吳納磊，徐少雄，張春豪，賈海旭，李英春

(石家莊科林電氣股份有限公司，河北 石家莊 050000)

隨著科學(xué)技術(shù)及經(jīng)濟的不斷發(fā)展，不管是企業(yè)還是人民生活對電的需求有了進一步的提高，國家電網(wǎng)有限公司已經(jīng)將停電時間作為考核標(biāo)準(zhǔn)。為了減少停電時間，迅速查找故障源，國家電網(wǎng)有限公司廣泛應(yīng)用了暫態(tài)錄波型故障指示器，其具有安裝方便，判斷故障準(zhǔn)確率高，用戶使用方便等特點。最主要的特點是將線路發(fā)生故障時刻的三相波形錄下來并上傳至主站，供主站對故障進一步分析。這就要求三相波形的同步性要高，并且是越高越好。

暫態(tài)錄波型故障指示器一般由1個匯集單元和3個采集單元構(gòu)成?，F(xiàn)場安裝時匯集單元安裝在電線桿上距地大約3 m，3個采集單元分別安裝在10 kV的ABC三相線路上（可帶電安裝），匯集單元與主站之間通過GPRS通信，匯集單元和采集單元之間通過433 MHz的無線進行通信。上傳給主站的錄波數(shù)據(jù)是由ABC三相線路上的設(shè)備分別采樣存儲的，為了滿足三相波形之間的同步性，就要保證三相的設(shè)備在同一時刻對線路電流電壓進行采樣，這就需要在整套故障指示器系統(tǒng)中設(shè)計一套精確穩(wěn)定的時間系統(tǒng)。

輸電線路上出現(xiàn)故障的時刻是不確定的，隨時都可能發(fā)生，這就要求三相設(shè)備的時間系統(tǒng)必須長時間處于穩(wěn)定狀態(tài)。由于晶振本身的偏差會使得設(shè)備的時間系統(tǒng)隨著時間的推移誤差逐漸變大，如果通過頻繁對時來解決這個問題，通信信道就沒有能力傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，而433 MHz的信道數(shù)量有限，所以不能通過增加信道的方式來解決此問題。故提出了一種實時動態(tài)跟蹤的對時方法來解決短時間內(nèi)不對時還能夠保證三相設(shè)備之間的對時精度。

1 對時方法

本文提出的實時動態(tài)跟蹤的對時方法是基于主從結(jié)構(gòu)的通信系統(tǒng)，如圖1所示，主機通過GPRS信道接受主站下發(fā)的對時命令或者接受GPS的對時信號來保證本身的時間的準(zhǔn)確性，通過發(fā)送廣播對時命令的方式將時間下發(fā)到從機設(shè)備，一般的對時方式為從機接受到主機下發(fā)的對時命令后根據(jù)測得的傳輸時間進行簡單的補償直接對時給自身的時間系統(tǒng)，這樣能夠保證在對完時時時間系統(tǒng)是精準(zhǔn)的，但經(jīng)過時間的推移各個從設(shè)備之間的時間偏差會越來越大?；趯崟r動態(tài)跟蹤的對時方法可以在短時間內(nèi)避免這一問題，給業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸留了足夠的時間。

圖1 主從結(jié)構(gòu)的通信系統(tǒng)

主機設(shè)備與各個從機設(shè)備之間的通信方式采用分時復(fù)用的方式。如圖2所示主機分別在時間點Tz0、Tz1、Tzn發(fā)送數(shù)據(jù)給從機設(shè)備，即主機每間隔T時間給從機發(fā)送一幀數(shù)據(jù)。

圖2 主機給從機下發(fā)對時命令的時序圖

圖2中的T為主機設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)給從機設(shè)備的周期；Tz0、Tz1、Tzn分別為主機設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的時刻；Tc0、Tc1、Tcn分別為從機設(shè)備收到數(shù)據(jù)的時刻；Bc0、Bc1、Bcn分別為數(shù)據(jù)的傳輸時間；

主機設(shè)備按照圖2中的周期給從機設(shè)備下發(fā)對時命令，對時命令中帶有時間戳，當(dāng)有其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時就暫停下發(fā)對時命令，沒有其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的時候下發(fā)對時命令，而從機在接受到對時命令以后進行以下步驟的處理：

A.接收到對時命令。

B.判斷是否首次收到對時命令，如果是，將收到的當(dāng)前時間戳作為系統(tǒng)時間寫入本地，否則執(zhí)行步驟。

C.如果距上次收到對時命令的時間超過T+ΔT，放棄本次對時命令，否則執(zhí)行步驟D，其中ΔT為間隔ΔT間從機未接受到對時命令，還能保證從機時間精度的最大值。

D.計算當(dāng)前收到的對時命令中的時間戳和上次收到對時命令中的時間戳之間的差t1，計算收到當(dāng)前對時命令時和上次對時命令時的本地時間差t2，如果abs(t1-t2)>T1，放棄本次對時命令，T1為主機在兩次對時的間隔時間內(nèi)走過的時間與從機在兩次對時的間隔時間內(nèi)走過的時間允許的最大差值，否則執(zhí)行下一步驟。

E.根據(jù)當(dāng)前收到的對時命令中的時間戳和上次收到的對時命令中的時間戳Tz1和Tz0，計算出在此間隔內(nèi)主機走過的時間Pz，Pz=Tz1-Tz0。

根據(jù)當(dāng)前和上次收到對時命令時的本地時刻Tc1和Tc0，計算出在此間隔內(nèi)從設(shè)備走過的時間Pc，Pc=Tz1-Tz0。執(zhí)行步驟F。

F.本地的晶振頻率為Fclock，經(jīng)過PZ晶振震蕩次數(shù)為PC/(1/Fclock)，設(shè)置本地計數(shù)器，使之后晶振震動次數(shù)為PC/(1/Fclock)時，經(jīng)過的時間為Pz。

計算：時間差ΔT=PC-Pz；調(diào)整量A= Δt。

進一步地：步驟E中，計算：Δkn=Δt+An-1，其中：An=aΔkn+(1-a)An-1。式中：n為一共收到連續(xù)對時命令的數(shù)量；Δkn為本次調(diào)整量的中間值；Ai為連續(xù)第i次收到對時命令后的調(diào)整量，1≤i≤n，A1=0，A2=Δt2；a為調(diào)整系數(shù)。

調(diào)整量A=An步驟F中，具體執(zhí)行的步驟包括：

每ms調(diào)整1次晶振震蕩作為調(diào)整的基礎(chǔ)值，計算在T時間內(nèi)，以基礎(chǔ)值為基準(zhǔn)，可以調(diào)整的總時間為：Tp=T×1/Fclock，T的單位為ms。

計算在T時間內(nèi)完成調(diào)整量的調(diào)整，每ms需要調(diào)整的晶振震蕩次數(shù)：T0=A/Tp，A/Tp代表取整。

計算將T0分配到每ms后，剩余的需要調(diào)整的時間：T1=A%Tp，A%TV代表取余數(shù)。

如果T1≠0，計算調(diào)整范圍：Tv=T1/(1/Fclock)。

設(shè)置計數(shù)器：在前TT內(nèi)，每ms的計數(shù)為：當(dāng)前計數(shù)+Tv+an，之后的每ms的計數(shù)為：當(dāng)前計數(shù)Tv，其中，如果Av>0,an=1，否則，an=-1。

MCU使用計數(shù)器完成定時功能，晶振參數(shù)及定時器的工作頻率確定后，每個時間單位的晶振震蕩次數(shù)是一定的。如定時器的工作頻率為12 MHz，定時器的TOP值設(shè)為（12000-1），也就是說定時器的計數(shù)器從0計數(shù)到TOP值時所經(jīng)過的時間是1 ms。

本方法依據(jù)絕對的時間參考，將定時器中的計數(shù)作為一個變量進行調(diào)整，可以精細(xì)調(diào)整本地時鐘精度。

采用本文提出的方案，根據(jù)收到的對時命令中的時間戳作為參考，調(diào)整一定時間內(nèi)的晶振震蕩計數(shù)，精細(xì)調(diào)整本地時鐘與主機同步，實現(xiàn)多個從設(shè)備的時鐘同步，從設(shè)備之間的時間差在±2μs內(nèi)。

2 暫態(tài)錄波型故障指示器

以上介紹的實時動態(tài)跟蹤的對時方法應(yīng)用到暫態(tài)錄波型故障指示器中以滿足三相錄波數(shù)據(jù)的同步性。本文提出的實時動態(tài)跟蹤的對時方法主要是在采集單元中實現(xiàn)，采集單元系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 采集單元采樣結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)采集單元接受到匯集單元的對時幀并進行跟蹤對時后，可以認(rèn)為三相采集單元中的時鐘系統(tǒng)是精準(zhǔn)的，即三相設(shè)備的ms沿中對齊的。采集單元的主頻為12 MHz，啟動AD轉(zhuǎn)換的定時器的時鐘頻率也是12 MHz，每周波采樣100個點，即啟動AD轉(zhuǎn)換的定時器的周期值就為2400。在每ms沿到來的時候?qū)D轉(zhuǎn)換定時器的當(dāng)前計數(shù)器的值歸零，重新計數(shù)。經(jīng)過測試三相設(shè)備的定時器值在間隔1 ms時的偏差是很小的完全滿足應(yīng)用。這樣就能夠滿足三相采集單元錄波數(shù)據(jù)的同步性。

3 測試及結(jié)果分析

使用繼電保護測試儀輸出狀態(tài)序列，模擬現(xiàn)場的接地故障，如圖4為模擬的A相接地故障的狀態(tài)序列。

圖4 A相接地故障的狀態(tài)序列圖

圖中Iabc為ABC相正常負(fù)荷電流120 A，Ua為A相電壓，T1為A相發(fā)送接地故障的時刻，故障指示器在檢測到該序列時就會將接地時刻的波形存儲下來并上傳到主站，在PC機上使用查看comtrade文件格式波形軟件，查看上傳的波形如圖5所示。

圖5 A相接地故障波形

從圖5中可以看出，三相錄波數(shù)據(jù)之間的角差為0.3°左右，折算為時間約16μs，為主站對接地故障波形的分析提供了扎實的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而提高故障判斷的準(zhǔn)確率。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的實時動態(tài)跟蹤的對時方法應(yīng)用于暫態(tài)錄波型故障指示器中，不僅提高了整個產(chǎn)品的對時系統(tǒng)的精度，還促使產(chǎn)品可以更加長久穩(wěn)定的運行，并且為在主站分析波形判斷線路故障提供了可靠有效地波形數(shù)據(jù)，提高了故障判斷的準(zhǔn)確性。