基于NTP協議的用電信息采集系統時間同步研究*

盧繼哲，巫鐘興，阿遼沙·葉，鄭國權，劉喆

(中國電力科學研究院，北京 100192 )

0 引 言

隨著智能電網的快速發展，用電信息采集系統及其關鍵技術成為智能用電的重要支撐[1]。用電信息采集系統中，主站、采集終端及電能表的時間精度是制約階梯電價實施、用電信息采集準確性的關鍵因素。網絡時間協議NTP利用雙向傳輸的方法，提出時間戳的概念，通過申請應答的方式，有效解決了用電信息采集系統時間同步問題。采用NTP協議對采集終端及電能表進行時間同步，經過試驗驗證，用電信息采集系統的時間達到一致和精確。以此為基礎，設計了基于用電信息采集系統的時間同步系統[2-3]。

1 NTP協議時間同步機制

1.1 NTP協議的原理

網絡時間協議NTP(Network Time Protocol)是互聯網中時間同步的標準協議，用于解決時間信息在TCP/IP網絡中的傳輸延遲不確定性，把時間同步到某些標準內。由于延遲的不確定性，從時間服務器到客戶機的單向傳輸無法獲得精確的時間信息，NTP協議采用時間服務器與客戶機信息雙向傳輸的方法提出時間戳的概念，利用客戶機和服務器的申請應答方式解決網絡傳輸的延遲及時間偏移問題[4-5]。

如圖1所示，當NTP協議以客戶機/服務器模式進行通信時，客戶機將生成一個標準的NTP查詢信息包發送至時間服務器，時間服務器收到信息查詢包后，根據本地時間生成一個標準的NTP信息包返回給客戶機，兩個信息包都帶有發送和接收的時間戳，根據時間戳來確定時間延遲和偏差，進而達到時間同步的效果。

圖1 NTP協議工作原理圖

圖中T1是客戶機發送查詢信息包的時間；T2是服務器接收到查詢請求包的時間；T3是服務器回復時間信息包的時間;T4是客戶機接收到時間信息包的時間，當請求信息包和回復信息包在網絡上的傳輸時間相等時，由此可得服務器和客戶機之間的偏差θ和網絡傳輸延遲δ：

(1)

(2)

可以發現θ和δ與T2和T3之間的差值無關，即與服務器處理請求所消耗的時間無關。

1.2 NTP協議的工作模式

(1)廣播模式。在廣播模式下，沒有時間同步的發起方，服務器定期向網絡廣播自己的時間信息，客戶機接收這些報文，判斷時間延遲，修改本地的時鐘。數據包的傳送方式上，采用多個客戶機對一個服務器的方法，這種方式需要系統的開銷和占用的通信寬帶都比較小，在本文中電能表的時間同步方式采用廣播模式；

(2)客戶/服務器模式。客戶/服務器模式是NTP協議最典型的操作模式，傳送方式上，它是一種客戶端和服務器一對一的點對點方式。NTP協議在該模式下工作時，客戶端周期性的向服務器發送NTP時間報文向服務器請求時間同步。時間報文中包含：離開客戶端的時間戳、服務器接收到該報文的時間戳、交換報文的源地址和目標地址、報文離開服務器的時間戳，數據包返回客戶端后，客戶端把接收的報文的時間填入報文中。客戶端利用4個時間戳算出客戶機與服務器之間的時鐘偏移量θ和網絡延遲δ，從而修正時鐘，在文中采集終端的時間同步方式采用客戶/服務器模式。

2 用電信息采集系統的時間同步

2.1 用電信息采集系統

用電信息采集系統是對電力用戶的用電信息進行采集、處理和實時監控的系統，實現用電信息的采集、計量異常監測、電能質量監測、用電分析和管理、相關信息發布、分布式能源監控、智能用電設備的信息交互等功能[6-7]。用電信息采集系統主要包括主站、通信信道、集中器、采集器、電能表等組成，如圖2所示。數據傳輸方式上，主站與集中器之間的通信方式一般采用公網或專網方式，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-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。用電信息采集系統時間同步采用分層設計，主站負責對采集終端進行同步，集中器負責對采集器、電能表進行同步，從而保證用電信息的準確性及對營銷系統計量及費控業務的支撐[8-9]。

圖2 用電信息采集系統構架

2.2 主站對采集終端的時間同步

在用電信息采集系統中，主站與采集終端的數據交互屬于遠程通信，通信方式包括230 MHz無線專網和GPRS/CDMA無線公網、微功率無線、光纖專網等[10]。使用NTP協議進行時間同步時，終端作為客戶端，主站作為時間服務器時間同步方式如圖3所示。

此時，NTP協議工作在客戶/服務器模式，其中T1采集終端發送查詢請求的時間；T2是主站收到查詢請求的時間；T3是主站回復時間信息包的時間；T4是采集終端收到時間信息包的時間；δ1是請求信息在網絡傳輸的時間；δ2是回復信息在網絡上傳播的傳輸時間。可以得到：

T2=T1+θ+δ1

(3)

T4=T3-θ+δ2

(4)

δ=δ1+δ2

(5)

圖3 主站與采集終端時間同步工作原理

主站與采集終端通信方式的網絡延遲對稱時，采集終端與主站之間的時間偏差為：

(6)

采集終端的時間同步流程如下：采集終端發送時間同步請求，并記錄時間T1，主站接收到時間同步請求時間，主站對時間同步請求進行回復記錄時間，采集終端接收到回復時間信息包，記錄時間，并寫入時間信息包中。根據公式(6)可獲得時間偏差θ，將時間偏差與采集終端的時間相加即得到精確的時間。

當主站與采集終端之間通信的網絡延遲不對稱時，

此時請求信息在網絡上的傳輸時間與回復信息在網絡上的傳輸時間不相同，為保證時間同步的精度，典型的NTP協議時間同步方式不再適用，由此我們引入網絡不對稱系數k：

δ1=kδ2

(7)

可以推出不對稱系數k和時間偏差的等式：

(8)

如果精確出不對稱系數k的值，就可以將時間偏差θ的值確定，進而時間同步的精度也可以提高。

為了精確不對稱系數k，主站和采集終端之間將采用多次NTP時間同步過程。第一次時間同步后，對采集終端的時鐘進行校正，此時認為采集終端與主站之間的時間已達到同步，再進行第二次NTP時間同步，此時有：

δ1=T2-T1

(9)

δ2=T4-T3

(10)

得到新的k值，將該值帶入公式(8)得到新的偏差值，對第一次的NTP過程進行修正，重復進行，直至連續兩次k值接近時，得到的偏差值是精確的，最終將得到的精確的時間偏差值與采集終端時間相加，完成經過不對稱系數修正的時間同步過程。

根據上述算法和模型進行實驗，對采集終端進行時間同步實驗，實驗結果如表1所示。

經過NTP協議對時后的采集終端時間平均誤差為87 ms，在用采系統對時間誤差允許范圍內。

表1 實驗結果

2.3 采集終端對電能表的時間同步

在用電信息采集系統中多塊電能表對應一個采集終端，這種拓撲結構決定了采集終端對電能表進行時間同步時受限于通信信道的帶寬，不能采用客戶/服務器模式。采用廣播模式會更有效率的進行時間同步，在廣播模式下，采集終端定期向電能表發送時間信息包，通過網絡的傳輸，電能表接收到時間信息包后，完成時間的同步。

在對電能表進行時間同步之前，采集終端首先向主站請求時間同步，主站根據NTP協議，對采集終端進行時間同步，采集終端可發起多次時鐘同步請求，進行多次NTP，對網絡的延時的不對稱系數做出最好的估計，并優化時間同步的誤差，采集終端對主站請求對電能表時間同步任務，采集主站根據采集終端的請求時間判斷采集終端的時間是否在誤差允許范圍內，返回允許或禁止采集終端執行時間同步的任務信息。采集終端得到主站授權后，對電能表進行時間同步，并產生相應的事件信息。如果采集終端與主站失去聯系一段時間或掉電復位重啟后，采集終端自動禁止對電能表的時間同步任務，需要重新向主站授權。

通過上述電能表時間同步方法，測試電能表的時間同步效果。

表2 電能表時間同步實驗結果

3 用電信息采集時間同步系統設計

3.1 系統構架

用電信息采集系統的邏輯構架可以分為三層，即時鐘源至主站的時間同步、主站至采集終端的時間同步、采集終端至電能表的時間同步。時鐘源至主站的時間同步，時鐘源至主站之間采用以太網進行連接，上行通信與下行通信對稱將采用在客戶/服務器工作模式下的NTP協議來實現，主站至采集終端的時間同步由于上行與下行通信的不對稱性，采用經過不對稱系數k修正的NTP協議來實現，采集終端至電能表的時間同步，電能表與采集終端的拓撲結構采用多個電能表通過總線方式連接一個采集終端，如果采用客戶/服務器模式進行時間同步，多個電能表同時申請對時，終端將無法回應，造成宕機，因此對電能表的時間同步將采用廣播模式來實現。

時鐘源與主站之間采用以太網進行連接，以太網的通信延遲是對稱的，因此可直接采用NTP協議對主站進行時間同步。主站對采集終端的時間同步由于通信信道的不對稱性，通信延遲δ1和δ2并不相等，因此需要經過不對稱系數k修正來提高同步精度。采集終端對電能表的時間同步，應在自身允許范圍內，經過主站授權后，對電能表進行時間同步。

用電信息采集時間同步系統的技術構架可分為界面展示層、應用服務層、業務邏輯層、數據層、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數據及相應的參數配置信息等；應用服務層，可以降低各個邏輯模塊之間的耦合程度，為系統內部數據管理、終端對時，電能表對時等相關業務系統提供服務；業務邏輯層用以實現采集終端和電能表的精確對時；數據層采用Oracle，用Spring + Ibatis技術實現數據讀取，同時采用事務處理保障數據的一致性，采用數據緩存機制來保證服務的性能；接口層將封裝表計終端的通信規約及接口協議，用于與設備之間的通信來實現對設備的控制。

圖4 用電信息采集時間同步系統

3.2 系統功能

系統采集終端的時間同步具備如下功能，能夠按供電單位、終端類型、處理狀態、終端型號、事件日期和終端資產號等條件查詢統計時間段內發生時鐘超差的終端，并展示對應的終端資產號、型號、發生超差的最早時間和最近時間、發生次數、處理狀態、對時結果等明細，并能夠通過統計功能導出相應的清單。

系統電能表的時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，查詢統計時間段內發生時鐘超差的電能表，并展示對應電能表的局編號，測量點序號，用戶編號，用戶名稱，抄表段號，電能表時鐘，透抄時刻，滯后時間等明細，可以選擇多個或全部問題電能表進行時鐘召測和廣播校時，人工校時需在現場對時人工登記功能中進行填寫。

4 結束語

提出一種基于用電信息采集系統的時間同步系統，該系統以NTP協議為基礎，結合遠程通信延時不對稱系數的修正，采用分層結構，自上而下對采集終端和電能表進行時間同步，通過建立用電信息采集時間同步系統構架以及對同步系統系統功能的設計完成用電信息采集時間同步系統的設計，通過實驗驗證，本系統時間同步精度達到現行標準要求。本系統魯棒性好、應用性強，為用電信息采集系統的精準、高效、經濟運行提供了重要保證。