电力系统环境下的网络时间同步系统的研究与实现

论文摘要

随着电网系统大区域互联和特高压输电技术的发展,网络时间同步技术在电力系统中得到了广泛应用,同时对系统实时性也提出越来越高的要求。维持电力系统网络内设备严格的时间同步是保障系统实时性的关键。针对这一需求,本文设计了一种在电力系统环境下用于严格时间同步的系统,实现了基于NTP（Network Time Protocol）协议的网络时间同步技术。首先,论文在深入分析与比较现有电力系统中各种时间同步方法优缺点的基础上,选择NTP协议作为系统的时间同步方法。阐述了国内外NTP研究现状,详细地介绍了NTP协议的同步理论和关键算法。然后,针对电力系统二次侧（继电保护侧或者控制侧）同步系统特点,以三星公司S3C2410芯片为核心,提出一种系统硬件设计方案。硬件设计采用核心板+底板的思路：核心板包括主控制器、外围存储电路和核心板电源电路；底板实现电源、串行通信和以太网接口在内的功能模块。在保证时钟同步精度的前提下,选择Linux操作系统来管理时钟同步任务,并完成Linux系统移植和网卡驱动开发。其次,软件设计的重点是研究网络时间同步系统的实现。软件系统采用模块化的结构进行设计,分为卫星信息接收,NTP客户端和服务端实现,网络监控、卫星错误查询和液晶显示三大部分：1)卫星信息接收指串口卫星报文信息接收。系统利用串口发送的卫星报文信息校准本地时钟；2)NTP客户端和服务端实现指利用同步好的系统时间,通过Linux操作系统调用NTP实现程序,在网络层实现服务器和客户端两者之间的时钟同步报文的UDP/IP通信；3)网络监控、卫星错误查询和液晶显示这三部分的设计都是为方便系统使用人员实时观察系统工作状态,同时方便维护人员更好地调用系统出错时的状态信息。最后,通过实验室模拟环境对系统同步性能进行了测试。实验结果表明：网络时间同步精度达到了10ms,可满足电力系统二次侧环境下对时间同步系统的要求,具有较好的应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究背景
• 1.3 目前电力系统中时间同步的方法
• 1.4 国内外NTP研究的现状
• 1.5 论文内容安排
• 第2章 NTP时钟同步的主要原理和方法
• 2.1 NTP协议简介
• 2.2 NTP所在时间同步网的层次结构
• 2.3 NTP协议的工作原理
• 2.4 NTP协议的工作模式
• 2.5 NTP协议的过程分析
• 2.6 NTP时间戳格式
• 2.7 NTP消息格式
• 2.8 NTP算法分析
• 2.8.1 时钟过滤算法分析
• 2.8.2 时钟选择算法分析
• 第3章 系统硬件设计
• 3.1 主芯片的选型
• 3.2 系统硬件的总体方案
• 3.2.1 核心板硬件设计
• 3.2.2 底板硬件设计
• 3.3 系统硬件抗干扰设计
• 第4章 嵌入式Linux系统移植和驱动开发
• 4.1 嵌入式Linux系统特点
• 4.2 嵌入式Linux移植步骤
• 4.3 Bootloader移植
• 4.3.1 Bootloader启动阶段分析
• 4.3.2 Bootloader移植过程
• 4.4 Linux内核移植
• 4.4.1 Linux内核启动过程分析
• 4.4.2 Linux内核移植过程
• 4.5 根文件系统移植
• 4.5.1 Linux根文件移植过程
• 4.6 驱动开发
• 4.7 本章小结
• 第5章 时间同步系统应用软件的开发
• 5.1 开发环境的建立
• 5.2 抢占式多任务处理的讨论
• 5.3 网络时间同步系统软件的设计和实现
• 5.3.1 卫星时钟源同步程序模块
• 5.3.2 NTP时间同步模块
• 5.3.3 网络监控模块
• 5.3.4 卫星错误状态查询模块
• 5.3.5 液晶显示模块
• 5.4 本章小结
• 第6章 时间同步系统的性能测试与分析
• 6.1 网络时间同步系统测试环境
• 6.2 网络时间同步系统同步偏差的测试
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 读学位期间所发表的论文和参与的课题