CN102546146A - 在数字化变电站内合并单元中设置多时钟的方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明为一种在数字化变电站内合并单元中设置多时钟的方法：在一个合并单元内部设置两个以上网卡，每个网卡设置一个IEEE1588时钟；所有网卡与CPU相互信号连接，所有网卡内的IEEE1588时钟通过CPU内的1588协议栈进行误差频率和Offset调节；在任意一网卡内：网卡的PHY接口连接以太网，晶振脉冲连接网卡的输入，PHY接口与报文识别器相互信号连接，报文识别器与MAC接口相互信号连接，网卡输出脉冲用于同步采样。该合并单元可应用在数字化变电站内，也可应用在数字化变电站间，可使数字化变电站间的不同时钟域实现采样值同步，从而提高纵差保护的灵敏度，对电力系统的稳定运行具有重要作用。

Description

在数字化变电站内合并单元中设置多时钟的方法及应用

技术领域

本发明涉及数字化变电站的技术领域，更具体地说，涉及一种数字化变电站内同步单元多时钟的设置方法及其应用。

背景技术

随着智能电网的发展，变电站自动化技术进入了数字化新阶段。在数字化变电站使用电子式互感器的环境下，线路光纤差动保护将面临很多新的问题。合并单元MU主要功能是同步采集线路保护需要的三相电流电压的数字信息并汇总按照一定的格式输出给二次保护控制设备。保护设备通过过程层交换机从合并单元MU获取所需数据，进行判据后实现相应保护。

数字化变电站目前大多数被设计成了A、B双网结构，双网是互为备份的，原则上会被设计成功能和数据完全相同的两个独立网络，每台MU都会连接到A、B双网上，并且是隔离的。A、B网因为功能相同，采用对时方案时，可能会存在两个相同但独立的对时域，由于双网结构的要求，因此数字化变电站内合并单元MU的采样时钟的设计将面临时钟域选择和切换的问题。

数字化变电站间的纵差保护基本原理是对被保护的交换线路两侧的模拟量进行同步采样，比较两侧的电流电压的大小和方向以决定线路是否发生短路，从而正确执行保护动作。纵差保护的动作的准确性直接取决于同步采样的精度。而同步采样的精度则依赖于它使用的时钟的精度。因此站间的时钟精度的同步在站间纵差保护中具有非凡的意义。如何设计站间采样MU的时钟同步成了最关注的重点，同时由于采样MU还承担本站采样值的采样，而站间时钟的不同步，使MU需要同时知道两站间的时钟，提供分别基于两站时钟的同步采样值。目前可采用基于乒乓原理的时钟信号同步的采样同步调整方案。但是乒乓算法的精度只能达到微秒级别。

因此，现有数字化变电站中MU时钟的优化和应用还存在广阔的提升空间。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种在数字化变电站内合并单元中设置双时钟的方法及其在站内和站间的几种应用：在站内可以解决两个时钟域时间不一致的问题；在站间可以实现线路纵差保护的数据采集同步，使数字化变电站间的对时精度可达到亚微秒级别，可更好地实现数字化变电站间采样同步问题，从而提高纵差保护的灵敏度，对电力系统的稳定运行具有重要作用。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种在数字化变电站内合并单元中设置多时钟的方法，其特征在于：在一个合并单元内部设置两个以上网卡，每个网卡内部设置一个IEEE1588时钟；所有网卡均与CPU相互信号连接，所有网卡内的IEEE1588时钟通过设置在CPU内的1588协议栈进行误差频率和Offset调节，使时钟和站端保持高度同步；在任意一个网卡内：网卡的PHY(物理层)接口连接以太网，晶振脉冲连接网卡的输入以驱动网卡内的IEEE1588时钟，PHY接口与报文识别器相互信号连接，报文识别器与MAC(介质访问控制)接口相互信号连接，网卡输出脉冲用于同步采样。

作为优选，在一个合并单元内部设置两个相同的网卡。

上述合并单元在数字化变电站中的应用，其特征在于：采用最佳主钟算法来将其中一个网卡内的IEEE1588时钟设置为主时钟，将另一个网卡内的IEEE1588时钟设置为从时钟。

上述合并单元在数字化变电站中的另一应用，其特征在于：两个网卡内的IEEE1588时钟各自独立使用，互为备份。

上述合并单元在数字化变电站间实现数据采集同步的应用，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，在两个变电站内各设置一个主时钟用于站内同步，每个变电站的合并单元内设置两个时钟：变电站一中设置时钟1A和时钟1B，变电站二中设置时钟2A和2B；

第二步，将变电站一中时钟1A用于站内与主时钟对时，时钟1B用于和变电站二进行同步；变电站二中两个时钟2A、2B均与本站主时钟对时，时钟2A用于本站；时钟2B作为主时钟，周期性的向对端变电站一中的时钟1B发送同步，时钟1B作为从时钟；同时主时钟2B接收从时钟1B发送过来的报文，使从时钟1B的时钟变化率与主时钟2B的变化率一致，实现主从时钟的调谐；

第三步，当变电站一在时间t1时刻采样，采用时间补偿方法，变电站二取时刻为t2＝t1+ΔT的采样值，即可实现采样值同步，当线路故障时，实现站间纵差保护；变电站一与变电站二之间采样值时间差ΔT按式(1)计算得出：

ΔT＝Offset+Delay+Δt    (1)

式中，Offset为从时钟与主时钟之间的偏移，Delay为网络延迟时间，Δt为时钟1B与1A之间的时钟偏差。

更具体地说，所述主时钟与从时钟之间的偏移Offset＝Ts1-Tm1；其中，Tm1为主时钟发送同步报文的时刻，Ts1为从时钟接收报文的时刻。

所述网络延迟的时间Delay按如下公式计算：

Delay＝(Delay1+Delay2)/2

Delay1＝(Tm3+Offset)-Ts

Delay2＝Ts4-(Tm3+Offset)

其中，Ts为从时钟在收到同步报文信息后发出延迟请求信息包的时刻，Tm3主时钟收到延迟请求信息包的接收时间，Ts4是从时钟接收到延时响应信息包的时刻。

该应用通过时钟间的调谐、时钟偏移测量和网络偏移测量从而实现站间的时间偏差测量，进而进行时间补偿实现同步采样。

设置有双时钟的合并单元在站内应用的原理如下：

合并单元MU内部设计双时钟，在实际站内使用时，有两种情况：(一)、选择主时钟；(二)、不选择主时钟，双时钟各自独立使用。

(一)选择主时钟：

1、时钟域的选择：

每次采样所依赖的时钟只能是一个，A、B网两个时钟域可能不一致，为了使所有合并单元MU都选择相同的时钟域，在MU内设计了两个时钟，可以分别实时地追踪两个时钟域，不会导致只能追踪一个时钟域的问题。由于IEEE1588采用最佳主钟算法来确定主时钟，所有的MU可选择出相同的时钟域作为采样的时钟。

2、两个时钟域时间不一致的检测：

由于MU内两个时钟分别实时追踪两个时钟域，能够比较两个时钟域间的误差，两个时钟域的时间不一致的情况能被实时地、准确地、迅速地检测到，由于IEEE1588最佳主钟算法的设计，所有的MU都将采信同一个时钟域。

3、某个网络失效时，两个时钟域的切换：

传统MU采用单个时钟时，切换时钟域将会导致重新对时，重新对时所带来的收敛时间会较长。本设计MU内部双时钟各自对时，而通常两个时钟域均采用较高精度的时钟，二者之间的误差会比较小，当某个网络失效时，直接切换时钟域将会迅速而直接。

(二)、合并单元MU内部不进行主时钟选择，双时钟各自独立：

由于合并单元MU多时钟的设计，就不存在必须选择主时钟的问题，和传统的合并单元相比，具有以下优势：

1、传统的合并单元内部只存在一个时钟，所以当面对A、B双网双时钟域的情况时，其必须强制性的选择出主时钟进行同步。而此时就存在选择错误的风险，由于各种原因导致错误的选择了误差大的时钟域作为主时钟，其后果将会很严重。而本设计双时钟MU就可以不进行主时钟的选择，二者相互独立，互为备用。

2、合并单元MU内部双时钟分别和A、B网进行对时，各自独立采样，采样值互为备用，可靠性高。

设置双时钟的合并单元在站间应用的原理是：数字化变电站内合并单元MU内采用多时钟，可使用一个时钟专门同步对端站的时钟域，其他时钟则用于本站的时钟域校对。采样时仍然按照本站的时钟进行采样，而提供给站间保护用的采样，可以在内部计算出两个时钟域的偏差后，再进行时间补偿转换为本地采样。由于内部的两个时钟域的测试非常准确，所以能达到很高的测量结果。

与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：

1、本发明提供的设置有双时钟的合并单元应用在站间，可使数字化变电站间的不同时钟域实现采样值同步，该方法可计算出变电站之间的时钟偏移量，其测量精度可达到亚微秒级别，从而提高纵差保护的灵敏度，对电力系统的稳定运行具有重要作用。

2、本发明提供的设置有双时钟的合并单元应用在站间，可使变电站间合并单元MU在进行采样时，可自动进行时间补偿，更好的实现站间保护装置的采样同步，使线路纵差保护可靠实现。

3、本发明提供的设置有双时钟的合并单元应用的站内，也比传统的合并单元具有极大的优势。

附图说明

图1是本发明数字化变电站间的时钟同步示意图；

图2是本发明从时钟与主时钟之间的的时间偏移校正过程示意图；

图3是本发明网络延时校正过程示意图；

图4是本发明变电站的合并单元MU中IEEE1588时钟机制实现示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例一

在数字化变电站中的合并单元MU内设置双时钟：如图4所示，在合并单元内部设置两个网卡，每个网卡内部设置一个计数器即为IEEE1588时钟。晶振脉冲输入以驱动IEEE1588时钟，IEEE1588时钟输出脉冲用于同步采样，IEEE1588时钟通过1588协议栈不停的进行误差频率和Offset调节。当CPU向外部传输信息包时，通过MAC接口报文识别器判断是否需要打印时间戳，若需要则从1588时钟取时间戳，然后通过PHY接口输出到以太网，若不需要打时间戳，则直接通过PHY接口传输到以太网。当接收包时，信息包的第一个比特进入PHY接口时，PHY即出发时间戳，由报文识别器判断是否取时间戳，若为事件包则取时间戳，否则不取，通过MAC接口将包传送给CPU。

实施例二

本发明以两个数字化变电站之间，实现采样同步为例说明设置有双时钟的合并单元在站间实现数据采集同步的应用。

该应用包括以下步骤：

第一步，如图1所示，在两个变电站内各设置一个主时钟用于站内同步，每个变电站中设置一个合并单元，每个合并单元内设置两个时钟：变电站一中设置时钟1A和时钟1B，变电站二中设置时钟2A和2B；

第二步，将变电站一中时钟1A用于站内与主时钟对时，时钟1B用于和变电站二进行同步；变电站二中两个时钟2A、2B均与本站主时钟对时，时钟2A用于本站；时钟2B作为主时钟，周期性的向对端变电站一中的时钟1B发送同步，时钟1B作为从时钟；同时主时钟2B接收从时钟1B发送过来的报文，使从时钟1B的时钟变化率与主时钟2B的变化率一致，实现主从时钟的调谐；

第三步，当变电站一在时间t1时刻采样，采用时间补偿方法，变电站二取时刻为t2＝t1+ΔT的采样值，即可实现采样值同步，当线路故障时，实现站间纵差保护；变电站一与变电站二之间采样值时间差ΔT按式(1)计算得出：

ΔT＝Offset+Delay+Δt    (1)

式中，Offset为从时钟与主时钟之间的偏移，Delay为网络延迟时间，Δt为时钟1B与1A之间的时钟偏差。

该方法需要计算偏移校正量Offset，其校正过程如图2所示，时钟2B在Tm1时刻发送同步报文Sync，时钟1B于Ts1时刻接收报文，并标记接收时刻。因为报文预计发送时刻与报文实际发送时刻可能不一致，所以时钟2B的发送时刻采用跟随报文Follow_up传输，则时钟1B与时钟2B之间的偏移为Offset＝Ts1-Tm1。

第三步中的Delay为网络延时测量阶段用来测量网络传输造成的延迟时间。图3中给出网络延时测量示例。为了测量网络的传输延时，IEEE1588定义了一个延迟请求信息包(Delay_Request)。时钟1B在收到Sync信息后在Ts时刻发出延迟请求信息包Delay_Request，时钟2B收到Delay_Request后，在延迟响应信息包(Delay Response)写入接收时间Tm3，并发送给时钟1B，由此可以非常准确的计算出网络延时：

Ts-＞Tm3：Delay1＝(Tm3+Offset)-Ts

Tm3-＞Ts4：Delay2＝Ts4-(Tm3+Offset)

因为网络延迟时间是对称相等的，所以Delay＝(Delay1+Delay2)/2。

第三步中的Δt为时钟1B与时钟1A之间的时钟偏差，时钟1A在时刻T向时钟1B发出一个时钟同步脉冲，1B接收到这个脉冲的时刻记为T’，由于时钟1A、1B封装于同一个合并单元，脉冲传递延迟非常小可忽略不计，因此Δt即等于T与T’之差。

本发明变电站的合并单元MU中IEEE1588时钟机制实现示意图如图4所示，变电站1和变电站2内的合并单元MU内部存在两个网卡，每个网卡内部设置一个计数器即为IEEE1588时钟。有晶振脉冲输入以驱动时钟，时钟输出脉冲用于同步采样，IEEE1588时钟通过1588协议栈不停的进行误差频率和Offset调节。当CPU向外部传输信息包时，通过MAC接口报文识别器判断是否需要打印时间戳，若需要则从IEEE1588时钟取时间戳，然后通过PHY接口输出到以太网，若不需要打时间戳，则直接通过PHY接口传输到以太网。当接收包时，信息包的第一个比特进入PHY接口时，PHY即出发时间戳，由报文识别器判断是否取时间戳，若为事件包则取时间戳，否则不取，通过MAC接口将包传送给CPU。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种在数字化变电站内合并单元中设置多时钟的方法，其特征在于：在一个合并单元内部设置两个以上网卡，每个网卡内部设置一个IEEE1588时钟；所有网卡均与CPU相互信号连接，所有网卡内的IEEE1588时钟通过设置在CPU内的1588协议栈进行误差频率和Offset调节；在任意一个网卡内：网卡的PHY接口连接以太网，晶振脉冲连接网卡的输入以驱动网卡内的IEEE1588时钟，PHY接口与报文识别器相互信号连接，报文识别器与MAC接口相互信号连接，网卡输出脉冲用于同步采样。

2.一种在数字化变电站内合并单元中设置多时钟的方法，其特征在于：在一个合并单元内部设置两个相同的网卡。

3.一种权利要求2所述的合并单元在数字化变电站中的应用，其特征在于：采用最佳主钟算法来将其中一个网卡内的IEEE1588时钟设置为主时钟，将另一个网卡内的IEEE1588时钟设置为从时钟。

4.一种权利要求2所述的合并单元在数字化变电站中的应用，其特征在于：两个网卡内的IEEE1588时钟各自独立使用，互为备份。

5.一种权利要求2所述的合并单元在数字化变电站间实现数据采集同步的应用，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，在两个变电站内各设置一个主时钟用于站内同步，每个变电站设置一个合并单元，该合并单元内设置有双时钟：变电站一中设置时钟1A和时钟1B，变电站二中设置时钟2A和2B；

第二步，将变电站一中时钟1A用于站内与主时钟对时，时钟1B用于和变电站二进行同步；变电站二中两个时钟2A、2B均与本站主时钟对时，时钟2A用于本站；时钟2B作为主时钟，周期性的向对端变电站一中的时钟1B发送同步，时钟1B作为从时钟；同时主时钟2B接收从时钟1B发送过来的报文，使从时钟1B的时钟变化率与主时钟2B的变化率一致，实现主从时钟的调谐；

第三步，当变电站一在时间t1时刻采样，采用时间补偿方法，变电站二取时刻为t2＝t1+ΔT的采样值，即可实现采样值同步，当线路故障时，实现站间纵差保护；变电站一与变电站二之间采样值时间差ΔT按式(1)计算得出：

ΔT＝Offset+Delay+Δt    (1)

式中，Offset为从时钟与主时钟之间的偏移，Delay为网络延迟时间，Δt为时钟1B与1A之间的时钟偏差。

6.根据权利要求5所述的合并单元在数字化变电站间实现数据采集同步的应用，其特征在于：所述主时钟与从时钟之间的偏移Offset＝Ts1-Tm1；其中，Tm1为主时钟发送同步报文的时刻，Ts1为从时钟接收报文的时刻。

7.根据权利要求5所述的合并单元在数字化变电站间实现数据采集同步的应用，其特征在于：所述网络延迟的时间Delay按如下公式计算：

Delay＝(Delay1+Delay2)/2

Delay1＝(Tm3+Offset)-Ts

Delay2＝Ts4-(Tm3+Offset)

其中，Ts为从时钟在收到同步报文信息后发出延迟请求信息包的时刻，Tm3为主时钟收到延迟请求信息包的接收时间，Ts4是从时钟接收到延时响应信息包的时刻。

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