基于K-Means算法改進(jìn)的NTP及其在用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

張明艷，查曉銳

(1.國(guó)網(wǎng)馬鞍山供電公司，安徽馬鞍山243000；2.南京國(guó)電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，江蘇南京211100)

用電信息采集系統(tǒng)是指在電力系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行過程中，通過不間斷地采集現(xiàn)場(chǎng)終端各類設(shè)備信息并將信息上送主站，達(dá)到監(jiān)控和管理現(xiàn)場(chǎng)終端用電的目的。用電信息采集系統(tǒng)是一個(gè)多層的主從模型，每一層設(shè)備均是下一層設(shè)備的時(shí)鐘基準(zhǔn)源，集中器在系統(tǒng)中承擔(dān)著鏈接主站和電能表的作用，其自身的時(shí)鐘精度尤為重要[1]。采集主站通過通用分組無線服務(wù)(general packet radio service，GPRS)通信鏈路，采用NTP對(duì)集中器進(jìn)行對(duì)時(shí)，主要的時(shí)鐘偏差來自于GPRS通信延時(shí)。文獻(xiàn)[2]利用最大似然估計(jì)的方法計(jì)算多組測(cè)量的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)δ和時(shí)鐘偏差θ，將得到的多組時(shí)鐘偏差均值作為時(shí)鐘偏差的最優(yōu)估計(jì)值。文獻(xiàn)[3]采用雙NTP專用服務(wù)器，形成冗余系統(tǒng)，并采用P/S模式的同步算法計(jì)算時(shí)鐘偏差θ，利用鎖相環(huán)進(jìn)行本地時(shí)鐘對(duì)時(shí)，但該方法使用冗余服務(wù)器配置，增加了設(shè)備成本。為解決用電信息采集系統(tǒng)中主站對(duì)集中器的對(duì)時(shí)精度問題，筆者在不增加任何成本的前提下，基于K-Means算法，設(shè)計(jì)一種改進(jìn)的NTP方案，并將其應(yīng)用于用電信息采集系統(tǒng)中的主站和集中器對(duì)時(shí)，以期提高時(shí)鐘偏差的計(jì)算精度，滿足用電信息采集系統(tǒng)對(duì)對(duì)時(shí)方案精度的要求。

1 NTP

1.1 NTP的原理

NTP 指采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間(coordinated universal time，UTC)使同一網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備時(shí)鐘同步，其可提供高精準(zhǔn)度的時(shí)間校準(zhǔn)。理論上NTP 可達(dá)到1～50 ms 的對(duì)時(shí)精度，且可通過加密的方式來阻擋網(wǎng)絡(luò)攻擊[4]。典型的NTP對(duì)時(shí)模型如圖1。

圖中：t1為client發(fā)送同步請(qǐng)求報(bào)文時(shí)的本地時(shí)間；t2為server 收到同步請(qǐng)求時(shí)的本地時(shí)間；t3為server 回送時(shí)間同步信息時(shí)的本地時(shí)間；t4為client接收到同步信息時(shí)的本地時(shí)間；δ1為請(qǐng)求報(bào)文在路徑上的傳輸時(shí)間；δ2為回復(fù)報(bào)文在路徑上的傳輸時(shí)間。令θ 為client和server的時(shí)鐘偏差值，則由圖1可得：

圖1 NTP對(duì)時(shí)過程Fig.1 Timing process of NTP

其中δ 為總的傳輸延時(shí)時(shí)間。理想情況下，往返報(bào)文的路徑一致，即δ1=δ2，可得

根據(jù)式(2)可得到client 與server 的時(shí)鐘偏差值，利用得到的時(shí)鐘偏差值補(bǔ)償client 時(shí)鐘時(shí)間，即可使client和server的時(shí)鐘同步。

1.2 NTP在用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

用電信息采集系統(tǒng)中，集中器的GPRS模塊接收主站的GPRS信號(hào)，通過NTP完成同步對(duì)時(shí)。集中器完成對(duì)時(shí)后通過RS485、電力載波通信等方式與智能電能表建立通信，并從電能表中提取電壓、電流、用電量等數(shù)據(jù)；之后，集中器一般按照采集時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)梳理，等待主站上召數(shù)據(jù)或者主動(dòng)上送給主站[5]。由此可知，集中器時(shí)鐘準(zhǔn)確是實(shí)現(xiàn)主站到智能電能表各層設(shè)備時(shí)鐘同步的前提，也是用電信息采集系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵所在。

在用電信息采集系統(tǒng)中，一般采用單一時(shí)鐘源分層對(duì)時(shí)的方案，主站和集中器的時(shí)鐘同步采用NTP，通過集中器多次向主站發(fā)送對(duì)時(shí)報(bào)文計(jì)算出通信延時(shí)和時(shí)鐘偏差，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步[6]。NTP一般有3種工作模式：

1)廣播模式 服務(wù)器以固定周期廣播自己的時(shí)標(biāo)，客戶端用一定的過濾算法修正接收到的時(shí)標(biāo)；

2)主從模式 客戶端向一個(gè)或多個(gè)服務(wù)器發(fā)送對(duì)時(shí)請(qǐng)求，雙方交換信息的時(shí)間戳，估算時(shí)間偏差和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，采用過濾算法從中計(jì)算出最優(yōu)的時(shí)間偏差；

3)對(duì)稱模式 服務(wù)器之間交換信息的時(shí)間戳，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間保持一致。

用電信息采集系統(tǒng)中的終端一般采用主從模式通過主站的對(duì)時(shí)服務(wù)器對(duì)集中器進(jìn)行對(duì)時(shí)[7]。針對(duì)主從模式的NTP方案，在計(jì)算時(shí)鐘偏差的過程中，將主站和集中器往返的通信延時(shí)視為對(duì)稱，簡(jiǎn)化時(shí)鐘偏差的計(jì)算難度，但實(shí)際情況下主站和集中器的往返通信延時(shí)是有差異的且存在測(cè)量誤差。

2 基于改進(jìn)K-Means算法的NTP集中器時(shí)鐘同步方案

基于K-Means 算法，設(shè)計(jì)一種NTP 集中器時(shí)鐘同步的改進(jìn)方案。首先，根據(jù)n 次NTP 對(duì)時(shí)時(shí)標(biāo)t1、t2、t3、t4求出n組時(shí)鐘偏差θ,通過對(duì)時(shí)誤差閾值濾波方法對(duì)時(shí)鐘偏差值進(jìn)行篩選，過濾畸變的數(shù)據(jù)，保留較優(yōu)的樣本數(shù)據(jù)；其次，利用改進(jìn)的K-Means算法對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代計(jì)算；最后，根據(jù)計(jì)算出的時(shí)鐘偏差值對(duì)集中器時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償從而完成主站和集中器的時(shí)鐘同步。

2.1 對(duì)時(shí)誤差閾值濾波

理論上，NTP 對(duì)時(shí)在多數(shù)情況下延時(shí)誤差可精確到±1 ms 以內(nèi)，但在實(shí)際使用中，延時(shí)誤差值遠(yuǎn)大于1 ms，造成這一現(xiàn)象的主要原因是測(cè)量誤差[8]。文獻(xiàn)[9]根據(jù)NTP對(duì)時(shí)原理，基于多組對(duì)時(shí)報(bào)文，對(duì)延時(shí)計(jì)算公式進(jìn)行變換，得出實(shí)際時(shí)鐘偏差的限定范圍，剔除畸變數(shù)據(jù)，優(yōu)化樣本數(shù)據(jù)。典型的NTP對(duì)時(shí)過程如圖1，由圖1可知：

其中θt為實(shí)際時(shí)鐘偏差。式(3)可等效變換為：

δ1和δ2分別為請(qǐng)求信息和回復(fù)信息在路徑上的傳輸時(shí)間，實(shí)際值不小于0。由此，結(jié)合式(1)～(2)可得：

由式(5)可知

將實(shí)際時(shí)鐘偏差θt和理想情況下時(shí)鐘偏差θ 的差值定義為時(shí)鐘偏差的對(duì)時(shí)誤差。由式(6)可知，在實(shí)際NTP對(duì)時(shí)過程中，時(shí)鐘偏差值的對(duì)時(shí)誤差是有邊界的，根據(jù)NTP對(duì)時(shí)過程中的4個(gè)時(shí)標(biāo)t1、t2、t3、t4可確定對(duì)應(yīng)對(duì)時(shí)過程實(shí)際時(shí)鐘偏差的有效范圍。

在實(shí)際NTP對(duì)時(shí)過程中，1次對(duì)時(shí)選定的時(shí)間服務(wù)器有代表性，其有效性在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都有效，無需在每次對(duì)時(shí)重新對(duì)新的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[10]。由此，利用1次NTP對(duì)時(shí)得出限定范圍，在多次NTP對(duì)時(shí)過程中進(jìn)行對(duì)時(shí)樣本點(diǎn)的優(yōu)化選擇，將時(shí)鐘偏差不在限定范圍內(nèi)的對(duì)時(shí)樣本點(diǎn)剔除，可將延時(shí)嚴(yán)重不對(duì)稱或測(cè)量誤差較大的畸變數(shù)據(jù)濾除。

2.2 K-Means算法的改進(jìn)

K-Means算法在原始數(shù)據(jù)集中隨機(jī)選K個(gè)數(shù)據(jù)作為初始聚類中心，計(jì)算剩余數(shù)據(jù)到初始聚類中心的歐式距離，將剩余的數(shù)據(jù)歸類至其距離最小聚類中心所在的類當(dāng)中，根據(jù)各類中的數(shù)據(jù)對(duì)象計(jì)算他們的平均值，以此作為新的聚類中心，繼續(xù)聚類，直至相鄰的兩次聚類中心不再變化，則準(zhǔn)則函數(shù)收斂，輸出最終的聚類中心[11]。

K-Means算法中，收斂效果依賴于合適的聚類個(gè)數(shù)和初始聚類中心，且可能收斂到局部最優(yōu)解[12]。鑒于此，采用逐一劃分的方式優(yōu)化初始聚類中心對(duì)K-Means算法進(jìn)行改進(jìn)，避免聚類過程陷入局部最優(yōu)解。令原始數(shù)據(jù)集N={ x1,x2,x3,…,xn-2,xn-1,xn} ，N 中每個(gè)對(duì)象均含有p 個(gè)屬性，第i 個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象xi={xi1,xi2,xi3,…,xip} ，從N中隨機(jī)選擇K個(gè)對(duì)象作為初始聚類中心，聚類步驟如下：

1)建立原始數(shù)據(jù)集N；

2)建立K個(gè)空類簇，從N中隨機(jī)選擇多個(gè)對(duì)象，將選擇的對(duì)象隨機(jī)分配到建立的K個(gè)空類簇；

3)選擇數(shù)據(jù)對(duì)象最多的一個(gè)類簇，記為M；

4)計(jì)算M中兩兩數(shù)據(jù)對(duì)象之間的歐式距離，找出距離最大的兩個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象Mi和Mj，并填充到創(chuàng)建的空類簇中；

5)以Mi和Mj為聚類中心，分別計(jì)算M中剩余數(shù)據(jù)對(duì)象到Mi和Mj的歐式距離，將他們分別劃分至離其距離最小的類中；

6)檢查是否將數(shù)據(jù)集N劃分為K個(gè)類簇，若是則結(jié)束，以得到的K個(gè)聚類中心進(jìn)行常規(guī)的K-Means算法聚類，否則跳至步驟3)。

改進(jìn)的K-Means算法流程如圖2。

2.3 改進(jìn)的NTP集中器時(shí)鐘同步機(jī)制

改進(jìn)的NTP集中器時(shí)鐘同步方案為：基于NTP原理，根據(jù)用電信息采集系統(tǒng)集中器時(shí)鐘的同步設(shè)置，啟動(dòng)對(duì)時(shí)流程；集中器向主站請(qǐng)求時(shí)間，主站回應(yīng)請(qǐng)求并向集中器答復(fù)時(shí)間，重復(fù)此同步過程若干次；依據(jù)若干次請(qǐng)求的各個(gè)時(shí)標(biāo)計(jì)算每次對(duì)應(yīng)的總延時(shí)時(shí)間和時(shí)鐘偏差；根據(jù)對(duì)時(shí)誤差閾值濾波方法，對(duì)若干組計(jì)算出的總延時(shí)時(shí)間和時(shí)鐘偏差進(jìn)行篩選，剔除因測(cè)量或延時(shí)嚴(yán)重不對(duì)稱導(dǎo)致誤差較大的樣本點(diǎn)；對(duì)保留的樣本點(diǎn)利用改進(jìn)K-Means算法進(jìn)行時(shí)鐘偏差聚類，直到準(zhǔn)則函數(shù)收斂，輸出最終的時(shí)鐘偏差；將計(jì)算出的時(shí)鐘偏差值補(bǔ)償?shù)郊衅鞯臅r(shí)鐘，完成對(duì)集中器的對(duì)時(shí)。改進(jìn)的NTP集中器時(shí)鐘同步流程如圖3。

圖2 改進(jìn)的K-Means算法流程Fig.2 Flow of improved K-means algorithm

圖3 改進(jìn)的NTP集中器對(duì)時(shí)流程Fig.3 Timing process of collector based on improved NTP

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

表1 改進(jìn)的NTP方案時(shí)鐘偏差實(shí)際值Tab.1 Actual clock deviation values by using the improved NTP

由表1知，采用對(duì)時(shí)誤差閾值濾波和改進(jìn)的K-Means算法對(duì)用電信息采集系統(tǒng)中的集中器和主站進(jìn)行同步，同步后的時(shí)鐘偏差平均誤差為-88.1 ms，滿足國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中集中器對(duì)時(shí)誤差在±5 s的精度要求。

4 結(jié) 論

為提高用電信息采集系統(tǒng)中主站對(duì)集中器的對(duì)時(shí)精度，基于K-Means算法，提出一種改進(jìn)的NTP方案，即采用對(duì)時(shí)誤差閾值濾波算法，對(duì)若干次NTP對(duì)時(shí)過程中由于各種因素導(dǎo)致的畸變數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾；采用改進(jìn)的K-Means算法對(duì)保留的對(duì)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類迭代，輸出準(zhǔn)則函數(shù)收斂對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘偏差值；將輸出的時(shí)鐘偏差值補(bǔ)償?shù)郊衅鲿r(shí)間上，即可完成主站對(duì)集中器的對(duì)時(shí)同步。根據(jù)某供電公司提供的主站和集中器對(duì)時(shí)數(shù)據(jù)，采用改進(jìn)的NTP方案對(duì)集中器進(jìn)行對(duì)時(shí)同步，對(duì)時(shí)后的集中器時(shí)鐘精度滿足實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)要求，可為用電信息采集系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供了重要保障。