一种电力物联网无线传感器时间同步系统及方法与流程

1.本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种电力物联网无线传感器时间同步系统及方法。


背景技术：

2.近年来，随着科技水平的飞速发展，电力物联网的建设也在稳步推进，无线传感器作为融合电网信息、用户信息、外部信息等多源信息的关键枢纽，其相关的应用与研究正逐步受到重视。
3.在实际应用过程中，电力物联网中的众多无线传感器需要采用统一的时间基准、精确的时间标注，以确保信息高效融合应用，保障信息数据的质量。同时，针对电力物联网的监测、控制不仅只局限于就地，而是跨区域的广域测量和广域保护，支撑智能电网的各种高级应用都需要整个电网的断面数据作为应用基础，这就要求相关的一次设备对应的数据采集时间是精确同步的，这种将区域内无线传感器的时间基准进行统一的方法即可以表示为时间同步方法。
4.目前，现有技术的电力系统网络中常规使用的时间同步方法一般均是通过在调控中心、变电站、发电厂各自部署时间同步系统，利用这些时间同步系统保证各自区域内设备所使用的时间是同步的。例如，专利文献cn113079563a提供一种基于多时钟源的无线传感器网络同步方法，建立以网关为中心的层次化网络拓扑结构，节点在每个同步周期，以层为单位更新同步时钟源，完成与上一层节点的同步，重复迭代，实现从网关到最外层节点的全网时间同步。在采用这种时间同步方法进行时间同步时，其同步的精度取决于时间传递各个环节的正确性，传递的环节较多，存在较大的同步误差。此外，这种时间同步方法涉及交互计算的节点较多且算法复杂，并不能满足电力物联网设备的低功耗需求，其在时间同步过程的消耗过大，成本过高。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种电力物联网无线传感器时间同步系统及方法，能够有效减少时间信息传递环节，降低能耗。
6.一种电力物联网无线传感器时间同步系统，包括根无线传感器、至少两个次根无线传感器以及多个无线传感器；
7.所述次根无线传感器用于发送分组启动报文至多个无线传感器，多个无线传感器根据所述分组启动报文进行分组，各组无线传感器分别与各个次根无线传感器对应；
8.所述根无线传感器用于发送同步广播信号至所述次根无线传感器，所述次根无线传感器用于根据自身本地时间记录所述同步广播信号的到达时间，并将所述到达时间发送给其他次根无线传感器；各次根无线传感器用于根据接收的到达时间对自身时钟进行调整；
9.每一组无线传感器用于与其对应的次根无线传感器进行双向报文交换以实现时
间同步。
10.进一步地，所述次根无线传感器用于发送包含组别信息的分组启动报文至相应的无线传感器，无线传感器根据所述分组启动报文，设置自身组别，并将自身组别信息发回至相应的次根无线传感器以完成分组。
11.进一步地，所述次根无线传感器用于通过偏移矩阵对自身时钟进行调整；
12.所述偏移矩阵如下表示：
[0013][0014]
其中，offset[i,j]表示次根无线传感器i与次根无线传感器j之间应调整的时间差，m为次根无线传感器已发送的消息包的个数，n为次根无线传感器的个数，t
ik
为次根无线传感器i收到同步广播信号k的本地时间，t
jk
为次根无线传感器j收到同步广播信号k的本地时间。
[0015]
进一步地，每一组无线传感器还用于设定第一发送时间，并将所述第一发送时间生成第一报文，到达第一发送时间时将所述第一报文发送至对应的次根无线传感器；
[0016]
次根无线传感器记录接收所述第一报文的第一接收时间，并设定第二发送时间，将所述第一发送时间、第一接收时间以及第二发送时间生成第二报文，在到达所述第二发送时间时将所述第二报文发回至组内的无线传感器；
[0017]
所述无线传感器记录接收所述第二报文的第二接收时间，根据所述第一发送时间、第一接收时间、第二发送时间、以及第二接收时间计算时间偏差，并根据所述时间变差调整自身时间，实现与次根无线传感器的时间同步。
[0018]
进一步地，所述时间偏差通过以下公式进行计算：
[0019][0020]
其中，δ为时间偏差，t1为第一发送时间，t2为第一接收时间，t3为第二发送时间，t4为第二接收时间。
[0021]
一种采用上述系统的电力物联网无线传感器时间同步方法，包括：
[0022]
次根无线传感器发送分组启动报文至多个无线传感器；
[0023]
多个无线传感器根据所述分组启动报文进行分组，各组无线传感器分别与各个次根无线传感器对应；
[0024]
根无线传感器发送同步广播信号至所述次根无线传感器；
[0025]
次根无线传感器根据自身本地时间记录所述同步广播信号的到达时间，并将所述到达时间发送给其他次根无线传感器；
[0026]
各次根无线传感器根据接收的到达时间对自身时钟进行调整；
[0027]
每一组无线传感器与其对应的次根无线传感器进行双向报文交换以实现时间同步。
[0028]
进一步地，多个无线传感器根据所述分组启动报文进行分组，包括：
[0029]
次根无线传感器发送包含组别信息的分组启动报文至相应的无线传感器；
[0030]
无线传感器根据所述分组启动报文，设置自身组别，并将自身组别信息发回至相应的次根无线传感器以完成分组。
[0031]
进一步地，所述次根无线传感器通过偏移矩阵对自身时钟进行调整；
[0032]
所述偏移矩阵如下表示：
[0033][0034]
其中，offset[i,j]表示次根无线传感器i与次根无线传感器j之间应调整的时间差，m为次根无线传感器已发送的消息包的个数，n为次根无线传感器的个数，t
ik
为次根无线传感器i收到同步广播信号k的本地时间，t
jk
为次根无线传感器j收到同步广播信号k的本地时间。
[0035]
进一步地，每一组无线传感器用于与其对应的次根无线传感器进行双向报文交换以实现时间同步，包括：
[0036]
每一组无线传感器设定第一发送时间，并将所述第一发送时间生成第一报文，到达第一发送时间时将所述第一报文发送至对应的次根无线传感器；
[0037]
次根无线传感器记录接收所述第一报文的第一接收时间，并设定第二发送时间，将所述第一发送时间、第一接收时间以及第二发送时间生成第二报文，在到达所述第二发送时间时将所述第二报文发回至组内的无线传感器；
[0038]
无线传感器记录接收所述第二报文的第二接收时间，根据所述第一发送时间、第一接收时间、第二发送时间、以及第二接收时间计算时间偏差，并根据所述时间变差调整自身时间，实现与次根无线传感器的时间同步。
[0039]
进一步地，所述时间偏差通过以下公式进行计算：
[0040][0041]
其中，δ为时间偏差，t1为第一发送时间，t2为第一接收时间，t3为第二发送时间，t4为第二接收时间。
[0042]
本发明提供的电力物联网无线传感器时间同步系统及方法，至少包括如下有益效果：
[0043]
可以在满足低功耗的同时，确保电力物联网无线传感器的时间同步性。利用分组的方式，各无线传感器只需与本组内的次根无线传感器通信，能够有效减少时间信息传递环节，提高同步精度，有效降低能耗，可以在同步精度与算法功耗之间取得较好的平衡。
附图说明
[0044]
图1为本发明提供的电力物联网无线传感器时间同步系统一种实施例的结构示意图。
[0045]
图2为本发明提供的电力物联网无线传感器时间同步系统中时间同步报文模型一种实施例的示意图。
[0046]
图3为本发明提供的电力物联网无线传感器时间同步系统中传感器交互时间一种实施例的示意图。
[0047]
图4为本发明提供的电力物联网无线传感器时间同步方法一种实施例的流程图。
[0048]
图5为本发明提供的电力物联网无线传感器时间同步方法与现有技术时间同步方法的精度对比示意图。
[0049]
图6为本发明提供的电力物联网无线传感器时间同步方法与现有技术时间同步方法的能耗对比示意图。
具体实施方式
[0050]
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。
[0051]
参考图1，在一些实施例中，提供一种电力物联网无线传感器时间同步系统，包括根无线传感器1、至少两个次根无线传感器2以及多个无线传感器3；
[0052]
次根无线传感器2用于发送分组启动报文至多个无线传感器3，多个无线传感器3根据所述分组启动报文进行分组，各组无线传感器3分别与各个次根无线传感器2对应；
[0053]
根无线传感器1用于发送同步广播信号至次根无线传感器2，次根无线传感器2用于根据自身本地时间记录所述同步广播信号的到达时间，并将所述到达时间发送给其他次根无线传感器2；各次根无线传感器2用于根据接收的到达时间对自身时钟进行调整；
[0054]
每一组无线传感器3用于与其对应的次根无线传感器2进行双向报文交换以实现时间同步。
[0055]
具体地，首先需要从电力物联网系统中选择一个根无线传感器，该根无线传感器不需要进行时间同步，只需要发送同步广播信号，该同步广播信号并不包含任何时间信息。
[0056]
进一步地，次根无线传感器2用于发送包含组别信息的分组启动报文至相应的无线传感器3，无线传感器3根据所述分组启动报文，设置自身组别，并将自身组别信息发回至相应的次根无线传感器2以完成分组。
[0057]
例如，某一次根无线传感器2将自身的组别设置为1，将组别1作为组别信息，生成分组启动报文发送到电力物联网中的部分无线传感器，所有收到该包含组别1的分组启动报文的无线传感器，将自身组别设置为1，并将该自身组别信息发回至组别为1的次根无线传感器2。完成分组后，每一个无线传感器3都能够与该组的次根无线传感器进行双向报文交换。如图1所示，在一个应用场景下，将无线传感器分为3组，分别为组a、组b和组c。
[0058]
分组之后，根无线传感器1发送同步广播信号至次根无线传感器2，次根无线传感器2根据自身本地时间记录所述同步广播信号的到达时间，并将所述到达时间发送给其他次根无线传感器2；各次根无线传感器2用于根据接收的其他次根无线传感器发送的到达时间，通过偏移矩阵对自身时钟进行调整，其中，所述偏移矩阵如下表示：
[0059][0060]
其中，offset[i,j]表示次根无线传感器i与次根无线传感器j之间应调整的时间差，m为次根无线传感器已发送的消息包的个数，n为次根无线传感器的个数，t
ik
为次根无线传感器i收到同步广播信号k的本地时间，t
jk
为次根无线传感器j收到同步广播信号k的本地时间。
[0061]
至此，完成次根无线传感器的时间同步。
[0062]
进一步地，每一组无线传感器与其组内对应的次根无线传感器进行双向报文交换，具体如下：
[0063]
每一组无线传感器3设定第一发送时间t1，并将所述第一发送时间t1生成第一报文，到达第一发送时间时将所述第一报文发送至对应的次根无线传感器2；
[0064]
次根无线传感器2记录接收所述第一报文的第一接收时间t2，并设定第二发送时间t3，将所述第一发送时间t1、第一接收时间t2以及第二发送时间t3生成第二报文，在到达所述第二发送时间时将所述第二报文发回至组内的无线传感器3；
[0065]
所述无线传感器3记录接收所述第二报文的第二接收时间t4，根据所述第一发送时间t1、第一接收时间t2、第二发送时间t3、以及第二接收时间t4计算时间偏差，并根据所述时间变差调整自身时间，实现与次根无线传感器的时间同步。
[0066]
其中，所述时间偏差通过以下公式进行计算：
[0067][0068]
其中，δ为时间偏差，t1为第一发送时间，t2为第一接收时间，t3为第二发送时间，t4为第二接收时间。
[0069]
各个无线传感器将自身的本地时间加上所述时间偏差，即可将自己的本地时间调整至于次根无线传感器的时间同步。
[0070]
为了实现时间同步，无线传感器间往往需要互相通信以交换各自的时间信息，该信息可以称之为报文。报文的交换涉及到了诸多环节，如信息封装、等待信道空闲等，每个环节都会产生或大或小的时延，并且时延往往是不确定的。报文的传输延迟具体划分可以如图2所示。图2示意性地显示了一种时间同步报文模型。
[0071]
如图2所示，发送时间，是指发送方生成报文并转交给mac层所需的时间。在本实施例中，发送时间可以表示：无线传感器在完成时间信息包装后将信息包送至发送端的时间。
[0072]
相应地，访问时间，是指发送的无线传感器在完成发送准备后等待发送的时间，由于同一时间内无线传感器只能发送一个消息，因此若传感器正在发送其他消息包则必须等待无线传感器空闲，即“等待访问”的时间。
[0073]
传输时间，是指发送的无线传感器发送时间消息包的时间，消息包的长度确定为l(bits)，若发送的无线传感器的传输速度为r(bits/s)，则传输时间为l/r(s)。由此可见，传输时间与消息包长度、传输速度有关。
[0074]
传播时间，是指电磁波在两节点间的传输时间，由于电磁波以光速传播，该时间往往可以忽略不计。
[0075]
接收时间，是指接收的无线传感器的接收时间，其与传输时间相对应，时间可以确定。
[0076]
接收处理时间，是指接收的无线传感器在收到其他无线传感器发来的信息后将消息传输到上层应用所用的时间，依赖于处理器当前负载等，对应发送时间，时间长度不确定。
[0077]
参考图3，在t1时刻，无线传感器将第一报文发送给次根无线传感器，次根无线传感器在t2时刻收到第二报文并记录下t2，t2＝(t1 d δ)；在t3时刻，次根无线传感器将t1、t2和t3信息组成第二报文发送给无线传感器，无线传感器记录下接收时间t4，t4＝(t3 d-δ)，其中d表示消息传播的时延。
[0078][0079]
需要说明的是，在本实施例中，电力物联网中所应用的无线传感器和次根无线传感器均可以定义为节点。
[0080]
节点的时钟模型可以以数学化公式的方法定量解释节点的时间变化，其可分为时间偏差与频率漂移。
[0081]
节点的本地时钟：一般而言，节点通过自身携带的晶体振荡，统计中断次数来确定自身本地时间；由此可知，节点i在时刻t的本地时钟读数可表示为：
[0082][0083]
其中，ti(t)为t时刻节点i的本地时间，t是真实时间变量，t0表示开始计时的物理时刻，k是取决于晶体自身特性的常量，w(t)为节点i晶振的角频率，ti(t0)代表节点i在t0时刻的本地时钟读数。
[0084]
节点的逻辑时钟：为了完成不同时钟之间的换算以及调整，可以构造逻辑时钟以构造两个时钟之间的换算关系。由此可知，网络中的节点i在t时刻的逻辑时钟可以表示为：
[0085]ci
(t)＝ai·
ti(t) bi；
ꢀꢀ
(5)
[0086]
其中，ti(t)为节点i在t时刻本地时钟读数；ai为节点i的频率修正系数；bi为节点i的初相位修正系数。
[0087]
需要说明的是，ti(t)表示的是节点i根据自身晶体所计算得到的自身的时间，其往往是非同步的。为了同步任意两个节点i和j，需要通过构造相应的逻辑时钟，从而使两个时钟有了在相位和频率上的联系，便可以通过调整某一时钟达到同步。
[0088]
由此，在电力物联网中，两节点i和j的时钟逻辑关系可表示为：
[0089]cj
(t)＝a
ijci
(t) b
ij
；
ꢀꢀ
(6)
[0090]
其中，cj(t)为网络中的节点j在t时刻的逻辑时钟；(相对漂移)；(相对偏移)；ai表示节点i的频率修正系数；aj表示节点j的频率修正系数；bi表示节点i的初相位修正系数，bj表示节点j的初相位修正系数；将节点i的ai、bi分别设为对应的a
ij
、b
ij
从而构造出一个逻辑时钟，便可以实现节点i与节点j的时间同步。
[0091]
参考图4，在一些实施例中，提供一种采用上述系统的电力物联网无线传感器时间同步方法，包括：
[0092]
s1、次根无线传感器发送分组启动报文至多个无线传感器；
[0093]
s2、多个无线传感器根据所述分组启动报文进行分组，各组无线传感器分别与各个次根无线传感器对应；
[0094]
s3、根无线传感器发送同步广播信号至所述次根无线传感器；
[0095]
s4、次根无线传感器根据自身本地时间记录所述同步广播信号的到达时间，并将所述到达时间发送给其他次根无线传感器；
[0096]
s5、各次根无线传感器根据接收的到达时间对自身时钟进行调整；
[0097]
s6、每一组无线传感器与其对应的次根无线传感器进行双向报文交换以实现时间同步。
[0098]
其中，步骤s2中，多个无线传感器根据所述分组启动报文进行分组，包括：
[0099]
次根无线传感器发送包含组别信息的分组启动报文至相应的无线传感器；
[0100]
无线传感器根据所述分组启动报文，设置自身组别，并将自身组别信息发回至相应的次根无线传感器以完成分组。
[0101]
进一步地，步骤s5中，所述次根无线传感器通过偏移矩阵对自身时钟进行调整；
[0102]
所述偏移矩阵如下表示：
[0103][0104]
其中，offset[i,j]表示次根无线传感器i与次根无线传感器j之间应调整的时间差，m为次根无线传感器已发送的消息包的个数，n为次根无线传感器的个数，t
ik
为次根无线传感器i收到同步广播信号k的本地时间，t
jk
为次根无线传感器j收到同步广播信号k的本地时间。
[0105]
进一步地，步骤s6中，每一组无线传感器用于与其对应的次根无线传感器进行双向报文交换以实现时间同步，包括：
[0106]
每一组无线传感器设定第一发送时间，并将所述第一发送时间生成第一报文，到达第一发送时间时将所述第一报文发送至对应的次根无线传感器；
[0107]
次根无线传感器记录接收所述第一报文的第一接收时间，并设定第二发送时间，将所述第一发送时间、第一接收时间以及第二发送时间生成第二报文，在到达所述第二发送时间时将所述第二报文发回至组内的无线传感器；
[0108]
无线传感器记录接收所述第二报文的第二接收时间，根据所述第一发送时间、第一接收时间、第二发送时间、以及第二接收时间计算时间偏差，并根据所述时间变差调整自身时间，实现与次根无线传感器的时间同步。
[0109]
其中，所述时间偏差通过以下公式进行计算：
[0110][0111]
其中，δ为时间偏差，t1为第一发送时间，t2为第一接收时间，t3为第二发送时间，t4为第二接收时间。
[0112]
为了进一步地说明上述系统时间同步方法的优越性，可以采用上述方法与现有技术中常用的rbs时间同步算法以及tpsn时间同步算法进行具体的实施测试，以对三种方案的实施效果进行对比。
[0113]
在本实施例中，可以应用网络建模仿真软件进行网络仿真，通过仿真软件可以构建有线、无线网络的模型并通过编程设计网络节点、进程模型从而改变网络的自身协议，并且可以在模型中插入探测针，用于在仿真过程中获得相应的数据。
[0114]
在实施验证过程中，采用上述实施例所述的时间同步方法与现有技术中常用的rbs时间同步算法以及tpsn时间同步算法应用于上述仿真模型中，并进行具体的实施测试。
[0115]
图5示意性地显示了采用上述时间同步系统与现有技术的rbs时间同步算法以及tpsn时间同步算法进行时间同步模拟时的同步精度差异。
[0116]
如图5所示，采用上述系统的时间同步方法对应曲线a1；rbs时间同步算法对应曲线a2；tpsn时间同步算法对应曲线a3。
[0117]
将现有技术中常用的rbs时间同步算法以及tpsn时间同步算法进行对比，可以发现，rbs时间同步算法的节点的同步精度很高，预测可以达到0.5微秒级别；tpsn算法的同步误差比rbs方法大很多，在单跳网络的情况下同步误差大约在15微秒左右。而采用本实施例所述的时间同步方法所获得的精度位于两者之间，其同步误差大约在10微秒以内。
[0118]
图6示意性地显示了采用本实施例提供的时间同步方法与现有技术的rbs时间同步算法以及tpsn时间同步算法进行时间同步模拟时的功耗分析。
[0119]
如图6所示，图6示意性地显示了在采用三种不同的时间同步方法时，节点个数与报文数量(算法功耗)的关系，本实施例所述的时间同步方法对应曲线b1；rbs时间同步算法对应曲线b2；tpsn时间同步算法对应曲线b3。
[0120]
结合参阅图5和图6可以看出，在具体实施过程中，相较于现有技术中的rbs时间同步算法以及tpsn时间同步算法，本实施例所述的时间同步方法能够在同步精算与算法功耗之间取得较好的平衡，其非常适用于电力物联网。
[0121]
上述实施例提供的时间同步系统和方法，可以在满足低功耗的同时，确保电力物联网无线传感器的时间同步性。利用分组的方式，各无线传感器只需与本组内的次根无线传感器通信，能够有效减少时间信息传递环节，提高同步精度，有效降低能耗，可以在同步精度与算法功耗之间取得较好的平衡。
[0122]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。