智能电能表自动化检定流水线网络授时系统优化

智能电能表自动化检定流水线网络授时系统优化

杨玉寒

四川科锐得实业集团有限公司营销服务分公司，四川 成都 610000

摘要：在运用智能电能表对自动化流水线进行检定时，授时操作非常重要，要保证测量的准确性。一般情况下，使用计算机时间当做标准。本文主要论述了智能电能表自动化检定流水线网络授时系统优化，将卫星系统作为备用的标准时间源，有效避免时间源不稳定的情况出现。

关键词：智能电能表；自动化检定；授时系统

引言：随着智能电表的不断革新，电力企业创建了智能电能表自动化检定流水线，以应对全检验收工作，面对大量的电表安装需求，电表安装需求不断扩大与人们的切身利益息息相关。准确的电能表检定可作为评定流水线检定质量的标准，因此，要让系统获取稳定的标准时间，实现准确授时。

1. 网络授时系统概述

一般情况下，有两套授时系统，分别是北斗一号系统和GPS全球定位系统，系统中还配有高精度的时钟源，可用作第三套标准，时钟接收设备中拥有RS-232连接线，可将数据传输到主服务器中。通过授时软件将服务器时间与标准时间作对比。若误差高于设定值，可以自动调整服务器时间，保证一致性。在局域网范围内，将主服务器的时间与本地时间相比较，若差值超过规定范围，能够进行自动修正，确保授时操作的精准性。

2. 系统设计

系统包括NTP时间服务器、时间标准、服务器端、数据库、客户端几部分构成，客户端可以同时支持Linux与Windows两种操作系统，向时间服务器发布命令并等待相应，保证实际时间与时间服务器时间相同，服务器端能够收集往返时延与同步信息相关数据，提供查询功能。通过MySQL数据库存储数据^[1]。

利用ASP.NET技术开发出信息管理系统，拥有信息管理界面与登录界面，信息管理界面功能涵盖用户管理与用户日志，还可对全部用户的用户名与密码进行管理，可以了解用户是否在线，在用户日志中能够体现出时间同步信息。

在服务器主界面中呈现目前系统的时间信息，对用户功能进行设定，检查客户端日志，若时间偏差超过允许范围，系统会给予警示。在程序运行阶段，服务器端利用Socket多线程编程，同时进行NTP同步，可以收到来自所有客户端传输的时间同步数据，能够获得全部客户端上传的同步数据，在经过处理后，再储存至数据库中，可在时间管理系统中进行查找。

三、网络授时系统组成

（一）接收天线

接收天线包括接收装置与传输光纤两部分组成。天线长度能达到30米，工作温度保持在-35度至+80度之间，在同轴电缆中输入电源与RF射频信号。天线中的两极放大器和屏蔽滤波可有效降低外界影响，密封的天线可起到防冻、防电机的作用。

2. 时钟接收装置

时钟接收装置部分包括三个独立部分，可以对两种时间源信号进行处理，同时拥有高精度本地时钟源。利用内置电平转换电路，将相应的信号转变成能够传输给主服务器的信号，

2. 标准时间源

GPS是具有三维导航和定位能力的卫星定位系统，已被大量应用在我国的基础设施建设中。目前，由我国自主研制的北斗卫星导航系统获得了快速发展，并逐步运用在通信、电力等行业中，授时精度能够达到10ns。具有授时、定位的功能，不需要其他通信系统支持，使用北斗授时不会出现信号中断的情况，可以达到长期高精度时间基准同步的标准。可以看出，北斗系统更加稳定、安全。可防止由于信号中断造成授时系统瘫痪。

2. 主服务器授时软件

主服务器授时软件为整体系统的核心，可以处理、判断主服务器接收的各种时间数据，把正确的时间信息输入主服务器中。

授时软件系统能够对两个时间源传输的时间进行对比，获得差值，因为授时系统的误差都非常小，若两者误差超出1秒，能够判断出标准时间源发生故障，判断主时间源信号接收正常。

时隔一段时间后，服务器软件会强制授时，保证主服务器时间不会产生较大的浮动，若北斗系统长时间接收不到时间信号，会自动切换至备用系统，同时在监控界面做出提示，并记录好事件的发生时间，督促值班人员马上处理，本地时钟源也可对主服务器开展授时操作。

软件界面可以显示出各时间源情况、上次服务器授时时间、标准时间和日期等信息。当和客户端连接出现问题时，可以及时弹出提示框，督促工作人员及时处理。

2. 客户端授时软件

自动化鉴定流水线中的各检定单元计算机借助局域网和主服务器相连接，利用客户端的授时软件得到标准时间，可对检定计算机授时。授时软件界面能够显示出连接情况，还可以更改服务器地址，设定开机自动校准，自行调整计算机时间。

因为主服务器可以一起向多台计算机传输时间信息，会导致网络延迟，授时软件会出现相应的时间偏差。所以，可使允许误差值设置成3秒。若允许误差值设定比较小，根据授时原则，客户端软件会不断变更计算机时间，引发计算机串口故障，干扰授时系统的正常运转^[2]

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四、以太网传输模块设计

DM9000A属于一种自适应PHY芯片，利用总线的方法与主控设备相连，初始化芯片后等待发送，数据帧为UDPG格式传输至数据缓存区，经过相应的处理后再进行发送，同时要对PHY芯片进行重置。

可利用内部寄存器对DM9000A进行重置，同时要激活内部PHY,通常会延时2毫秒，随后进行软件复位操作，两次软件复位可以保证软件复位成功，按照数据手册进行使能控制，当初始化完毕后，LED灯会给出提示。

根据网络协议将数据封包后，再进行传输，要将发送的数据存入到内部SRAM中，是命令寄存器读取数据的过程，设定好数据长度，控制寄存器发送质量后会自动清零，在这个过程中PHY芯片会自动处理数据，比如插入报头、校验序列位等操作。将处于缓冲区域的数据分成两帧，并按照一定的顺序发送，帧一与帧二的发送方法相似。

DM9000A在收到数据包以后，应在其前面加上4个字节的数据，对首个字节进行分析，可判断是否收到数据，若为01H,意味着收到数据，若为00H,意味着未收到数据。第二个字节为状态字节，可以对所接收的数据进行判断，后两个字节为低字节与高字节的帧长度。

PHY芯片收到数据帧后，FPGA会开启读取数据的过程，要设定同步FIFO模块，借助一个CLK时钟进行读写操作，异步FIFO能够在不同的时钟下进行同时读写，会耗费大量的CPU资源，数据缓存器在芯片中获得数据，中间数据缓存能够防止出现两个模块之间数据字节长度差异的问题，硬件程序的仿顺序操作可以有效减少执行时间，提升了程序执行效率，缩短了操作周期。在程序中，当FIFO控制模块接到启动指令后，通过case条件语句可以对Empty-Sig进行判断，若不空，应拉高请求信号，在下个周期再拉低，获得请求允许信号后激活下个模块的启动使能，获知数据。

在将要传输数据之前，首先要处理数据格式包，通过UDP协议，检测数据的正确性，若与校验计算值不符，要立刻终止传输，意味着数据在传输阶段受到破坏，UDP不会进行修复，而直接丢弃，同TCP协议比较来说，不存在“握手”动作，节省资源，通常被用于小数据量传输，在理想网络环境下，速率更快。因此，要设置一个打包模块对获得的时间数据进行处理。打包之后借助控制芯片把数据传输至网口，接收时要根据UDP格式进行接收，以便获取有效数据。

结论：授时系统可以一起对多台客户端服务器进行授时，不会受到楼层、地域等因素制约，授时软件能够独立运行，与主流操作系统互相配合，不依赖于检定软件。从经济效益角度来看，可以降低重复建设的造价，减少了人工劳动强度，降低检定成本。

参考文献：

[1]邢宇,鲍志威,孙艳玲,等.一种智能电能表自动化检定流水线表位在线异常检测方法[J].电测与仪表,2020,57(14):106-112.

[2]白静芬,卢达,徐励,等.智能电能表自动化检定流水线的温度参比条件影响分析[J].电测与仪表,2020,57(11):121-126.