[发明专利]一种基于自适应算法的变电站网络对时方法

摘要

本发明公开了一种基于自适应算法的变电站网络对时方法，主时钟与本地时钟一次对时，进行N次信息交换，通过将信息交换次数N，αBLUE、βBLUE代入来判断相偏Φ值采用φMLE还是φBLUE，对本地时钟进行相偏补偿；补偿后，再通过对本地时钟进行频偏补偿。针对智能变电站网络负荷较重时，网络传输往返延时不对称，传统的精确时钟同步协议(Precision Time Protocol，PTP)单次对时在本地时钟的校正上误差较大，本发明提供的一种基于自适应算法的变电站网络对时方法，通过统计学方法在多次对时后计算出本地时钟频偏与相偏误差的最优解进而进行补偿。

主权项

一种基于自适应算法的变电站网络对时方法，其特征在于：包括步骤如下：步骤一：主时钟与本地时钟一次对时，进行N次信息交换，物理层处理延时设为定值d；第k次信息交换中，T1,k为主时钟第k个信息包的实际发送时间；T2,k为本地时钟收到第k个信息包的时间；T3,k为本地时钟发送第k个信息包的实际发送时间；T4,k为主时钟收到第k个信息包的时间；信息由主时钟到本地时钟的网络传输延时设为随机变量Xk，信息由本地时钟到主时钟的网络传输延时设为随机变量Yk，假设网络延时和分别服从均值为α和β的指数分布；步骤二：相偏计算的最大似然估计，假设网络传输的往返延时对称性较好，网络传输延时Xk与Yk服从相同参数的指数分布，可以令这两个指数函数的均值相等，有α＝β＝λ；同时因为网络传输延时的随机性，造成信息交换延时的不确定，可以将N次对时后得到的信息交换的往返延时数据和进行数值从小到大的顺序统计，重新排列后变为和可以构建似然函数为：L(d,Φ,λ)=λ-2Ne-(Σk=1NUk+Σk=1NVk-2Nd)λ---(2.5)]]>考虑到Uk＝T2,k‑T1,k＝d+Φ+Xk与Vk＝T4,k‑T3,k＝d‑Φ+Yk，对N次对时信息交换的往返延时进行累加，有NU‾=Nd+NΦ+Nλ---(2.6)]]>与是的平均值，是的平均值；(2.6)与(2.7)两式相加可得代入式(2.5)可得LR(d,Φ)=[U‾+V‾2-d]-2Ne-2N---(2.8)]]>通过使式(2.8)的似然函数LR(d,Φ)取得最大值，就可以得到参变量的最大似然估计值；解得d和Φ的最大似然估计为：dMLE=U(1)+V(1)2ΦMLE=U(1)-V(1)2---(2.9)]]>U(1)表示中排序第一，V(1)表示中排序第一；步骤三：相偏计算的最优线性无偏估计，首先将N次对时后得到的信息交换的往返延时数据和进行数值从小到大的顺序统计，重新排列后变为和定义所需求解未知变量矩阵为δ′＝[dΦαβ]T，则有P′=11...111...111...1-1-1...-11N1N+1N-1...Σk=1N1N-k+100...000...01N1N+1N-1...Σk=1N1N-k+1T---(2.10)]]>矩阵中P′为由对时信息样本长度N决定的矩阵；由于对信息交换延时数据进行了顺序统计，故建立的是线性模型，δ′的最优线性无偏估计为：δBLUE′=(P′TQW′-1P′)-1P′TQW′-1W---(2.11)]]>其中Q′W是W的协方差矩阵；因为信息交换的往返延时和为两个相互独立的指数随机分布，可得：QW′=α2Q00β2Q---(2.12)]]>Q是信息交换延时数据U(k)和V(k)的N×N阶对称正定协方差矩阵；观测到的信息交换延时数据为：W＝[U1 V1 U2 V2…UN VN]T可求解得δ′的最优线性无偏估计为：δBLUE′=dBLUEΦBLUEαBLUEβBLUE=12N(N-1)(N2-1)U(1)-Σk=2NU(k)+(N2-1)V(1)-Σk=2NV(k)(N2-1)U(1)-Σk=2NU(k)-(N2-1)V(1)+Σk=2NV(k)2NU(1)-2N2U(1)+2NΣk=2NU(k)2NV(1)-2N2V(1)+2NΣk=2NV(k)=12(N-1)N(U(1)+V(1))-(U‾+V‾)N(U(1)-V(1))-(U‾-V‾)2N(U‾-U(1))2N(V‾-V(1))---(2.13)]]>其中，与分别为信息交换的往返延时数据和的样本平均值，同时也为顺序统计后和的样本平均值；步骤四：将信息交换次数N，αBLUE、βBLUE代入公式(2.16)，其中，αBLUE代表信息由主时钟到本地时钟的网络传输延时的最优线性无偏估计，βBLUE代表信息由本地时钟到主时钟的网络传输延时的最优线性无偏估计；N2-1<αβ(α-β)2---(2.16)]]>如果公式(2.16)成立，则相偏Φ值采用公式(2.9)中的ΦMLE；如果公式(2.16)不成立，则相偏Φ值采用公式(2.13)中的ΦBLUE；步骤五：设本地时钟此时输出时间为Ci(t)，对其进行相偏补偿后，实际输出时间C’i(t)为：C’i(t)＝Ci(t)+Φ   (3.5)步骤六：本地时钟频偏的最优估计，假设本地时钟与主时钟之间由于频偏η的影响，时钟相偏单调递增，即频偏η不变，一次对时中对时信息共进行N次交换，其中第k次对时信息交换的T2,k与T3,k均为本地时钟的本地时间，与均为主时钟的本地时间，物理层处理延时为定值d，信息由主时钟到本地时钟的网络传输延时为随机变量Xk，信息由本地时钟到主时钟的网络传输延时为随机变量Yk；选择T1,1为参考时间，即T1,1为主时钟实际本地时间的零时刻；则与分别为主时钟实际本地时间与的相对时间；表示在时刻的参考时钟相位偏移，其中Φr代表本地时钟的实际相偏；本地时钟接收到第k次对时信息时的相对观测时间为T2,k，发送第k次对时信息时的相对观测时间为T3,k，有：T2,k=T1,kr+d+Xk+(T1,kr-T1,1r+d+Xk)·η+Φr=(T1,k+d+Xk)(1+η)+Φ---(3.1)]]>有同理有T3,k＝(T4,k‑d‑Yk)(1+η)+Φ  (3.2)当网络传输延时对称性较好时，假设网络传输的往返平均延时α和β有α＝β，并且本地时钟相偏Φ已通过计算进行了补偿，同时物理层处理延时d由装置决定，为已知值，可以构建似然函数为L(η,β)=β-2Ne-(Σk=1NT2,k-T3,k1+η-Σk=1N(x1,k-T4,k)-2Nd)β---(3.3)]]>Xk>0与Yk>0，可得定义域由于d>0与1+η>0，可由定义域推得同时观察到式(3.3)中(T2,k﹣T3,k)总是负的，网络传输延时β>0，因此若要使似然函数L(η,β)有最大值，η的取值应尽量小；故η的最大似然估计值为其最小值，即其中步骤七：设本地时钟晶振固有频率为f，对其进行补偿后，实际频率f’为：f’＝f×(1+ηmin)   (3.6)。