摘要

　　隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展,我國電為事業(yè)扮演著(zhù)越來(lái)越重要的角色,供電系統的規模逐漸擴大。在大型供電系統中,電網(wǎng)運行狀態(tài)瞬息萬(wàn)變,發(fā)生故障時(shí)需要一個(gè)準確的時(shí)間基準,W方便維護人員進(jìn)行分析。而且近些年智能電網(wǎng)的發(fā)展對電網(wǎng)中的時(shí)間同步提出了更高的要求。基于NTP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )時(shí)間同步系統可W很好地解決電網(wǎng)的高精度對時(shí)和故障分析問(wèn)題。

　　本文在廣泛調研研巧現狀的基礎上,綜合NTP協(xié)議對時(shí)和衛星授時(shí)的基本工作原理,根據其設計要求,結合電力系統時(shí)間同步系統的設計規范,秉承模塊化結構化的設計理念,設計了一套適用于電力系統的基于Linux的網(wǎng)絡(luò )時(shí)間同步系統。該系統支持網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議,具備衛星導航報文和網(wǎng)絡(luò )報文的處理能力,支..

　　持E2E和P2P兩種網(wǎng)絡(luò )連接。系統采用模塊化設計,各個(gè)模塊協(xié)同工作,保證了系統工作運行時(shí)的穩定性與可靠性。本文從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行了詳細的描述。

　　在硬件方面,本文設計的系統包括衛星時(shí)間接收模塊、NTP核也實(shí)現模塊和網(wǎng)絡(luò )時(shí)間輸出模塊H個(gè)部分。其中衛星時(shí)間接收模塊采用GPS/北斗衛星接收機;NTP核也實(shí)現模塊采用ARM與CPLD組合的形式;網(wǎng)絡(luò )時(shí)間輸出模塊采用NTP專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )巧片。系統通過(guò)GPS/北斗衛星接收機采集衛星報文,經(jīng)過(guò)高性能處理器ARM的統一調度和CPLD的專(zhuān)業(yè)化處理,使解析出的系統時(shí)間達到較高精度。另外,本文設計了完善的外圍接口電路,用來(lái)給系統提供驅動(dòng)支持和保護工作,并通過(guò)高精度的溫補晶振設計方案提供自守時(shí)功能。

　　在軟件方面,考慮到Linux系統完全開(kāi)源并完美支持的NTP協(xié)議的優(yōu)點(diǎn),采用在A(yíng)RM處理器中嵌入Linux系統的方案。本文首先基于Linux系統的特性和移植方法進(jìn)行了嵌入式系統的移植,包括U-Boot、內核和根文件系統的替植過(guò)程;其次,對于硬件組成中的模塊進(jìn)行相應的程序設計,具體包括NTP協(xié)議實(shí)現模塊、BOA服務(wù)器模塊、網(wǎng)絡(luò )和串曰通信模塊等軟件的具體實(shí)現方法;最后,本文設計軟件看口狗模塊W保證系統的安全可靠運行。

　　大量的實(shí)驗和測試數據表明,本文設計的網(wǎng)絡(luò )時(shí)間同步系統具有對時(shí)精度高、實(shí)用性強、可靠性好等優(yōu)點(diǎn),滿(mǎn)足了電力《統對于NTP同步時(shí)鐘的要求,具有很好的推廣應用價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：NTP協(xié)議;時(shí)間同步;電力系統;軟硬件設計

ABSTRACT

　　With the social and economic development, China's power industry is playing an increasingly important role, and the scale of the power supply system is gradually expanding. In large power supply system, an accurate time reference of the system failure is needed to facilitate the analysis of maintenance personnel, especially when power operation changing. Furthermore, the development of the smart grid arises with a higher requirement of the time synchronization. The NTP protocol network time synchronization system can be a good solution for time and failure analysis in high-precision grid.

　　Firstly, extensive research situation has been carried out. Then, according to the basic principle of NTP protocol and timing and design requirements of satellites, combined with design specifications of the power system time synchronization system, adhering to the modular design concept, the Linux-based set of network time synchronization system for the power system is designed. The time synchronization system supports Network Time Protocol. The system can process satellite packets and network message. The system also has E2E and P2P two timing patterns at the same time. The system adopts the modular design. Various modules work together to guarantee the stability and reliability of the system. In this paper; both hardware and software aspects is described in detail.

　　On the hardware side, the designed system includes three parts: satellite time receiver module, NTP core implementation module and network time output module.

　　The satellite time receiver module is based on GPS/Compass satellite receiver; the NTP ARM core implementation module is based on the form of a combination between and CPLD module; NTP Network Time output module uses a dedicated network chip. satellite packets is firstly collected by GPS/Compass satellite receiver.

　　And then, through the unified scheduling of high performance processor ARM and the professional processing CPLD, the system time can reach high precision. In addition, the perfect peripheral interface circuit is designed to provide driver support and protection, and through the high precision temperature compensated crystal oscillator design scheme, the Automorphic Functions can be achieved.

　　On the software side, as the open-source Linux system entirely and perfectly supports NTP protocol embedded Linux systems, ARM processors are used in the program. This paper firstly describes the specific methods and procedures of Linux systems transplant; secondly, introduces the NTP protocol specific method module, BOA server modules, network and serial communication modules and other software; finally, gives the software watchdog modules to ensure safe and reliable operation of the system.

　　A large number of experiments and test data show that the designed network time synchronization system can achieve high precision, easy application, good reliability, which will meet the  requirements of the power system for the NTP clock synchronization, and has good application value.

　　Keywords: NTP protocol; time synchronization; power system; hardware and design

　　隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展,電為資源所起到的作用越來(lái)越大;電力資源與人民的生活息息相關(guān),是影響國計民生的基礎性資源。電為資源是現代社會(huì )發(fā)展和國民經(jīng)濟運行的動(dòng)力之源,是社會(huì )和經(jīng)濟運行的總開(kāi)關(guān),在國民生產(chǎn)和生活中起著(zhù)舉足輕重的作用。

　　由于電力系統自身的特點(diǎn),電網(wǎng)運行狀態(tài)瞬息萬(wàn)變,電力的生產(chǎn)和使用都具有瞬時(shí)性,迭種特性決定了電網(wǎng)狀態(tài)變化的快速性,往往在一個(gè)瞬間,電力系統己經(jīng)結束了從一種狀態(tài)向另一種狀態(tài)的轉換,這就要求在電力系統的運行過(guò)程^中,對系統的判斷、決策和拴制等一系列過(guò)程必須控制在一個(gè)很短的時(shí)間內完成,否則就會(huì )引發(fā)電力故障乃至事故。

　　電力系統與時(shí)間密切相關(guān),系統中的電壓、電流W及相位等的參數都是基于時(shí)間的函數P1。隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展,電為系統也在不斷發(fā)展并且它的安全穩定運行對所使用的電力自動(dòng)化設備提出了新的要求W。新興的大型電為系統持別是目前正在快速發(fā)展的智能電網(wǎng)對于系統中的時(shí)間同步提出了更高的標準,要求電為系統中的繼電保護模塊、生產(chǎn)信息管理模塊W及安全穩定控制模塊等基于統一的時(shí)間標準運行,W滿(mǎn)足事件順序記錄、實(shí)時(shí)數據采集和故障分析等時(shí)間一致性的要求。當電為系統采用統一的時(shí)間基準運行時(shí),可以很方便的分析系統的運行狀態(tài),并且當系統運行出現故障時(shí),系統維護人員可以非常方便地按照時(shí)間順序分析各設備的動(dòng)作行為,了解設備間產(chǎn)生故障的原因、先后順序和發(fā)展過(guò)程。

　　在智能電網(wǎng)中,數字化變電站的應用程建設和智能調度技術(shù)將為電為系統的安全與穩定的運行提供更好的保證W。時(shí)間同步系統是電力系統數字化建設中非常重要的一部分,無(wú)論是數字變電站保護設備、監控設備、電子變壓器或者智能開(kāi)關(guān)等都離不開(kāi)同步信息。因此設計開(kāi)發(fā)出一套應用于電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )同步對時(shí)系統,將整個(gè)電網(wǎng)的時(shí)間統一化和標準化,提高電網(wǎng)中的時(shí)間同步分辨率和準確度,對于維護電力系統的穩定和提高電力資源的生產(chǎn)效率都具有十分重大的意義。

　　時(shí)間同步用來(lái)傳輸時(shí)間信號,包括年、月、日、時(shí)、分、秒等信息,使得網(wǎng)絡(luò )上的設各與協(xié)調世界時(shí)之間的時(shí)間偏差在一個(gè)比較小的范圍之內。如果獲得的時(shí)間源是GPS定位系統,時(shí)間信息可W通過(guò)不同的連接傳輸到不同的設備來(lái)滿(mǎn)足其時(shí)間同步的需求。

　　一個(gè)時(shí)間同步系統主要由一個(gè)精準的時(shí)間源、分甄器設備和傳輸鏈路等沮成。對于包含多個(gè)子網(wǎng)的大規模的電為系統,為了實(shí)現整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的時(shí)間同步,系統設備之間應該采用主從結構的設置。在主從結構中,首先并且起到最重要作巧的是精準時(shí)間信息的獲取。在通常的網(wǎng)絡(luò )中一般使用GPS接收機來(lái)提供精準時(shí)間信息,并且一級時(shí)間服務(wù)器和GPS接收機直接相連,通過(guò)時(shí)間信號直接傳輸技術(shù),接收GPS接收機提供的時(shí)間戳并將時(shí)間傳輸給網(wǎng)絡(luò )中的其他設備或者二級服務(wù)器。二級服務(wù)器接收一級服務(wù)器提供的時(shí)間信息,完成時(shí)間信息分配和協(xié)議轉換功能,將時(shí)間信息傳輸給下級服務(wù)器,這樣便實(shí)現了時(shí)間同步的主從層次結構。通常一級時(shí)間服務(wù)器叫做主時(shí)間服務(wù)器,二級或更下級的時(shí)間服務(wù)器叫做從時(shí)間服務(wù)器。

　　GPS　(全球定位系統)可以實(shí)現全球的實(shí)時(shí)H維導航和全面的衛星導航定位功能,全天候、高精度、自動(dòng)化和高效率是它的重要特性,可在全球范圍內提供時(shí)間和導航功能。GPS用戶(hù)在世界上每個(gè)角落利巧低成本的GPS接收機可以接受衛星信號,經(jīng)過(guò)解析,可1^1獲得精確的定位信息和時(shí)間信息,包括同步時(shí)間尺度和標準時(shí)間韓度、經(jīng)度、高度和用戶(hù)鐘與它的時(shí)間偏差。北斗導航衛星系統(指南針)是由中國自主發(fā)展、獨立運營(yíng)的全球導航衛星系統。該系統是為用戶(hù)提供精度高、可靠性高的衛星導航和定位,目前已應用于個(gè)人位置服務(wù)、氣象應用、交通管理和應急救援等多個(gè)領(lǐng)域,是一個(gè)非常優(yōu)秀的系統W。

　　電為系統通信網(wǎng)絡(luò )是基于有線(xiàn)傳輸的網(wǎng)絡(luò ),主要負責數字信息的傳輸。目前情況下,電力系統的對時(shí)方案根據電網(wǎng)大小程度的不同可分為編碼對時(shí)方式、脈沖對時(shí)方式和網(wǎng)絡(luò )對時(shí)方式。毎一種對時(shí)方式都有其獨特的特點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò )時(shí)間同步系統設計開(kāi)發(fā)（Linux+NTP協(xié)議）：

系統機箱實(shí)物圖

系統測試連接示意圖

系統測試的實(shí)物圖

進(jìn)行系統的網(wǎng)絡(luò )地址配置

配置成功界面

利用BOA服務(wù)器重啟Linux系統提示

目錄

　　摘要
　　ABSTRACT
　　第一章 緒論
　　　　1.1 課題的研究背景及意義
　　　　1.2 電網(wǎng)對時(shí)系統的研究現狀
　　　　1.3 課題的來(lái)源
　　　　1.4 論文主要內容及組織結構
　　第二章 NTP協(xié)議對時(shí)及衛星授時(shí)原理簡(jiǎn)介
　　　　2.1 NTP協(xié)議介紹
　　　　2.2 NTP協(xié)議基本原理
　　　　　　2.2.1 NTP協(xié)議的對時(shí)原理
　　　　　　2.2.2 NTP的對時(shí)算法
　　　　2.3 NTP協(xié)議誤差分析
　　　　2.4 衛星授時(shí)原理簡(jiǎn)介
　　　　　　2.4.1 GPS定位與授時(shí)
　　　　　　2.4.2 北斗衛星授時(shí)原理簡(jiǎn)介
　　　　2.5 本章小結
　　第三章 網(wǎng)絡(luò )時(shí)間同步系統整體設計
　　　　3.1 系統概述
　　　　3.2 系統工作流程介紹
　　　　3.3 本章小結
　　第四章 系統硬件電路設計
　　　　4.1 GPS/北斗時(shí)間接收處理模塊原理與硬件設計
　　　　4.2 電源模塊電路設計
　　　　4.3 NTP協(xié)議實(shí)現模塊硬件電路設計
　　　　　　4.3.1 核心處理芯片簡(jiǎn)介
　　　　　　4.3.2 電源電路簡(jiǎn)介
　　　　　　4.3.3 時(shí)鐘電路簡(jiǎn)介
　　　　　　4.3.4 復位電路簡(jiǎn)介
　　　　　　4.3.5 NORFLASH接口電路簡(jiǎn)介
　　　　　　4.3.6 SDRAM電路簡(jiǎn)介
　　　　4.4 精確時(shí)間輸出模塊設計
　　　　4.5 本章小結
　　第五章 系統軟件設計
　　　　5.1 嵌入式Linux系統介紹
　　　　5.2 嵌入式Li~系統移植
　　　　　　5.2.1 BootLoader移植
　　　　　　5.2.2 Linux內核移植
　　　　　　5.2.3 根文件系統制作
　　　　5.3 系統程序實(shí)現方案簡(jiǎn)介
　　　　5.4 串口通信程序實(shí)現
　　　　5.5 NTP協(xié)議實(shí)現模塊程序設計
　　　　5.6 NTP網(wǎng)絡(luò )數據處理程序設計
　　　　　　5.6.1 NTP網(wǎng)絡(luò )數據處理初始化
　　　　　　5.6.2 NTP網(wǎng)絡(luò )報文處理
　　　　5.7 看門(mén)狗監控程序設計
　　　　5.8 BOA服務(wù)器模塊設計
　　　　5.9 本章小結
　　第六章 系統測試與分析
　　　　6.1 系統測試平臺搭建
　　　　6.2 BOA服務(wù)器使用測試
　　　　6.3 NTP授時(shí)精度測試
　　　　　　6.3.1 客戶(hù)端與服務(wù)器直連測試二
　　　　　　6.3.2 接入交換機進(jìn)行測試
　　　　6.4 本章小結
　　第七章 總結與展望
　　　　7.1 本文主要工作
　　　　7.2 下一步工作展望
　　參考文獻
　　致謝