智能變電站的二次系統(tǒng)通常包含電子式互感器,、合并單元,、交換機(jī)、保護(hù)測(cè)控等設(shè)備,。這些裝置必須基于統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)運(yùn)行,,這對(duì)智能變電站的時(shí)鐘同步系統(tǒng)提出嚴(yán)格的要求。智能變電站微秒級(jí)的對(duì)時(shí)系統(tǒng)究竟是如何實(shí)現(xiàn)的呢,?
時(shí)間是基本物理量,,那么時(shí)間也就會(huì)有精度的問題,不同時(shí)間源有著不同的精度,。如Apple Watch與iPhone配合使用,,同UTC時(shí)間誤差不超過50ms。50ms誤差對(duì)于人類的感知可以忽略,,可是如果用在智能變電站中就顯得不盡人意了,。
智能變電站的二次系統(tǒng)通常包含電子式互感器、合并單元,、交換機(jī),、保護(hù)測(cè)控等設(shè)備。這些裝置必須基于統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)運(yùn)行,,方能滿足事件順序記錄(SOE),、故障錄波、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集時(shí)間一致性的要求,,確保線路故障測(cè)距,、相量和攻角動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、機(jī)組和電網(wǎng)參數(shù)校驗(yàn)的準(zhǔn)確性,。這些要求對(duì)智能變電站的時(shí)鐘同步系統(tǒng)提出嚴(yán)格的要求,。
IEC61850標(biāo)準(zhǔn)將變電站分為站空層,、間隔層和過程層,對(duì)時(shí)間同步精度的要求,,各層設(shè)備是不同的,。間隔層設(shè)備需要到達(dá)ms精度;而過程層設(shè)備,,由于主要傳輸采樣值,、跳閘信息,需要達(dá)到μs的同步精度,。智能變電站的測(cè)試設(shè)備DT6000系列(DT6000,、DT6000E和DT6000S)的對(duì)時(shí)精度可達(dá)μs的同步精度,完全滿足變電站各層的設(shè)備的對(duì)時(shí)精度,。
DT6000系列的對(duì)時(shí)系統(tǒng)
圖 1.1 DT6000系列的對(duì)時(shí)
DT6000系列的對(duì)時(shí)支持IRIG-B,、PPS和IEEE1588三種對(duì)時(shí),如圖 1.1所示,。三種協(xié)議全部采用FPGA硬解碼,,解碼之后轉(zhuǎn)換為UTC時(shí)標(biāo),提供時(shí)間給SMV,、GOOSE等其他協(xié)議,,如SMV和GOOSE的接收的時(shí)標(biāo)為硬時(shí)標(biāo),由FPGA進(jìn)行打時(shí)標(biāo),,將時(shí)間信息插入報(bào)文中,,實(shí)時(shí)保存報(bào)文信息和時(shí)間。在對(duì)時(shí)的同時(shí),,F(xiàn)PGA還進(jìn)行了校時(shí),,即將本地晶振引起的誤差(μs級(jí))進(jìn)行校正,動(dòng)態(tài)調(diào)整均勻調(diào)節(jié)誤差值,。
1.1.1對(duì)時(shí)
1.PPS對(duì)時(shí)
檢測(cè)PPS正常與否,,有兩個(gè)重要的判別依據(jù):
(1)相鄰脈沖上升沿的時(shí)間間隔為1s。當(dāng)相鄰脈沖上升沿的間隔時(shí)間與理想間隔時(shí)間(1s)相差大于10μs時(shí),,則判定輸入異常,。
(2)脈沖寬度大于10μs,間隔大于500ms,。當(dāng)測(cè)量到的脈沖寬度小于10μs,,或者測(cè)量到的脈沖間隔小于500ms時(shí),則認(rèn)為輸入異常,。
DT6000系列根據(jù)上述兩個(gè)判別依據(jù)并將輸入的信號(hào)進(jìn)行了過濾,,去除毛刺信號(hào)。如圖 1.2所示為DT6000E經(jīng)過PPS對(duì)時(shí)之后,,SMV采樣計(jì)數(shù)器在整秒清零,。
圖 1.2 整秒SMV采樣計(jì)數(shù)器清零
2.IRIG-B對(duì)時(shí)
IRIG-B碼的幀周期是1s,,包含100個(gè)碼元,每個(gè)碼元周期為10 ms,,即IRIG-B碼的碼元速率為100pps,。IRIG-B碼有3種碼元,二進(jìn)制“0”,、“1”和位置識(shí)別標(biāo)志Px,,脈寬分別為2ms、5ms和8ms,。脈沖信號(hào)如圖1.3所示,。
圖1.3 IRIG-B碼元圖
連續(xù)2個(gè)“P”碼元表示整秒的開始,第2個(gè)“P”碼元的脈沖前沿是“準(zhǔn)時(shí)”參考點(diǎn),,定義其為“Pr”,,后面攜帶當(dāng)前的時(shí)間和時(shí)間控制相關(guān)的信息。IRIG-B的整秒“準(zhǔn)時(shí)”參考點(diǎn),,SMV的采樣計(jì)數(shù)器的需要清零,,這點(diǎn)和PPS是一樣的,如圖 1.2所示,。
如圖 1.4所示為DT6000E的IRIG-B對(duì)時(shí)。
圖 1.4 IRIG-B對(duì)時(shí)
3.IEEE1588對(duì)時(shí)
IEEE1588報(bào)文的解碼和打時(shí)標(biāo)都是在FPGA中進(jìn)行的,,工作在Slave模式,。打時(shí)標(biāo)是指在同步報(bào)文進(jìn)入或者離開協(xié)議棧的時(shí)候,用本地時(shí)鐘信息標(biāo)記同步報(bào)文的過程,。時(shí)間戳的獲取方式直接影響時(shí)鐘同步的精度,,獲取時(shí)間戳的地點(diǎn)約接近物理層,越能很好的避開報(bào)文在協(xié)議棧中的延時(shí)抖動(dòng),,所能夠達(dá)到的同步精度也就越高,。在FPGA中進(jìn)行報(bào)文解碼和打時(shí)標(biāo)為在MII層打時(shí)標(biāo),為硬件打時(shí)標(biāo),,精度最高,。
如圖 1.5所示為DT6000E的IEEE 1588對(duì)時(shí)。
圖 1.5 IEEE 1588對(duì)時(shí)
1.1.2校時(shí)
DT6000系列在對(duì)時(shí)的同時(shí)會(huì)進(jìn)行校時(shí),,校正本地晶振的誤差值,。圖 1.6為校時(shí)調(diào)整的一個(gè)實(shí)例說明圖,由圖中可以看出第一次粗略調(diào)節(jié)值為+99,,第二次精確調(diào)節(jié)為正向,,此時(shí)的Value=+99+9=+108,第三次精確調(diào)節(jié)為反向,,此時(shí)的Value=+108-2=+106,,在獲取Value值的同時(shí)計(jì)數(shù)器也在一直均勻的調(diào)節(jié),。
圖 1.6 校時(shí)實(shí)例說明圖
校時(shí)電路(FPGA)工作在100MHz主頻下,經(jīng)過實(shí)際測(cè)量,,校正穩(wěn)定之后,,溫度變化不大的環(huán)境下,其精度誤差不超過20個(gè)周期(10ns),,經(jīng)過校時(shí)之后,,對(duì)時(shí)精度從μs級(jí)可變?yōu)?00ns級(jí)。并且采用校時(shí)電路之后,,在移除校時(shí)設(shè)備之后都能長(zhǎng)時(shí)間保持本地的時(shí)間的高準(zhǔn)確度,。
1.1.3授時(shí)
DT6000系列支持IRIG-B碼和PPS的授時(shí),DT6000S有兩個(gè)光串口,,因此支持兩個(gè)光串口同時(shí)授時(shí),。如圖 1.7所示為DT6000E的IRIG-B碼授時(shí)界面,PPS的授時(shí)等同,。
圖 1.7 IRIG-B碼授時(shí)