技术领域
[0001] 本发明涉及时钟控制领域，特别是涉及一种高精度守时方法和装置。
相关背景技术
[0002] 精确、统一的时间同步系统是现代科学研究中非常重要的部分，已在实时通信系统、铁路车辆调度、电力资源调配等日常生活中得到了广泛地应用。随着自动化技术和通信技术的迅速发展，传统人工操作的器械等已经向智能化、自动化转变，尤其是变电站二次系统及其设备。智能化变电站在实际运行过程中，时间同步系统是维持智能变电站数据采集及同步的关键，时钟的可靠性、守时性是对智能变电站的稳定运行极其重要。
[0003] 在智能变电站的实际运行过程中，传统的时间同步系统存在一些问题，主要包括时时钟源选择易出现错误、跟踪精度低、切换抖动过大、守时精度不高等。尤其是在时钟在丢失参考时间源后的守时性精度会随着时间的延长而变差，同时稳定性也变差，在这种情况下可能会导致二次系统中设备工作紊乱，严重情况下，可能导致停电。
具体实施方式
[0023] 为了便于理解本发明，下面将参照相关附图及相关实施例对本发明进行更全面的描述。显然，下文所描述的实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。应当说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
[0024] 图1是高精度守时方法在一个实施例中的流程示意图，如图1所示，本实施例中的高精度守时方法，包括以下步骤：
[0025] 步骤S110，获取各参考时间源信号，根据各参考时间源信号判断各参考时间源的有效性。
[0026] 具体而言，精确、统一的时间同步系统，在实时通信系统、铁路车辆调度、电力资源调配等日常生活中起着非常关键的作用，时间同步系统是一种能接收外部时间基准信号，并按照要求的时间精度向外输出时间同步信号和时间信息的系统。它能使网络内其它时钟对准并同步，通俗来说时间同步就是采取技术措施对网络内时钟实施高精度“对表”。外部基准信号，就是参考时间源信号。在本实施例中，所述参考时间源可以是多个，例如北斗、GPS、以及NTP等。
[0027] 在一种可选的实施方式中，所述参考时间源为北斗。北斗卫星系统具有快速定位、双向数据通信、精密授时，而授时功能是定位、通信功能的技术基础，是北斗系统的基础。北斗信号是一种高性能的时间信号源，能够为电信、移动通信、数字广播电视等系统提供高精度的时间和频率信号。本发明中高精度的守时装置可以接入北斗信号，将北斗信号作为该高精度守时装置的参考时间源，能有效保证本高精度的守时装置的本地时钟信息非常精确，并且北斗授时功能具有安全、全天候和通用性的特点。
[0028] 在另一种可选的方式，参考时间源为GPS、IRIG-B码、NTP或地面时间信号。北斗、GPS、IRIG-B码、NTP和地面时间信号都是常用的时间信号源。全球定位系统GPS是美国卫星导航系统，GPS发送美国海军天文台的UTC(USTU)，为全世界用户提供时间服务，美国海军天文台的UTC由20多个铯原子钟形成，这种时间源完全能够达到各行业设备时间同步的精度要求。IRIG-B码时统是一种从GPS/北斗卫星上/和外部输入的IRIG-BAC码获取标准时钟信号信息，内部采用高精度恒温晶振作为守时时钟源，建立时钟参考并同步产生IRIG-B码(多模光纤接口)和RS422两种接口对其他设备进行IRIG-B码授时。IRIG-B码就是B码时统装置产生的一种时间信息信号，IRIG-B码信息具有精确、安全、可靠等特征。NTP网络时间源是针对计算机、自动化装置等进行校时而研发的高科技设备，该产品可从GPS卫星(北斗卫星、CDMA、B码接口、PTP)上获取标准的时间信号，将这些信号通过各种接口(NTP/SNTP、串口、B码、PTP、脉冲)传输给自动化系统中需要时间信息的设备(计算机、保护装置、故障录波器、事件顺序记录装置、安全自动装置、远动RTU)，这样系统中就有了一个标准的时间源，从而达到整个系统的时间一致。NTP网络时间源具有精度高、抗干扰能力强等特点。地面时间信号就是以地面时间作为时间参考时间源，地面时间信号主要是一些时间报文，通过这些时间报文信息，对其他装置进行授时。
[0029] 进一步地，所述地面时间信号为RS485报文信号。RS485报文信号就是利用RS485通信技术发送特殊的报文，守时装置接收这些报文信息，从中提取时间信号，并以该时间信号作为参考时间。
[0030] 可选地，地面时间信号为RS422报文信号或RS232C报文信号。RS422报文信号和RS232C报文信号就是利用RS422通信技术和RS232C通信技术发送时间报文信息。
[0031] 本发明中的高精度守时装置可以选择北斗、GPS卫星、IRIG-B码、NTP或地面时间信号作为参考时间源。这些时间信号都有其特定的格式，首先需要对这些时间信号进行解析，判断各时间信号相应的标识位，并将各时间信号转码成标准的时间信息。另外，为了选择可靠的参考时间源，要判断所接入的参考时间源是否有效，当参考时间源有效时，才能选用该参考时间源。可选地，在判断参考时间源有效性的过程中可通过判断参考时间源脉冲波信号的有效性来确定参考时间源的有效性。
[0032] 步骤S120，在所有参考时间源都无效时，获取本地时钟晶振的温度老化预测模型，温度老化预测模型是用于记录本地时钟晶振温度、本地时钟晶振工作时长与本地时钟晶振的频率偏差的对应关系。
[0033] 具体地，晶振温度和晶振工作时长是影响守时装置中晶振的两个非常重要的因素，随着温度和时长的变化，即本地时钟晶振频率也会发生变化，从而导致守时装置中守时精度不高。温度老化预测模型，是以历史本地时钟晶振温度数据、历史本地时钟晶振工作时长数据和历史本地时钟晶振的频率偏差数据为样本建立的模型，该模型可以反映本地时钟晶振温度、本地时钟晶振工作时长与本地时钟晶振的频率偏差的对应关系。本地时钟晶振的频率偏差是指本地时钟晶振当前工作时的实际频率与本地时钟晶振频率标准理论值之间的差值。在本实施例中，所有参考时间源都无效，可以包括所有的参考时间源信号都是无效的或在持续一段时间内(通常是10s)没有选择参考时间源并这几种情况。
[0034] 步骤S130，根据时测本地时钟晶振温度、时测本地时钟晶振工作时长和晶振温度老化预测模型，预测本地时钟晶振的频率偏差。
[0035] 具体地，在时间参考时间源都无效或者在持续一段时间内没有选择参考时间源，根据实时测定的本地时钟的晶振、本地时钟晶振工作时长和本地时钟晶振的温度老化预测模型，预测本地时钟晶振的频率偏差。
[0036] 步骤S140，根据所述本地时钟晶振的频率偏差调整本地时钟。
[0037] 具体而言，在本地时钟调整过程中，以检测到所有参考时间源都无效获取本地时钟晶振的温度老化预测模型时，本地时钟的时间为基准时间，根据本地时钟晶振的频率偏差调整本地时钟。
[0038] 上述的高精度守时方法和装置，在所有参考时间源失效或者丢失时，获得本地时钟晶振温度老化模型，该温度老化预测模型可以反映本地时钟晶振温度、本地时钟晶振工作时长与本地时钟晶振的频率偏差的对应关系。在参考时间源无效或者丢失参考时间源时，可以根据时测晶振温度、时测本地时钟时间和晶振温度老化预测模型，预测本地时钟晶振的频率偏差，然后根据本地时钟晶振的频率偏差调整本地时钟，守时精度高。
[0039] 在其中一个实施例中，参照图2所示，本发明的高精度守时方法，还包括；
[0040] 步骤S150，在当前参考时间源有效时，获取参考时间源PPS偏差，根据参考时间源PPS偏差计算本地时钟晶振的时间偏差和晶振的频率偏差，并根据所述本地时钟晶振的时间偏差和晶振的频率偏差调整本地时钟。
[0041] 在本实施例中，当存在参考时间源并参考时间源有效时，接收参考时间源PPS(秒脉冲)偏差，采用KALMAN滤波方法计算本地时钟晶振的时间偏差和晶振的频率偏差，其中，本地时钟晶振的时间偏差和晶振的频率偏差是指以参考时间源的时间和频率为基准，本地时钟晶振与参考时间源之间的时间差和频率差。然后在在时钟同步周期到达时，根据本地时钟的时间偏差和频率偏差来调整本地时钟。调整后的本地时钟的时间与参考时间源时间保存一致性。在参考时间源有效时，实时记录参考时间源PPS(秒脉冲)偏差，并根据该PPS偏差计算该装置本地时钟与参考时间源时钟的时间偏差和频率偏差，能有效保障参考时间源信息的有效性、准确性。
[0042] 在其中一个实施例中，如图2所示，在获取本地时钟晶振的温度老化预测模型之前，还包括：
[0043] 步骤S160，在当前参考时间源有效时，在每个时间同步周期内采集本地时钟晶振的温度、本地时钟晶振工作时长和本地时钟晶振的频率偏差，并对本地时钟晶振的温度，本地时钟晶振工作时长和本地时钟晶振的频率偏差进行学习训练，获得温度老化预测模型。
[0044] 具体地，由于本地时钟晶振频率会随着晶振温度和晶振工作时长而发生变化(即偏离本地时钟晶振频率标准理论值)，从而导致守时装置中守时精度不高。在本实施中，根据时钟晶振历史的温度、历史工作时长和历史频率偏差数据，得到时钟的温度老化预测模型，找出时钟晶振的频率与晶振温度和本地时钟时长的关系。如图2所示，在得到时钟的温度老化预测模型的过程中，包括以下步骤：步骤S210，在参考时间源正常时，在每个时间同步周期内，记录本地时钟晶振温度、本地时钟时长、本地时钟晶振的频率偏差，以本地时钟晶振温度、本地时钟时长和本地时钟晶振的频率偏差为训练样本。步骤S220，对这些训练样本进行学习训练，获得温度老化预测模型；步骤S230，在参考时间源都失效(即无效)时，利用实时测定的本地时钟晶振温度、实时测定的本地时钟时长和温度老化预测模型，预测本地时钟晶振的频率偏差；步骤S240，根据预测的本地时钟的频率偏差，以检测到参考时间源都无效时本地时钟的时间为基准时间，对本地时钟进行调整。其中，在采集训练样本时，只采集时间同步期间，每个时间同步周期内的本地时钟晶振温度、本地时钟时长、本地时钟晶振的频率偏差。当参考时间源切换完成时，继续采集参考时间源调整后的本地时钟晶振温度、本地时钟时长、本地时钟晶振的频率偏差，但不采集时间源切换过程中的本地时钟晶振温度、本地时钟时长、本地时钟晶振的频率偏差，由于在参考时间源切换过程中，这些数据不准确。
[0045] 在参考时间源有效时，收集记录本地时钟晶振温度、本地时钟时长和本地时钟晶振的频率偏差，并以这些数据为样本进行学习训练，获得本地时钟晶振温度老化模型，在参考时间源都无效时，本地时钟晶振温度老化模型预测本地时钟晶振的频率偏差，并根据频率偏差调整本地时钟，守时精度高。
[0046] 在其中一个实施例中，如图2所示，获取各参考时间源信号，根据各参考时间源判断所述各参考时间源的有效性之后还包括：
[0047] 步骤S170，在各参考时间源有效时，判断各参考时间源信号优先级以及连续性，并根据参考时间源信号连续性及优先级选择当前参考时间源。
[0048] 在有多个参考时间源时，检查各参考时间源的优先级，根据优先级顺序依次选择接入参考时间源，通过优先级的多时间源选择，实现多时间源授时，有效保障时间源地正确选择。另外，作为参考时间源，时间信号应该具有连续性(例如不发生跳变等)。在本实施例中，检测各类参考时间源信号连续性以及各参考时间源信号的优先级，并根据参考时间源信号优先级以及连续性选择参考时间源。如图4所示，选择参考时间源的过程包括：步骤S410，各参考时间源信号连续性检测；步骤S420，各参考时间源信号优先级检测。当检测完成后，选择一个优先级最高的有效的且信号连续的参考时间源作为本发明高精度守时装置的同步时间源。在当前参考时间源失效时，则从剩余的有效且信号连续的参考时间源中选择一个优先级最高的作为新的同步时间源。当一个参考时间源从失效恢复为有效时，若其优先级高于当前参考时间源的优先级，则将恢复有效的参考时间源设置为同步时间源。
[0049] 在本实施例中，所述参考时间源优先级按照由高到低的顺序依次为：北斗、GPS、IRIG-B码、NTP、地面时间信号。
[0050] 作为一种可选的实施方式，仍参照图3，在判断各参考时间源信号优先级以及连续性，并根据参考时间源信号连续性及优先级选择参考时间源之后，还包括：
[0051] 步骤S180，在当前参考时间源无效或发生跳变时，根据参考时间源信号连续性及优先级切换参考时间源。
[0052] 在本实施例中，参考时间源优先级按照由高到低的顺序依次为：北斗、GPS、IRIG-B码、NTP、地面时间信号。具体地，当北斗有效且未发生超过2ns的跳变时，选择北斗为参考时间源。否则，当GPS有效且未发生超过2ns的跳变时，选择GPS为参考时间源。否则，在IRIG-B码有效且未发生超过2ns的跳变时，选择IRIG-B码为参考时间源。否则，在NTP有效且未发生超过2ns的跳变时，选择NTP为参考时间源。否则，在地面时间信号有效且未发生超过2ns的跳变时，选择地面时间信号为参考时间源。在所有参考时间源都无效时，该高精度守时装置，进入守时状态，即利用晶振温度老化预测模型，预测本地时钟晶振的频率偏差，并根据所述本地时钟晶振的频率偏差调整本地时钟。
[0053] 进一步地，如图5所示，在所有时间参考源失效时，根据本地时钟晶振的频率偏差调整本地时钟或在当前参考时间源有效时，获取参考时间源PPS偏差，根据所述参考时间源PPS偏差计算本地时钟晶振的时间偏差和晶振的频率偏差，并根据本地时钟晶振的时间偏差和晶振的频率偏差调整本地时钟之后，还包括：
[0054] 步骤S210，本地时钟同步状态正常时，锁定本地时钟信息并输出时间信号。
[0055] 步骤S220，在本地时钟同步状态异常时，发出相应警告。
[0056] 在本实施例中，对本地时钟调整完成后，观察本地时钟的同步状态，当本地时钟同步状态正常时，锁定本地时钟的信息并输出时间信号，有效保障本地时钟输出时间的准确性。当本地时钟同步状态异常时，发出相应警告，从而快速的本地时钟进行调整，保证本地时钟的准确性。其中，警告方式可以有多种方式，例如通过发出声音或发出光警告信号等给予警告。
[0057] 根据上述本发明的高精度守时方法，本发明还提供高精度守时装置，下面结合附图及较佳实施例对本发明的高精度守时装置进行详细说明。
[0058] 图6为高精度守时装置在一个实施例中的结构示意图。如图所示，该实施例中的高精度守时装置，包括：
[0059] 参考源获取模块10，用于获取各参考时间源信号；
[0060] 参考源判断模块20，用于根据各参考时间源信号判断所述各参考时间源的有效性；
[0061] 温度老化预测模型获取模块30，用于在所有参考时间源都无效时，获取本地时钟晶振的温度老化预测模型，温度老化预测模型是用于记录本地时钟晶振温度、本地时钟晶振工作时长与本地时钟晶振的频率偏差的对应关系；
[0062] 频率偏差预测模块40，用于根据时测本地时钟晶振温度、时测本地时钟时长和晶振温度老化预测模型，预测本地时钟晶振的频率偏差；
[0063] 时钟调整模块50，用于根据本地时钟晶振的频率偏差调整本地时钟。
[0064] 作为一种可选的实施方式，参照图6，高精度守时装置，还包括：
[0065] 同步模块60，用于在当前参考时间源有效时，获取参考时间源PPS偏差，根据参考时间源PPS偏差计算本地时钟晶振的时间偏差和晶振的频率偏差，并根据本地时钟晶振的时间偏差和晶振的频率偏差调整本地时钟。
[0066] 作为一种可选的实施方式，参照图6，高精度守时装置，还包括：
[0067] 温度老化预测模型构建模块70，用于在当前参考时间源信号有效时，在每个时间同步周期内采集本地时钟晶振的温度、本地时钟晶振工作时长和时钟晶振的频率偏差，并对本地时钟晶振的温度、本地时钟晶振工作时长和本地时钟晶振的频率偏差进行学习训练，获得温度老化预测模型。
[0068] 作为一种可选的实施方式，参照图6，高精度守时装置，还包括：
[0069] 源选择模块80，用于在各参考时间源有效时，判断各参考时间源信号优先级以及连续性，并根据参考时间源信号连续性及优先级选择当前参考时间源。
[0070] 作为一种可选的实施方式，如图6所示，高精度守时装置，还包括：
[0071] 切换模块90，用于在当前参考时间源无效或发生跳变时，根据参考时间源信号连续性及优先级切换参考时间源。
[0072] 作为一种可选的实施方式，如图6所示，高精度守时装置，还包括：
[0073] 锁定模块100，用于在本地时钟同步状态正常时，锁定本地时钟信息并输出时间信号。
[0074] 作为一种可选的实施方式，如图6所示，高精度守时装置，还包括：
[0075] 警告模块110，用于在本地时钟同步状态异常时，则发出相应警告。
[0076] 该高精度守时装置中，各设备之间的工作过程为：高精度守时装置接入各参考时间源，利用参考源获取模块10获取各参考时间源信号，利用参考源判断模块20检测各参考时间源信号的有效性，根据参考源信号的有效性确定参考时间源的有效性。源选择模块80用于检测参考源判断模块20筛选出来的有效的参考时间源的连续性以及优先级，并根据参考时间源的连续性和优先级选择参考时间源。同步模块60用于实时记录该高精度守时装置FPGA(现场可编程门阵列)上传输的源选择模块80中选定的参考时间源PPS(秒脉冲)偏差，根据参考时间源PPS偏差，在时钟同步周期到达时，采用KALMAN滤波方法计算本发明高精度守时装置中本地时钟晶振的时间偏差和晶振的频率偏差并将计算结果调整本地时钟。切换模块90用于切换参考时间源，接收切换后的新参考时间源PPS偏差，根据新参考时间源PPS偏差计算本地时钟晶振的时间偏差和频率偏差并根据计算结果调整本地时钟。在时间源切换过程中，切换模块90先记录并计算本发明高精度守时装置中本地时钟晶振与新参考时间源的时间偏差和频率偏差，当偏差稳定后，采用PID算法，通过调整本地时钟晶振的频率来进行相差调整，其中步长调整限值为200ns/S，已达到平滑切换的目的；当完成参考时间源的切换后，修正本地时钟的频率，然后进行新参考时间源的追踪。
[0077] 温度老化预测模型构建模块70，用于采集本地时钟晶振的温度、本地时钟时长和晶振的频率偏差，并对本地时钟晶振的温度、本地时钟时长和晶振的频率偏差进行学习训练，获得温度老化预测模型。频率偏差预测模块40，用于根据时测晶振温度、时测本地时钟时长和所述晶振温度老化预测模型，预测本地时钟晶振的频率偏差。时钟调整模块50，用于在参考时间源失效后，根据温度老化预测模型，预测本地时钟频率偏差并根据计算结果调整本地时钟。锁定模块100，用于在本地时钟在接收同步模块60、切换模块90和时钟调整模块50的时钟频率、相位调整命令并完成时钟调整调整时，本地时钟同步状态正常时，锁定本地时钟信息并输出时间信号。警告模块110，用于本地时钟在接收同步模块60、切换模块90和时钟调整模块50的时钟频率、相位调整命令并完成时钟调整调整时，观察时钟的同步状态，若时钟同步异常时，则发出相应警告。
[0078] 上述高精度守时装置可执行本发明实施例所提供的高精度守时方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。至于其中各个功能模块所执行的处理方法，例如参考源获取模块10、频率偏差预测模块40、时钟调整模块50、切换模块90、警告模块110，可参照上述方法实施例中的描述，此处不再进行赘述。
[0079] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0080] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
