專利名稱：利用工業(yè)以太網(wǎng)傳遞高精度時(shí)間的ieee1588主站設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種利用工業(yè)以太網(wǎng)傳遞高精度時(shí)間的IEEE1588主站設(shè)備。
背景技術(shù)：
高精度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)基于以太網(wǎng)的有線的傳遞技術(shù)是智能電網(wǎng)和智能變電站建設(shè)的基礎(chǔ)支撐技術(shù)之一。智能變電站實(shí)現(xiàn)了一次設(shè)備智能化和二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化。大量的采集數(shù)據(jù)和控制命令都需要依靠工業(yè)以太網(wǎng)來傳輸。時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)是其重要的支撐系統(tǒng)，因此研制依托工業(yè)以太網(wǎng)傳遞高精度時(shí)間的IEEE1588主站設(shè)備具有重要的應(yīng)用價(jià)值。目前基于以太網(wǎng)的時(shí)間同步技術(shù)是一種軟件方式的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)。1992年 NTP版本的同步準(zhǔn)確度可以達(dá)到200 μ s。由于是基于純軟件技術(shù)，同步精度也不可能再提高多少。NTP的時(shí)間同步精度難以達(dá)到智能變電站小于1 μ s的苛刻要求。ΙΕΕΕ1588網(wǎng)絡(luò)精確對(duì)時(shí)協(xié)議的基本構(gòu)思是通過硬件和軟件將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(客戶機(jī)) 的內(nèi)時(shí)鐘與主站設(shè)備時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步。由于有硬件單元的輔助，各個(gè)時(shí)間戳的精度大大提高， 因而ΙΕΕΕ1588協(xié)議的時(shí)間同步精度能夠達(dá)到小于lus。當(dāng)然IEEE1588協(xié)議軟件架構(gòu)與NTP 也差異很大，使得IEEE1588能夠適應(yīng)智能變電站網(wǎng)絡(luò)精確對(duì)時(shí)的要求。目前IEEE1588在智能變電站的應(yīng)用領(lǐng)域還處于研究階段，尚沒有成熟穩(wěn)定的可用于變電站內(nèi)的高精度網(wǎng)絡(luò)授時(shí)產(chǎn)品問世。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是研制適用于智能變電站的IEEE1588網(wǎng)絡(luò)精確對(duì)時(shí)協(xié)議主站設(shè)備 (PowerPTP以太網(wǎng)時(shí)間服務(wù)器)。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案利用工業(yè)以太網(wǎng)傳遞高精度時(shí)間的IEEE1588主站設(shè)備，包括主時(shí)鐘時(shí)間源注入模塊、時(shí)間獲取模塊、頻率馴服模塊、本地晶振模塊、相位跟蹤模塊、守時(shí)單元模塊、時(shí)間質(zhì)量檢測(cè)模塊、PTP引擎、跳變吸收模塊、PTP端口，其中主時(shí)鐘時(shí)間源輸入模塊與頻率馴服模塊之間采用TLL秒脈沖接口相連接；頻率馴服模塊與本地晶振模塊之間采用SPI總線接口相連接；主時(shí)鐘時(shí)間輸入模塊與時(shí)間獲取模塊之間采用RS323 TTL加TTL秒脈沖接口相連接；主時(shí)鐘時(shí)間獲取模塊與相位跟蹤模塊之間采用RS323 TTL加TTL秒脈沖接口相連接；相位跟蹤模塊與守時(shí)單元模塊之間采用TTL秒脈沖加RS232 TTL時(shí)報(bào)接口相連接；時(shí)間獲取模塊與時(shí)間質(zhì)量檢測(cè)模塊之間采用RS232 TTL時(shí)報(bào)接口相連接；守時(shí)單元與跳變吸收模塊之間采用TTL秒脈沖加數(shù)據(jù)總線接口相連接；PTP引擎與時(shí)間質(zhì)量檢測(cè)模塊之間采用數(shù)據(jù)總線接口相連接，與跳變吸收模塊之間采用數(shù)據(jù)總線接口相連接；PTP引擎與PTP端口之間采用PHY網(wǎng)絡(luò)差分?jǐn)?shù)據(jù)線接口相連接。本實(shí)用新型的有益效果在于能夠?yàn)橹悄茏冸娬咎峁﹫?jiān)強(qiáng)穩(wěn)定的授時(shí)服務(wù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。


[0012]圖1是IEEE1588主時(shí)鐘模塊框圖；[0013]圖2是PTPv2引擎硬件平臺(tái)；[0014]圖3是本地晶體頻率馴服模塊框圖；[0015]圖4是時(shí)間脈沖大跳變緩釋模塊框圖。[0016]具體的實(shí)施方式[0017](一)總體方案[0018]本發(fā)明的模塊主要包括如下幾個(gè)部分(參見附圖1)[0019](1)主時(shí)鐘時(shí)間源注入模塊，采用光(電)B碼注入和秒脈沖+時(shí)間報(bào)注入兩種方
式。時(shí)間源注入模塊一方面為時(shí)間獲取模塊提供時(shí)間，另一方面為頻率馴服模塊提供參考源。(2)時(shí)間獲取模塊，利用FPGA解碼獲取注入時(shí)間，得到秒脈沖和時(shí)間報(bào)。時(shí)間獲取模塊提供時(shí)間質(zhì)量信息，同時(shí)提供秒脈沖為相位跟蹤模塊做參考。(3)頻率馴服模塊，馴服本地晶振的頻率，使本地頻率與時(shí)間源頻率諧振，提高守時(shí)性能和授時(shí)精度。頻率馴服模塊提供模擬電壓調(diào)整信號(hào)調(diào)整本地晶振頻率。(4)本地晶振模塊，為整個(gè)系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)頻率源。本地晶振為守時(shí)單元提供IOMHz 頻率。(5)相位跟蹤模塊，實(shí)時(shí)跟蹤時(shí)間源的秒脈沖相位，使得本地時(shí)間相位與時(shí)間源相位同步。相位跟蹤模塊為守時(shí)單元提供修正后的時(shí)間。(6)守時(shí)單元模塊，守時(shí)單元以晶振頻率輸入為基準(zhǔn)，以相位跟蹤模塊的秒脈沖和時(shí)間報(bào)為參考，執(zhí)行守時(shí)功能，當(dāng)時(shí)間源中斷時(shí)自動(dòng)守時(shí)，正常時(shí)恢復(fù)跟蹤功能。(7)時(shí)間質(zhì)量檢測(cè)模塊，根據(jù)從時(shí)間獲取模塊得到的時(shí)間源的信息和本地的測(cè)量， 檢測(cè)時(shí)間源質(zhì)量，給PTP引擎提供參考。(8) PTP引擎，基于ARM9的硬件平臺(tái)，運(yùn)行PTP協(xié)議，為PTP從節(jié)點(diǎn)授時(shí)。(9)跳變吸收模塊，對(duì)于從守時(shí)模塊過來的秒脈沖的異常、或注入源切換引起的時(shí)間源相位跳變進(jìn)行緩釋吸收處理，平滑時(shí)間輸出信號(hào)，避免時(shí)間信號(hào)相位大跳變對(duì)用時(shí)設(shè)備的影響。(10) 1 端口，？1 網(wǎng)絡(luò)端口，包括10/100厘泡自適應(yīng)電接口和IOOMHz光以太網(wǎng)接口。主時(shí)鐘時(shí)間源輸入模塊與頻率馴服模塊之間采用TLL秒脈沖接口 ；頻率馴服模塊與本地晶振模塊之間采用SPI總線接口 ；主時(shí)鐘時(shí)間輸入模塊與時(shí)間獲取模塊之間為 RS323 TTL加TTL秒脈沖接口 ；主時(shí)鐘時(shí)間獲取模塊與相位跟蹤模塊之間是為RS323 TTL加 TTL秒脈沖接口 ；相位跟蹤模塊與守時(shí)單元模塊之間是TTL秒脈沖加RS232 TTL時(shí)報(bào)接口 ； 時(shí)間獲取模塊與時(shí)間質(zhì)量檢測(cè)模塊之間為RS232 TTL時(shí)報(bào)接口 ；守時(shí)單元與跳變吸收模塊之間是TTL秒脈沖加數(shù)據(jù)總線接口 ；PTP引擎與時(shí)間質(zhì)量檢測(cè)模塊之間是數(shù)據(jù)總線接口，與跳變吸收模塊之間也是數(shù)據(jù)總線接口 ；PTP引擎與PTP端口之間是PHY網(wǎng)絡(luò)差分?jǐn)?shù)據(jù)線接另外，采用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)IEEE1588主時(shí)鐘，硬件平臺(tái)采用Atmel AT91RM9200處
4理器，為PTP引擎提供強(qiáng)大穩(wěn)定的運(yùn)行平臺(tái)。 (二)PTPv2引擎軟、硬件平臺(tái)本發(fā)明的研制離不開軟硬件平臺(tái)的支撐，一個(gè)強(qiáng)大穩(wěn)定的軟硬件平臺(tái)是PTPv2引擎可靠穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)。本發(fā)明的軟硬件平臺(tái)參見附圖2。PTPv2運(yùn)行平臺(tái)主要包括兩個(gè)部分一是硬件平臺(tái)層，一是板級(jí)支持包(BSP)層。 硬件平臺(tái)層是以ARM9 CPU為核心，F(xiàn)lash用于存放操作系統(tǒng)和PTPv2協(xié)議引擎及相關(guān)應(yīng)用； 10/100M自適應(yīng)電網(wǎng)絡(luò)接口和100M光網(wǎng)絡(luò)接口用于支持網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用；管理串口作為嵌入式系統(tǒng)的控制臺(tái)，進(jìn)行信息顯示和配置；FPGA實(shí)現(xiàn)IEEE1588協(xié)議的硬件輔助工作，包括脈沖發(fā)生器、移相器、時(shí)間編解碼器、自行鐘、定時(shí)器等等。PTPv2引擎的軟件平臺(tái)采用實(shí)時(shí)性、可靠性強(qiáng)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks，BSP支持網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)、串口驅(qū)動(dòng)、IEEE1588驅(qū)動(dòng)、Flash文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)等等。本發(fā)明中采用的軟、硬件平臺(tái)全部自主設(shè)計(jì)，具有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。(三)PTPv2協(xié)議引擎PTPv2協(xié)議引擎是本項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)之一。PTPv2協(xié)議引擎包括協(xié)議報(bào)文格式的定義；協(xié)議數(shù)據(jù)集的構(gòu)造和維護(hù)；協(xié)議狀態(tài)機(jī)的可靠設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)；PTP的網(wǎng)絡(luò)管理；PTP時(shí)間源的獲取；PTP硬件的初始化；故障檢測(cè)和自動(dòng)修復(fù)。本發(fā)明中使用的PTPv2協(xié)議引擎是在我們深入研究并消化吸收了 IEEE1588v2標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，利用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言獨(dú)立自主的實(shí)現(xiàn)的，因而具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。(四)本地時(shí)鐘馴服技術(shù)由于外部時(shí)間源的頻率與本地晶體不同振蕩源生成的，所以頻差難以避免，差別在于頻差的大小。使用外部時(shí)間源輸入對(duì)本地晶體頻率進(jìn)行馴服，使得本地晶體頻率與外部時(shí)間源的頻率諧振的過程就是馴服。對(duì)本地振蕩源進(jìn)行馴服，能夠提高授時(shí)精度，同時(shí)提高守時(shí)精度。本發(fā)明采用的馴服技術(shù)參見附圖3。(五)時(shí)間相位大跳變緩釋技術(shù)當(dāng)由于異?；蜃⑷朐辞袚Q等原因造成外部注入時(shí)間信號(hào)的相位發(fā)生大的跳變，或者由于注入時(shí)間信號(hào)長(zhǎng)期失效造成的本地時(shí)間信號(hào)相位長(zhǎng)期漂移時(shí)，如果IEEE1588主站設(shè)備不能夠吸收或緩釋這個(gè)跳變或漂移，會(huì)引起變電站內(nèi)的用時(shí)設(shè)備例如合并單元、繼電保護(hù)、測(cè)控裝置等產(chǎn)生誤動(dòng)作。因此采用一定的技術(shù)措施緩釋或吸收這種跳變是非常關(guān)鍵的，本發(fā)明采用的參見附圖4。(六)PTP網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)IEEE1588授時(shí)技術(shù)是基于網(wǎng)絡(luò)的，因此其網(wǎng)絡(luò)管理是非常重要的。傳統(tǒng)的秒脈沖 /時(shí)間報(bào)授時(shí)方式和B碼授時(shí)方式雖然精度很高，但是它們只是單向的時(shí)間授予，沒有辦法實(shí)時(shí)掌握各個(gè)用時(shí)單元的用時(shí)質(zhì)量。由于缺少反饋通道，授時(shí)質(zhì)量是不可掌控的，對(duì)依賴于時(shí)間同步的光電互感器、MU合并單元、全數(shù)字化保護(hù)等可靠運(yùn)行帶來不利。PTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)技術(shù)是基于可雙向通信的以太網(wǎng)絡(luò)，因此可實(shí)時(shí)掌控網(wǎng)絡(luò)上每一用時(shí)設(shè)備的授時(shí)質(zhì)量，并利用雙通信網(wǎng)和雙PTP主時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)冗余切換，可以免受二次設(shè)備的單點(diǎn)故障影響電網(wǎng)可靠運(yùn)行。這依賴于PTP網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)。PTP網(wǎng)絡(luò)管理主要包括如下幾個(gè)方面配置管理、性能管理、安全管理、故障管理。智能變電站的IEEE1588網(wǎng)絡(luò)授時(shí)系統(tǒng)主要包括PTP主站設(shè)備(主時(shí)鐘)、PTP交換機(jī)(透明時(shí)鐘)和PTP從站設(shè)備(用時(shí)設(shè)備)。作為IEEE1588網(wǎng)絡(luò)精確對(duì)時(shí)協(xié)議的核心構(gòu)件， IEEE1588主站設(shè)備對(duì)智能變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。 本發(fā)明在智能變電站的部署方式是時(shí)間多源輸入、雙工業(yè)以太網(wǎng)、每網(wǎng)雙主鐘。在智能變電站架設(shè)時(shí)間源，通常采用多源輸入，例如第一時(shí)間源采用GPS，第二時(shí)間源為北斗， 第三時(shí)間源為地面高精度時(shí)間傳遞系統(tǒng)。多時(shí)間源經(jīng)過時(shí)間綜合設(shè)備后，輸出兩路光B碼信號(hào)，為IEEE1588主站設(shè)備提供基準(zhǔn)時(shí)間源。為了提供授時(shí)可靠性，在變電站建設(shè)主備雙工業(yè)以太網(wǎng)，每個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)配置雙IEEE1588主時(shí)鐘。在智能變電站中的所有用時(shí)設(shè)備，例如合并單元、繼電保護(hù)裝置、故障錄波設(shè)備等從雙網(wǎng)利用IEEE1588協(xié)議獲取高精度時(shí)間。
權(quán)利要求1.利用工業(yè)以太網(wǎng)傳遞高精度時(shí)間的IEEE1588主站設(shè)備，其特征在于，包括主時(shí)鐘時(shí)間源注入模塊、時(shí)間獲取模塊、頻率馴服模塊、本地晶振模塊、相位跟蹤模塊、守時(shí)單元模塊、時(shí)間質(zhì)量檢測(cè)模塊、PTP引擎、跳變吸收模塊、PTP端口，其中主時(shí)鐘時(shí)間源輸入模塊與頻率馴服模塊之間采用TLL秒脈沖接口相連接；頻率馴服模塊與本地晶振模塊之間采用 SPI總線接口相連接；主時(shí)鐘時(shí)間輸入模塊與時(shí)間獲取模塊之間采用RS323 TTL加TTL秒脈沖接口相連接；主時(shí)鐘時(shí)間獲取模塊與相位跟蹤模塊之間采用RS323 TTL加TTL秒脈沖接口相連接；相位跟蹤模塊與守時(shí)單元模塊之間采用TTL秒脈沖加RS232 TTL時(shí)報(bào)接口相連接；時(shí)間獲取模塊與時(shí)間質(zhì)量檢測(cè)模塊之間采用RS232 TTL時(shí)報(bào)接口相連接；守時(shí)單元與跳變吸收模塊之間采用TTL秒脈沖加數(shù)據(jù)總線接口相連接；PTP引擎與時(shí)間質(zhì)量檢測(cè)模塊之間采用數(shù)據(jù)總線接口相連接，與跳變吸收模塊之間采用數(shù)據(jù)總線接口相連接；PTP引擎與PTP端口之間采用PHY網(wǎng)絡(luò)差分?jǐn)?shù)據(jù)線接口相連接。
專利摘要利用工業(yè)以太網(wǎng)傳遞高精度時(shí)間的IEEE1588主站設(shè)備，包括主時(shí)鐘時(shí)間源注入模塊、時(shí)間獲取模塊、頻率馴服模塊、本地晶振模塊、相位跟蹤模塊、守時(shí)單元模塊、時(shí)間質(zhì)量檢測(cè)模塊、PTP引擎、跳變吸收模塊、PTP端口，其中主時(shí)鐘時(shí)間源輸入模塊與頻率馴服模塊之間采用TLL秒脈沖接口相連接；頻率馴服模塊與本地晶振模塊之間采用SPI總線接口相連接；主時(shí)鐘時(shí)間輸入模塊與時(shí)間獲取模塊之間采用RS323TTL加TTL秒脈沖接口相連接；本實(shí)用新型的有益效果在于能夠?yàn)橹悄茏冸娬咎峁﹫?jiān)強(qiáng)穩(wěn)定的授時(shí)服務(wù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H04L7/00GK201976121SQ20102059982
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2010年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月10日
發(fā)明者何迎利, 張宇新, 李萬林 申請(qǐng)人:南京南瑞集團(tuán)公司, 國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院