智能變電站的穩定運行靠什么來(lái)保障

智能變電站的二次系統通常包含電子式互感器、合并單元、交換機、保護測控等設備。這些裝置必須基于統一的時(shí)間基準運行，這對智能變電站的時(shí)鐘同步系統提出嚴格的要求。智能變電站微秒級的對時(shí)系統究竟是如何實(shí)現的呢？

時(shí)間是基本物理量，那么時(shí)間也就會(huì )有精度的問(wèn)題，不同時(shí)間源有著(zhù)不同的精度。如Apple Watch與iPhone配合使用，同UTC時(shí)間誤差不超過(guò)50ms。50ms誤差對于人類(lèi)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通常包含電子式互感器、合并單元、交換機、保護測控等設備。這些裝置必須基于統一的時(shí)間基準運行，方能滿(mǎn)足事件順序記錄（SOE）、故障錄波、實(shí)時(shí)數據采集時(shí)間一致性的要求，確保線(xiàn)路故障測距、相量和攻角動(dòng)態(tài)監測、機組和電網(wǎng)參數校驗的準確性。這些要求對智能變電站的時(shí)鐘同步系統提出嚴格的要求。

IEC61850標準將變電站分為站空層、間隔層和過(guò)程層，對時(shí)間同步精度的要求，各層設備是不同的。間隔層設備需要到達ms精度；而過(guò)程層設備，由于主要傳輸采樣值、跳閘信息，需要達到μs的同步精度。智能變電站的測試設備DT6000系列（DT6000、DT6000E和DT6000S）的對時(shí)精度可達μs的同步精度，完全滿(mǎn)足變電站各層的設備的對時(shí)精度。

DT6000系列的對時(shí)系統

DT6000系列的對時(shí)支持IRIG-B、PPS和IEEE1588三種對時(shí)，三種協(xié)議全部采用FPGA硬解碼，解碼之后轉換為UTC時(shí)標，提供時(shí)間給SMV、GOOSE等其他協(xié)議，如SMV和GOOSE的接收的時(shí)標為硬時(shí)標，由FPGA進(jìn)行打時(shí)標，將時(shí)間信息插入報文中，實(shí)時(shí)保存報文信息和時(shí)間。在對時(shí)的同時(shí)，FPGA還進(jìn)行了校時(shí)，即將本地晶振引起的誤差（μs級）進(jìn)行校正，動(dòng)態(tài)調整均勻調節誤差值。

1.1.1 對時(shí)

1. PPS對時(shí)

檢測PPS正常與否，有兩個(gè)重要的判別依據：

（1） 相鄰脈沖上升沿的時(shí)間間隔為1s。當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。當測量到的脈沖寬度小于10μs，或者測量到的脈沖間隔小于500ms時(shí)，則認為輸入異常。

DT6000系列根據上述兩個(gè)判別依據并將輸入的信號進(jìn)行了過(guò)濾，去除毛刺信號。如圖 1.2所示為DT6000E經(jīng)過(guò)PPS對時(shí)之后，SMV采樣計數器在整秒清零。

2. IRIG-B對時(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”和位置識別標志Px，脈寬分別為2ms、5ms和8ms。脈沖信號所示。

連續2個(gè)“P”碼元表示整秒的開(kāi)始，第2個(gè)“P”碼元的脈沖前沿是“準時(shí)”參考點(diǎn)，定義其為“Pr”，后面攜帶當前的時(shí)間和時(shí)間控制相關(guān)的信息。IRIG-B的整秒“準時(shí)”參考點(diǎn)，SMV的采樣計數器的需要清零，這點(diǎn)和PPS是一樣的，如圖 1.2所示。

3. IEEE1588對時(shí)

IEEE1588報文的解碼和打時(shí)標都是在FPGA中進(jìn)行的，工作在Slave模式。打時(shí)標是指在同步報文進(jìn)入或者離開(kāi)協(xié)議棧的時(shí)候，用本地時(shí)鐘信息標記同步報文的過(guò)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(kāi)報文在協(xié)議棧中的延時(shí)抖動(dòng)，所能夠達到的同步精度也就越高。在FPGA中進(jìn)行報文解碼和打時(shí)標為在MII層打時(shí)標，為硬件打時(shí)標，精度最高。

1.1.2 校時(shí)

DT6000系列在對時(shí)的同時(shí)會(huì )進(jìn)行校時(shí)，校正本地晶振的誤差值。為校時(shí)調整的一個(gè)實(shí)例說(shuō)明圖，由圖中可以看出第一次粗略調節值為+99，第二次精確調節為正向，此時(shí)的Value=+99+9=+108，第三次精確調節為反向，此時(shí)的Value=+108-2=+106，在獲取Value值的同時(shí)計數器也在一直均勻的調節。

校時(shí)電路（FPGA）工作在100MHz主頻下，經(jīng)過(guò)實(shí)際測量，校正穩定之后，溫度變化不大的環(huán)境下，其精度誤差不超過(guò)20個(gè)周期（10ns），經(jīng)過(guò)校時(shí)之后，對時(shí)精度從μs級可變?yōu)?00ns級。并且采用校時(shí)電路之后，在移除校時(shí)設備之后都能長(cháng)時(shí)間保持本地的時(shí)間的高準確度。

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。

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