合并單元時間同步系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展

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，有時需要使用多個合并單元，因此各路信號之間和各合并單元之間需要時間同步。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)備的控制算法也實現(xiàn)了瞬時值控制，因此對各種電力參數(shù)的時間同步提出了很高的要求。

1 時間同步相關(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)備對時間同步的要求

由表 1可以看出，對某些參數(shù)的時間同步準(zhǔn)確度要求很高，已經(jīng)達到了微妙級。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行時間同步，各合并單元間也需要同步。

2 合并單元間同步實現(xiàn)方式

根據(jù)同步時間信號傳輸協(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、網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議和精密時間協(xié)議。

2.1 秒脈沖（1PPS）

1PPS是指主時鐘發(fā)送周期為 1s的時鐘信號對合并單元進行時間同步。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 秒脈沖時間同步基本形式

秒脈沖對時是變電站最早采用的方法，由于設(shè)計簡單，可靠性高，取得了廣泛應(yīng)用，但對時周期過長，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)時間協(xié)議（NTP）

NTP（Network Time Protocol）是用來使計算機時間同步的一種協(xié)議，可達到100μs以內(nèi)的時間對時[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，容易實現(xiàn)。但當(dāng)路由器出現(xiàn)報文隊列擁塞時，將出現(xiàn)延時甚至報文丟失現(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，也可一對多對時。采取分層式對時方法，最多可達到15層。層數(shù)越低，對時準(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，采用點對點連接，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)器自動廣播時間信息，各設(shè)備接收信息后自動調(diào)整自己的時間。

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時刻發(fā)送查詢時間的報文至服務(wù)器，服務(wù)器在t2時刻收到查詢請求，并在t3時刻回復(fù)合并單元，回復(fù)信息包含了t2和t3的時間戳，合并單元在t4時刻接收到時間信息，得到4個點的時間戳。

圖3 NTP服務(wù)器/客戶端模式對時原理

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

考慮傳輸延時則有

最后從時鐘進行時間調(diào)整得到最新時間ts=tn-tOffset，時間同步得以完成。

2）廣播模式

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

NTP的優(yōu)點是方法簡單、易于實現(xiàn)，對時間隔可調(diào)。可以實現(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)的精密時間同步標(biāo)準(zhǔn)，簡稱為精密時間協(xié)議PTP（Precision Time Protocol）。在硬件輔助下，準(zhǔn)確度可達到亞微秒量級，可滿足T5等級的同步要求。PTP通過以太網(wǎng)進行通信，無需專用線路，成本較低，同時支持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，主時鐘在t1時刻發(fā)送同步報文，同時得到時間戳t1，然后將時間戳t1通過跟隨報文傳送到從時鐘即合并單元。合并單元在t2時刻接收到同步報文，并記錄時間戳t2，然后接收跟隨報文得到時間戳t1。合并單元經(jīng)過一定時間延時后在t3時刻向主時鐘發(fā)送延遲請求報文并記錄時間戳t3，主時鐘接收延遲請求報文并記錄時間戳t4，主時鐘將t4通過延遲應(yīng)答報文發(fā)送到合并單元，合并單元得到時間戳t4。此刻合并單元已經(jīng)記錄下t1、t2、t3、t4四個時間戳，進而計算tDelay和tOffset。

圖4 PTP網(wǎng)絡(luò)對時原理

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

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。

在實際應(yīng)用中，還要考慮路由器等交換設(shè)備的延時和滯留時間，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重點。

以上三種合并單元間的同步方式，均有實際應(yīng)用的范例，三種方式各自特點如表2所示。由于技術(shù)成熟、簡單易行，秒脈沖時間同步方法應(yīng)用最多，但 IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度遠高于其他兩種方式，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。

表2 合并單元間時間同步方法的特性

3 合并單元內(nèi)各信號同步實現(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立的，因此各路信號采集與傳輸存在時間不同步的問題，需要進行時間同步處理。實現(xiàn)各信號間時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間同步時鐘按照周期采樣點數(shù)進行分頻，將分頻后的同步信號接入各互感器的數(shù)據(jù)處理單元。互感器接收時間同步信號后，開始進行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)進行相位補償。通常使用線性插值算法來實現(xiàn)。為了減少相位補償誤差，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個點為例，每采樣點時間間隔為40μs，最大同步誤差為兩倍時間間隔，即 80μs，相位差為1.4°。再通過算法補償后，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行補償即能實現(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 合并單元時間同步系統(tǒng)相關(guān)測試

目前合并單元時間同步系統(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/電流實際波形與檢測信號通過示波器或其它裝置進行對比，測量它們之間的相位差α，進而確定時間同步誤差，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鐘同步信號通過預(yù)留的干接點接入示波器或其他裝置，直接觀測其時間間隔，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，合并單元時間同步系統(tǒng)的準(zhǔn)確度會越來越高。未來合并單元時間同步系統(tǒng)將由更高準(zhǔn)確度的時鐘源，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)計方案，如圖9所示。

圖9 合并單元設(shè)計方案

此設(shè)計方案的特點如下。

1）構(gòu)架簡單、低成本、高穩(wěn)定性。只采用一個處理器，盡量減少其他器件的數(shù)量，成本低，同時提高了系統(tǒng)可靠度、穩(wěn)定性和無故障運行時間。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只需對寄存器進行設(shè)置即可實現(xiàn)，Spartan-6 FPGA是通過指令啟動GPIO配置模式來實現(xiàn)此功能。

2）全部光隔離設(shè)計，強抗干擾能力。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，同時傳輸數(shù)據(jù)信號、報警信號、控制信號和時間同步信號，無需單獨的時間同步線路。

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)采集和處理的運算時間在幾微妙內(nèi)完成。

5）T5級時間同步準(zhǔn)確度。通過處理器內(nèi)部集成IEEE1588模塊，實現(xiàn)合并單元間微妙級的對時；通過百兆級別的處理器運算，實現(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系統(tǒng)進行了綜述，分析了時鐘源、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)計方案。

未來合并單元時間同步系統(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)實現(xiàn)，通信網(wǎng)絡(luò)兼具數(shù)據(jù)傳輸、控制、報警、時間同步等多種功能。準(zhǔn)確度、集成度、抗干擾能力和通信速率都將大幅度提升。

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