智能電能表自動化檢定流水線網絡授時系統優化

李 亮，魯觀娜，呂言國，姜振宇，李文文，巨漢基

（1.國網冀北電力科學研究院，北京 100045；2.華北電力科學研究院有限責任公司，北京 100045）

智能電能表自動化檢定流水線網絡授時系統優化

李 亮1，2，魯觀娜1，2，呂言國1，2，姜振宇1，2，李文文1，2，巨漢基1，2

（1.國網冀北電力科學研究院，北京 100045；2.華北電力科學研究院有限責任公司，北京 100045）

智能電能表在自動化流水線上進行檢定時，需要對智能電能表進行授時操作，以確保智能電能表內部時間的準確性。目前，自動化流水線在進行授時操作時，多采用計算機時間作為標準時間源。隨著自動化流水線運行時間的增加，計算機時間易受到主板電池壽命等因素影響。如果連續長時間運行也可能會導致計算機時間出現較大偏差，降低智能電能表授時的準確度，嚴重影響檢定質量。為解決上述問題，提出了一種互為備用的網絡雙授時系統。采用北斗一號系統和GPS系統作為互為備用的標準時間源，為自動化檢定流水線提供標準時間源。該授時系統可有效解決智能電能表自動化檢定過程中時間源不穩定的問題，確保自動化流水線對電能表進行授時操作時，有準確、可靠的時間源。該方法在提高智能電能表自動化檢定質量的同時，減少了建設成本、提高了企業經濟效益。

智能電能表；檢定；自動化檢定流水線；網絡授時系統；北斗；GPS

0 引言

隨著智能電能表技術和自動化技術的不斷發展，國家電網各網省公司逐步建立了智能電能表自動化檢定流水線，進行智能電能表到貨后的全檢驗收工作，來應對急劇增加的智能電能表安裝需求。隨著越來越多的智能電能表都通過自動化流水線進行檢定，檢定合格的智能電能表計量是否準確、運行是否可靠，直接關系到廣大老百姓的切身利益［1］。因此，實現計量更準確，運行更可靠的電能表檢定就成為衡量智能電能表自動化檢定流水線檢定質量的重要標準。

依據現行國家計量檢定規程JJG 596-2012《電子式交流電能表》［2］、《智能電能表功能規范》［3］以及《電能表自動化檢定系統技術規范》［4］，全檢驗收中確定時段投切、校核計度器示數等試驗項目均需要通過改變電表內的時間來實現。為保證電能表運行時計量計費的準確性，流水線在完成其他檢定項目后，還要對電能表進行授時操作，使其與標準時間源一致。目前，方便有效的方案是直接采用自動化檢定臺的臺式機計算機的時間作為標準時間源［5］。大部分自動化檢定流水線也均采用上述方案。但是，該方案受主板電池壽命等因素影響，計算機長時間運行，可能導致其時間出現較大偏差［6］，從而使電能表授時操作存在質量隱患。為解決上述問題，本系統以獲取準確、穩定的標準時間為設計出發點，設計滿足自動化檢定流水線授時要求的網絡授時系統，實現自動化檢定過程中對智能電能表的準確授時。

1 網絡授時系統介紹

智能電能表自動化檢定流水線網絡授時系統以北斗一號授時系統為系統主時間源，GPS全球定位系統作為系統備用時間源，同時系統內安裝高精度的時鐘源作為第三套標準時間源［7］。首先，時鐘接收裝置將處理過的時間信息，通過RS-232連接線將信號傳輸給安裝了授時軟件的主服務器。授時軟件實時比對服務器時間與標準時間源。如果誤差超過設定值，則自動修改服務器時間，確保服務器時間與標準時間源保持一致。自動化檢定流水線中多功能檢定臺體的本地計算機通過局域網由客戶端軟件實時抄收主服務器的時間，并與計算機本地時間進行比較。如果差值超過設定值，則主動修改本地計算機時間，從而確保多功能檢定臺的時間與標準時間保持在合理的誤差范圍內，進而保證電能表授時操作的準確性。

2 網絡授時系統組成

智能電能表自動化檢定流水線網絡授時系統主要由接收天線、時鐘接收裝置、主服務器等組成。

系統原理圖如圖1所示。

圖1 系統原理圖Fig.1 The principle of system

2.1 接收天線

接收天線由接收裝置及傳輸光纖組成。天線長度可達30 m，工作溫度-40～+85℃，通過同軸電纜輸入電源和RF射頻信號。天線內含屏蔽濾波及兩極放大器，可減少因電纜長度引起的信號衰減及其他干擾源引起的干擾。同時，密封的天線可保證在惡劣的天氣環境中防雨、防凍、防電擊。

2.2 時鐘接收裝置

時鐘接收裝置部分由三個獨立模塊組成［8］，其中兩個模塊分別處理兩種時間源的信號，第三個模塊為內置高精度本地時鐘源模塊。時鐘接收裝置通過內置電平轉換電路，將接收到的信號及本地時鐘源信號轉換為可以直接和主服務器進行通信的信號。通過RS-232串口將處理過的信息傳輸至主服務器。

2.3 標準時間源

本系統采用多套授時系統提供的標準時間作為標準時間源，包括北斗一號授時系統、全球定位系統（global positioning system，GPS），以及系統內安裝的高精度、高可靠性的本地時鐘源。

GPS是由美國研制，具備在海、陸、空進行全方位實施三維導航與定位能力的衛星導航與定位系統［9］，其定位精度在5～500 ns之間，可全球覆蓋。目前，GPS已經遍及國民經濟各種部門，并開始逐步深入人們的日常生活。國內已經應用的衛星授時產品和時間同步產品大多為基于GPS的授時產品，并大量應用于我國的基礎設施建設中。然而GPS授時產品在為各行業提供便利的同時，也使我國基礎設施存在巨大的安全隱患。如果特殊時期GPS信號人為中斷或信號無法使用時，系統將陷入癱瘓狀態，甚至造成災難性的后果。

隨著我國具有自主知識產權的北斗衛星導航系統建設的不斷完善，北斗授時產品也取得了快速發展，國內基于北斗一號的授時接收機研制工作大量開展，并開始在電力、通信等行業中得到部分推廣［10］。北斗衛星導航定位系統的地面控制中心的多臺原子鐘與國家授時中心組成北斗高精度授時中心，可以提供高精度的時間標準，授時精度可達10 ns。目前該系統已覆蓋中國及周邊地區，可提供24 h全天候服務，無信號盲區，同時具備授時、定位與通信功能，無需其他通信系統支持。北斗衛星優異的授時性能，為構建我國完全自主的時頻保障平臺奠定了堅實的基礎。綜上所述，從安全性角度考慮，采用北斗授時作為主要時間標準源，則不存在信號中斷問題，并且能滿足長時間的高精度時間基準同步的要求。從授時精度考慮，兩個授時系統均能滿足智能電能表的授時精度要求；而從可靠性性考慮，北斗系統更安全可靠。

綜上所述，本系統以北斗一號授時系統為主時間源，GPS全球定位系統為備用時間源。同時，時鐘接收裝置內置的高精度、穩定可靠的時鐘源作為第二個備用時間源，避免了因北斗一號及GPS授時系統的信號都中斷而導致授時系統處于癱瘓狀態。

2.4 主服務器授時軟件

主服務器授時軟件是整個授時系統的大腦，負責處理、判斷主服務器接收到的各種時間信息，同時將正確的時間信息寫入主服務器。

首先，主服務器接收到時間源信號后，由安裝的授時軟件系統對兩個時間源傳輸的時間進行比較，得出差值。當差值未超過設定值時（設定值可根據實際需要進行設定，一般設定為1 s。由于GPS和北斗一號的時間誤差都在納秒級，所以當兩者的誤差超過1 s時，可以判斷其中一個標準時間源信號出現故障），則判斷主時間源信號接收正常。然后將主時間源的時間作為標準時間和服務器自身的時間進行實時比對，并按以下授時原則對主服務器進行授時。

授時原則：軟件將標準時鐘源與主服務器時間進行比對后，如果誤差范圍在設定值內，則不更改主服務器時間；反之則強制更改服務器時間，使其與標準時間保持一致。同時，每隔一段時間（時間間隔可設定），服務器軟件會對服務器時間進行強制授時，確保主服務器時間即使在允許誤差范圍內，也不會出現較大的浮動。

此外，授時軟件還會和時鐘接收裝置內部的本地時鐘源進行比較及授時，其授時原則與上述一致，確保本地時鐘源在使用期間，時間的誤差值在允許的誤差范圍內。

當時鐘接收裝置連續一段時間（時間間隔可設置）接收不到北斗一號的時間信號時，自動切換至GPS授時系統，并在軟件監控界面彈出提示信息，同時對該事件及發生時間進行記錄，督促值班人員及時處理。同理，當時鐘接收裝置連續一段時間接收不到北斗一號及GPS信號時，系統自動切換至本地時鐘源，由本地時鐘源作為標準時間對主服務器進行授時。

軟件界面顯示當前獲取標準時間源，各時間源狀態、上次服務器授時時間、標準時間及日期、與主服務器連接的各個客戶端（多功能檢定臺計算機）的連接狀態及時間等信息。當與某個客戶端連接失敗時，通過彈出對話框來提示相關人員及時處理。

2.5 客戶端授時軟件

自動化檢定流水線的各檢定單元計算機通過局域網與主服務器連接，通過客戶端的授時軟件獲取主服務器的時間，并將其作為標準時間，對多功能檢定臺計算機進行授時。

客戶端授時軟件界面顯示主服務器鏈接地址、當前時間、上次授時時間、連接主服務器是否成功。其中，服務器地址可以通過配置文件進行更改。軟件設定開機自啟動，確保開機后能主動校準計算機時間。

由于主服務器同時向多臺計算機發送時間信息，可能會造成網絡延遲，使本地授時軟件接收到標準時間信息后，產生一定的時間偏差。因此將允許誤差值設定為3 s。如果允許誤差值設定過小，按照授時原則，客戶端軟件會頻繁更改本地計算機時間，可能導致本地計算機串口故障，影響授時系統的正常運行。

3 結束語

本授時系統僅采用一套主服務器即可對多臺連入局域網的客戶端服務器計算機進行授時，且不受地域、樓層等因素的限制?？蛻舳耸跁r軟件獨立運行，可兼容主流操作系統，不受檢定單元檢測軟件的制約。因此，該系統不僅可同時對單相電能表自動化檢定流水線、三相電能表自動化檢定流水線、采集終端自動化檢測線的臺體計算機進行授時，還可以對局域網內一體化管控平臺的接口服務器、數據存儲服務等計算機進行授時，保證表計檢定數據在時間上保持一致。只要安裝了客戶端授時軟件的局域網內計算機，就可以進行精準授時。

在經濟效益方面，系統既減少了重復建設的成本，又降低了自動化檢定流水線巡檢人員的勞動強度，間接降低了檢定成本。

隨著自動化技術的不斷發展，智能電能表檢定也更加趨向于智能化檢定。

本系統在實際應用中還要通過長期運行效果及實際使用需求不斷進行更新、優化，以提升整體性能，使其能夠適應更復雜的使用環境，為智能電能表的自動化檢定提供有力的技術支撐。

［1］ 馮博，齊福存，高琨.電能表時鐘修改器［J］.農村電氣化，2013（7）：49-50。

［2］國家質量監督檢驗檢疫總局.電子式交流電能表：JJG 596-2012［S］.北京：中國質檢出版社，2013.

［3］國家電網公司.智能電能表功能規范：Q/GDW 354-2009［S］.2009.

［4］國家電網公司.電能表自動化檢定系統技術規范：Q/GDW 1574-2014［S］.2014.

［5］孫云鵬，嚴峻.復費率電能表時鐘準確性的提高［J］.農村電氣化，2009（3）：57-59.

［6］宋崇汶.利用GPS對計算機實現精確授時［J］.計算機測量與控制，2002，10（7）：477.

［7］郭彬，單慶曉，肖昌炎，等.電網時鐘系統的北斗/GPS雙模同步技術研究［J］.計算機測量與控制，2011，19（1）：139.

［8］潘小山.基于北斗衛星導航系統的省級電網時間同步系統建設方案探討［C］//中國電機工程學會，2012：222-226.

［9］ 海松.GPS系統簡介［C］//漁業機械儀器，1994：28-29.

［10］胡伍生.GPS測量原理及其應用［M］.北京：人民交通出版社，2002.

Optimization of Network Time Synchronization System for Automatic Calibration Line of Smart Electric Energy Meters

LI Liang1，2，LU Guanna1，2，LYU Yanguo1，2，JIANG Zhenyu1，2，LI Wenwen1，2，JU Hanji1，2
（1.State Grid Jibei Electric Power Co.，Ltd.，Electric Power Research Institute，Beijing 100045，China；2.North China Electric Power Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100045，China）

When the smart electric energy meter is verified on the automatic calibration line，it is necessary to perform the time synchronization operation for the smart meter to ensure the accuracy of the internal time of the smart meter.At present，for time synchronization，the automatic calibration line takes the computer time as the standard time source.With the running time of the automatic calibration line increasing，the computer time is easily affected by the main board，battery life and other factors.If continuously running for a long time，it may lead to greater deviation of computer time，reduce the accuracy of smart meter timing，and seriously affect the quality of verification.In order to solve the problems，an alternate network dual time service system is proposed.Beidou1#system and GPS system are used as the mutual backup standard time sources to provide standard time for automatic production line.This time synchronization system can effectively solve the problem of time source instability in the automatic verification of the smart meters，and to ensure that the automatic calibration line has an accurate and reliable time source for the timing operation of the smart energy meter.This method can improve the quality of automatic verification of smart meter，reduce the construction cost and improve the economic efficiency of enterprises.

Smart electric energy meter；Verification；Automatic verification line；Network time synchronization system；Beidou；GPS

TH-39；TP36

A

10.16086／j.cnki.issn1000-0380.201711024

修改稿收到日期：2017-06-01

國網冀北電力有限公司科技項目（52018K15000C）

李亮（1981—），男，學士，助理工程師，主要從事電能計量檢定、自動化檢定流水線技術管理方向的研究。E-mail：dangercn@163.com。