高精度時(shí)間同步裝置過程層監(jiān)測(cè)的研究

王 琳，劉漢寧，吉帥虎

（石家莊科林電氣股份有限公司，河北石家莊 050000）

關(guān)鍵字：高精度；時(shí)間監(jiān)測(cè)；偏差計(jì)算；問答方式；網(wǎng)絡(luò)壓力抑制

在電力系統(tǒng)中，精準(zhǔn)的時(shí)間可以確保各類運(yùn)行設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集時(shí)間的一致性，提高電網(wǎng)事故分析和穩(wěn)定控制的水平[1]。時(shí)間同步裝置可以為變電站內(nèi)被授時(shí)設(shè)備提供高精度時(shí)間信號(hào)，同時(shí)可以監(jiān)測(cè)被授時(shí)設(shè)備的時(shí)間同步狀態(tài)和時(shí)間偏差，并及時(shí)告警[2]，滿足各類系統(tǒng)和設(shè)備對(duì)時(shí)間的要求[3]。

文獻(xiàn)[4]中介紹一種根據(jù)被監(jiān)測(cè)設(shè)備輸出的B碼信號(hào)和GPS（全球定位系統(tǒng)）生成的B 碼信號(hào)計(jì)算時(shí)間偏差的方法，要求被監(jiān)測(cè)設(shè)備具有輸出B 碼的功能。文獻(xiàn)[5]中提出根據(jù)被監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)送GOOSE（通用面向變電站對(duì)象事件）時(shí)間和時(shí)間同步裝置收到GOOSE時(shí)間，直接計(jì)算出時(shí)間偏差，精度2 ms，不能滿足現(xiàn)在電力系統(tǒng)對(duì)時(shí)間精度的要求。針對(duì)目前電力系統(tǒng)的需求，提出一種低成本高精度的時(shí)間同步裝置，不修改被監(jiān)測(cè)設(shè)備的軟硬件，就可以實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間監(jiān)測(cè)。

1 時(shí)間同步裝置系統(tǒng)方案

該時(shí)間同步裝置包括時(shí)鐘源模塊、信號(hào)輸出模塊和監(jiān)測(cè)模塊。時(shí)鐘源模塊接收外部時(shí)源GPS/北斗對(duì)時(shí)信號(hào)，在信號(hào)質(zhì)量好且穩(wěn)定后裝置進(jìn)入對(duì)時(shí)狀態(tài)，信號(hào)輸出模塊輸出IRIG-B碼（B類串行時(shí)間交換碼）給間隔層和過程層被授時(shí)設(shè)備，同時(shí)輸出一路IRIG-B碼給內(nèi)部監(jiān)測(cè)模塊提供時(shí)間基準(zhǔn)。監(jiān)測(cè)模塊采用GOOSE 問答方式實(shí)現(xiàn)過程層設(shè)備時(shí)間監(jiān)測(cè)[6]，監(jiān)測(cè)結(jié)果通過IEC 61850協(xié)議上送到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)顯示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)測(cè)模塊的核心CPU 芯片采用基于ARM Cortex-M3 的微控制器LPC1768，配合使用FPGA。CPU 主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)輪詢?nèi)蝿?wù)、收發(fā)GOOSE、偏差結(jié)果計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)壓力的抑制。FPGA 主要負(fù)責(zé)擴(kuò)展MAC、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和協(xié)助抑制網(wǎng)絡(luò)壓力。CPU的時(shí)間基準(zhǔn)采用信號(hào)輸出模塊的IRIG-B信號(hào)，由定時(shí)器捕獲解析，更新設(shè)備UTC時(shí)間；IRIG-B碼兩個(gè)秒沿之間的UTC毫秒值在周期1 ms的匹配中斷遞增。

2 過程層監(jiān)測(cè)流程

過程層設(shè)備監(jiān)測(cè)采用管理端（時(shí)間同步裝置）和被監(jiān)測(cè)端（過程層智能設(shè)備）GOOSE問答方式實(shí)現(xiàn)。問答流程如圖2 所示，其中T0為管理端發(fā)送“監(jiān)測(cè)時(shí)鐘請(qǐng)求”的時(shí)標(biāo)；T1為被監(jiān)測(cè)端收到“監(jiān)測(cè)時(shí)鐘請(qǐng)求”的時(shí)標(biāo)；T2為被監(jiān)測(cè)端返回“監(jiān)測(cè)時(shí)鐘請(qǐng)求的結(jié)果”的時(shí)標(biāo)；T3為管理端收到“監(jiān)測(cè)時(shí)鐘請(qǐng)求的結(jié)果”的時(shí)標(biāo)[7]。管理端時(shí)鐘和被監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)部時(shí)鐘的鐘差為Δt（正為相對(duì)超前，負(fù)為相對(duì)滯后）：

圖2 問答流程

由上面計(jì)算公式可知，時(shí)間偏差的計(jì)算精度取決于4 個(gè)時(shí)間戳T0～T3的準(zhǔn)確度，其中T1和T2是被監(jiān)測(cè)設(shè)備標(biāo)記的時(shí)間，通過GOOSE 發(fā)送給時(shí)間同步裝置，不屬于時(shí)間同步裝置可控因素，不予討論。T0和T3分別是時(shí)間同步裝置標(biāo)記的發(fā)送請(qǐng)求命令時(shí)刻和接收響應(yīng)命令時(shí)刻，這兩個(gè)時(shí)刻與實(shí)際時(shí)間的偏差直接影響最終結(jié)果。下面分別介紹時(shí)間同步裝置發(fā)送請(qǐng)求命令時(shí)刻T0和接收響應(yīng)的時(shí)刻T3的標(biāo)記方法。

2.1 發(fā)送請(qǐng)求命令時(shí)間T0

發(fā)送請(qǐng)求命令時(shí)間T0為時(shí)間同步裝置監(jiān)測(cè)模塊發(fā)送請(qǐng)求幀的時(shí)間。CPU 發(fā)送的GOOSE 請(qǐng)求幀由FPGA轉(zhuǎn)發(fā)給被監(jiān)測(cè)設(shè)備，F(xiàn)PGA發(fā)送完請(qǐng)求幀，給CPU一個(gè)外部中斷，標(biāo)志發(fā)送已完成，CPU接收到該外部中斷時(shí)記錄此時(shí)UTC 時(shí)間的秒值，記為Ts，UTC 的毫秒值是在周期為1 ms 的定時(shí)器中斷里更新，與實(shí)際時(shí)間的誤差可能會(huì)接近1 ms，所以借助CPU 一個(gè)頻率96 MHz 的計(jì)數(shù)器來確定進(jìn)入中斷的毫秒值。在收到基準(zhǔn)B 碼秒沿時(shí)刻時(shí)，記錄計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為timer0，收到發(fā)送完成外部中斷時(shí)記錄計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)器值為timer1，利用兩個(gè)定時(shí)器值可以計(jì)算出發(fā)送完成中斷距上一秒的時(shí)間：

2.2 接收到響應(yīng)的時(shí)刻T3

接收到響應(yīng)的時(shí)刻T3為時(shí)鐘裝置監(jiān)測(cè)模塊接收到響應(yīng)幀的時(shí)間。FPGA模塊增加一個(gè)頻率100 MHz的32 位計(jì)數(shù)器。FPGA 收到數(shù)據(jù)幀，把該計(jì)數(shù)器的值主動(dòng)發(fā)送給CPU，CPU 通過改變FPGA 引腳的電平狀態(tài)可以查詢?cè)撚?jì)數(shù)器的值。FPGA 接收到數(shù)據(jù)幀，轉(zhuǎn)發(fā)給CPU，同時(shí)主動(dòng)上送收到數(shù)據(jù)時(shí)刻計(jì)數(shù)器的值TF1。CPU接收到轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)幀后，記錄此時(shí)UTC 秒值Ts和定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，并且立刻查詢FPGA 計(jì)數(shù)器的值TF1，然后解析該數(shù)據(jù)幀，如果該幀為響應(yīng)幀，計(jì)算CPU接收到數(shù)據(jù)幀的時(shí)刻T′3，與發(fā)送時(shí)刻的計(jì)算方法相同：

FPGA轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀給CPU用的時(shí)間：

FPGA 接收到響應(yīng)幀的時(shí)刻即為監(jiān)測(cè)模塊接收到響應(yīng)幀的時(shí)刻：

3 網(wǎng)絡(luò)壓力的抑制

智能變電站的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜，接入的設(shè)備數(shù)量也在不斷增加，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴或者設(shè)備異常引起的網(wǎng)絡(luò)壓力的風(fēng)險(xiǎn)也在增大[8]。如果設(shè)備不具備抑制網(wǎng)絡(luò)壓力的能力，流量的增加可能影響正常數(shù)據(jù)幀的收發(fā)，從而影響設(shè)備的測(cè)試結(jié)果，甚至設(shè)備可能不能正常工作。因此，加強(qiáng)時(shí)間同步裝置的抗網(wǎng)絡(luò)壓力能力非常重要。

時(shí)間監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的壓力幀有以下3種：廣播幀；非訂閱的組播幀或單播幀；GOOSE幀是訂閱幀，但是stNum（狀態(tài)號(hào)）和sqNum（順序號(hào)）變化異常。

FPGA 在處理高數(shù)據(jù)量及數(shù)據(jù)篩選方面具有巨大靈活性和便利性，利用這方面優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)PGA 濾除前兩種幀，只轉(zhuǎn)發(fā)CPU 訂閱的GOOSE 報(bào)文，減輕CPU壓力。

GOOSE 的DatSet（數(shù)據(jù)集引用）、GoCRef（實(shí)例路徑名）等元素內(nèi)容都不會(huì)變化，只有stNum 和sqNum 會(huì)發(fā)生變化，其占用字節(jié)數(shù)可能會(huì)變化，但是不會(huì)導(dǎo)致Length（數(shù)據(jù)長(zhǎng)度）超過0x7fff，Length 在0～0x7fff 范圍內(nèi)，都是用兩個(gè)字節(jié)表示，所以stNum 的TAG 位的位置不會(huì)變化。CPU 在接收中斷中進(jìn)行ASN.1 數(shù)據(jù)解碼處理，在解析時(shí)記錄每種GOOSE 的stNum 的TAG 位在數(shù)據(jù)幀中的位置，用于出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)壓力時(shí)盡快解析出stNum 和sq-Num。

電力系統(tǒng)中智能設(shè)備發(fā)送GOOSE 報(bào)文的周期一般大于等于1 ms，在正常情況下，1 ms 內(nèi)接收到的最多幀數(shù)是收到所有的訂閱幀，所以當(dāng)1 ms內(nèi)接收到幀數(shù)大于訂閱幀種類時(shí)，認(rèn)為出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)壓力。此時(shí)，直接根據(jù)保存的該種GOOSE 的st-Num 的TAG 位的位置，解析出該幀的stNum、sq-Num，然后和上一幀的stNum、sqNum 比較。若兩幀GOOSE 報(bào)文的stNum 相等，繼續(xù)比較兩幀GOOSE 報(bào)文的sqNum 的大小關(guān)系，若新接收GOOSE 幀的sqNum 大于上一幀的sqNum，丟棄此GOOSE 報(bào)文，否則更新接收方的數(shù)據(jù)。若兩幀GOOSE 報(bào)文的stNum 不相等，更新接收方的數(shù)據(jù)[9]，stNum、sqNum 判斷機(jī)制如圖3 所示，程序處理流程如圖4所示。

圖3 stNum、sqNum判斷機(jī)制

圖4 GOOSE接收中斷處理流程圖

為驗(yàn)證在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)壓力時(shí)，時(shí)間同步裝置運(yùn)行和監(jiān)測(cè)結(jié)果不受影響，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常數(shù)據(jù)幀的背景下，用壓力模擬器給時(shí)間同步裝置施加不同類型的壓力幀，通過后臺(tái)系統(tǒng)監(jiān)視監(jiān)測(cè)結(jié)果是否出現(xiàn)異常，測(cè)試環(huán)境如圖5所示。

圖5 測(cè)試網(wǎng)絡(luò)壓力環(huán)境

測(cè)試結(jié)果如表1 所示，表明通過該方案可以抑制80 Mbit/s的網(wǎng)絡(luò)壓力流量，保證了設(shè)備的正常工作和正常的時(shí)間偏差監(jiān)測(cè)結(jié)果。

表1 抑制網(wǎng)絡(luò)壓力測(cè)試結(jié)果

4 測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證該低成本時(shí)間同步裝置能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的時(shí)間監(jiān)測(cè)，用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間測(cè)試儀給被監(jiān)測(cè)設(shè)備授時(shí)，時(shí)間測(cè)試儀和時(shí)間同步裝置都采用GPS/北斗對(duì)時(shí)，然后改變時(shí)間測(cè)試儀輸出時(shí)間與GPS/北斗時(shí)間的偏差，通過后臺(tái)系統(tǒng)監(jiān)視偏差監(jiān)測(cè)結(jié)果，測(cè)試環(huán)境如圖6所示。

圖6 測(cè)試精度環(huán)境

做了以下4 組實(shí)驗(yàn)：設(shè)置時(shí)間測(cè)試儀時(shí)間比實(shí)際GPS/北斗時(shí)間慢11 ms；設(shè)置時(shí)間測(cè)試儀時(shí)間比實(shí)際GPS/北斗時(shí)間慢21 ms；設(shè)置時(shí)間測(cè)試儀時(shí)間比實(shí)際GPS/北斗時(shí)間快11 ms；設(shè)置時(shí)間測(cè)試儀時(shí)間比實(shí)際GPS/北斗時(shí)間快21 ms。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，監(jiān)測(cè)偏差結(jié)果精度在0.05 ms以內(nèi)。

表2 精度測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語

利用低成本ARM 和FPGA協(xié)同處理，實(shí)現(xiàn)了過程層被授時(shí)設(shè)備精度為0.05 ms級(jí)別的高精度時(shí)間同步監(jiān)測(cè)，同時(shí)可以抑制80 Mbit/s 的網(wǎng)絡(luò)壓力流量，提高了電網(wǎng)事故分析和穩(wěn)定控制水平，更由于低廉的成本，使設(shè)備更具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

資訊

國網(wǎng)河南電力：河南省2021年推動(dòng)農(nóng)村電網(wǎng)提檔升級(jí)圓滿完成

2 月14 日，河南省政府新聞辦舉行“實(shí)事惠民生 聚力謀出彩”系列新聞發(fā)布會(huì)（第三場(chǎng)），介紹2021年河南省“推動(dòng)農(nóng)村電網(wǎng)提檔升級(jí)”民生實(shí)事落實(shí)情況，并回答記者提問。2021年河南省農(nóng)村電網(wǎng)提檔升級(jí)建設(shè)任務(wù)圓滿完成，全省農(nóng)村地區(qū)供電能力和供電可靠性進(jìn)一步提升。

河南省是農(nóng)業(yè)大省、人口大省，農(nóng)村電網(wǎng)覆蓋省內(nèi)108個(gè)縣（市、區(qū)），供電面積占全省的九成，供電人口占全省的八成，縣域用電量占全省用電量的六成以上。近年來，國網(wǎng)河南電力持續(xù)推進(jìn)農(nóng)村電網(wǎng)改造。2021年11月底，民生實(shí)事工程建設(shè)任務(wù)提前完成，共投資18.47 億元，建成10 kV 及以下電網(wǎng)項(xiàng)目3082 個(gè)，新建改造配電變壓器5004 臺(tái)、容量101 萬kVA，新建改造10 kV及以下線路7503 km，實(shí)現(xiàn)了老百姓從“用上電”到“用好電”的過渡。

來源：國網(wǎng)河南省電力公司