基于NTP協(xié)議的用電信息采集系統(tǒng)時(shí)間同步研究

1、基于NTP協(xié)議的用電信息采集系統(tǒng)時(shí)間同步研究*盧繼哲，巫鐘興，阿遼沙葉，鄭國權(quán)，劉喆（中國電力科學(xué)研究院，北京 100192 ）摘要：用電信息采集系統(tǒng)在智能電網(wǎng)建設(shè)中所扮演的角色越來越重要，用電信息采集的準(zhǔn)確性和高效性是建設(shè)智能用電體系的關(guān)鍵技術(shù)。為了提高用電信息采集系統(tǒng)的時(shí)間精度，提出一種經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)不對稱系數(shù)修正的NTP時(shí)間同步方法，分別采用客戶/服務(wù)器模式和廣播模式，自上而下對用電信息采集系統(tǒng)的采集終端和電能表進(jìn)行時(shí)間同步，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)同步。最后，研究了用電信息采集時(shí)間同步系統(tǒng)，有效提升了系統(tǒng)的用電信息采集準(zhǔn)確性和高效性。關(guān)鍵詞：用電信息采集系統(tǒng)；NTP協(xié)議；時(shí)間同步；不對稱系數(shù)修正中圖分類號

2、：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1001-1390（2018）14-0000-00Research on time synchronization of power information collection system time synchronization based on NTP Lu Jizhe, Wu Zhongxing, Aliaosha Ye, Zheng Guoquan, Liu Zhe(China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China. )Abstract: ：The role of po

3、wer information collection system in smart grid construction becoming more and more important, the accuracy and efficiency of the collection of power information is the key technology of building smart power utilization system. In order to improve the time accuracy of the power information collectio

4、n system, this paper present presents an NTP time synchronization method based on asymmetric coefficient modification, using client/server mode and broadcast mode are adopted to synchronize the acquisition terminal and the meter of power information collection system from top to bottom respectively.

5、 Finally, the time synchronization system of power information collection is studied, which effectively improves the accuracy and efficiency of power information collection system.Keywords：power information collection system, NTP, time synchronization, asymmetric coefficient modification0引 言*基金項(xiàng)目：國家

6、電網(wǎng)公司電、水、氣、熱能源計(jì)量一體化采集關(guān)技術(shù)研究及應(yīng)用項(xiàng)目（JLB）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，通過申請應(yīng)答的方式，有效解決了用電信息采集系統(tǒng)時(shí)間同步問題。本文采用NTP協(xié)議對采集終端及電能表進(jìn)行時(shí)間同步，經(jīng)過試驗(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。1NTP協(xié)議時(shí)間同步機(jī)制1.1NTP協(xié)議的原理網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP(Net

7、work 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)器的申請應(yīng)答方式解決網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难舆t及時(shí)間偏移問題4-5。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)間戳來確定時(shí)間延

8、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Fig.1 Fundamental diagram of Network time protocolNTPT1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)之間的偏差和網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲： （1） （2）可以發(fā)現(xiàn)和與T2和T3之間的差值無關(guān)，即與服務(wù)器處理請求所消耗的時(shí)間無關(guān)。1.2NTP協(xié)議的工作模式（1）廣播模式。在廣播模式下，沒有時(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)

9、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)器一對一的點(diǎn)對點(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

10、個(gè)時(shí)間戳算出客戶機(jī)與服務(wù)器之間的時(shí)鐘偏移量和網(wǎng)絡(luò)延遲，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、電能質(zhì)量監(jiān)測、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線方式，采集器與電能表之間的通信方式為RS

11、-485，集中器與電能表之間采用電力線載波和微功率無線方式。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)對采集終端進(jìn)行同步，集中器負(fù)責(zé)對采集器、電能表進(jìn)行同步，從而保證用電信息的準(zhǔn)確性及對營銷系統(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Fig.2 Architecture of power information collection system2.2主站對采集終端的時(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230MHz無線專網(wǎng)和GPRS/CDMA無線公網(wǎng)、微功率無線、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

12、時(shí)間服務(wù)器時(shí)間同步方式如圖3所示。圖3 主站與采集終端時(shí)間同步工作原理Fig.3 Time synchronization fundamental between master station and collection terminal 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)送查詢請求的時(shí)間，T2是主站收到查詢請求的時(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，是請求信息在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r(shí)間，是回復(fù)信息在網(wǎng)絡(luò)上傳播的傳輸時(shí)間?？梢缘玫剑?(3) (4) (5)主站與采集終端通信方式的網(wǎng)絡(luò)延遲對稱時(shí)，采集終端與主站之間的時(shí)間偏差為： (6)采集終

13、端的時(shí)間同步流程如下：采集終端發(fā)送時(shí)間同步請求，并記錄時(shí)間T1，主站接收到時(shí)間同步請求時(shí)間，主站對時(shí)間同步請求進(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，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)延遲不對稱時(shí)，此時(shí)請求信息在網(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)不對稱系數(shù)： (7)可以推出不對稱系數(shù)和時(shí)間偏差的等式： (8)如果精確出不對稱系數(shù)的值，就可以將時(shí)間偏差的值確定，進(jìn)而時(shí)間同步的精度也可以提高。為

14、了精確不對稱系數(shù)，主站和采集終端之間將采用多次NTP時(shí)間同步過程。第一次時(shí)間同步后，對采集終端的時(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： (9) (10)得到新的值，將該值帶入公式(8)得到新的偏差值，對第一次的NTP過程進(jìn)行修正，重復(fù)進(jìn)行，直至連續(xù)兩次值接近時(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)過不對稱系數(shù)修正的時(shí)間同步過程。根據(jù)上述算法和模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對采集終端進(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NTP協(xié)議對時(shí)后的采集終端時(shí)間平均誤差為87 ms，在用采系統(tǒng)對時(shí)間誤差允許范圍內(nèi)。表1 實(shí)驗(yàn)

15、結(jié)果Tab.1 The eExperimental results實(shí)驗(yàn)次數(shù)終端發(fā)送查詢請求時(shí)間T1主站收到查詢請求時(shí)間T2主站回復(fù)時(shí)間信息包時(shí)間T3終端收到時(shí)間信息時(shí)包時(shí)間T4誤差U/ms114:19:47:870 14:19:48:625 14:19:48:625 14:19:49:530 -75214:20:09:810 14:20:10:500 14:20:10:500 14:20:11:410 -110314:20:34:560 14:20:35:296 14:20:35:296 14:20:36:090 -29414:21:01:060 14:21:01:812 14:21:01:8

16、12 14:21:02:630 -33514:21:22:770 14:21:23:515 14:21:23:515 14:21:24:430 -85614:21:44:600 14:21:45:500 14:21:45:500 14:21:46:400 0714:22:06:480 14:22:07:187 14:22:07:187 14:22:08:060 -83814:22:32:400 14:22:33:015 14:22:33:015 14:22:33:900 -83914:22:54:180 14:22:54:796 14:22:54:796 14:22:55:720 -15410

17、14:23:15:760 14:23:16:593 14:23:16:593 14:23:17:490 -321114:23:37:800 14:23:38:500 14:23:38:500 14:23:39:540 -1701214:23:59:760 14:24:00:375 14:24:00:375 14:24:01:370 -1902.3采集終端對電能表的時(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

18、息包，通過網(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。在對電能表進(jìn)行時(shí)間同步之前，采集終端首先向主站請求時(shí)間同步，主站根據(jù)NTP協(xié)議，對采集終端進(jìn)行時(shí)間同步，采集終端可發(fā)起多次時(shí)鐘同步請求，進(jìn)行多次NTP，對網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)的不對稱系數(shù)做出最好的估計(jì)，并優(yōu)化時(shí)間同步的誤差，采集終端對主站請求對電能表時(shí)間同步任務(wù)，采集主站根據(jù)采集終端的請求時(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，采集終端自動禁止對電能表的時(shí)間同步任務(wù)，需要重

19、新向主站授權(quán)。通過上述電能表時(shí)間同步方法，測試電能表的時(shí)間同步效果。表2 電能表時(shí)間同步實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of energy meter time synchronization邏輯地址戶號對時(shí)前誤差U/ms對時(shí)后誤差U/ms13 984 7196 615 007 4281 6003813 984 7196 615 007 522440 7713 984 7196 620 073 666550 5713 984 7196 615 007 5231 200 893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

20、、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稱將采用在客戶/服務(wù)器工作模式下的NTP協(xié)議來實(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稱性，采用經(jīng)過不對稱系數(shù)修正的NTP協(xié)議來實(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)申請對時(shí)，終端將無法回應(yīng)，造成宕機(jī)，因此對電能表的時(shí)間同步將采用廣播模式來實(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)的通信延遲是對稱的，因此可直接采用NTP協(xié)議

21、對主站進(jìn)行時(shí)間同步。主站對采集終端的時(shí)間同步由于通信信道的不對稱性，通信延遲和并不相等，因此需要經(jīng)過不對稱系數(shù)修正來提高同步精度。采集終端對電能表的時(shí)間同步，應(yīng)在自身允許范圍內(nèi)，經(jīng)過主站授權(quán)后，對電能表進(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、終端對時(shí)，電能表對時(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時(shí)；數(shù)據(jù)層采用Oracle，用Spring + Ib

22、atis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)備之間的通信來實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制。圖4 用電信息采集時(shí)間同步系統(tǒng)Fig.4 Time synchronization system for power information collection system 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、事件日期和終端資產(chǎn)號等條件查詢統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)發(fā)生時(shí)鐘超差的終端，并展示對應(yīng)的終端資產(chǎn)號、型號、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)、對時(shí)結(jié)果

23、等明細(xì)，并能夠通過統(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、用戶編號、電能表廠家、事件日期、電能表類型和抄表段號等條件，查詢統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)發(fā)生時(shí)鐘超差的電能表，并展示對應(yīng)電能表的局編號，測量點(diǎn)序號，用戶編號，用戶名稱，抄表段號，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)或全部問題電能表進(jìn)行時(shí)鐘召測和廣播校時(shí)，人工校時(shí)需在現(xiàn)場對時(shí)人工登記功能中進(jìn)行填寫。4結(jié)束語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)不對稱系數(shù)的修正，采用分層結(jié)構(gòu)，自上而下對采集終端和電能表進(jìn)行時(shí)間同步，通過建立用電信息采集時(shí)間同步

24、系統(tǒng)構(gòu)架以及對同步系統(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。參 考 文 獻(xiàn)1 張晶. 用電信息采集系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用M. 北京: 中國電力出版社, 2013, 11-21.2 祝婧, 劉水. 時(shí)鐘同步在用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用J. 電測與儀表, 2016, 53(15A): 157-159.Zhu Jing, Liu Shui. Application of time clock synchronization in power information co

25、llection systemJ. Electrical Measurement & Instrumentation, 2016, 53(15A): 157-159.3 姚力, 陸春光, 胡瑛俊, 徐韜. 用電信息采集系統(tǒng)精確校時(shí)方案研究J. 電測與儀表, 2015, 52(15): 14-18.Yao Li, Lu Chunguang, Hu yingjun, Xu Tao. A precise time synchronization strategy for electricity information acquisition systemJ. Electrical Measurement & Instrumentation, 2015, 52(15): 14-18.4 Dongliang Wang. Xuyang Li. Hongxin Wang. Research and application on the timestramp synchroniza