网络时间同步系统设计开发（Linux+NTP协议）

摘要

　　随着社会经济的发展,我国电为事业扮演着越来越重要的角色,供电系统的规模逐渐扩大。在大型供电系统中,电网运行状态瞬息万变,发生故障时需要一个准确的时间基准,W方便维护人员进行分析。而且近些年智能电网的发展对电网中的时间同步提出了更高的要求。基于NTP协议的网络时间同步系统可W很好地解决电网的高精度对时和故障分析问题。

　　本文在广泛调研研巧现状的基础上,综合NTP协议对时和卫星授时的基本工作原理,根据其设计要求,结合电力系统时间同步系统的设计规范,秉承模块化结构化的设计理念,设计了一套适用于电力系统的基于Linux的网络时间同步系统。该系统支持网络时间协议,具备卫星导航报文和网络报文的处理能力,支..

　　持E2E和P2P两种网络连接。系统采用模块化设计,各个模块协同工作,保证了系统工作运行时的稳定性与可靠性。本文从硬件和软件两个方面进行了详细的描述。

　　在硬件方面,本文设计的系统包括卫星时间接收模块、NTP核也实现模块和网络时间输出模块H个部分。其中卫星时间接收模块采用GPS/北斗卫星接收机;NTP核也实现模块采用ARM与CPLD组合的形式;网络时间输出模块采用NTP专用网络巧片。系统通过GPS/北斗卫星接收机采集卫星报文,经过高性能处理器ARM的统一调度和CPLD的专业化处理,使解析出的系统时间达到较高精度。另外,本文设计了完善的外围接口电路,用来给系统提供驱动支持和保护工作,并通过高精度的温补晶振设计方案提供自守时功能。

　　在软件方面,考虑到Linux系统完全开源并完美支持的NTP协议的优点,采用在ARM处理器中嵌入Linux系统的方案。本文首先基于Linux系统的特性和移植方法进行了嵌入式系统的移植,包括U-Boot、内核和根文件系统的替植过程;其次,对于硬件组成中的模块进行相应的程序设计,具体包括NTP协议实现模块、BOA服务器模块、网络和串曰通信模块等软件的具体实现方法;最后,本文设计软件看口狗模块W保证系统的安全可靠运行。

　　大量的实验和测试数据表明,本文设计的网络时间同步系统具有对时精度高、实用性强、可靠性好等优点,满足了电力《统对于NTP同步时钟的要求,具有很好的推广应用价值。

　　关键词：NTP协议;时间同步;电力系统;软硬件设计

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

　　随着社会经济各个领域的发展,电为资源所起到的作用越来越大;电力资源与人民的生活息息相关,是影响国计民生的基础性资源。电为资源是现代社会发展和国民经济运行的动力之源,是社会和经济运行的总开关,在国民生产和生活中起着举足轻重的作用。

　　由于电力系统自身的特点,电网运行状态瞬息万变,电力的生产和使用都具有瞬时性,迭种特性决定了电网状态变化的快速性,往往在一个瞬间,电力系统己经结束了从一种状态向另一种状态的转换,这就要求在电力系统的运行过程^中,对系统的判断、决策和拴制等一系列过程必须控制在一个很短的时间内完成,否则就会引发电力故障乃至事故。

　　电力系统与时间密切相关,系统中的电压、电流W及相位等的参数都是基于时间的函数P1。随着时代的发展,电为系统也在不断发展并且它的安全稳定运行对所使用的电力自动化设备提出了新的要求W。新兴的大型电为系统持别是目前正在快速发展的智能电网对于系统中的时间同步提出了更高的标准,要求电为系统中的继电保护模块、生产信息管理模块W及安全稳定控制模块等基于统一的时间标准运行,W满足事件顺序记录、实时数据采集和故障分析等时间一致性的要求。当电为系统采用统一的时间基准运行时,可以很方便的分析系统的运行状态,并且当系统运行出现故障时,系统维护人员可以非常方便地按照时间顺序分析各设备的动作行为,了解设备间产生故障的原因、先后顺序和发展过程。

　　在智能电网中,数字化变电站的应用程建设和智能调度技术将为电为系统的安全与稳定的运行提供更好的保证W。时间同步系统是电力系统数字化建设中非常重要的一部分,无论是数字变电站保护设备、监控设备、电子变压器或者智能开关等都离不开同步信息。因此设计开发出一套应用于电网的网络同步对时系统,将整个电网的时间统一化和标准化,提高电网中的时间同步分辨率和准确度,对于维护电力系统的稳定和提高电力资源的生产效率都具有十分重大的意义。

　　时间同步用来传输时间信号,包括年、月、日、时、分、秒等信息,使得网络上的设各与协调世界时之间的时间偏差在一个比较小的范围之内。如果获得的时间源是GPS定位系统,时间信息可W通过不同的连接传输到不同的设备来满足其时间同步的需求。

　　一个时间同步系统主要由一个精准的时间源、分甄器设备和传输链路等沮成。对于包含多个子网的大规模的电为系统,为了实现整个网络的时间同步,系统设备之间应该采用主从结构的设置。在主从结构中,首先并且起到最重要作巧的是精准时间信息的获取。在通常的网络中一般使用GPS接收机来提供精准时间信息,并且一级时间服务器和GPS接收机直接相连,通过时间信号直接传输技术,接收GPS接收机提供的时间戳并将时间传输给网络中的其他设备或者二级服务器。二级服务器接收一级服务器提供的时间信息,完成时间信息分配和协议转换功能,将时间信息传输给下级服务器,这样便实现了时间同步的主从层次结构。通常一级时间服务器叫做主时间服务器,二级或更下级的时间服务器叫做从时间服务器。

　　GPS　(全球定位系统)可以实现全球的实时H维导航和全面的卫星导航定位功能,全天候、高精度、自动化和高效率是它的重要特性,可在全球范围内提供时间和导航功能。GPS用户在世界上每个角落利巧低成本的GPS接收机可以接受卫星信号,经过解析,可1^1获得精确的定位信息和时间信息,包括同步时间尺度和标准时间韩度、经度、高度和用户钟与它的时间偏差。北斗导航卫星系统(指南针)是由中国自主发展、独立运营的全球导航卫星系统。该系统是为用户提供精度高、可靠性高的卫星导航和定位,目前已应用于个人位置服务、气象应用、交通管理和应急救援等多个领域,是一个非常优秀的系统W。

　　电为系统通信网络是基于有线传输的网络,主要负责数字信息的传输。目前情况下,电力系统的对时方案根据电网大小程度的不同可分为编码对时方式、脉冲对时方式和网络对时方式。毎一种对时方式都有其独特的特点。

网络时间同步系统设计开发（Linux+NTP协议）：

系统机箱实物图

系统测试连接示意图

系统测试的实物图

进行系统的网络地址配置

配置成功界面

利用BOA服务器重启Linux系统提示

目录

　　摘要
　　ABSTRACT
　　第一章 绪论
　　　　1.1 课题的研究背景及意义
　　　　1.2 电网对时系统的研究现状
　　　　1.3 课题的来源
　　　　1.4 论文主要内容及组织结构
　　第二章 NTP协议对时及卫星授时原理简介
　　　　2.1 NTP协议介绍
　　　　2.2 NTP协议基本原理
　　　　　　2.2.1 NTP协议的对时原理
　　　　　　2.2.2 NTP的对时算法
　　　　2.3 NTP协议误差分析
　　　　2.4 卫星授时原理简介
　　　　　　2.4.1 GPS定位与授时
　　　　　　2.4.2 北斗卫星授时原理简介
　　　　2.5 本章小结
　　第三章 网络时间同步系统整体设计
　　　　3.1 系统概述
　　　　3.2 系统工作流程介绍
　　　　3.3 本章小结
　　第四章 系统硬件电路设计
　　　　4.1 GPS/北斗时间接收处理模块原理与硬件设计
　　　　4.2 电源模块电路设计
　　　　4.3 NTP协议实现模块硬件电路设计
　　　　　　4.3.1 核心处理芯片简介
　　　　　　4.3.2 电源电路简介
　　　　　　4.3.3 时钟电路简介
　　　　　　4.3.4 复位电路简介
　　　　　　4.3.5 NORFLASH接口电路简介
　　　　　　4.3.6 SDRAM电路简介
　　　　4.4 精确时间输出模块设计
　　　　4.5 本章小结
　　第五章 系统软件设计
　　　　5.1 嵌入式Linux系统介绍
　　　　5.2 嵌入式Li~系统移植
　　　　　　5.2.1 BootLoader移植
　　　　　　5.2.2 Linux内核移植
　　　　　　5.2.3 根文件系统制作
　　　　5.3 系统程序实现方案简介
　　　　5.4 串口通信程序实现
　　　　5.5 NTP协议实现模块程序设计
　　　　5.6 NTP网络数据处理程序设计
　　　　　　5.6.1 NTP网络数据处理初始化
　　　　　　5.6.2 NTP网络报文处理
　　　　5.7 看门狗监控程序设计
　　　　5.8 BOA服务器模块设计
　　　　5.9 本章小结
　　第六章 系统测试与分析
　　　　6.1 系统测试平台搭建
　　　　6.2 BOA服务器使用测试
　　　　6.3 NTP授时精度测试
　　　　　　6.3.1 客户端与服务器直连测试二
　　　　　　6.3.2 接入交换机进行测试
　　　　6.4 本章小结
　　第七章 总结与展望
　　　　7.1 本文主要工作
　　　　7.2 下一步工作展望
　　参考文献
　　致谢