计算机系统应用 lattp://www.c-S—a.org.cn 201 1年第20卷第3期 电网卫星驯l服时钟的网络时间同步服务器设 杨 ,单庆晓2,肖昌炎 ,邢薇 (湖南大学电气与信息工程学院,长沙410082) 2f国防科技大学,长沙410073) 摘要:在分析网络时间同步协议的基础上,设计了一种ARM+FPGA的网络时间同步服务器。研究了用卫星勘 服时钟的方法解决了网络时问服务器中时钟源精度不高,易受干扰的特点,采用了PI调节器的时钟- ̄llN模型。 通过实验测试,该服务器可满足对电力系统二次设备的同步授时。 关键词:电力系统:卫星驯服时钟;网络时间同步 Design of Network Time Synchronization System Based on Network Satellite Disciplined Clock YANG Jin—Tao ,SHAN Qing-Xiao ,XIAO Chang—Yan ,XING Wei (College ofElectrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China) (National Defense Universiyt,Changsha 410073,China) Abstract:In this pape ̄the design of an ARM+FPGA for network time synchronization server analysed the network time synchroniaztion protoco1.Researching use satellite clock solution to tame a network time server,tackled clock accuracy is not high and susceptible to interference characteristics,using PI regulator clock model Experimental results ofthe server can satisfy the power system synchronous timing ofsecondary equipment. Keywords:power system;satellite disciplined clock system;network time synchronization l 引言 本文在研究时间同步协议的基础上,针对网络时 电力系统的安全稳定运行对电力自动化设备提出 间同步服务的要求,研究了一种基于ARM+FPGA嵌 了新的要求,特别是对时问同步,要求继电保护装置、 入式系统的网络时间同步服务器,并采用PI算法对卫 自动化装置、安全稳定控制系统、能量管理系统(EMS) 星授时接收机进行了时钟驯服,实验研究表明基于 和生产信息管理系统等基于统一的时问基准运行,以 ARM+FPGA嵌入式系统的网络时间同步服务器抗干 满足事件顺序记录(SOE)、故障录波、实时数据采集时 扰能力强,授时精度高,可移植性强等显著优点。 间一致性要求,确保线路故障测距、相量和功角动态 监测、机组和电网参数校验的准确性,以及电网事故 2电网卫星时钟驯服 分析和稳定控制水平,提高运行效率及其可靠性[1,21。 2.1电网卫星时钟¥11N原理 网络时间同步服务器中的时钟源采用卫星授时接收机 电网卫星时钟驯服的基本原理是利用卫星授时接 提供标准时间信号,因为卫星授时接收机输出的秒脉 收机提供的固定频率信号,与本地振荡器产生的振荡 冲信号存在较大的随机误差,而且当卫星系统被干扰 信号进行比对,获得频率差;再通过对本地振荡器的 不能正常使用时,需要继续提供高精度频率和时间信 调节,使振荡频率与卫星的振荡频率基本一致。在频 号输出,以维持系统的正常工作,所以需要利用本地 率调制过程中,还需要对本地振荡的相位进行补偿, 振荡器对卫星时钟进行驯服【3 】。 使本地振荡器输出的分频秒信号与接收机输出的秒信 ①收稿日期:2010.07 ̄8;收到修改稿时间:2010.08.11 94研究开发Research and Development 20 1 1年第20卷第3期http:l/www.C-S-a.org.cn 汁算机系统应用 号差值在一定范围内。 1.2时钟驯服模型的建立与实现 : :: :: : ± .: X )S‘+K Ki ・S+Ki‘ 卫晕授时接收机输出的lPPS与本地分频输出 的1PPS进行数字鉴相;鉴相的结果送入调节器,调 节器根据鉴相得结果可以得到频率差,或者采用反 可见该传递函数是一个典型的2阶系统,具有两 个极点和一个零点,分母可以表示为 + ・ ・5 ,・ 馈控制的方法,得到调节量;该调节量对本地频率 源的频率进行调整,这是一个反馈控制系统,采用 PI控制可获得较好的调节效果。本设计采用PI调节 当系统构建好后,KF基本确定:KP主要控制跟踪 的快速响应,K 越大,则阻尼系数越大,其跟踪越快, 超调量越小;Ki主要控制跟踪的稳态误差, 越大, 器实现相位补偿和频率校正,从而完成时钟的驯服。 PI调节器是一种反馈调节器,可自动的实现频率的 锁定,具有很好的跟踪性能。因为采用了积分控制, 所以可以有效消除累计的相位误差。为了提高跟踪 性能,本文提出了自适应调节比例系数和积分系数 的方法。在频率校准阶段,采用较大的比例系数, 增强系统的快速跟踪能力,当系统稳定跟踪后,调 节比例和积分系数,降低脉冲抖动对系统的影响。 通过这种方法可以使本地时钟的频率能快速而又可 靠地捕捉和跟踪外部时间基准频率,并且可以有效 滤除外部基准的瞬态抖动。 当采用PI控制时,PI调节器根据数字鉴相器输出 的鉴相值产生调节电压,在该调节电压下,根据PI调 节器的特性,本地输出的1PPS会逐步跟踪卫星的 1PPS,如卫星的1PPS稳定,则最终的相位误差为零。 当本地的1PPS锁定卫星的1PPS后,其频率也得到了 校准。控制系统框图如图1 ( ):。… .1 十笠 一一 一— . 一 r( 图1 卫星驯服高稳晶振系统模型 图l中,E(S)为得到的相位差;KP为比例系数; Ki为积分系数;V(S)为比例积分器的输出量。对于压 控的OCXO而言,输入的电压与输出的频率有一个比 例关系,则可认为分频则相当于一个积分环节,输出 的Y(S)表示相位。根据框图求此2阶系统的传递函数, 可得 1 IX(S)一 } )母 = 则谐振频率越高,达到稳态值的振荡次数越多。 1.3时钟驯服的硬件设计 设计时钟驯服硬件电路时,整形芯片选用Linear Technology公司的LTl7l9,该: 片是采用最优化的 生产工艺技术制造的4.5ns高速双电源比较器,采用 轨对轨的输出方式,可在低电压条件下正常工作, 特别适用于输入信号缓慢变化的应用场合,轨对轨 输出可保证其与TTL和CMOS信号直接接口,而平 衡输出则可使其方便地应用于模拟或单电源逻辑电 平的转换方面。而D/A转换芯片选用TI公司的 DAC75 12,该芯片是一款低功耗单片12位数模转换 器,用来将FPGA输出的频率控制信号转化为对 OCXO压控端的电压模拟信号。在本系统设计中, 我们选用ICS公司的ICS50l倍频芯片将整形后的晶 振输出频率倍频到30MHz,为系统提供高质量高频 率的时钟。该芯片不仅可以满足多种时钟的要求, 而且在调试中可以灵活地改变时钟频率,满足调试 时对不同频率的要求,方便系统调试。 2 网络时间同步协议分析 计算机、网络中传递时间的协议主要的有3钟: 时间协议(Time Protoco1)、日时协议(Daytime Protoco1) 和网络时间协议NTP(Network Protoco1)。目前,NTP 是各行业中应用最普遍的网络时间协议。通过NTP协 议建立的网络时间同步系统在电力系统的二次设备授 时中应用很广泛【6】。 NTP是基于TCP/IP的一种时间传递协议,其 精确度可达到500ms。NTP主要有2中工作方式: NTP广播方式和NTP客户/N务器方式,后者的时 间精确度高一些。同步过程如下:客户端首先向时 Research and Development研究开发95 计算机系统应用 http://www_c_S.a_org.cn 201 1年璃2O卷第3期 间服务器发送一个NTP数据包,这个数据包被打 所用的的ARM芯片为Samsung公司推出的16/32 上发送时的客户端本机时间标签A,服务器接收到 位的RIA SC处理器,它的低功耗、精简和出色的全静 这个数据包后也向客户端发送一个NTP数据包, 态设计‘特别适用于对成本和功耗敏感的应用。FPGA 这个数据包中含有3个时间标签:服务器接收到客 芯片使用的足Xilinx公司的Spartan3系列的 B 户端NTP数据包时的时问标签B、服务器发出NTP XC3S1000。该器件采用高速CHMOS工艺,功耗低,图 数据包时的时问标签C、客户端NTP数据包中原有 可与CMOS、TTL电平兼容,并且采用FT256封装,2 的时间标签A,客户端接收到这个数据包后也打上 拥有391个可用I/O口和17280个逻辑宏单元及丰富 一个本地 问标签D,根据这4个时问标签就可以 的触发器。 算出服务器与客户端的传输时延和时钟偏差,传输 延时d:(B+D.A.C)/2,赶 ・ 偏差 一( C.A.D)/2。如 4实验结果 图2所示 时钟驯服的参数设置如下:比例环节K 。=16, KP2=1.6,f<o.25;积分环节Kil=O.0625,Ki2=0.0125, / £=0.25。系统跟踪情况如图4所示,图中纵坐标的 单位为lOOns,可见系统在启动600s左右完成了频 率校准,800s以后进入了频率锁定。当时钟驯服以 后就可以进行网络同步精度的测试,测试过程为: 授时原理图 在时钟驯服完成以后,NTP服务程序与卫星时钟进 行同步,成功同步以后,服务器的系统时间就是所 3 基于ARM+FPGA时间同步服务器的实现 期望的UTC时间,接着服务器发送同步报文给客户 3.1 ARM与FPGA的接口电路 端,客户端与服务器时钟同步成功以后,整个网络 删与FPGA的接口电路如图3所示,FPGA芯 处于正常运行状态,这时服务器(主时钟)与客户端 片Spartan3接收卫星授时接收机发送的卫星信号,同 (从时钟)通过硬件中断的方式在整秒时刻向测试比 时调用时钟驯服模块对本地频率源(ocxo)进行时钟 对设各发送一个脉冲,测试比对设备使用芯片外部 驯服,将高精度的频率和时间信号通过串口送到ARM 的2只捕获引脚并行记录脉冲上升沿到来的时问, 芯片¥3C2410A中,¥3C2410A中移植了Linux操作系 获得两个上升沿到来时刻的时间并计算两者之差0 统,Linux操作系统根据接收的标准时问信息改变系统 n,然后通过串口将0 11发送到上位机(PC机)。所得 本身时间,同时调用NTP同步协议模块,通过网络接 波形图如图5所示,从波形图可以看出系统的时钟 口提供网络时间同步服务。 同步精度在500ms以内,可满足电力系统二次设备 卫星授时 S3C 2410A 对时间的精度要求。 接收机 5结论 网络时间I网络 接口 固 本文提出的ARM+FPGA的网络时间同步服 ocXO 务器,可应用于电力系统二次设备的同步授时, 墙O 采用PI算法的卫星时钟驯服模型可以很好地解决 ^ 电源及其他部分 — ICS 5叭 当卫星系统被干扰不能正常使用时,需要继续提 供高精度频率和时间信号输出,以维持系统的正 图3 ARM+FPGA接口原理图 常工作的情况。经过实验测试,系统能长期可靠, 稳定运行。 96研究开发Research and Development 2011年第20卷第3期 http://wwx ̄ c—S—a.org.cn 汁算机系统应用 参考文献 Ⅲ 0 ㈣ 。 锄 ㈣ m Ⅲ 1于跃海,张道农,胡永辉,等.电/J系统时间同步方案.电力系 三 0 蚝 统自动化.2008,32(7):82—86. 2章晋龙.广东电嘲同步网络优化 j应用研究.电力系统通信, 2006,27(1 59):18—21. 亘 面 仨 3曾祥君,尹项根,林干,等.品振信l 同步GPS信号产生高精 度时钟的方法及实现.电力系统自动化,2003,27(8):49--53. L0 lT 曲n 800 l∞0 曲 i∞O :i;! 对间 4郭向阳,赵振杰.自适应驯服铷钟的实现.飞行器测控学 报,2006,25(4):83—86. 图4实验系统跟踪情况 5李展,张莹,周渭.基于单片机和GPS信号的校频系统.时间 频率学报,2005,28(1):68--75. 6杨国庆.网络时间同步在电力系统的应用.华东电力, 2007,35(4):229--331. 7毛德操,胡希明.嵌入式系统一一采用公开源代码和 StrongARM/Xscale处理器.杭州:浙江大学出版社,2003.35 —37. 8田泽.嵌入式系统开发与应用实验教程.北京:北京航空航 天大学出版社,2004.26—29. 9孟宪元,钱伟庚,等.FPGA嵌入式系统设计.北京:电子工业 图5 NTP服务器与客户端时钟同步测试曲线 出版社,2007.37--40. (上接第89页) 6 Sorkine O.Differential representations for mesh processing. 14谢和平,薛秀谦.分形应用中的数学基础与方法.北京:科学 Computer Graphics Forum,2006,25(4):789--807. 出版社.1994:99--106. 7 Wei LY,Evory ML.Texture synthesis over arbitrary manifold 15张聿,金耀,孙家武,等.基于L系统的织物分形组织设计方 surfaces.Computer Graphics(SIGGRAPH 01 Proceedings), 法.纺织学报,2007,28(5):5 1--54. 2001,(8):355--360. 1 6 Kass M,Witkin A,Terzopoulos D.Snakes:Active contour 8 Blinn JF,Newell ME.Texture and reflection in computer Models.International Journal of Computer Vision,1987, generated images.Communications of the ACM,1 976,l 9: 542——546. 1(4):321--331. 9薛峰,张佑生,江巨浪,胡敏.~种快速、有效的纹理合成方法. 1 7 Paragios N.Deriche R.Geodesic active contours and level 合肥工业大学学报,2005,28(1 1):1361—1364. sets ofr the detection and tracking of moving objects.IEEE 1O阎平凡,张长水.人工神经网络与模拟进化计算.北京:清华 Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 大学出版社,2002.17—22. 2000,22(3):266--280. 1l Barnsley MlF-Demoko S.Iterated function systems and the 1 8 Barbe AM.Artistic Design with Fractal Matrices.The Visual global construction of fractals.Proc.Roy.Soc.Lond,1985, Computer,1993,(9):233--238. A 399:243--275. 1 9 Arnold VI,Avez A.Ergodic problems of clssical Mechanics. 1 2 Lindenmayer A.Mathematical models for cellulra interaction in development,Parts l and part 2.Journal of Mathematic physic monograph series.New York:Benjamin Theoretical Biology,1968,18:280--315. W.A.INC.1968. 1 3 Prusinkiewicz Hammel M,Mjolsness E.Animation of plant 20齐东旭,邹建成,韩效宥.一类新的置乱变换及其在图像信 development.Computer Graphics,1 993,7(3):35 l一360. 启、隐藏中的应用.中国科学(E辑).2000,30(5):440--447. Research and Development研究开发97