一种适用于配电网量测装置的高精度守时方法及装置

1.本发明涉及电力系统领域，尤其涉及一种适用于配电网量测装置的高精度守时方法及装置。


背景技术：

2.我国目前的能源结构中起到主要支撑作用的仍然是传统能源，虽然新能源的占比在逐年上涨，但是在总的能源结构中也还只是一小部分，并且随着经济的发展我国对传统能源的消耗量与日俱增，并且传统的能源大多是不可再生的，而新能源一般是以水能、太阳能、风能、潮汐能等可再生能源为主的，因此新能源相较于传统能源对环境保护更加有利，但是新能源发电不稳定，若分布式新能源大量的被接入配电网，以及大量的电力电子器件介入到配电网中，这给配电网运行带来了很大的不确定性，在这样一个更加庞大、更加复杂的配电网系统中就需要更多的检测装置，而时间作为所有参数的基准，它的标准程度就会直接影响整个配电网系统的稳定程度和安全性，一个高精度的时钟同步装置对于现如今的配电网运行具有重要意义。
3.目前常运用于误差修正的算法有：卡尔曼滤波算法、有限脉冲响应法和数字锁相环原理三种方法，下面分别对这三种算法进行简单介绍：
4.卡尔曼滤波算法的核心思想是利用五个卡尔曼方程来计算观测信息和预测数据的曲线，从而实现系统变量的最优估计和优化。卡尔曼滤波算法的优点是不需要知道对象模型就可以预测未来的状态，具有滤波的效果，从而实现对于卫星时间信号的预测。
5.有限脉冲响应滤波器算法相当于一个输出只和当前和过去有关的数字滤波器，这是该数字滤波器对于输入的脉冲信号所产生的响应最终会趋于独立于过去的输出。与无限脉冲响应滤波器、有限脉冲响应滤波器相比，因为它没有采用反馈电路，所以它的电路结构更加简单，具有更好的线性特性。
6.还有一种误差修正的算法是通过锁相环电路对硬件电路进行修正，锁相环电路的原理是通过频分或倍频产生多种频率的信号，再将自身产生的时钟波形与外部待测时钟的波形进行对比，来实现相位同步的效果。锁相环电路的目的是为了产生输出信号和待测信号实现波形自动跟踪的功能，因此这个电路也具有滤波效果，同时该电路还能实现对时钟同步信号中的抖动进行滤波。
7.现有技术存在的问题：
8.(1)当使用卡尔曼滤波算法作为时钟偏差的算法时，因为时间偏移的曲线漂移具有很大的不确定性，与之前的数据相关性不大，就会导致卡尔曼滤波算法在时间偏差较大的情况下对变量的预测效果并不理想；
9.(2)锁相环电路能够产生高精度时钟，同时，将相位同步电路分频产生的第二信号与卫星同步时钟的第二信号进行比较，校正相位同步环路中的分频系数，从而达到相位跟踪的效果。但是由于锁环电路产生的第二脉冲信号是不连续的，不能确定是左移还是右移，因此这种方法时钟的时间精度不能满足要求。


技术实现要素：

10.本发明提供了一种适用于配电网量测装置的高精度守时方法及装置，本发明能够解决卫星信号失锁时，由于晶振在复杂和未知环境下受工作时间和环境因素影响，其长时间振荡产生偏移，通过构建其精度偏移模型，拟合在守时模式下晶振的时钟偏移曲线，该曲线有利于处理器对于偏移的振荡信号进行补偿，从而提高同步时钟的精度，详见下文描述：
11.第一方面，一种适用于配电网量测装置的高精度守时方法，所述方法包括以下步骤：
12.建立时间线性离散系统的数学模型，实现对于晶振时间数据进行数学建模；
13.利用小波变换确定噪声水平，估计出离散系统的噪声方差；
14.基于小波变换的自适应卡尔曼滤波在线评估测量噪声的方差矩阵；
15.建立温度变换和频率变化曲线，将温度变化曲线代入频率变化曲线公式中获得频率随时间变化的公式；
16.建立晶振时间和标准时间、晶振频率和标准频率的关系，计算出晶振产生的本地时钟和标准时间的频率值；利用最小二乘法拟合出温度和时间对于晶振本地时钟和标准时钟的偏差曲线，该偏差曲线运用于提高系统同步时钟的精度。
17.其中，所述建立晶振时间和标准时间、晶振频率和标准频率的关系，计算出晶振产生的本地时钟和标准时间的频率值具体为：
18.设晶振时间和标准时间的差值计算公式为：
[0019][0020]
其中，f0为基准频率；
[0021]
将温度偏移对频率的影响带入到频率漂移的公式中得到这三者关系的公式：
[0022][0023]
对频率漂移的公式进行积分得到频率偏移的公式，如下式所示：
[0024][0025]
由此可知偏移量和时间存在着三次关系，利用最小二乘法设补偿曲线的多项式形式为：
[0026]
r＝at3 bt2 ct
[0027]
通过求解矩阵的逆矩阵来求取a、b和c的取值，再将求解结果带入参数可得：
[0028][0029]
其中，r1、r2、r3为三个不同实测值，t1、t2、t3为三个不同测量时刻。
[0030]
由此计算出a、b和c的值，再将算出的值带入计算出晶振产生的本地时钟和标准时间的频率值。
[0031]
第二方面，一种适用于配电网量测装置的高精度守时装置，所述装置包括：处理器和存储器，所述存储器中存储有程序指令，所述处理器调用存储器中存储的程序指令以使装置执行第一方面中的任一项所述的方法步骤。
[0032]
第三方面，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令被处理器执行时使所述处理器执行第一方面中的任一项所述的方法步骤。
[0033]
本发明提供的技术方案的有益效果是：
[0034]
1、不同的环境、地形和天气等任何一个因素都会导致卫星信号的接收出现问题，在卫星信号失锁的情况下，本发明设计的高精度的晶振时钟偏移算法能够通过机器学习算法拟合晶振振荡偏移曲线，从而提高时钟精度，满足科研、设备和生产等方面对于高精度同步时钟的需求；
[0035]
2、本发明解决了由于晶振长期使用且随着环境变化存在老化问题，同步时钟系统长时间的失锁现象会导致时间偏差不断累积，同步时钟系统的精度也会随之降低；
[0036]
3、本发明对于配电网高精度同步时钟设计具有有效地促进作用，为复杂环境下电力设备高精度量测系统的实现奠定同步时钟基础，为卫星同步时钟在配电网中广泛应用提供了技术支撑。
附图说明
[0037]
图1为一种适用于配电网量测装置的高精度守时方法的流程图；
[0038]
图2为基于小波变换的自适应卡尔曼滤波的流程图；
[0039]
图3为基于温度变化影响和晶振自身偏移的最小二乘法拟合流程图；
[0040]
图4为一种适用于配电网量测装置的高精度守时装置的结构示意图。
具体实施方式
[0041]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0042]
本发明实施例是基于gps卫星信号系统和北斗卫星信号系统的配电网量测装置双模同步时钟守时算法，同步时钟装置被应用于很多重要的工程中，它能够提高系统的稳定性。现有大多数的方案都是采用卫星时钟和晶振时钟相结合的方法，这种方法结合了卫星时钟和晶振时钟两者的优点提高了系统的时钟精度和准确度。
[0043]
在本发明实施例中采用的卫星时钟和晶振时钟双时钟的方法，这两种方式各有自身的优缺点，晶振时钟的随机误差小，但是长时间使用晶振时钟会导致较大的偏差，卫星时钟虽然随机差大，但是它的时间偏差不累计，将两种方法进行结合，结合两者的优点，将基于小波分析和自适应卡尔曼滤波的最小二乘法晶振时钟偏移曲线拟合运用到该方法中，能够进一步的提高卫星信号失锁状态下的时间精度。
[0044]
本发明实施例在处理接收到的卫星信号时，由于信号存在噪声，需进行降噪处理。本发明实施例在采用小波变换分析算法对信号的细节进行统计分析，实现信号的分层，将信号变换为平滑信号和细节信号，将分层后的信号通过自适应卡尔曼滤波处理，实现对接收到的卫星信号进行去噪；经过去噪处理后的时间信号具有更高的稳定性和准确性，有利于更好地训练同步时钟偏移模型。
[0045]
晶振受时间和环境因素，其精度会降低，需要通过去噪后的卫星时间信号进行修正。本发明实施例将建立晶振时间和标准时间、晶振频率和标准频率的关系，建立偏移量和时间的模型，利用最小二乘法拟合出温度和去噪后的卫星信号，利用对于晶振本地时钟和标准时钟的偏差曲线，从而拟合出晶振时钟偏移模型。
[0046]
将该晶振时钟偏移模型运用于配电网检测装置守时算法中，能够弥补传统方法中同步时钟精度随机性大和误差累加等问题，能够提高系统的时间精度，进一步提升电力系统运行的稳定性，同时该算法也能广泛的运用到交通、通信和能源等行业中，提升系统的时间精度。
[0047]
实施例1
[0048]
下面结合附图和具体实施例对本发明实施例提供的一种适用于配电网量测装置的高精度守时方法做进一步描述，详见下文描述：
[0049]
参见图1至图3，本发明实施例是一种基于设备接收到的双模卫星信号数据进行建模，首先采用基于小波分析的自适应卡尔曼滤波对于接收到的时间数据进行处理，增加数据的利用率，将进行预处理的数据采用最小二乘法进行建模，实现对于晶振时钟偏移的预测，具体步骤为：
[0050]
步骤101：建立时间线性离散系统的数学模型；
[0051]
yi＝θ
i,i-1yi-1
l
ivi-1
,i≥1
[0052]
xi＝hiyi wiꢀꢀ
(1)
[0053]
其中，yi∈rn×1是状态向量，θ
i,i-1
∈rn×n为状态转移矩阵；xi∈r
p
×1为测量向量；hi和li分别是对应维度的测量矩阵和系统噪声矩阵；v
i-1
和wi用于衡量噪声的系数。利用以上公式(1)对于晶振时间数据进行数学建模。
[0054]
步骤102：利用小波变换确定噪声水平；
[0055]
采用小波分析的算法能够实现对数据的细节进行统计分析，实现数据的分层，将信号变换为平滑信号和细节信号，利用以下公式估计出离散系统的噪声方差：
[0056][0057]
其中，为信号实时噪声方差统计；则是在不同的层上的细节信号的方差；β代
表的是不同层细节信号方差的权重，其中di为历史测量数据，a则表示的是遗忘因子，通过调节a的数值可以实现对历史测量数据的逐渐遗忘，具有提高噪声统计实时性的优点，k表示信号对应层数，i表示i时刻，(t是数学符号表示矩阵的转置)。
[0058]
步骤103：基于小波变换的自适应卡尔曼滤波；
[0059]
相较于普通的卡尔曼滤波，自适应卡尔曼滤波有更多由小波分解形成的层，这样可以在线评估测量噪声方差矩阵，从而实现更高的精度，具体公式如下所示：
[0060][0061]
其中，为状态向量，θ
i 1,i
为状态转移矩阵，为上一个历史状态向量，p
k 1/k
为，p
i,i
为，si为干扰也叫作过程噪声，γ
i 1
为历史状态数据与加权后的测量值之差，ak为不同层遗忘因子系数，为i 1层实时噪声方差统计，表示第k层多孔小波变换的平滑信号和细节信号，i
i 1
为，p
i 1/i
为i时刻的先验协方差，是滤波的中间计算结果，h
i 1
为维度测量矩阵，为状态向量，k为对应层数，n可以根据需要进行选择。
[0062]
步骤104：建立温度变换和频率变化曲线；
[0063]
设温度变化曲线为：
[0064]
t＝t0 at
ꢀꢀ
(4)
[0065]
其中，t0为基准温度即标准室温，a为温度变化率，t为温度差。
[0066]
频率变化的公式如下所示：
[0067]
f＝bt2 ct d
ꢀꢀ
(5)
[0068]
其中，f为频率，b、c、d为频率拟合曲线设定未知参数。
[0069]
将温度变化曲线代入式(5)中可得频率随时间变化的公式：
[0070]
f＝b(t0 at)2 c(t0 at) d
ꢀꢀ
(6)
[0071]
步骤105：建立晶振时间和标准时间、晶振频率和标准频率的关系；
[0072]
设晶振时间和标准时间的差值计算公式为：
[0073][0074]
其中，f0为基准频率。
[0075]
将温度偏移对频率的影响带入到，频率漂移的公式中可以得到这三者的关系的公式：
[0076][0077]
对频率漂移的公式进行积分可以得到频率偏移的公式，如下式所示：
[0078][0079]
由此可知偏移量和时间存在着三次关系，用最小二乘法对偏差进行拟合就要建立一个最高次项不低于三次项的偏差公式，才能较高精度的对偏差量进行补偿，利用最小二乘法设补偿曲线的多项式形式为：
[0080]
r＝at3 bt2 ct
ꢀꢀ
(10)
[0081]
通过求解矩阵的逆矩阵来求取a、b和c的取值，再将求解结果带入参数可得：
[0082][0083]
其中，r1、r2、r3为三个不同实测值，t1、t2、t3为三个不同测量时刻。
[0084]
由此计算出a、b和c的值，再将算出的值带入到公式(10)中，就能计算出晶振产生的本地时钟和标准时间的频率值。该方法利用最小二乘法拟合出温度和时间对于晶振本地时钟和标准时钟的偏差曲线，将该曲线运用于实际工程这种能够提高系统同步时钟的精度。
[0085]
实施例2
[0086]
一种适用于配电网量测装置的高精度守时装置，参见图4，该装置包括：处理器1和存储器2，存储器2中存储有程序指令，处理器1调用存储器2中存储的程序指令以使装置执行实施例1中的以下方法步骤：
[0087]
建立时间线性离散系统的数学模型，实现对于晶振时间数据进行数学建模；
[0088]
利用小波变换确定噪声水平，估计出离散系统的噪声方差；
[0089]
基于小波变换的自适应卡尔曼滤波在线评估测量噪声的方差矩阵；
[0090]
建立温度变换和频率变化曲线，将温度变化曲线代入频率变化曲线公式中获得频率随时间变化的公式；
[0091]
建立晶振时间和标准时间、晶振频率和标准频率的关系，计算出晶振产生的本地时钟和标准时间的频率值；利用最小二乘法拟合出温度和时间对于晶振本地时钟和标准时钟的偏差曲线，该偏差曲线运用于提高系统同步时钟的精度。
[0092]
其中，所述建立晶振时间和标准时间、晶振频率和标准频率的关系，计算出晶振产生的本地时钟和标准时间的频率值具体为：
[0093]
设晶振时间和标准时间的差值计算公式为：
[0094][0095]
其中，f0为基准频率；
[0096]
将温度偏移对频率的影响带入到频率漂移的公式中得到这三者关系的公式：
[0097][0098]
对频率漂移的公式进行积分得到频率偏移的公式，如下式所示：
[0099][0100]
由此可知偏移量和时间存在着三次关系，利用最小二乘法设补偿曲线的多项式形式为：
[0101]
r＝at3 bt2 ct
[0102]
通过求解矩阵的逆矩阵来求取a、b和c的取值，再将求解结果带入参数可得：
[0103][0104]
其中，r1、r2、r3为三个不同实测值，t1、t2、t3为三个不同测量时刻。
[0105]
由此计算出a、b和c的值，再将算出的值带入计算出晶振产生的本地时钟和标准时间的频率值。
[0106]
这里需要指出的是，以上实施例中的装置描述是与实施例中的方法描述相对应的，本发明实施例在此不做赘述。
[0107]
上述的处理器1和存储器2的执行主体可以是计算机、单片机、微控制器等具有计算功能的器件，具体实现时，本发明实施例对执行主体不做限制，根据实际应用中的需要进行选择。
[0108]
存储器2和处理器1之间通过总线3传输数据信号，本发明实施例对此不做赘述。
[0109]
实施例3
[0110]
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，存储介质包括存储的程序，在程序运行时控制存储介质所在的设备执行上述实施例中的方法步骤。
[0111]
该计算机可读存储介质包括但不限于快闪存储器、硬盘、固态硬盘等。
[0112]
这里需要指出的是，以上实施例中的可读存储介质描述是与实施例中的方法描述相对应的，本发明实施例在此不做赘述。
[0113]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例的流程或功能。
[0114]
计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过计算机可读存储介质进行传输。计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。可用介质可以是磁性介质或者半导体介质等。
[0115]
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
[0116]
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0117]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。