基于NTP协议的用电信息采集系统时间同步研究*

卢继哲，巫钟兴，阿辽沙·叶，郑国权，刘喆

(中国电力科学研究院，北京 100192 )

0 引 言

随着智能电网的快速发展，用电信息采集系统及其关键技术成为智能用电的重要支撑[1]。用电信息采集系统中，主站、采集终端及电能表的时间精度是制约阶梯电价实施、用电信息采集准确性的关键因素。网络时间协议NTP利用双向传输的方法，提出时间戳的概念，通过申请应答的方式，有效解决了用电信息采集系统时间同步问题。采用NTP协议对采集终端及电能表进行时间同步，经过试验验证，用电信息采集系统的时间达到一致和精确。以此为基础，设计了基于用电信息采集系统的时间同步系统[2-3]。

1 NTP协议时间同步机制

1.1 NTP协议的原理

网络时间协议NTP(Network Time Protocol)是互联网中时间同步的标准协议，用于解决时间信息在TCP/IP网络中的传输延迟不确定性，把时间同步到某些标准内。由于延迟的不确定性，从时间服务器到客户机的单向传输无法获得精确的时间信息，NTP协议采用时间服务器与客户机信息双向传输的方法提出时间戳的概念，利用客户机和服务器的申请应答方式解决网络传输的延迟及时间偏移问题[4-5]。

如图1所示，当NTP协议以客户机/服务器模式进行通信时，客户机将生成一个标准的NTP查询信息包发送至时间服务器，时间服务器收到信息查询包后，根据本地时间生成一个标准的NTP信息包返回给客户机，两个信息包都带有发送和接收的时间戳，根据时间戳来确定时间延迟和偏差，进而达到时间同步的效果。

图1 NTP协议工作原理图

图中T1是客户机发送查询信息包的时间；T2是服务器接收到查询请求包的时间；T3是服务器回复时间信息包的时间;T4是客户机接收到时间信息包的时间，当请求信息包和回复信息包在网络上的传输时间相等时，由此可得服务器和客户机之间的偏差θ和网络传输延迟δ：

(1)

(2)

可以发现θ和δ与T2和T3之间的差值无关，即与服务器处理请求所消耗的时间无关。

1.2 NTP协议的工作模式

(1)广播模式。在广播模式下，没有时间同步的发起方，服务器定期向网络广播自己的时间信息，客户机接收这些报文，判断时间延迟，修改本地的时钟。数据包的传送方式上，采用多个客户机对一个服务器的方法，这种方式需要系统的开销和占用的通信宽带都比较小，在本文中电能表的时间同步方式采用广播模式；

(2)客户/服务器模式。客户/服务器模式是NTP协议最典型的操作模式，传送方式上，它是一种客户端和服务器一对一的点对点方式。NTP协议在该模式下工作时，客户端周期性的向服务器发送NTP时间报文向服务器请求时间同步。时间报文中包含：离开客户端的时间戳、服务器接收到该报文的时间戳、交换报文的源地址和目标地址、报文离开服务器的时间戳，数据包返回客户端后，客户端把接收的报文的时间填入报文中。客户端利用4个时间戳算出客户机与服务器之间的时钟偏移量θ和网络延迟δ，从而修正时钟，在文中采集终端的时间同步方式采用客户/服务器模式。

2 用电信息采集系统的时间同步

2.1 用电信息采集系统

用电信息采集系统是对电力用户的用电信息进行采集、处理和实时监控的系统，实现用电信息的采集、计量异常监测、电能质量监测、用电分析和管理、相关信息发布、分布式能源监控、智能用电设备的信息交互等功能[6-7]。用电信息采集系统主要包括主站、通信信道、集中器、采集器、电能表等组成，如图2所示。数据传输方式上，主站与集中器之间的通信方式一般采用公网或专网方式，集中器与采集器之间采用电力线载波和微功率无线方式，采集器与电能表之间的通信方式为RS-485，集中器与电能表之间采用电力线载波和微功率无线方式。用电信息采集系统时间同步采用分层设计，主站负责对采集终端进行同步，集中器负责对采集器、电能表进行同步，从而保证用电信息的准确性及对营销系统计量及费控业务的支撑[8-9]。

图2 用电信息采集系统构架

2.2 主站对采集终端的时间同步

在用电信息采集系统中，主站与采集终端的数据交互属于远程通信，通信方式包括230 MHz无线专网和GPRS/CDMA无线公网、微功率无线、光纤专网等[10]。使用NTP协议进行时间同步时，终端作为客户端，主站作为时间服务器时间同步方式如图3所示。

此时，NTP协议工作在客户/服务器模式，其中T1采集终端发送查询请求的时间；T2是主站收到查询请求的时间；T3是主站回复时间信息包的时间；T4是采集终端收到时间信息包的时间；δ1是请求信息在网络传输的时间；δ2是回复信息在网络上传播的传输时间。可以得到：

T2=T1+θ+δ1

(3)

T4=T3-θ+δ2

(4)

δ=δ1+δ2

(5)

图3 主站与采集终端时间同步工作原理

主站与采集终端通信方式的网络延迟对称时，采集终端与主站之间的时间偏差为：

(6)

采集终端的时间同步流程如下：采集终端发送时间同步请求，并记录时间T1，主站接收到时间同步请求时间，主站对时间同步请求进行回复记录时间，采集终端接收到回复时间信息包，记录时间，并写入时间信息包中。根据公式(6)可获得时间偏差θ，将时间偏差与采集终端的时间相加即得到精确的时间。

当主站与采集终端之间通信的网络延迟不对称时，

此时请求信息在网络上的传输时间与回复信息在网络上的传输时间不相同，为保证时间同步的精度，典型的NTP协议时间同步方式不再适用，由此我们引入网络不对称系数k：

δ1=kδ2

(7)

可以推出不对称系数k和时间偏差的等式：

(8)

如果精确出不对称系数k的值，就可以将时间偏差θ的值确定，进而时间同步的精度也可以提高。

为了精确不对称系数k，主站和采集终端之间将采用多次NTP时间同步过程。第一次时间同步后，对采集终端的时钟进行校正，此时认为采集终端与主站之间的时间已达到同步，再进行第二次NTP时间同步，此时有：

δ1=T2-T1

(9)

δ2=T4-T3

(10)

得到新的k值，将该值带入公式(8)得到新的偏差值，对第一次的NTP过程进行修正，重复进行，直至连续两次k值接近时，得到的偏差值是精确的，最终将得到的精确的时间偏差值与采集终端时间相加，完成经过不对称系数修正的时间同步过程。

根据上述算法和模型进行实验，对采集终端进行时间同步实验，实验结果如表1所示。

经过NTP协议对时后的采集终端时间平均误差为87 ms，在用采系统对时间误差允许范围内。

表1 实验结果

2.3 采集终端对电能表的时间同步

在用电信息采集系统中多块电能表对应一个采集终端，这种拓扑结构决定了采集终端对电能表进行时间同步时受限于通信信道的带宽，不能采用客户/服务器模式。采用广播模式会更有效率的进行时间同步，在广播模式下，采集终端定期向电能表发送时间信息包，通过网络的传输，电能表接收到时间信息包后，完成时间的同步。

在对电能表进行时间同步之前，采集终端首先向主站请求时间同步，主站根据NTP协议，对采集终端进行时间同步，采集终端可发起多次时钟同步请求，进行多次NTP，对网络的延时的不对称系数做出最好的估计，并优化时间同步的误差，采集终端对主站请求对电能表时间同步任务，采集主站根据采集终端的请求时间判断采集终端的时间是否在误差允许范围内，返回允许或禁止采集终端执行时间同步的任务信息。采集终端得到主站授权后，对电能表进行时间同步，并产生相应的事件信息。如果采集终端与主站失去联系一段时间或掉电复位重启后，采集终端自动禁止对电能表的时间同步任务，需要重新向主站授权。

通过上述电能表时间同步方法，测试电能表的时间同步效果。

表2 电能表时间同步实验结果

3 用电信息采集时间同步系统设计

3.1 系统构架

用电信息采集系统的逻辑构架可以分为三层，即时钟源至主站的时间同步、主站至采集终端的时间同步、采集终端至电能表的时间同步。时钟源至主站的时间同步，时钟源至主站之间采用以太网进行连接，上行通信与下行通信对称将采用在客户/服务器工作模式下的NTP协议来实现，主站至采集终端的时间同步由于上行与下行通信的不对称性，采用经过不对称系数k修正的NTP协议来实现，采集终端至电能表的时间同步，电能表与采集终端的拓扑结构采用多个电能表通过总线方式连接一个采集终端，如果采用客户/服务器模式进行时间同步，多个电能表同时申请对时，终端将无法回应，造成宕机，因此对电能表的时间同步将采用广播模式来实现。

时钟源与主站之间采用以太网进行连接，以太网的通信延迟是对称的，因此可直接采用NTP协议对主站进行时间同步。主站对采集终端的时间同步由于通信信道的不对称性，通信延迟δ1和δ2并不相等，因此需要经过不对称系数k修正来提高同步精度。采集终端对电能表的时间同步，应在自身允许范围内，经过主站授权后，对电能表进行时间同步。

用电信息采集时间同步系统的技术构架可分为界面展示层、应用服务层、业务逻辑层、数据层、接口层等。其中界面展示层采用BS的形式以图形化的界面向用户展示对时数据及相应的参数配置信息等；应用服务层，可以降低各个逻辑模块之间的耦合程度，为系统内部数据管理、终端对时，电能表对时等相关业务系统提供服务；业务逻辑层用以实现采集终端和电能表的精确对时；数据层采用Oracle，用Spring + Ibatis技术实现数据读取，同时采用事务处理保障数据的一致性，采用数据缓存机制来保证服务的性能；接口层将封装表计终端的通信规约及接口协议，用于与设备之间的通信来实现对设备的控制。

图4 用电信息采集时间同步系统

3.2 系统功能

系统采集终端的时间同步具备如下功能，能够按供电单位、终端类型、处理状态、终端型号、事件日期和终端资产号等条件查询统计时间段内发生时钟超差的终端，并展示对应的终端资产号、型号、发生超差的最早时间和最近时间、发生次数、处理状态、对时结果等明细，并能够通过统计功能导出相应的清单。

系统电能表的时间同步具备如下功能，能够按供电单位、电能表局编号、用户编号、电能表厂家、事件日期、电能表类型和抄表段号等条件，查询统计时间段内发生时钟超差的电能表，并展示对应电能表的局编号，测量点序号，用户编号，用户名称，抄表段号，电能表时钟，透抄时刻，滞后时间等明细，可以选择多个或全部问题电能表进行时钟召测和广播校时，人工校时需在现场对时人工登记功能中进行填写。

4 结束语

提出一种基于用电信息采集系统的时间同步系统，该系统以NTP协议为基础，结合远程通信延时不对称系数的修正，采用分层结构，自上而下对采集终端和电能表进行时间同步，通过建立用电信息采集时间同步系统构架以及对同步系统系统功能的设计完成用电信息采集时间同步系统的设计，通过实验验证，本系统时间同步精度达到现行标准要求。本系统鲁棒性好、应用性强，为用电信息采集系统的精准、高效、经济运行提供了重要保证。