智能變電站的二次系統(tǒng)通常包含電子式互感器、合并單元、交換機(jī)、保護(hù)測控等設(shè)備。這些裝置必須基于統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)運(yùn)行，這對智能變電站的時鐘同步系統(tǒng)提出嚴(yán)格的要求。智能變電站微秒級的對時系統(tǒng)究竟是如何實(shí)現(xiàn)的呢?

時間是基本物理量，那么時間也就會有精度的問題，不同時間源有著不同的精度。如AppleWatch與iPhone配合使用，同UTC時間誤差不超過50ms。50ms誤差對于人類的感知可以忽略，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(tǒng)通常包含電子式互感器、合并單元、交換機(jī)、保護(hù)測控等設(shè)備。這些裝置必須基于統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)運(yùn)行，方能滿足事件順序記錄(SOE)、故障錄波、實(shí)時數(shù)據(jù)采集時間一致性的要求，確保線路故障測距、相量和攻角動態(tài)監(jiān)測、機(jī)組和電網(wǎng)參數(shù)校驗(yàn)的準(zhǔn)確性。這些要求對智能變電站的時鐘同步系統(tǒng)提出嚴(yán)格的要求。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)將變電站分為站空層、間隔層和過程層，對時間同步精度的要求，各層設(shè)備是不同的。間隔層設(shè)備需要到達(dá)ms精度;而過程層設(shè)備，由于主要傳輸采樣值、跳閘信息，需要達(dá)到μs的同步精度。智能變電站的測試設(shè)備DT6000系列(DT6000、DT6000E和DT6000S)的對時精度可達(dá)μs的同步精度，完全滿足變電站各層的設(shè)備的對時精度。

DT6000系列的對時系統(tǒng)

圖1.1DT6000系列的對時

DT6000系列的對時支持IRIG-B、PPS和IEEE1588三種對時，如圖1.1所示。三種協(xié)議全部采用FPGA硬解碼，解碼之后轉(zhuǎn)換為UTC時標(biāo)，提供時間給SMV、GOOSE等其他協(xié)議，如SMV和GOOSE的接收的時標(biāo)為硬時標(biāo)，由FPGA進(jìn)行打時標(biāo)，將時間信息插入報(bào)文中，實(shí)時保存報(bào)文信息和時間。在對時的同時，F(xiàn)PGA還進(jìn)行了校時，即將本地晶振引起的誤差(μs級)進(jìn)行校正，動態(tài)調(diào)整均勻調(diào)節(jié)誤差值。

一、對時

1.PPS對時

檢測PPS正常與否，有兩個重要的判別依據(jù)：

(1)相鄰脈沖上升沿的時間間隔為1s。當(dāng)相鄰脈沖上升沿的間隔時間與理想間隔時間(1s)相差大于10μs時，則判定輸入異常。

(2)脈沖寬度大于10μs，間隔大于500ms。當(dāng)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，則認(rèn)為輸入異常。

DT6000系列根據(jù)上述兩個判別依據(jù)并將輸入的信號進(jìn)行了過濾，去除毛刺信號。如圖1.2所示為DT6000E經(jīng)過PPS對時之后，SMV采樣計(jì)數(shù)器在整秒清零。

圖1.2整秒SMV采樣計(jì)數(shù)器清零

2.IRIG-B對時

IRIG-B碼的幀周期是1s，包含100個碼元，每個碼元周期為10ms，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(biāo)志Px，脈寬分別為2ms、5ms和8ms。脈沖信號如圖1.3所示。

圖1.3IRIG-B碼元圖

連續(xù)2個“P”碼元表示整秒的開始，第2個“P”碼元的脈沖前沿是“準(zhǔn)時”參考點(diǎn)，定義其為“Pr”，后面攜帶當(dāng)前的時間和時間控制相關(guān)的信息。IRIG-B的整秒“準(zhǔn)時”參考點(diǎn)，SMV的采樣計(jì)數(shù)器的需要清零，這點(diǎn)和PPS是一樣的，如圖1.2所示。

如圖1.4所示為DT6000E的IRIG-B對時。

圖1.4IRIG-B對時

3.IEEE1588對時

IEEE1588報(bào)文的解碼和打時標(biāo)都是在FPGA中進(jìn)行的，工作在Slave模式。打時標(biāo)是指在同步報(bào)文進(jìn)入或者離開協(xié)議棧的時候，用本地時鐘信息標(biāo)記同步報(bào)文的過程。時間戳的獲取方式直接影響時鐘同步的精度，獲取時間戳的地點(diǎn)約接近物理層，越能很好的避開報(bào)文在協(xié)議棧中的延時抖動，所能夠達(dá)到的同步精度也就越高。在FPGA中進(jìn)行報(bào)文解碼和打時標(biāo)為在MII層打時標(biāo)，為硬件打時標(biāo)，精度最高。

如圖1.5所示為DT6000E的IEEE1588對時。

圖1.5IEEE1588對時

二、校時

DT6000系列在對時的同時會進(jìn)行校時，校正本地晶振的誤差值。圖1.6為校時調(diào)整的一個實(shí)例說明圖，由圖中可以看出第一次粗略調(diào)節(jié)值為+99，第二次精確調(diào)節(jié)為正向，此時的Value=+99+9=+108，第三次精確調(diào)節(jié)為反向，此時的Value=+108-2=+106，在獲取Value值的同時計(jì)數(shù)器也在一直均勻的調(diào)節(jié)。

圖1.6校時實(shí)例說明圖

校時電路(FPGA)工作在100MHz主頻下，經(jīng)過實(shí)際測量，校正穩(wěn)定之后，溫度變化不大的環(huán)境下，其精度誤差不超過20個周期(10ns)，經(jīng)過校時之后，對時精度從μs級可變?yōu)?00ns級。并且采用校時電路之后，在移除校時設(shè)備之后都能長時間保持本地的時間的高準(zhǔn)確度。

三、授時

DT6000系列支持IRIG-B碼和PPS的授時，DT6000S有兩個光串口，因此支持兩個光串口同時授時。如圖1.7所示為DT6000E的IRIG-B碼授時界面，PPS的授時等同。

圖1.7IRIG-B碼授時