李 超 徐啟峰

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350108）

合并單元接收電壓/電流互感器的信號，并將采集到的信號處理后上傳到間隔層。合并單元需要采集多路信號，有時(shí)需要使用多個(gè)合并單元，因此各路信號之間和各合并單元之間需要時(shí)間同步。隨著變電站技術(shù)的發(fā)展，各種電力參數(shù)的傳輸速率越來越高，變電站二次設(shè)備的控制算法也實(shí)現(xiàn)了瞬時(shí)值控制，因此對各種電力參數(shù)的時(shí)間同步提出了很高的要求。

1 時(shí)間同步相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與要求

國外針對變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)，頒布了IEC60044和IEC61850等標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)也頒布了GB/T20840、DL/T860和DL/T1101等標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)[1-3]，變電站內(nèi)設(shè)備對同步準(zhǔn)確度的要求如表1所示[1]。

表1 電力系統(tǒng)常用設(shè)備對時(shí)間同步的要求

由表 1可以看出，對某些參數(shù)的時(shí)間同步準(zhǔn)確度要求很高，已經(jīng)達(dá)到了微妙級。合并單元作為采集與傳輸數(shù)據(jù)的重要單元，其時(shí)間同步準(zhǔn)確度要求最為嚴(yán)格。合并單元連接的各路互感器間需要進(jìn)行時(shí)間同步，各合并單元間也需要同步。

2 合并單元間同步實(shí)現(xiàn)方式

根據(jù)同步時(shí)間信號傳輸協(xié)議和構(gòu)架的不同，各合并單元之間的同步有3種方式：秒脈沖對時(shí)、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議和精密時(shí)間協(xié)議。

2.1 秒脈沖（1PPS）

1PPS是指主時(shí)鐘發(fā)送周期為 1s的時(shí)鐘信號對合并單元進(jìn)行時(shí)間同步。此方式無相關(guān)傳輸協(xié)議，簡單易行，穩(wěn)定性好，但需要搭建專用時(shí)間同步線路來發(fā)送秒脈沖，因此成本略高。

1PPS有基本式、主從式和主備式[4]。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 秒脈沖時(shí)間同步基本形式

秒脈沖對時(shí)是變電站最早采用的方法，由于設(shè)計(jì)簡單，可靠性高，取得了廣泛應(yīng)用，但對時(shí)周期過長，同步的誤差較大。智能變電站已不采用此種同步方式。

2.2 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）

NTP（Network Time Protocol）是用來使計(jì)算機(jī)時(shí)間同步的一種協(xié)議，可達(dá)到100μs以內(nèi)的時(shí)間對時(shí)[5]。NTP通過以太網(wǎng)連接各設(shè)備，無需搭建專用線路，成本較低，容易實(shí)現(xiàn)。但當(dāng)路由器出現(xiàn)報(bào)文隊(duì)列擁塞時(shí)，將出現(xiàn)延時(shí)甚至報(bào)文丟失現(xiàn)象，穩(wěn)定性差。

NTP典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 NTP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖2可見，NTP網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式非常靈活，可一對一對時(shí)，也可一對多對時(shí)。采取分層式對時(shí)方法，最多可達(dá)到15層。層數(shù)越低，對時(shí)準(zhǔn)確度越高，通常合并單元處于第2層。

NTP有兩種工作模式適于合并單元同步：服務(wù)器/客戶端模式和廣播模式。在服務(wù)器/客戶端模式下，采用點(diǎn)對點(diǎn)連接，客戶端可被服務(wù)器同步，服務(wù)器不可能被客戶端同步。廣播模式下，采取一對多連接，服務(wù)器自動廣播時(shí)間信息，各設(shè)備接收信息后自動調(diào)整自己的時(shí)間。

1）服務(wù)器/客戶端模式

此模式工作原理如圖3所示。合并單元在t1時(shí)刻發(fā)送查詢時(shí)間的報(bào)文至服務(wù)器，服務(wù)器在t2時(shí)刻收到查詢請求，并在t3時(shí)刻回復(fù)合并單元，回復(fù)信息包含了t2和t3的時(shí)間戳，合并單元在t4時(shí)刻接收到時(shí)間信息，得到4個(gè)點(diǎn)的時(shí)間戳。

圖3 NTP服務(wù)器/客戶端模式對時(shí)原理

設(shè)從時(shí)間服務(wù)器tm到合并單元tn之間網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)為tDelay，主時(shí)鐘tm與從時(shí)鐘tn之間偏移量為tOffset。在不考慮傳輸延時(shí)的情況下有

考慮傳輸延時(shí)則有

最后從時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)間調(diào)整得到最新時(shí)間ts=tn-tOffset，時(shí)間同步得以完成。

2）廣播模式

這一模式適于多合并單元時(shí)間同步。服務(wù)器根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔不間斷地向合并單元發(fā)送時(shí)間信息，各合并單元接收到時(shí)間信號后，自行根據(jù)傳輸延時(shí)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。這一模式忽略了傳輸延時(shí)，傳輸延時(shí)需要通過實(shí)際測量得到。

NTP的優(yōu)點(diǎn)是方法簡單、易于實(shí)現(xiàn)，對時(shí)間隔可調(diào)?？梢詫?shí)現(xiàn)200μs準(zhǔn)確度，但無法滿足T3以上等級的同步要求，因此應(yīng)用較少。

2.3 精密時(shí)間協(xié)議（PTP）

在NTP的基礎(chǔ)上，IEC推出了IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)[6]，其全稱為網(wǎng)絡(luò)測量與控制系統(tǒng)的精密時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)，簡稱為精密時(shí)間協(xié)議PTP（Precision Time Protocol）。在硬件輔助下，準(zhǔn)確度可達(dá)到亞微秒量級，可滿足T5等級的同步要求。PTP通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信，無需專用線路，成本較低，同時(shí)支持IPv4、IPv6、UDP、EtherNet、DeviceNet等多種協(xié)議，并且采用短幀傳輸，數(shù)據(jù)幀少，算法簡單，對網(wǎng)絡(luò)資源使用少，穩(wěn)定性高。PTP模式優(yōu)勢明顯，但由于在普通處理器中實(shí)現(xiàn)難度較大，尚未得到廣泛應(yīng)用。

PTP的工作原理如圖4所示，主時(shí)鐘在t1時(shí)刻發(fā)送同步報(bào)文，同時(shí)得到時(shí)間戳t1，然后將時(shí)間戳t1通過跟隨報(bào)文傳送到從時(shí)鐘即合并單元。合并單元在t2時(shí)刻接收到同步報(bào)文，并記錄時(shí)間戳t2，然后接收跟隨報(bào)文得到時(shí)間戳t1。合并單元經(jīng)過一定時(shí)間延時(shí)后在t3時(shí)刻向主時(shí)鐘發(fā)送延遲請求報(bào)文并記錄時(shí)間戳t3，主時(shí)鐘接收延遲請求報(bào)文并記錄時(shí)間戳t4，主時(shí)鐘將t4通過延遲應(yīng)答報(bào)文發(fā)送到合并單元，合并單元得到時(shí)間戳t4。此刻合并單元已經(jīng)記錄下t1、t2、t3、t4四個(gè)時(shí)間戳，進(jìn)而計(jì)算tDelay和tOffset。

圖4 PTP網(wǎng)絡(luò)對時(shí)原理

PTP對時(shí)與NTP對時(shí)的基本原理是一致的。PTP相比NTP，其優(yōu)點(diǎn)是是利用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)而無需時(shí)鐘專線傳輸時(shí)鐘同步信號，降低了組建同步系統(tǒng)的費(fèi)用，同時(shí)采用硬件與軟件結(jié)合設(shè)計(jì)對各種影響同步準(zhǔn)確度的部分進(jìn)行有效矯正，提供微秒級時(shí)間同步。

近期一些新型號的處理器芯片已經(jīng)集成了IEEE1588協(xié)議，通過寄存器配置或指令調(diào)用可使用此功能，這將有助于PTP的推廣應(yīng)用。

在實(shí)際應(yīng)用中，還要考慮路由器等交換設(shè)備的延時(shí)和滯留時(shí)間，因此需要在IEEE1588協(xié)議的基礎(chǔ)上加以優(yōu)化，這也是目前研究的一個(gè)重點(diǎn)。

以上三種合并單元間的同步方式，均有實(shí)際應(yīng)用的范例，三種方式各自特點(diǎn)如表2所示。由于技術(shù)成熟、簡單易行，秒脈沖時(shí)間同步方法應(yīng)用最多，但 IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度遠(yuǎn)高于其他兩種方式，是未來變電站同步系統(tǒng)的首要選擇，也是目前各廠商研究的重點(diǎn)。

表2 合并單元間時(shí)間同步方法的特性

3 合并單元內(nèi)各信號同步實(shí)現(xiàn)方式

根據(jù)IEC60448-8和GB/T20840.8的規(guī)定，合并單元最多具有12路輸入信號，其框架如圖5所示[2,4]。

圖5 合并單元通用框圖

12路電壓/電流互感器通過光纖/電纜接入合并單元。各路信號的傳輸是相互獨(dú)立的，因此各路信號采集與傳輸存在時(shí)間不同步的問題，需要進(jìn)行時(shí)間同步處理。實(shí)現(xiàn)各信號間時(shí)間同步的模式有兩種：合并單元內(nèi)部數(shù)據(jù)處理模式和向互感器發(fā)送同步信號模式。

3.1 向互感器發(fā)送同步信號模式

合并單元將得到的時(shí)間同步時(shí)鐘按照周期采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行分頻，將分頻后的同步信號接入各互感器的數(shù)據(jù)處理單元?；ジ衅鹘邮諘r(shí)間同步信號后，開始進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換或數(shù)據(jù)傳輸[6-8]。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 合并單元發(fā)送同步信號示意圖

此模式適合采樣頻率比較低的情況，但需要在合并單元與互感器間增加一條光纖或電纜，增加了硬件成本。

3.2 內(nèi)部數(shù)據(jù)處理模式

此模式中合并單元不向各路互感器發(fā)送同步信號，而是通過軟件算法對各路數(shù)據(jù)進(jìn)行相位補(bǔ)償。通常使用線性插值算法來實(shí)現(xiàn)。為了減少相位補(bǔ)償誤差，此模式對數(shù)據(jù)采集頻率要求較高。

目前，隨著各種處理器工作頻率的提升，數(shù)據(jù)采集器的工作頻率相應(yīng)提升，其同步誤差越來越小。以一周期采集傳輸500個(gè)點(diǎn)為例，每采樣點(diǎn)時(shí)間間隔為40μs，最大同步誤差為兩倍時(shí)間間隔，即 80μs，相位差為1.4°。再通過算法補(bǔ)償后，同步準(zhǔn)確度更高。因此隨著集成芯片工作頻率的提升，同步誤差越來越小，只需使用軟件算法進(jìn)行補(bǔ)償即能實(shí)現(xiàn)各信號間的同步。內(nèi)部數(shù)據(jù)處理模式已經(jīng)得到了工程應(yīng)用。

4 合并單元時(shí)間同步系統(tǒng)相關(guān)測試

目前合并單元時(shí)間同步系統(tǒng)的測試還無具體的標(biāo)準(zhǔn)，通常是將合并單元單獨(dú)測試，其方法有波形相位比較和同步脈沖比較兩種類型。

波形相位比較是將電壓/電流實(shí)際波形與檢測信號通過示波器或其它裝置進(jìn)行對比，測量它們之間的相位差α，進(jìn)而確定時(shí)間同步誤差，如圖7所示。

圖7 合并單元輸出波形相位差

同步脈沖比較是將兩路時(shí)鐘同步信號通過預(yù)留的干接點(diǎn)接入示波器或其他裝置，直接觀測其時(shí)間間隔，如圖8所示。

圖8 同步信號直接檢測

5 發(fā)展趨勢

隨著半導(dǎo)體集成芯片技術(shù)的發(fā)展和通信協(xié)議的不斷完善，合并單元時(shí)間同步系統(tǒng)的準(zhǔn)確度會越來越高。未來合并單元時(shí)間同步系統(tǒng)將由更高準(zhǔn)確度的時(shí)鐘源，更快速率的光纖以太網(wǎng)傳輸、更高頻率數(shù)據(jù)采集和更優(yōu)的軟件算法構(gòu)成。這些方面將是我們研究的重點(diǎn)與方向。

在此，提出一種基于高速處理器和全光纖網(wǎng)絡(luò)的合并單元設(shè)計(jì)方案，如圖9所示。

圖9 合并單元設(shè)計(jì)方案

此設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)如下。

1）構(gòu)架簡單、低成本、高穩(wěn)定性。只采用一個(gè)處理器，盡量減少其他器件的數(shù)量，成本低，同時(shí)提高了系統(tǒng)可靠度、穩(wěn)定性和無故障運(yùn)行時(shí)間。目前已有處理器集成 IEEE1588和串口通信功能，如TI生產(chǎn)的Cortex-M3 MCU和Xilinx生產(chǎn)的Spartan-6 FPGA等芯片。Cortex-M3 MCU只需對寄存器進(jìn)行設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)，Spartan-6 FPGA是通過指令啟動GPIO配置模式來實(shí)現(xiàn)此功能。

2）全部光隔離設(shè)計(jì)，強(qiáng)抗干擾能力。合并單元的輸入信號、輸出信號、電源等接口均使用光隔離，提高抗干擾能力。

3）通信網(wǎng)絡(luò)集成化。光纖以太網(wǎng)的組網(wǎng)方式，同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)信號、報(bào)警信號、控制信號和時(shí)間同步信號，無需單獨(dú)的時(shí)間同步線路。

4）高速數(shù)據(jù)采集和處理。處理器晶振頻率可到到 50～100MHz，對數(shù)據(jù)采集和處理的運(yùn)算時(shí)間在幾微妙內(nèi)完成。

5）T5級時(shí)間同步準(zhǔn)確度。通過處理器內(nèi)部集成IEEE1588模塊，實(shí)現(xiàn)合并單元間微妙級的對時(shí)；通過百兆級別的處理器運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)合并單元內(nèi)各信號微妙級的采集與傳輸，不必向各傳感器發(fā)送同步信號，只需通過線性插值軟件算法對數(shù)據(jù)優(yōu)化。

6 結(jié)論

本文對合并單元對時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行了綜述，分析了時(shí)鐘源、合并單元間同步、合并單元內(nèi)各信號同步的原理和方法，并展望了合并單元對時(shí)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，提出了一種全新的光纖以太網(wǎng)合并單元設(shè)計(jì)方案。

未來合并單元時(shí)間同步系統(tǒng)的準(zhǔn)確度將隨著半導(dǎo)體集成芯片技術(shù)的發(fā)展和通信協(xié)議的不斷完善而提高，變電站內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)將由高速光纖組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，通信網(wǎng)絡(luò)兼具數(shù)據(jù)傳輸、控制、報(bào)警、時(shí)間同步等多種功能。準(zhǔn)確度、集成度、抗干擾能力和通信速率都將大幅度提升。

[1] 中華人民共和國國家能源局.DL/T 1101-2009.電力系統(tǒng)的時(shí)間同步系統(tǒng)[S].北京：中國電力出版社，2009.

[2] International Electro-technical Commission.IEC61850.Communication Networks and Systems in Substation[S].2004.

[3] 段雄英,廖敏夫,張春鵬,黃智宇.電子式互感器合并單元同步時(shí)鐘模塊的設(shè)計(jì)[J].低壓電器,2011(15)：23-28.

[4] International Electro-technical Commission.IEEE1588.IEEE standard for a precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems[S].2008.

[5] 朱超,黃燦,梅軍,鄭建勇.基于FPGA與ARM的智能合并單元設(shè)計(jì)[J].電網(wǎng)技術(shù),2011,35(6)：10-14.

[6] 夏梁,梅軍,鄭建勇,朱超.基于 IEC61850-9-2的電子式互感器合并單元設(shè)計(jì)[J].電力自動化設(shè)備,2011,31(11)： 135-138.

[7] 高樂,周有慶,歐陽帆.與電子式互感器接口的合并單元通信模型設(shè)計(jì)[J].電力自動化設(shè)備,2008,28(3)： 111-114.

[8] 晏玲,李偉,曹津平.采用 FPGA 實(shí)現(xiàn)合并單元同步采樣的方案[J].電力自動化設(shè)備,2010,30(10)：126-128.