CN102006159B - 基于ieee1588多从钟的采样值多接口同步系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于IEEE1588的采样值多接口同步系统，其特征在于:包括通用的IEEE1588时钟接口：具备多个IEEE1588从钟接口的通讯接收模块，从钟个数可根据主时钟数自动扩展。通用的多采样值同步接口：具备能与合并单元组网连接的通讯接口，包括：以太网数据接收模块、软件采样插值模块、PLL锁相环模块、频率跟踪模块、多接口采样值同步模块。本发明可用于数字式继电保护装置、电能表、电能质量监测装置等需要采样同步的电子设备，为目前采样值组网传输依赖全局采样同步源的问题提供了一种方便的解决方案。

Description

基于IEEE1588多从钟的采样值多接口同步系统
技术领域
本发明针对电力系统在数字化变电站中数字式二次设备的采样值传输依赖单一全局采样同步源的问题，发明了一种多接口、不依赖全局采样同步源、普遍适用的采样数据接收同步技术。属于电力系统数字化变电站技术领域。
背景技术
在变电站自动化系统中，保护和测控装置等设备需要对接入装置的同一间隔、或跨间隔的各相电压电流实现同步采集和处理，如线路保护、主变保护、母线保护均需要各个输入的采样数据同步，同时采样数据的同步对于一次设备故障识别和处理也显得尤为重要。数字化变电站采用电子式互感器（或采用就地采集单元）实现采样值由模拟量到数字量的转换、分布式采集，数字化后各采集单元以通讯方式传送至过程层的合并器（也称合并单元），经间隔合并器输出给间隔层的保护测控装置、计量表计、电能质量监测装置。因此，数字化变电站内的采样值同步问题涉及同一间隔内的各相电压电流采样值的同步和多个间隔内采样值的同步，涉及的设备有合并器、保护测控装置及专用的同步或对时设备、网络交换机等多个设备。
IEEE 1588是用于测量和自动化系统中，具有亚微秒级同步功能的高精度网络时钟同步协议。一个IEEE 1588精确时钟系统包括普通时钟、透明时钟、边界时钟，系统中每个节点均被认为是一个时钟，通过以太网将整个系统的时钟相连，系统中的时钟工作在主时钟、从时钟、无源时钟3种状态。具体的时钟状态则是由最优化的时钟算法所确定。IEEE 1588时钟同步过程通过偏移测量和延迟测量所确定，这种同步方法将时标的测量和报文的传送分离，使得时标的测量更加精确，在专门硬件配合下，时标的测量能够精确到报文从PHY层芯片发出时刻。同步报文时标生成点的精确确定是IEEE 1588的重要特征。
   基于IEEE 1588的采样值组网传输对时方案如图1，站内提供支持IEEE 1588标准时钟，时钟接受GPS/北斗卫星对时，站内过程层主时钟通过过程层交换机（支持IEEE 1588），向各装置提供对时信号，实现合并器的采样同步和输出同步。图1为典型IEEE 1588对时同步网络结构示意图。
IEEE 1588采样值同步受IEEE 1588主时钟的可靠性影响，当主时钟失去卫星对时后，主时钟可以利用其高稳晶振工作一段时间，但产生的累积误差，对采样值的采样准确度也有影响。另外，当主时钟与交换机的连接由于某种原因断开后，整个对时同步系统将无法正常工作，进而影响整个综自系统的安全、稳定运行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种不需依赖全局采样同步时钟源的、具有普遍适用性的基于IEEE 1588的采样值多接口同步系统，以满足采样值组网传输的需要。
为实现上述发明目的，本发明是采取以下的技术方案来实现的:
一种基于IEEE 1588多从钟的采样值多接口同步系统，其特征在于：包括
    通用的IEEE 1588时钟接口：具备多个IEEE 1588从钟接口的通讯接收模块，从钟个数可根据主时钟数自动扩展配置；
    通用的多采样值同步接口：具备能与合并单元组网连接的通讯接口。
前述通用的基于IEEE 1588多从钟的采样值多接口同步系统，其特征在于：所述通用的IEEE 1588时钟接口，具备多个IEEE 1588从时钟接收模块，可分别与不同合并单元（各含主时钟）间进行IEEE 1588对时，保证两者时钟精确同步。
前述通用的基于IEEE 1588多从钟的采样值多接口同步系统，其特征在于：所述通用的多采样值同步接口，包括以太网数据接收模块，能够接收基于IEC 61850-9的采样值报文，并能够检验和分析采样值报文，根据报文确定采样值报文或通道数据是否存在异常。
前述通用的基于IEEE 1588多从钟的采样值多接口同步系统，其特征在于：所述通用的多采样值同步接口，包括软件采样插值模块，根据一般情况下合并单元MU采样点数和数据接收装置采样率的非整数倍关系，采用简单线性插值方法实现源采样数据的提取。
前述通用的基于IEEE 1588多从钟的采样值多接口同步系统，其特征在于：所述通用的多采样值同步接口，包括软件PLL锁相环，自动跟踪合并单元采样节拍，消除合并单元发送以太网数据包的时延抖动问题。
前述通用的基于IEEE 1588多从钟的采样值多接口同步系统，其特征在于：所述通用的多采样值同步接口，包括频率跟踪模块，根据合并单元MU等间隔采样的数据，通过傅立叶变换计算出信号频率，从而调整接收装置的数字采样间隔，达到频率跟踪目的。
前述通用的基于IEEE 1588多从钟的采样值多接口同步系统，其特征在于：所述通用的多采样值同步接口，包括多接口采样值同步模块，采用统一的内部采样脉冲，利用各个从钟之间的相对时差，完成各个合并单元MU采样数据的时间同步。
本发明的有益效果是：本发明设计了一种通用的基于IEEE 1588采样值多接口数据同步技术，支持基于IEC 61850-9的过程层采样组网传输。它不仅可用于数字式继电保护装置，也可用于电能表、电能质量监测装置等需要采样同步的电子设备。它能自动接收来自各合并器IEEE 1588主时钟信号，根据各从钟接收模块计算出各数据源间的相对时间差，然后进行数据同步，为目前采样值组网传输依赖全局采样同步源的问题提供了一种方便的解决方案。
附图说明
图1为典型IEEE 1588对时同步网络结构示意图；
图2是基于IEEE 1588多从钟的采样值组网传输图；
图3是基于IEEE 1588多从钟数据同步技术实现框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作具体的介绍。
图2是本发明基于IEEE 1588多从钟的采样值组网传输图。
合并单元MU采集来自传统/电子式电压电流互感器的信号，转换为符合IEC 61850-9标准的采样值报文上传至专用采样值网络。采样数据接收装置（如保护测控装置、电能表等）从网络上获取相应间隔合并单元MU的采样数据，实现相应的保护测控或电能计量等功能。
同时，各合并单元具有IEEE 1588主时钟功能，采样数据接收装置的多IEEE1588从钟与相应间隔的合并单元进行通讯，能够实现精确的IEEE 1588对时功能。
图3是本发明基于IEEE 1588多从钟数据同步技术实现框图。
IEEE 1588从时钟模块，完成与相应间隔合并单元MU主时钟的高精度同步对时功能；以太网数据接收模块，完成与相应间隔合并单元的数据通信，获取符合IEC 61850-9标准的等间隔原始数据；频率测量模块，根据原始采样数据，抽点递推计算出频率值，调整采样定时器的周期，实现一个完整周期的数据采样。PLL锁相环模块，保证合并单元与数据接收模块的节拍同步，消除合并单元发送以太网数据包的时延抖动问题。软件插值模块，根据IEEE 1588对时、频率跟踪和PLL锁相后的原采样值数据，调整采样定时器的取样间隔，依据保护取样点数（24点、32点）的要求对源采样数据进行周波插值采样，获得保护、测控等计算所需的数据，最后将经过严格同步的各间隔的电压电流数据经过数据总线送入CPU中进行下一步数据处理。
上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采取等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于IEEE 1588多从钟的采样值多接口同步系统，其特征在于：包括
    通用的IEEE 1588时钟接口：具备多个IEEE 1588从钟接口的通讯接收模块，分别与相应间隔的合并单元间进行IEEE 1588对时，保证两者时钟精确同步，从钟个数根据主时钟数自动扩展配置；
通用的多采样值同步接口：具备能与合并单元组网连接的通讯接口，所述通用的多采样值同步接口，包括以下各功能模块：
以太网数据接收模块，接收基于IEC 61850-9的采样值报文，并检验和分析采样值报文，根据报文确定采样值报文或通道数据是否存在异常；
软件采样插值模块，根据合并单元MU采样点数和数据接收装置采样率的非整数倍关系，采用简单线性插值方法实现源采样数据的提取；
软件PLL锁相环，自动跟踪合并单元采样节拍，消除合并单元发送以太网数据包的时延抖动问题；
频率跟踪模块，根据合并单元MU等间隔采样的数据，通过傅立叶变换计算出信号频率，从而调整接收装置的数字采样间隔，达到频率跟踪目的；
多接口采样值同步模块，采用统一的内部采样脉冲，利用各个从钟之间的相对时差，完成各个合并单元MU采样数据的时间同步。
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