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1、第39 卷 第7 期 电力系统保护与控制 Vol.39 No.7 2011 年 4 月 1 日 Power System Protection and Control Apr.1,2011 数字化保护装置时钟同步的实现 李志坚，姜利华，陈丽红，李 蔚，嵇 翔（国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏 南京 210003）摘要：系统地分析了 IEC 61850 数字化变电站对时系统结构的主要特点和时钟误差的主要来源，提出了一种通用的时钟同步软件设计方案。该方案采用一元二次回归方程和捕捉时钟差值回填晶振计数的方法，修正外部时钟源和保护装置晶振造成的时钟误差。基于上述软件设计方案，提出了一种通用的
2、硬件设计，能够满足各种对时网络的需求。通过工程应用例子和各种对时方式的误差测试结果，证明了本软硬件对时方案适用于数字化保护装置和其他需要高精度时钟同步的应用场合。关键词：数字化保护装置；时钟同步；IEEE 1588；IEC 61850；站控层；间隔层；过程层 Time synchronzing implementation for digital protection devices LI Zhi-jian，JIANG Li-hua，CHEN Li-hong，LI Wei，JI Xiang（State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing
3、 210003，China）Abstract：The main feature of time synchronizing in the IEC61850 digital substation is analysed systematically，the error of clock source proved to be produced from crystal oscillator Based on the analysis conclusion，a general software scheme of time synchronizing is presented to correct
4、 the error caused by external time source and protection device crystal oscillator using the methods of backfill crystal oscillator times counter by capturing the two different trigger edges time and using one-place quadratic equation of regressionBased on the mentional software scheme，a general har
5、dware design is proposed to meet the demands of each time synchronizing netsEngineering application and test results for various time-synchronizing error proved the mentional hardware and software are valid to the time synchronizing of digital protection devices in IEC 61850 communication and other
6、applications of high precision time synchronizing Key words：digital protection devices；time synchronzing；IEEE 1588；IEC 61850；station level；bay level；process level 中图分类号：TM73；TM761 文献标识码：A 文章编号：1674-3415(2011)07-0105-050 引言 随着变电站自动化系统走向数字化、网络化，变电站通信网络和系统技术标准IEC 61850得到电力行业的广泛认同和应用。变电站自动化系统的功能分配在三个不同的
7、层面上站控层、间隔层、过程层，通过两个通信网络实现层面接口数据交换，一个是站控层与间隔层的通信网络，另一个是间隔层与过程层的通信网络。保护装置在数字化网络层面划分上属于间隔层设备，是连接站控层和过程层的中间枢纽，因此保护装置时钟同步需要同时兼顾站控层和过程层的需求。传统保护装置只有单一的监控层（等同于站控层）通信，因此时钟同步报文肯定来源于监控层设备。对于过程层设备不实现数字化改造的半数字化变电站，只有站控层与间隔层设备要求通信，对于全数字化的变电站，站控层与间隔层、间隔层与过程层设备都要求通信，因此保护装置时钟同步报文可能来源于IEC 61850过程层网络，也可能来源于IEC 61850站控
8、层网络。本文分析了时钟误差的特点，以及不同对时方式有不同时钟源的需求，提出了一种通用的时钟同步硬件设计和软件设计方案，该方案适用于与过程层网络和与站控层网络的数字化保护装置时钟同步。1 不同对时网络时钟源分析 数字化保护装置有两个通信网络，一个是过程层（包括GOOSE、MU），一个是站控层，因此外部时钟同步源可能来自过程层，也可能来源于站控层，也有可能时钟同步硬脉冲（复用采样同步PPS脉冲）来自过程层，时钟同步报文（精度不高的网络-106-电力系统保护与控制 SNTP）来自站控层。过程通信层和站控通信层插件需要对时处理，保护装置的动作、告警事件需要时间戳，人机液晶需要时间显示，因此保护装置需进
9、行时间处理的插件有过程层 GOOSE 插件、过程层 SV 插件、站控通信层插件、保护 CPU 插件、人机显示插件。1.1 对时时钟源来自过程层网络 时钟同步硬脉冲和时钟同步报文都来自过程层，如过程层 IRIG-B1和 IEEE 15882方式的时钟同步，过程层插件接收外部时钟同步硬脉冲和时钟同步报文，且由该插件提供装置内部时钟同步的硬脉冲和时钟同步报文，其授时图见图 1。图1 时钟同步硬脉冲和时钟同步报文都来自过程层的授时图 Fig.1 Time synchronzing graph of pluse and communication from process level 1.2 对时时钟源
10、来自站控层网络 时钟同步硬脉冲和时钟同步报文都来自站控层，如站控层硬脉冲、IRIG-B 和 IEEE1588 方式的时钟同步，站控层插件接收外部时钟同步硬脉冲和时钟同步报文，且由该插件提供装置内部时钟同步的硬脉冲和时钟同步报文，其授时图见图 2。图2 时钟同步硬脉冲和时钟同步报文都来自站控层的授时图 Fig.2 Time synchronzing graph of pluse and communication from station level 1.3 过程层和站控网络混合对时 时钟同步硬脉冲来自过程层和时钟同步报文来自站控层，如当站控层使用精度不高的时钟同步方式时，如网络 SNTP3，其
11、授时精度为 1 s，网路NTP4，其授时精度为 50 ms，保护装置必需复用过程层采样同步的 PPS 脉冲作为时钟同步硬脉冲输入，才能满足继电保护的时钟精度的要求，因此该方式的时钟同步硬脉冲来自过程层，时钟同步报文来自站控层，其授时方式见图 3。图3 时钟同步硬脉冲来自过程层和时钟同步报文来自站控层的授时图 Fig.3 Time synchronzing graph of pluse from process level and communication from station level 2 时钟误差分析 2.1 外部时钟源误差 数字化保护装置有三种对时方式，各种方式误差如下：1）硬脉冲
12、时钟同步信号，一般采用秒脉冲（PPS）和分脉冲（PPM），脉冲信号精度能够达到1s 5。2）IRIG-B时钟同步码，是将脉冲时钟同步的准时延码和实时时间码（包括秒段、分段、时段、日期段）结合在一起，组成一个脉冲码串来传输时间信息，IRIG-B码精度取决于GPS接收机，如GARMIN GPS25精度指标为1 s。3）网络IEEE 1588时钟同步报文，借鉴了网络时间协议（NTP）和简单网络时间协议（SNTP）技术，通过迭代消除了往返的路径延时，而且利用以太网媒体访问控制MAC层打时间戳技术，消除了设备响应时钟同步报文的不确定延时，因此时钟同步的最高精度可以达到亚微妙（0.1 s）6。外部时钟源（
13、硬脉冲、IRIG-B 时钟同步码、网络 IEEE 1588）信号直接或间接来自卫星时钟 GPS信号，该时钟误差特点是存在较大的随机误差，但不存在累积误差。外部时钟源时钟误差服从正态分布7，第 x 个秒时钟的时钟误差为：2(0,)xN （1）如 Motorola UT ONCORE 型接收机，统计精度为 50 ns（1），统计误差落在 1（50 ns）范围内的概率为 0.682 8，落在 2（100 ns）范围内的概率为0.954 6，3（150 ns）范围内的概率为 0.997 4。2.2 保护装置晶振时钟误差 保护装置的时钟误差是由于晶振误差导致的，保护装置使用的晶振精度一般为 10200
14、ppm 之间，常选用 50 ppm（每秒最大误差 50 s），晶振时钟信号的随机误差较小，但存在较大的累积误差。晶振分频产生秒时间序的第 n 个秒时钟误差8 李志坚，等 数字化保护装置时钟同步的实现 -107-(x)可以表示为：2()=+xa bx cx （2）式中：a为秒时间序列的初始误差；b为频率偏差的误差系数；c为频率线性漂移的误差系数。3 通用对时设计 3.1 通用对时硬件设计 除人机显示插件外，其余插件对时间精度要求 都很高，且为适应不同对时网络的不同时钟源要求，因此过程层GOOSE插件、过程层SV插件、站控通信层插件、保护CPU插件的对时硬件部分采用相同硬件设计。通用对时插件14的
15、对时硬件回路采用相同的硬件设计，通过切换控制I/O线进行切换电路芯片的5种不同PPS输入控制，图4所示为对时插件23接收通用对时插件1产生的内部对时源，各种对时方式切换电路对应状态如表1所示。图 4 对时插件时钟同步硬件设计图 Fig.4 Design drawing of time synchronzing plug-in 表1 通用对时插件切换电路状态 Tab.1 Switch circuit status of general time synchronizing plug-in 对时方式 通用对时插件1 所属插件 通用对时插件1 切换电路状态 通用对时插件2 切换电路状态 通用对时插件
16、3 切换电路状态 通用对时插件4 切换电路状态 GPS PPS 站控层通信插件 GPS PPS 站控层通信 插件PPS 站控层通信 插件PPS 站控层通信 插件PPS IRIG-B 站控层通信插件 IRIG-B PPS 站控层通信 插件PPS 站控层通信 插件PPS 站控层通信 插件PPS 过程层1588 过程层通信插件(GOOSE或SV插件)自产PPS 过程层通信 插件PPS 过程层通信 插件PPS 过程层通信 插件PPS 站控层1588 站控层通信插件 自产PPS 站控层通信 插件PPS 站控层通信 插件PPS 站控层通信 插件PPS 对时部分采用硬脉冲+通信报文方式，根据装置时钟同步方式
17、的设置值，对切换电路芯片进行PPS 输入控制，同时也控制对时通信报文的输出方和输入方。3.2 通用对时软件设计 基于相同的对时硬件设计，采用相同的对时软件设计方案。经时钟源误差分析，根据外部时钟源信号与晶振时钟信号精度互补的特点，建立数学模型，采用一元二次回归方程9得到对时修正后的平均值：1112nxnxxn=+=（3）式中：x为时间序列 x 的平均值；n 为回归分析样本数量。保护装置时钟误差源自晶振，因此对保护装置晶振计数时钟进行回填修正，能达到一种更高精度的时钟，如当前环境基于晶振的计数器1003对应1-108-电力系统保护与控制 s，则将晶振计数器原先的1000对应1 s改为1003对应
18、1 s。程序的执行也可能带来时钟误差，如对硬秒脉输入采用硬中断响应方式，在中断程序内将毫秒和秒时间拨零，这样就引入中断程序响应过程中的堆栈时间、中断程序执行时间的误差。本文方案采用时间差值捕捉方式进一步提高对时精度，通过定时器的捕捉功能，记录标准PPS和晶振PPS的秒脉冲输入上升沿时刻的时间，并计算他们的差值得到当次需修正时间值，时间差值捕捉见图5。图 5 时间差值捕捉示意图 Fig.5 Capture time difference graph 4 工程应用 为保证保护时钟的实时性和一致性，硬脉冲由某一对时插件输出，即有唯一的输出源，其他对时 插件接收输入源；为保证时钟同步报文通信的可靠性，
19、报文由某一对时插件以最短的通信路径发送至其他对时报文接收插件。某工程应用保护装置时钟同步方式设定为站控层网络IEEE 1588，则由站控层通信插件接收网络IEEE 1588时钟同步报文，经1588解析模块处理后输出硬秒脉，本对时插件切换至自产PPS硬脉冲输入回路，其他插件（保护CPU插件、过程层GOOSE插件、过程层SV插件）换至站控层通信插件PPS硬脉冲输入回路，对时通信报文由站控层通信插件发送对时报文，其他对时插件接收对时报文，如图6所示。为测试表1所列的四种不同对时方式的精度，通过连接GPS的仪器触发整秒输出，输出信号连接至保护装置的非电量开入端，通过开入变位报文的记录时间计算对应各种对
20、时方式的时钟误差，结果如表2所示。表 2 不同对时方式时钟误差 Tab.2 Time error of each time synchronizing 对时方式 最大时钟误差s GPS PPS 80 IRIG-B 80 过程层1588 40 站控层1588 40 图 6 站控层网络 IEEE 1588 工程应用 Fig.6 Project application of time synchronzing by IEEE 1588 李志坚，等 数字化保护装置时钟同步的实现 -109-经测试，在各种外部对时源信号正常时，保护装置的时钟最大误差小于 80 s；在外部对时信号连续失效 1 h 后，保护
21、装置的时钟误差不大于 500 s，满足数字化保护装置的时钟要求10-13。考虑到系统的精度需求和成本，采用温补晶振，时钟直接反馈补偿受晶振影响的微妙定时器。如有更高精度的要求，可以选用恒温晶振，它的频率稳定度和精度比温控晶振更高。5 结语 本文分析了数字化保护装置外部时源（硬脉冲时钟信号、IRIG-B 码、网络 IEEE 1588）和内部晶振时钟一元二次回归特点，提出了一种通用的软件设计方案，并利用内部晶振计数回填方法、时钟差值捕捉的方法进一步提高时钟精度；结合数字化保护装置两个对时网络（IEC 61850 过程层和站控层通信）的特点，提出了一种通用的硬件设计，满足各种对时网络的需求，并结合工
22、程应用站控层 IEEE 1588 网络对时证明其可用性。经测试，该时钟同步方案适用于数字化保护装置的工程应用，也适用于其他同类型的需要高精度时钟同步的各种工业应用场合，具有良好的应用前景。参考文献 1 江涛,孙昕.GPS 与 IRIG-B 在电网授时系统中的应用J.继电器,2007,35(S1):333-335.JIANG Tao,SUN Xin.The GPS and IRIG-B at the charged barbed wire net teach the application in the systemJ.Relay,2007,35(S1):333-335.2 Proceeding
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