全球定位系统(GPS)来同步时钟。图1中说明的设置中，IED于时间点A放置消息到堆栈。在时间点B消息离开IED中的网卡，在时间点C到达时间提供者中的网卡，并且在时间点D离开堆栈。在返回路径上，消息被时间提供者于时间点E推到堆栈上。消息在时间点F进入网络，在时间点G到达IED并且在时间点H到达目的地或者SNTP客户端。

【0012】图2说明在IED和时间提供者之间通信的典型的示意图。在时间T1处时间询问信号被从设备发送给时间提供者。根据一个实施例，T1是在图1中所示图表中的时间点B设备将请求放入通信数据堆栈中的时间。使用时间点B的T1作为T1的最佳估计值可以最小化由包括网络接口卡(NIC)的堆栈引起的时间误差。但是，获取B点的时间T1，意味着需要高度的硬件支持。这意味着硬件必须观测输出信息，以发现是否存在时间消息，发现消息何时开始到达“分发链路(drop link)”，获取该时间并且将时间消息中的时间T1改变为此新的时间，并且最后重新计算校验和来校正消息。T1也可以在时间A处获取。

【0013】时间提供者在时间T2接收时间询问信号。时间T2可以在图2中的C点获取，作为在时间提供者的时标内从时间提供者中的堆栈获取包的时间。时间T2也可以在图2中的D点获取。

【0014】在时间T 3处，时间提供者发送包括基准时间信号的消息到设备。根据一个实施例，时间T 3在图2中的F点测量。时间T3也可以在图2中的E点处获取。

【0015】设备在时间T4接收信号。时间T4可以是设备在图2中时间点G接收来自堆栈的包的时间。时间T4也可以在图2中的H点被测量。

【0016】使用B点、C点、F点和G点来测量时间T1到T4的方法可以导致SNTP消息的精确度在微秒的范围内。此实施例要求大量硬件支持。使用A点、D点、E点和H点来测量时间T1到T4，换句话说，在堆栈层次下测量时间，可以产生高于1ms的精确度，而不受堆栈的实现和所用硬件的影响。典型地，在本地网络中，精确度在100μs的范围中。

【0017】现行的做法包括原样利用来自时间提供者的响应。换句话说，不怀疑由时间提供者发送的基准时间的质量/精确度。根据本发明，评估基准时间的质量/精确度。如果所述质量/精确度并不足够，所接收的来自时间提供者的基准时间并不用于同步。取而代之，执行相应的动作来提高质量/精确度。

【0018】通过将从时间提供者获取的基准时间与一个基准时间相比较，可以评估质量/精确度。基于至少一个设备和时间提供者之间的在先通信，可以计算所述基准时间。基于图1中所示的通信示意图，诸如I ED的设备和时间提供者之间的时间差额可以近似为((T2-T1)-(T4-T3))/2。此时间典型地用于同步设备。传输时间(也称为传输延迟或者网络延迟)可以被定义为((T2-T1)+(T4-T3))，并且可以包括堆栈时间和网络上花费的时间。如果系统包括硬件支持，可以降低堆栈时间并且可以仅计算网络上的时间。

【0019】从设备到时间提供者的传输中的延迟可以显示为差额(T2-T1)的增加。此差额可以反映在时间差额和传输时间中。同样地，如果在从时间提供者返回到设备的传输中存在延迟，此延迟可以显示为差额(T4-T3)的增加。

【0020】本发明可以将该传输时间与预设或者计算的传输时间限制进行对比。如果传输时间大于传输时间限制，本发明可以做出另一个SNTP询问，而不是将此消息用于同步IED。

【0021】在正常同步期间，SNTP询问可以被设备周期性的传输，并且传输时间可以保持十分稳定。如果传输时间比通常大，本发明假定差额(T4-T3)或者(T2-T1)已经增加，并且该SNTP消息不应被用于同步。

【0022】传输时间通常有一定波动，并且传输时间限制通常不能被设置过低。如果设置过低，SNTP客户端看起来根本不工作。作为对固定传输时间限制的一种代替，可以使用简单的算法根据测量到的传输时间计算该限制。图3示出提供一些简化的示例性步骤的流程图，所述步骤可以被包括在根据本发明的用于限制计算的算法的实施例中。图3中的示例性实施例开始于步骤10，从IED发送SNTP询问到时间提供者，并且接收来自时间提供者的应答。随后计算传输时间12。在此实施例中，时间被计算为((T2-T1)+(T4-T3))。接着，传输时间与传输时间限制相比较14。如果传输时间大于预设限制值，则增加限制值16。限制值被增加的量可以变化。根据此实施例，限制值增加大约1μs。系统随后可以休眠一个具有随机长度的时间段18。典型地，该限制值处于休眠的时间长度大约为90-110ms。

【0023】如果传输时间并不大于该限制值，则将传输时间加上一个附加的时间长度同限制值比较20。根据此实施例，传输时间所加的时间长度大约为500μs。如果增加后的传输时间低于该限制值，则将所设置的限制值设为减少后的值22。在此实施例中，该限制值被减少大约1μs。

【0024】增加该限制值之后，并且如果增加后的传输时间并不小于该限制值，则计算偏移量24。可以根据公式((T2-T1)-(T4-T 3))/2计算偏移量。偏移量随后被用于同步IED26。系统随后可以被置于休眠28，其休眠时间为一个随机长度的时间段。例如，休眠的时间段可以为从大约990到大约1010μs。在休眠时间段18或者28结束时，限制值的计算可以从SNTP询问的发送开始10。

【0025】产生SNTP询问之间的时间长度可以变化。当首先计算该限制值时，可以产生三个询问并且间隔大约100ms发送到时间提供者，用于寻找该限制值的适合的开始值。根据图3中所示的实施例，大约使用1000ms作为“正常”询问周期。也就是，每秒从IED发送一个询问到时间提供者。根据所述算法的此实施例，如果探测到错误，或者如果传输时间过长，大约100ms后进行新的询问。也就是，以正常周期的1/10进行新的询问。

【0026】大约1秒的周期已被证明不会成为网络不必要的负担，并且仍然可以给出良好的时间精确度。该时间周期可以降低，但是不应该降低到会不必要地增加网络负担的程度。该时间周期也可以增加。但是，该时间周期不应当太长，使得用于同步的时钟的漂移成为一个问题。

【0027】通常，本地网络上的传输时间的范围为大约3ms到大约4ms。

【0028】如果确定质量已经恶化，本发明可以采取措施提高该质量。根据一个实施例，通过向时间提供者再次询问基准时间来提高质量。可以执行上述同样的步骤，包括从设备发送时间询问信号到时间提供者，时间提供者接收请求信号，从时间提供者发送基准时间到设备，以及设备接收基准时间。做出对基准时间的另一个请求是假设由于短时通信问题，基准时间精确度的恶化通常仅是暂时的。特别地，特别高的通信量可以增加传输时间。可以重复执行这些步骤直到设备接收到足够质量的基准时间信号。

【0029】在提供适合的质量/精确度的基准时间之后，可以使用该基准时间来同步在一个分站和/或多个分站中的诸如IED的设备。所同步的时间随后可以被用于标记事件和/或干扰的时间。提高时间信号的质量/精确度可以极大地增加一个分站和/或多个分站中的诸如IED的设备间的SNTP同步的精确度。可以增加该精确度使得在设备间存在小于大约10ms的差额。本发明实际上可以允许该精确度小于大约1ms。同样由于基准时间询问的次数的增加，时间提供者的负担也可能被增加，但是此增加应该是可以控制的。

【0030】图4提供作为实际时间的函数的用于以秒计的说明传输时间、传输时间限制和同步偏移量之间的关系的图表。在图4中，从8:23到8:25，传输时间限制足够高，不会对行为产生影响。从8:25到8:27，传输时间限制降低到正好在正常传输时间之上，并且跳过导致较大传输时间的SNTP询问，并随后在100ms后进行新的SNTP询问。

【0031】在图4中，所有的大的传输时间(从8:23到8:25)在同步消息中具有相应的大的偏移量(标以SNTP偏移量)。由于从8:25到8:27的传输时间保持低于传输时间限制，相应的SNTP偏移量被保持在可接受的水平。图4的左侧部分说明在传输时间限制减小之前，由于短时通信问题，基准时间的精确度的恶化通常仅是暂时的。

【0032】用于时间同步的传输时间测量的方法可以被用于在当前产品中的电流线路差动保护的应用中，所述产品具有专用硬件支持。本发明特别适用于SNTP RFC 2030、RFC 1769和RFC 1361。本发明可以使用传输时间来提高在标准交换以太网上使用的SNTP协议的精确度。

【0033】图5说明本发明在全球网络上的测试结果，证明甚至在路径转换(route shift)期间得到优于1ms的精确度。图5中所示的图表说明，同GPS同步时钟相比的沿着这些线路SNTP消息的传输时间、传输时间限制和偏移量。水平轴上的时标为24小时，垂直轴上的时标为以秒计的时间和偏移量。

【0034】如图5中所示，传输时间在10ms的范围内，但是大约在8:55，传输时间存在显著的改变，并且传输时间限制不得不随之改变。在包括传输时间改变期间的整个24小时内，偏移量完全低于1ms(或0.001秒)。如图5所示，在测试开始时，在早上8:55之前线路上存在11个点。在早上8:55存在路径转换(route shift)，在早上8:55之后，存在12个点。

【0035】本发明也提供包括计算机可读介质在内的计算机程序产品。可由处理器执行的计算机程序指令记录在计算机可读介质上。计算机程序指令可以用于执行此处所述方法的任一部分。

【0036】本发明也包括用于执行提高简单网络时间协议精确度的方法的系统。图3解释说明根据本发明的精确度改进系统100的示例性框图。精确度改进系统100典型地为编程的IED。精确度改进系统100包括处理器(CPU)102、输入/输出电路104、网络适配器106和存储器108。CPU 102执行程序指令以实现本发明的功能。输入/输出电路104提供输入数据到计算机系统100的能力和输出来自计算机系统100的数据的能力。例如，输入/输出电路可以包括诸如键盘、鼠标、触摸板、轨迹球、扫描仪等的输入设备，包括诸如视频适配器、监视器、打印机等等的输出设备以及诸如调制解调器等的输入/输出设备。网络适配器106将精确度改进系统100与网络110相连接。网络110可以是任一标准局域网(LAN)或者广域网(WAN)，例如以太网、令牌环网、互联网或者私有或者专有LAN/WAN。

【0037】存储器108存储由CPU 102执行的指令和由其使用与处理的数据，来执行本发明的功能。存储器108可以包括电子存储器设备，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪烁存储器等等，也可以包括电机存储器，诸如磁盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动等等，其可以使用集成驱动电路(IDE)接口、或者其变体及改进，诸如改进型IDE(EIDE)或者超级直接内存访问(UDMA)，或者使用基于小型计算机系统接口(SCSI)的接口，或者其变体或改进，诸如快速SCSI、宽带SCSI、快速宽带SCSI等等，或者使用光纤通道仲裁环路(FC-AL)接口。

【0038】存储器108包括多个数据块，诸如接收的时间询问块112、基准时间块114、预设值块116、时间标记块118，还包括多个程序指令块，诸如处理例程120和操作系统122。时间询问块112存储多个已由精确度改进系统100接收的时间询问。基准时间块114存储多个由时间提供者产生的基准时间。预设值块116存储多个预设值，用于计算或评估由时间提供者产生的基准时间。时间标记块可以存储事件和/或干扰发生的时间。处理例程120为软件例程，用于实现由本发明执行的处理。操作系统122提供总体的系统功能。

【0039】重要的是，需要注意虽然本发明已经在全功能的数据处理系统的上下文进行了描述，但本领域内普通技术人员可以理解本发明的处理可以以指令的计算机可读介质的形式和多种形式分布，并且不管实际用来实现该分布的信号承载介质的具体类型，本发明都同样适用。计算机可读介质的例子包括诸如软盘、硬盘驱动器、RAM和CD-ROM的可记录型介质和诸如数字与模拟通信链路的传输型介质。

【0040】本说明书中描述和讨论的实施例仅用于教导本领域普通技术人员以发明人所知的最佳方式实现和使用本发明。本说明书任何内容都不视为对本发明范围的限制。提供的所有例子是代表性的和非限制的。本领域内普通技术人员根据以上教导应该理解，上述本发明的实施例在不脱离本发明的情况下可以修改或者变化。因此应该知道在权利要求与其等价物的范围内，本发明可以不同于说明书描述的内容实现。