混合時鐘同步技術在船舶電力系統同步相量測量中的應用研究

王黎明+閆曉玲+卜樂平

收稿日期：2013-03-26

基金項目：國家自然科學基金項目（61101206）

作者簡介：王黎明（1978—），男，山東萊陽人，副教授,博士，研究方向：智能控制，網絡通信等相關。

文章編號：1003-6199(2014)02-0052-05

摘 要：針對船舶電力系統相對于陸地廣域電力系統的不同特性，分析傳統時鐘同步方法對于船舶同步向量測量單元（SPMU）的局限性，采用一種基于IEEE1588協議的衛星時鐘同步與局域網時鐘同步相結合的混合時鐘同步技術實現SPMU的時鐘同步，通過實驗對同步偏差性能進行測試，結果表明時鐘同步偏差維持在±500ns以內，可以滿足電力系統對電力參數測量的同步精度要求。



關鍵詞：電力系統; 時鐘同步; SPMU

中圖分類號：U665文獻標識碼：A

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Research on Hybrid Clock Synchronization Technology Used in Phasor Measurement of Ship Power System



WANG Liming, YAN Xiaoling, PU Leping

(Electric and Information College, Naval Engineering Univ., Wuhan,Hubei 430033,China)

Abstract:Contrast to terrestrial widearea power system, the ship has many different characteristic; as a result, traditional clock synchronization method is not fit for ships power system. According to the problem, the article proposed a method based on IEEE1588 protocol for the clock synchronization scheme of SPMU, this method mixes satellite clock synchronization and localarea network clock synchronization. By synchronization offset capability experiment using the new method, it has been confirmed that its offset is less than ±500n, which could meet the accuracy requirement of power system synchronization parameter measurement.



Key words:power system; clock synchronization;SPMU



1 引 言

隨著船舶綜合電力技術的不斷發展，船舶電力系統穩定運行需要通過分布式系統來獲得深層次的能量調度及動態監控。分布式系統實現統一調度和精確控制的核心是各個節點在統一的時間系統下同步運行，因此如何同步各個節點的時鐘對于分布式系統的功能實現來說具有決定性的作用。船舶同步相量測量單元（SPMU）可為船舶的分布式系統的實時調度與動態管理提供精確、實時、同步的電力系統原始狀態參數，完成各個節點的時鐘同步。

2 混合同步方案在艦船電力系統同步相量

測量單元中應用分析

從時鐘同步實現的機制上主要分為硬件時鐘同步、軟件時鐘同步和混合時鐘同步三種方式。硬件同步是借助衛星時間信號接收機（如GPS、北斗、GLONASS接收機）或各網絡節點都聯入專用的時鐘信號線進行時鐘同步，硬件同步精度很高，但成本很高、操作不便；軟件時鐘同步是指利用時鐘同步協議和相關算法在同步域內進行的時鐘同步，軟件同步的程序復雜，而且同步報文在網絡上的延遲時間受環境影響較大，而且軟件同步的精度隨著時間的增加逐漸降低; 混合時鐘同步方式是指將軟、硬件時鐘同步的優點結合起來，形成一種綜合方案。

船舶電力系統同步相量測量單元的應用對象艦船電力系統不同于陸地廣域測量系統（WideArea Measurement System, WAMS）的應用對象陸地廣域電力系統，船舶電力系統是小區域的獨立系統。目前的廣域測量電力系統為保證電力參數的同步測量給每個SPMU單獨配置一個衛星時鐘接收模塊(如GPS、北斗、GLONASS)。但船舶電力系統的發電設備、配電設備、母線等布設在艦船的底層，而且由于艦船空間狹小、布線密集，每個SPMU測量點都配備衛星時鐘接收模塊是沒有辦法實現的。因此需要采用基于局域網的時鐘同步方式，傳統的基于廣域網的時鐘同步協議NTP、SNTP，所需的設備簡單，精度較低只能達到毫秒級，難以滿足IEC61580標準T5等級對計量精度達到±1μS的要求。而在局域網內應用IEEE1588協議可以達到亞微妙級的時鐘同步精度。此外與針對廣域網絡時鐘同步協議不同，PTP協議是針對小型的同構或異構網絡而設計的，它特別適合于工控和測量環境。

計算技術與自動化2014年6月

第33卷第2期王黎明等:混合時鐘同步技術在船舶電力系統同步相量測量中的應用研究

根據船舶電力系統的特點，可以將其抽象化為一個局域網拓撲結構模型，考慮到艦船電力系統的結構上的特性以及對時間精度的要求，本文采用基于IEEE1588協議的衛星時鐘同步與局域網時鐘同步相結合的混合時鐘同步技術作為艦船同步相量測量系統的時鐘同步方法。

3 基于局域網的時鐘同步協議

IEEE1588(the Precision Time Protocol 簡稱為PTP)是精密網絡時鐘同步協議的國際標準，最初，PTP協議是被設計為專門針對基于工業以太網的傳感器與作動器所組成的小規模局域網上采用的一種時鐘同步協議，它的開發重點在高精度與高性能。由于PTP是針對相對穩定和安全的局域網環境設計的，所以更為簡單，占用的網絡和計算資源也更少，甚至可以在嵌入式計算機系統中使用。

PTP定義了一個在測量和控制系統中，與網絡通信，本地計算和分配對象有關的精確時鐘同步協議，該協議適用于任何滿足多點通信的分布式控制系統，對于采用多播技術終端的時鐘可實現亞微秒級同步。支持PTP協議的時鐘同步域包括多個節點，每個節點代表一個時鐘，時鐘之間通過網絡相連接，并由網絡中最精確的時鐘以基于報文的傳輸方式同步所有其他時鐘。PTP協議的核心內容是如何在一個同步域內選擇最佳的主時鐘以及從時鐘如何與主時鐘保持同步。

3.1 IEEE1588時鐘同步模型

IEEE1588協議采用了P/S (發布者/接收者)模式。主時鐘作為時間信息發布者，從時鐘作為接收者。PTP同步主要可以分成兩個階段：①主從時鐘的確定；②從時鐘依據主時鐘調整本地時鐘。在同步開始之后，由最佳主時鐘算法(BMC)比較同步域中所有時鐘的狀態，從而確定同步域中的主時鐘。同步過程是由時鐘偏移測量和網絡延遲測量2個階段組成。在IEEE1588V1版本中，這兩個測量階段是一個整體過程，只是從邏輯上加以區分。

第一階段：偏移測量階段，修正主時鐘和從時鐘之間的時間偏差。如圖1所示，主時鐘周期性（一般為2S）地向從時鐘發送Sync報文，主時鐘記錄報文的準確發送時間tm1。從時鐘在收到Sync報文后記下報文的精確到達時間ts1。主時鐘隨后發送攜帶tm1的Follow_Up報文。

圖1 PTP時鐘同步模型

第二階段：延遲測量階段，測量主從時鐘之間的鏈路延遲。從時鐘向主時鐘發送一個延遲請求Delay_Req報文，同時記錄該報文的精確發送時間ts2。主時鐘記錄延遲請求報文到達的準確時間tm2，然后在延遲請求響應報文Delay_Resp中把ts2回發到從時鐘。假定傳輸路徑是均勻對稱的，即TD1=TD2。根據ts1、ts2、tm1、tm2由下面公式計算出報文的傳輸延時TDelay和主從時鐘偏差TOffset。

TD1=TD2=(Ts1－Tm1)－(Ts2－Tm2)2 (1)

TOffset=(Ts1－Tm1)+(Ts2－Tm2)2 (2)

在PTP協議中一個主時鐘同步多個從時鐘，因此主時鐘需要處理大量的Delay_Req報文，如果Delay_Req報文都在集中在某一時刻到達主時鐘，則勢必造成丟包或者擁塞致使主時鐘無法響應所有從時鐘的報文，因此在接收Follow_Up報文后隨即延時一短時間在發送Delay_Req報文，這樣就可以避免所有從時鐘的Delay_Req報文集中到達主時鐘，使得主時鐘可以分別處理不同從時鐘的請求，這樣可以大大提高主時鐘的處理效率，最大程度的避免丟包和擁塞現象的出現。因此延遲測量是不規則進行的，其測量間隔時間為4~60S之間的隨機值。

3.2 對IEEE1588時鐘同步模型延遲測量方法的改進

由上文可知，基于IEEE1588時鐘同步模型，其平均網路延遲時間的測量需要用到同步信息包Sync獲得的時間信息，而且只能測量主時鐘與從時鐘之間的平均網路延遲時間。在網絡狀態發生改變致使主時鐘發生改變時，就必須重新進行平均網路延遲時間的測量，在新的主時鐘到達穩態之前會引入較大的誤差。



圖2 對等延遲測量機制

針對上述問題，文章增加了一種專門用于測量兩個端口間平均網路延遲時間的獨立消息模式，叫做點對點延遲請求。這種模式可以測量同步域中任意兩點之間的平均網路延遲時間，而且可以在任意時刻進行任意次的測量。改進后的測量網絡延遲的機制與之前相比，不需要與同步過程配合使用，是一個獨立的測量過程。這種機制意味著鏈路的兩個末端端口已知鏈路延時，它允許網絡重新配置時立即校正路徑長度。因此可以進行多次測量求平均值，以得到更精確的網絡延遲時間。而且在同步域中的主時鐘發生改變時不需要重新測量，可以直接使用預先測量的從時鐘與新主時鐘之間的點對點平均網路延遲時間。

對等延時機制只能在普通時鐘、邊界時鐘或點對點透明時鐘的兩個固定的端口之間測量傳播延時，因此與延遲—響應機制不同，對等延時機制的消息是不可以跨越端口傳播的。

對等延時鏈路測量的測量過程如圖2所示：首先由測量端口A向被測端口 B發送 Pdelay_Req報文，并記錄發送的精確時刻t1，端口B記錄接收到Pdelay_Req報文時的精確時刻t2。接下來端口B發送Pdelay_Resp報文到端口A，并記錄精確發送時刻t3，端口A記錄接收到Pdelay_Resp報文的精確時刻t4。端口B在發送完Pdelay_Resp報文后，緊接著將t2與t3的差值Δt (Δt = t 3 - t 2 )打包進Pdelay_Res p_Foll ow_Up報文并發送給端口A。

記從端口A到端口B的延遲時間為：

TAB=t2-t1 (3)

記從端口B到端口A的延遲時間為：

TBA=t2-t1 (4)

假設從端口A到端口B以及從端口B到端口A的平均網路延遲時間相等，即TAB =TBA,則端口 A與端口 B間的網路延遲時間 t為：

 t=(TAB +TBA)/2(5)

將(3)和(4)帶入(5)得：

t=(t4-t1-Δt)/2(6)

3.3 基于IEEE1588新增的時鐘模型

傳統的IEEE1588時鐘同步模型僅僅是普通時鐘和邊界時鐘，邊界時鐘是為了支持PTP協議在包含多個子網的的網絡內應用而建立的。一個典型的邊界時鐘應該包含兩個以上的端口，其中一個用做上游時鐘的從時鐘，另一個用作下游時鐘的主時鐘。

由于在同步域內多重私服時鐘校正和多級邊界時鐘的級聯的累積會極大的降低系統的同步精度。為了避免上述情況的發生，論文中引入了兩種透明時鐘模型，即點到點透明時鐘和端到端透明時鐘，透明時鐘測量PTP消息經過設備的時間并將此信息提供給接收次PTP消息的時鐘，因此，可以將透明時鐘傳播鏈路看做一條不會引入時間偏差的“傳輸線”。1）端到端透明時鐘

端到端透明時鐘（E2E TC）點到點透明時鐘與端到端時鐘不同，它不僅測量通過透明時鐘的時間，但是不校正透明時鐘到接收PTP消息的時鐘之間路徑的傳播延遲，對普通網絡信息包不做任何處理讓其正常通過， 但對于 PTP事件信息包則將接收端口到發送端口的時間延遲累加到信息包中的時間修正域中，以補償 PTP 信息包通過端對端透明時鐘造成的延遲誤差。端到端透明時鐘使用延遲—響應機制而不使用對等延遲機制。校正模型如圖4所示。

圖3 延遲-響應鏈路延遲測量機制與對等

延遲測量鏈路延遲機制的對比



圖4 端到端駐留時間校正模型

2）點到點透明時鐘

點到點透明時鐘與端到端時鐘不同，它不僅測量通過透明時鐘的時間，而且也校正透明時鐘到接收PTP消息的時鐘之間路徑的傳播延遲， 點對點透明時鐘是專門針對采用對等延遲機制網絡延遲測量方法建立的，它能夠自動測量每個端口與所連接的端口間的網絡延遲， 并在每次接收到 PTP事件信息包時將接收端口的路徑延遲時間和端口間時間延遲累加到時間修正域，以補償從數據源到點對點透明時鐘出口的時間延遲。點到點透明時鐘使用對等延遲機制來測量主從時鐘之間的延遲，校正模型如圖5所示。

圖5 點到點駐留時間校正模型

3.4 SPMU同步方案總體結構設計

本文設計的船舶電力系統同步相量測量單元時鐘同步方案總體結構如圖6所示，方案采用了分布式體系結構，將艦船電力系統劃分為若干個同步域，每個同步域由互為備份的兩個NMC和若干SPMU構成。同步域在物理上以布設若干個SPMU的艦船供配電區域的形式存在。



圖6 混合時鐘同步模型總體結構圖

時鐘同步方案采用混合時鐘同步方案。同步域內的時鐘同步過程在邏輯上分為兩個過程，首先由衛星時間信號接收設備同步每個同步域內的NMC，然后NMC通過PTP協議同步其所在同步域內的SPMU，但實際上兩個過程是并行運行的。為保證系統穩定工作，每個子網還配有一個備用的NMC，兩個NMC是互為備份的關系，正常工作時，處于備用的NMC作為一個偽從時鐘不斷接收NMC的時間信號，當備用NMC接收到的來自當前工作主時鐘的同步信號發生異常時，可認為當前NMC出現了故障，備用NMC自動切換到工作模式。

3.5 基于混合時鐘的SPMU實驗

NMC和SPMU在其本地時鐘的整秒時刻向偏差測量設備發送一個高電平脈沖，偏差測量設備在開機1min后啟動捕獲兩個PPS脈沖的到達時刻的功能，并計算兩個脈沖到達時刻之差ΔT，樣本數據保存在一個長度為2000數組當中，當數組填滿后，偏差測量設備停止捕獲PPS和計算工作，將樣本數據通過以太網發送到上位機，為防止數據丟失，測試結束后將樣本數據備份到本地SD卡上。

圖7 偏差樣本隨時間變化曲線

本文對測試開始1min后的2000個樣本進行了統計，其中單個偏差樣本的平均獲取時間為1S，圖7反映了偏差樣本隨時間的變化情況，從測試結果可以看出雖然測試過程中存在隨機出現的偏移幅值較大的噪聲點，但是總的偏差值可以維持在±500ns以內。偏差樣本數據的分布直方圖如圖8所示，可以看出偏差值的分布基本上滿足正態分布。說明偏移樣本是可信的。



圖8 偏差樣本分布直方圖

表1給出了對測試樣本的詳細統計，統計結果顯示系統的平均偏差以96ns為基準上下波動。樣本一階矩的統計結果在500ns以內的性能滿足電力系統對時鐘同步達到亞微妙的要求［3，4］。說明本文提出的同步測量方法是合理且可行的，但是從樣本方差的統計結果也可以看出樣本的方差性能不夠理想，說明樣本的波動比較大，有待進一步改善。

表1 SPMU軟件功能列表

統計內容

測試及統計結果

單位

樣本的數量

2000

個

樣本最大值

1330

ns

樣本的均值

291.12

ns

樣本的方差

100917.73

—

由于本文實現PTP精確時鐘同步協議是RTOS平臺的系統任務中實現的，且PTP任務在NMC和SPMU中均不是最高優先級響應的任務，因此RTOS任務調度必定引入了一個固定延遲量的系統響應誤差。其次，PTP主從時鐘之間的報文交互均要經過TCP/IP協議棧，因此，進出協議棧也將帶來一定延遲。同時，NMC和SPMU晶振的精度和穩定度，以及主從時鐘之間線路延時的波動，以及LM3S8938的主頻限制也是造成同步偏差的原因。經過上述分析，可以粗略的得出如下提高同步精度的方法：

1)在NMC和SPMU上選用恒溫晶振；

2)購買定制的RTOS和商用TCP/IP協議棧，以保證報文進出的延時；

3)采用雙CPU系統實現，將PTP任務獨立于其他系統應用；

4)換用更高主頻的處理器；

5)需用帶有硬件時鐘頻率補償單元的處理器；

6)增加頻率補償單元。

參考文獻

［1］ 馬偉明．艦船動力發展的方向［J］．海軍工程大學學報，2002， (6)：1-9．

［2］ 馮源．艦船電力系統同步相量測量技術研究［D］．武漢：海軍工程大學，2007．

［3］ 陳丹丹．艦船電力系統監控網絡性能研究［D］．武漢：海軍工程大學，2010．

［4］ PHGDKE G G．Synchronized phase measurements in power system［J］．IEEE Computer Applications in Power，1993，6(2)：42-47．

［5］ WILSONR E．Methods and Uses of Precise Time in Power System［J］．IEEE Trans on PWRD，1992，7(1)：126-132．

［6］ PHADKE A G．Synchronized phasor measurements in power systems［J］．IEEE Computer Applications in Power，1993，62(4)：10-15．

［7］ 許樹楷，謝小榮，辛耀中．基于同步相量測量技術的廣域測量系統應用現狀及發展前景［J］．電網技術，2005，29(2)：44-49．

［8］ LIANG Z，ABUR A．Multi Area State Estimation Using Synchronized Phasor Measurements［J］.IEEE Transactions on Power System，2005，20(2)：611-617．

［9］ KAMWA I．Using MIMO system identification for modal analysis and global stabilization of large power systems．IEEE Power Engineering Society Summer Meeting［C］．2000，61(2)：817-822．

［10］閡勇．電力系統全網同步監測系統［J］．清華大學學報，1997，37(7)：86-88．

［11］許勇．QNX嵌入式操作系統在電力系統相量測量裝置中的應用［D］．北京：中國電力科學研究院，2004．

3.5 基于混合時鐘的SPMU實驗

NMC和SPMU在其本地時鐘的整秒時刻向偏差測量設備發送一個高電平脈沖，偏差測量設備在開機1min后啟動捕獲兩個PPS脈沖的到達時刻的功能，并計算兩個脈沖到達時刻之差ΔT，樣本數據保存在一個長度為2000數組當中，當數組填滿后，偏差測量設備停止捕獲PPS和計算工作，將樣本數據通過以太網發送到上位機，為防止數據丟失，測試結束后將樣本數據備份到本地SD卡上。

圖7 偏差樣本隨時間變化曲線

本文對測試開始1min后的2000個樣本進行了統計，其中單個偏差樣本的平均獲取時間為1S，圖7反映了偏差樣本隨時間的變化情況，從測試結果可以看出雖然測試過程中存在隨機出現的偏移幅值較大的噪聲點，但是總的偏差值可以維持在±500ns以內。偏差樣本數據的分布直方圖如圖8所示，可以看出偏差值的分布基本上滿足正態分布。說明偏移樣本是可信的。

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圖8 偏差樣本分布直方圖

表1給出了對測試樣本的詳細統計，統計結果顯示系統的平均偏差以96ns為基準上下波動。樣本一階矩的統計結果在500ns以內的性能滿足電力系統對時鐘同步達到亞微妙的要求［3，4］。說明本文提出的同步測量方法是合理且可行的，但是從樣本方差的統計結果也可以看出樣本的方差性能不夠理想，說明樣本的波動比較大，有待進一步改善。

表1 SPMU軟件功能列表

統計內容

測試及統計結果

單位

樣本的數量

2000

個

樣本最大值

1330

ns

樣本的均值

291.12

ns

樣本的方差

100917.73

—

由于本文實現PTP精確時鐘同步協議是RTOS平臺的系統任務中實現的，且PTP任務在NMC和SPMU中均不是最高優先級響應的任務，因此RTOS任務調度必定引入了一個固定延遲量的系統響應誤差。其次，PTP主從時鐘之間的報文交互均要經過TCP/IP協議棧，因此，進出協議棧也將帶來一定延遲。同時，NMC和SPMU晶振的精度和穩定度，以及主從時鐘之間線路延時的波動，以及LM3S8938的主頻限制也是造成同步偏差的原因。經過上述分析，可以粗略的得出如下提高同步精度的方法：

1)在NMC和SPMU上選用恒溫晶振；

2)購買定制的RTOS和商用TCP/IP協議棧，以保證報文進出的延時；

3)采用雙CPU系統實現，將PTP任務獨立于其他系統應用；

4)換用更高主頻的處理器；

5)需用帶有硬件時鐘頻率補償單元的處理器；

6)增加頻率補償單元。

參考文獻

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［2］ 馮源．艦船電力系統同步相量測量技術研究［D］．武漢：海軍工程大學，2007．

［3］ 陳丹丹．艦船電力系統監控網絡性能研究［D］．武漢：海軍工程大學，2010．

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［8］ LIANG Z，ABUR A．Multi Area State Estimation Using Synchronized Phasor Measurements［J］.IEEE Transactions on Power System，2005，20(2)：611-617．

［9］ KAMWA I．Using MIMO system identification for modal analysis and global stabilization of large power systems．IEEE Power Engineering Society Summer Meeting［C］．2000，61(2)：817-822．

［10］閡勇．電力系統全網同步監測系統［J］．清華大學學報，1997，37(7)：86-88．

［11］許勇．QNX嵌入式操作系統在電力系統相量測量裝置中的應用［D］．北京：中國電力科學研究院，2004．

3.5 基于混合時鐘的SPMU實驗

NMC和SPMU在其本地時鐘的整秒時刻向偏差測量設備發送一個高電平脈沖，偏差測量設備在開機1min后啟動捕獲兩個PPS脈沖的到達時刻的功能，并計算兩個脈沖到達時刻之差ΔT，樣本數據保存在一個長度為2000數組當中，當數組填滿后，偏差測量設備停止捕獲PPS和計算工作，將樣本數據通過以太網發送到上位機，為防止數據丟失，測試結束后將樣本數據備份到本地SD卡上。

圖7 偏差樣本隨時間變化曲線

本文對測試開始1min后的2000個樣本進行了統計，其中單個偏差樣本的平均獲取時間為1S，圖7反映了偏差樣本隨時間的變化情況，從測試結果可以看出雖然測試過程中存在隨機出現的偏移幅值較大的噪聲點，但是總的偏差值可以維持在±500ns以內。偏差樣本數據的分布直方圖如圖8所示，可以看出偏差值的分布基本上滿足正態分布。說明偏移樣本是可信的。

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圖8 偏差樣本分布直方圖

表1給出了對測試樣本的詳細統計，統計結果顯示系統的平均偏差以96ns為基準上下波動。樣本一階矩的統計結果在500ns以內的性能滿足電力系統對時鐘同步達到亞微妙的要求［3，4］。說明本文提出的同步測量方法是合理且可行的，但是從樣本方差的統計結果也可以看出樣本的方差性能不夠理想，說明樣本的波動比較大，有待進一步改善。

表1 SPMU軟件功能列表

統計內容

測試及統計結果

單位

樣本的數量

2000

個

樣本最大值

1330

ns

樣本的均值

291.12

ns

樣本的方差

100917.73

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由于本文實現PTP精確時鐘同步協議是RTOS平臺的系統任務中實現的，且PTP任務在NMC和SPMU中均不是最高優先級響應的任務，因此RTOS任務調度必定引入了一個固定延遲量的系統響應誤差。其次，PTP主從時鐘之間的報文交互均要經過TCP/IP協議棧，因此，進出協議棧也將帶來一定延遲。同時，NMC和SPMU晶振的精度和穩定度，以及主從時鐘之間線路延時的波動，以及LM3S8938的主頻限制也是造成同步偏差的原因。經過上述分析，可以粗略的得出如下提高同步精度的方法：

1)在NMC和SPMU上選用恒溫晶振；

2)購買定制的RTOS和商用TCP/IP協議棧，以保證報文進出的延時；

3)采用雙CPU系統實現，將PTP任務獨立于其他系統應用；

4)換用更高主頻的處理器；

5)需用帶有硬件時鐘頻率補償單元的處理器；

6)增加頻率補償單元。

參考文獻

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［10］閡勇．電力系統全網同步監測系統［J］．清華大學學報，1997，37(7)：86-88．

［11］許勇．QNX嵌入式操作系統在電力系統相量測量裝置中的應用［D］．北京：中國電力科學研究院，2004．