網絡時間同步系統設計開發（Linux+NTP協議）

摘要

　　隨著社會經濟的發展,我國電為事業扮演著越來越重要的角色,供電系統的規模逐漸擴大。在大型供電系統中,電網運行狀態瞬息萬變,發生故障時需要一個準確的時間基準,W方便維護人員進行分析。而且近些年智能電網的發展對電網中的時間同步提出了更高的要求�；�于NTP協議的網絡時間同步系統可W很好地解決電網的高精度對時和故障分析問題。

　　本文在廣泛調研研巧現狀的基礎上,綜合NTP協議對時和衛星授時的基本工作原理,根據其設計要求,結合電力系統時間同步系統的設計規范,秉承模塊化結構化的設計理念,設計了一套適用于電力系統的基于Linux的網絡時間同步系統。該系統支持網絡時間協議,具備衛星導航報文和網絡報文的處理能力,支..

　　持E2E和P2P兩種網絡連接。系統采用模塊化設計,各個模塊協同工作,保證了系統工作運行時的穩定性與可靠性。本文從硬件和軟件兩個方面進行了詳細的描述。

　　在硬件方面,本文設計的系統包括衛星時間接收模塊、NTP核也實現模塊和網絡時間輸出模塊H個部分。其中衛星時間接收模塊采用GPS/北斗衛星接收機;NTP核也實現模塊采用ARM與CPLD組合的形式;網絡時間輸出模塊采用NTP專用網絡巧片。系統通過GPS/北斗衛星接收機采集衛星報文,經過高性能處理器ARM的統一調度和CPLD的專業化處理,使解析出的系統時間達到較高精度。另外,本文設計了完善的外圍接口電路,用來給系統提供驅動支持和保護工作,并通過高精度的溫補晶振設計方案提供自守時功能。

　　在軟件方面,考慮到Linux系統完全開源并完美支持的NTP協議的優點,采用在ARM處理器中嵌入Linux系統的方案。本文首先基于Linux系統的特性和移植方法進行了嵌入式系統的移植,包括U-Boot、內核和根文件系統的替植過程;其次,對于硬件組成中的模塊進行相應的程序設計,具體包括NTP協議實現模塊、BOA服務器模塊、網絡和串曰通信模塊等軟件的具體實現方法;最后,本文設計軟件看口狗模塊W保證系統的安全可靠運行。

　　大量的實驗和測試數據表明,本文設計的網絡時間同步系統具有對時精度高、實用性強、可靠性好等優點,滿足了電力《統對于NTP同步時鐘的要求,具有很好的推廣應用價值。

　　關鍵詞：NTP協議;時間同步;電力系統;軟硬件設計

ABSTRACT

　　With the social and economic development, China's power industry is playing an increasingly important role, and the scale of the power supply system is gradually expanding. In large power supply system, an accurate time reference of the system failure is needed to facilitate the analysis of maintenance personnel, especially when power operation changing. Furthermore, the development of the smart grid arises with a higher requirement of the time synchronization. The NTP protocol network time synchronization system can be a good solution for time and failure analysis in high-precision grid.

　　Firstly, extensive research situation has been carried out. Then, according to the basic principle of NTP protocol and timing and design requirements of satellites, combined with design specifications of the power system time synchronization system, adhering to the modular design concept, the Linux-based set of network time synchronization system for the power system is designed. The time synchronization system supports Network Time Protocol. The system can process satellite packets and network message. The system also has E2E and P2P two timing patterns at the same time. The system adopts the modular design. Various modules work together to guarantee the stability and reliability of the system. In this paper; both hardware and software aspects is described in detail.

　　On the hardware side, the designed system includes three parts: satellite time receiver module, NTP core implementation module and network time output module.

　　The satellite time receiver module is based on GPS/Compass satellite receiver; the NTP ARM core implementation module is based on the form of a combination between and CPLD module; NTP Network Time output module uses a dedicated network chip. satellite packets is firstly collected by GPS/Compass satellite receiver.

　　And then, through the unified scheduling of high performance processor ARM and the professional processing CPLD, the system time can reach high precision. In addition, the perfect peripheral interface circuit is designed to provide driver support and protection, and through the high precision temperature compensated crystal oscillator design scheme, the Automorphic Functions can be achieved.

　　On the software side, as the open-source Linux system entirely and perfectly supports NTP protocol embedded Linux systems, ARM processors are used in the program. This paper firstly describes the specific methods and procedures of Linux systems transplant; secondly, introduces the NTP protocol specific method module, BOA server modules, network and serial communication modules and other software; finally, gives the software watchdog modules to ensure safe and reliable operation of the system.

　　A large number of experiments and test data show that the designed network time synchronization system can achieve high precision, easy application, good reliability, which will meet the  requirements of the power system for the NTP clock synchronization, and has good application value.

　　Keywords: NTP protocol; time synchronization; power system; hardware and design

　　隨著社會經濟各個領域的發展,電為資源所起到的作用越來越大;電力資源與人民的生活息息相關,是影響國計民生的基礎性資源。電為資源是現代社會發展和國民經濟運行的動力之源,是社會和經濟運行的總開關,在國民生產和生活中起著舉足輕重的作用。

　　由于電力系統自身的特點,電網運行狀態瞬息萬變,電力的生產和使用都具有瞬時性,迭種特性決定了電網狀態變化的快速性,往往在一個瞬間,電力系統己經結束了從一種狀態向另一種狀態的轉換,這就要求在電力系統的運行過程^中,對系統的判斷、決策和拴制等一系列過程必須控制在一個很短的時間內完成,否則就會引發電力故障乃至事故。

　　電力系統與時間密切相關,系統中的電壓、電流W及相位等的參數都是基于時間的函數P1。隨著時代的發展,電為系統也在不斷發展并且它的安全穩定運行對所使用的電力自動化設備提出了新的要求W。新興的大型電為系統持別是目前正在快速發展的智能電網對于系統中的時間同步提出了更高的標準,要求電為系統中的繼電保護模塊、生產信息管理模塊W及安全穩定控制模塊等基于統一的時間標準運行,W滿足事件順序記錄、實時數據采集和故障分析等時間一致性的要求。當電為系統采用統一的時間基準運行時,可以很方便的分析系統的運行狀態,并且當系統運行出現故障時,系統維護人員可以非常方便地按照時間順序分析各設備的動作行為,了解設備間產生故障的原因、先后順序和發展過程。

　　在智能電網中,數字化變電站的應用程建設和智能調度技術將為電為系統的安全與穩定的運行提供更好的保證W。時間同步系統是電力系統數字化建設中非常重要的一部分,無論是數字變電站保護設備、監控設備、電子變壓器或者智能開關等都離不開同步信息。因此設計開發出一套應用于電網的網絡同步對時系統,將整個電網的時間統一化和標準化,提高電網中的時間同步分辨率和準確度,對于維護電力系統的穩定和提高電力資源的生產效率都具有十分重大的意義。

　　時間同步用來傳輸時間信號,包括年、月、日、時、分、秒等信息,使得網絡上的設各與協調世界時之間的時間偏差在一個比較小的范圍之內。如果獲得的時間源是GPS定位系統,時間信息可W通過不同的連接傳輸到不同的設備來滿足其時間同步的需求。

　　一個時間同步系統主要由一個精準的時間源、分甄器設備和傳輸鏈路等沮成。對于包含多個子網的大規模的電為系統,為了實現整個網絡的時間同步,系統設備之間應該采用主從結構的設置。在主從結構中,首先并且起到最重要作巧的是精準時間信息的獲取。在通常的網絡中一般使用GPS接收機來提供精準時間信息,并且一級時間服務器和GPS接收機直接相連,通過時間信號直接傳輸技術,接收GPS接收機提供的時間戳并將時間傳輸給網絡中的其他設備或者二級服務器。二級服務器接收一級服務器提供的時間信息,完成時間信息分配和協議轉換功能,將時間信息傳輸給下級服務器,這樣便實現了時間同步的主從層次結構。通常一級時間服務器叫做主時間服務器,二級或更下級的時間服務器叫做從時間服務器。

　　GPS　(全球定位系統)可以實現全球的實時H維導航和全面的衛星導航定位功能,全天候、高精度、自動化和高效率是它的重要特性,可在全球范圍內提供時間和導航功能。GPS用戶在世界上每個角落利巧低成本的GPS接收機可以接受衛星信號,經過解析,可1^1獲得精確的定位信息和時間信息,包括同步時間尺度和標準時間韓度、經度、高度和用戶鐘與它的時間偏差。北斗導航衛星系統(指南針)是由中國自主發展、獨立運營的全球導航衛星系統。該系統是為用戶提供精度高、可靠性高的衛星導航和定位,目前已應用于個人位置服務、氣象應用、交通管理和應急救援等多個領域,是一個非常優秀的系統W。

　　電為系統通信網絡是基于有線傳輸的網絡,主要負責數字信息的傳輸。目前情況下,電力系統的對時方案根據電網大小程度的不同可分為編碼對時方式、脈沖對時方式和網絡對時方式。毎一種對時方式都有其獨特的特點。

網絡時間同步系統設計開發（Linux+NTP協議）：

系統機箱實物圖

系統測試連接示意圖

系統測試的實物圖

進行系統的網絡地址配置

配置成功界面

利用BOA服務器重啟Linux系統提示

目錄

　　摘要
　　ABSTRACT
　　第一章 緒論
　　　　1.1 課題的研究背景及意義
　　　　1.2 電網對時系統的研究現狀
　　　　1.3 課題的來源
　　　　1.4 論文主要內容及組織結構
　　第二章 NTP協議對時及衛星授時原理簡介
　　　　2.1 NTP協議介紹
　　　　2.2 NTP協議基本原理
　　　　　　2.2.1 NTP協議的對時原理
　　　　　　2.2.2 NTP的對時算法
　　　　2.3 NTP協議誤差分析
　　　　2.4 衛星授時原理簡介
　　　　　　2.4.1 GPS定位與授時
　　　　　　2.4.2 北斗衛星授時原理簡介
　　　　2.5 本章小結
　　第三章 網絡時間同步系統整體設計
　　　　3.1 系統概述
　　　　3.2 系統工作流程介紹
　　　　3.3 本章小結
　　第四章 系統硬件電路設計
　　　　4.1 GPS/北斗時間接收處理模塊原理與硬件設計
　　　　4.2 電源模塊電路設計
　　　　4.3 NTP協議實現模塊硬件電路設計
　　　　　　4.3.1 核心處理芯片簡介
　　　　　　4.3.2 電源電路簡介
　　　　　　4.3.3 時鐘電路簡介
　　　　　　4.3.4 復位電路簡介
　　　　　　4.3.5 NORFLASH接口電路簡介
　　　　　　4.3.6 SDRAM電路簡介
　　　　4.4 精確時間輸出模塊設計
　　　　4.5 本章小結
　　第五章 系統軟件設計
　　　　5.1 嵌入式Linux系統介紹
　　　　5.2 嵌入式Li~系統移植
　　　　　　5.2.1 BootLoader移植
　　　　　　5.2.2 Linux內核移植
　　　　　　5.2.3 根文件系統制作
　　　　5.3 系統程序實現方案簡介
　　　　5.4 串口通信程序實現
　　　　5.5 NTP協議實現模塊程序設計
　　　　5.6 NTP網絡數據處理程序設計
　　　　　　5.6.1 NTP網絡數據處理初始化
　　　　　　5.6.2 NTP網絡報文處理
　　　　5.7 看門狗監控程序設計
　　　　5.8 BOA服務器模塊設計
　　　　5.9 本章小結
　　第六章 系統測試與分析
　　　　6.1 系統測試平臺搭建
　　　　6.2 BOA服務器使用測試
　　　　6.3 NTP授時精度測試
　　　　　　6.3.1 客戶端與服務器直連測試二
　　　　　　6.3.2 接入交換機進行測試
　　　　6.4 本章小結
　　第七章 總結與展望
　　　　7.1 本文主要工作
　　　　7.2 下一步工作展望
　　參考文獻
　　致謝