一种支持工业物联网业务时间同步方法技术

本发明专利技术涉及的是物联网领域，特别是指工业物联网，如智能电网工业控制业务时间同步方案设计。在工业物联网应用环境下，本发明专利技术针对业务终端没有与信息主站时间同步功能，提出了一种支持业务报文时间同步方案。经过分析可知该方案在网络没有拥塞情况下可以保证业务报文在终端设备、信息主站之间的时间同步；在网络有拥塞情况下可以保证业务报文到达终端设备的时序逻辑要求，是一种弱同步技术。同时本发明专利技术使用该时间同步方案并结合电网的现状，提出了适用于智能电网建设的三级时间同步架构。三级时间同步架构可以支持电力系统的全网时间同步，保证电力业务报文的时间同步、时序要求和满足电力系统主站多业务接入、多业务协议类型转换的需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是物联网领域，特别是指工业物联网，如智能电网工业控制业务时间同步方案设计。
技术介绍
在工业物联网实际应用场景中信息化主站与业务终端设备之间有大量的工业控制业务的采集和下发，并且业务终端设备之间对业务报文的时序逻辑有要求。在不同的工业物联网中不同的应用校时间同步的精度要求各异，精度要求并非越高越好，实现高精度的同时会带来设备成本的增加和实现更加复杂，原则上满足应用需求的最小精度即可。比如，有弱时间同步，物联网控制应用中的开关动作命令，只要求开关动作按序到达终端执行即可;也有高精度的严格时间同步，如电网中要求雷电定位系统的时间精度误差不得大于Iys。下面以电网的“设备故障在线监测”和“配网线路负载均衡”为例分析业务报文校时间同步的要求:I)电网的设备故障在线监测:目前电网设备故障在线监测方式主要有2种:a)主站侧主动招测;b)终端侧上报。无论采用哪种方式都希望得到的各个设备同一时刻的故障信息。若在终端设备无校时功能或者时钟不一致情况下，因终端离主站的距离不同产生的通信传播时间及抖动，使得理论上主站应该得到同一时刻终端的告警、故障信息产生了时序逻辑错误，这给主站故障诊断系统判别故障、控制终端方面带来严重的影响。如图1所示，终端I发生故障，导致终端2、3发生了连锁的故障告警。在终端上报故障告警信息时应该按照终端1、2、3的先后顺序上报，在没有保障故障告警信息时间同步的情况下，到达主站侧的故障告警信息顺序可能是2、3在I的前面，这就使得主站侧的故障诊断判别系统判别故障出错。2)电网的配网线路负载均衡:智能电网新能源接入包括:a)上行送电，如风能、太阳能等新能源接入;b)下行输电，如用电量大的大型工厂、用电量小但是节点很多充电粧等。配网线路负载均衡希望做到能源的接入是一个平缓的过程，在同一时刻接入的设备不能太多，对现有网络不会产生很大的冲击。若同一时刻请求接入的设备过多，但在上报时各个请求时间不同步，接入控制端误以为是不同时刻的请求则允许接入，这样就会造成同一时刻负载很重。如图2所示，终端1、2、3在&时刻请求接入，终端4、5、6在&时刻请求接入。在没有时间同步的情况下，若每个请求同时到达接入控制端，接入控制端误以为是同一时刻设备的接入则允许接入会导致配网同一时刻负载过重。在业务终端设备与信息化主站有时间同步的条件下可以满足业务报文在业务终端设备之间的时序逻辑要求，然而在实际情况中存在很多的应用不满足此条件。如物联网应用中的一些传感器节点，它们的功能简单没有与主站校时的能力，且其业务层协议不统一。现阶段主要解决的方案是在终端上添加GPS模块，GPS带来了很高的校时精度，然而这种方式的成本很高并且应用场景受限。同样以电网为例分析，现阶段电网中有许多设备不支持与主站侧时间同步，如线路放电检测设备，线路覆冰、舞动感知设备，线路故障指示器，Zigbee无线采集传输模块，电表和开关等。该类设备按分布的方式不同分为集中式和随布式，其中集中式是指这类设备集中分布在线路的一侧(多数情况下是指0.4kv线路)。在这类设备的前端一般有一个集中采集传输装置(如一个小区有一个这样的集中采集传输装置负责下面几十块老式电表的数据采集传输)，为了方便描述后文中称这类设备为A类设备。随布式是指这类设备分散在电网各个线路上(多数情况下是指10kv、IlOkv或更高电压的线路)，这种情况下前端没有集中采集传输装置。这是因为在高电压线路中给集中采集传输装置供电困难(将高电压变为低电压的电压互感器PT，电流互感器CT成本很高，并且在高电压线路中部署集中采集传输装置工程实现困难)，为了方便描述后文中称这类设备为B类设备。针对以上分析的情况，现阶段电力系统保障业务报文时间同步和时序逻辑要求采取的措施包括:a)针对智能设备、A类设备在终端添加GPS模块时钟模块，保证时间同步和时序逻辑。这样做的结果是电力企业、小区、电厂等楼顶天线林立。由于各个接口、处理方式不同使得这些时间信息不通用，更不用说同步时间互为备份。同时这种方式成本很高，应用场景也受到很大的限制;b)不采取任何其它措施，只是在主站建设选址时考虑离终端设备较近的地方。这种方式是在假定业务报文的传输时延远小于发送时延的情况下保障业务报文的时间同步和时序逻辑，但这种方法是没有可靠保障的，不能从根本解决问题;c)针对大部分B类设备现阶段没有采取任何措施保障业务报文的时间同步和时序逻辑。
技术实现思路
根据以上的
技术介绍
分析，在工业物联网应用环境下，本专利针对业务终端没有与信息主站时间同步功能，提出了一种支持业务报文时间同步方案。经过后面的分析可知该方案在网络没有拥塞情况下可以保证业务报文在终端设备、信息主站之间的时间同步；在网络有拥塞情况下可以保证业务报文到达终端设备的时序逻辑要求，是一种弱同步技术。本专利提出的支持业务报文时间同步方案的实现步骤:I)信息主站收集到达各个网络节点、业务终端的时延信息；2)信息主站针对不同业务报文对到达不同终端的时延要求，指定业务报文到达不同终端的时延路径，业务报文按照指定的路径传播；3)信息主站和路径中的各个网络节点按照传输时网络拥塞等具体情况实时调整业务报文的发送等待时延，保证业务报文在规定的时延内到达终端，以满足业务报文时间同步和时序逻辑要求。该时间同步方案的示意图如图3所示，假设有业务报文P(#I)和P (#2)，要求在同一时刻到达终端I和终端3。首先主站侧收集到达不同网络节点、终端的时延信息;然后主站侧根据业务报文的时延要求指定各个报文的时延路径;最后在传输的过程中主站侧、中间网络节点根据网络拥塞情况实时动态的调整业务报文的发送等待时间。以上的分析是在网络没有拥塞的情况下，当有拥塞发生、考虑业务报文有优先级区分时、业务单播或多播等情况会有所不同，针对这几种情况和专利方案的其它具体的解决方案会在专利下文中的【具体实施方式】中讨论。本专利所提出的技术主要用于构建工业物联网多级时间同步架构，其组网形态是虚拟时间管道、虚拟时间信道、虚拟达到队列结合关口设备表现的多级结构，专利中提出各项技术会在【具体实施方式】中介绍。根据以上提出的支持业务报文时间方案并结合电网的现状，本专利下面将会给出适用于智能电网建设的三级时间同步架构。为了支持电力系统的全网时间同步，保证电力业务报文的时间同步、时序要求和满足电力系统主站多业务接入、多业务协议类型转换的需求。依据本专利提出的支持业务报文时间同步方案可以构建电力物联网中支持广域网的业务时间同步和时序保障的三级时间同步架构。如图4所示，三级时间同步架构是指通过主站侧主站前置机、变电站侧接入前置机、A类设备前端的集中采集装置(终端关口)相互之间维持与各个主站的时间同步信息。当需要将数据报文发给不同主站或发生协议转换时，根据时间同步信息完成业务报文中的时间戳的替换，具体包括:a)当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种支持工业物联网业务时间同步方法，其特征在于：A.支持业务报文时间同步方案的实现步骤为：步骤a，信息主站收集到达各个网络节点、业务终端的时延信息；步骤b，信息主站针对不同业务报文对到达不同终端的时延要求，指定业务报文到达不同终端的时延路径，业务报文按照指定的路径传播；步骤c，信息主站和路径中的各个网络节点按照传输时网络拥塞实时调整业务报文的发送等待时延，保证业务报文在规定的时延内到达终端，以满足业务报文时间同步和时序逻辑要求；B.本专利所提出的技术用于构建工业物联网多级时间同步架构，其组网形态是虚拟时间管道、虚拟时间信道、虚拟达到队列结合关口设备表现的多级结构；C.针对网络拥塞、业务报文优先级抢占情况，本专利提出了使用SDN补偿算法，SDN补偿算法是指，SDN Controller全局控制每个业务报文在网络节点处的发送等待时间，若某个网络节点的发送等待时间超出了规定的时间，则Controller记录下超出的时间；在业务报文到达下一跳网络节点时，Controller尝试减小业务报文在该节点处的发送等到时间；若在后续的几个网络节点中能将超出的时间补偿为0，则照常可以满足业务报文的时间同步要求；若超出的时间不能补偿为0，则此时该业务报文将不会满足时间同步要求，但是通过调整其它相关业务报文的时延值可以做到业务报文在终端节点处的时序逻辑要求，是一种弱同步技术。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：肖磊，徐涛，张文哲，李晓娣，唐军，周瑞芳，徐鑫，胡致远，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85