CN103647631A - 一种智能化变电站用时钟同步检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种智能化变电站用时钟同步检测装置及检测方法，将装置部分的现场可编程门阵列模块与外部时钟源模块及频率补偿电路点对点的直通方式电路连接，输入输出串口和同步检测数据下载接口则将外部时钟源模块与频率补偿电路的时间戳在应用软件的辅助下打印测试数据，然后分别对其秒值部分、纳秒值部分和同步性能进行检测，本发明将软、硬件结合，并在硬件平台上对该方案进行了仿真和测试，通过计算比较时间戳对时钟同步精度进行有效的检测，且本发明能够满足智能化变电站的标准对时间同步精度检测的要求，其精度可达到亚微秒甚至是纳秒级，本发明适用于各种智能化变电站的用于将其网络精确时间同步领域。

Description

一种智能化变电站用时钟同步检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种变电站用数据检测装置，尤其涉及一种应用于智能化变电站的用于将其网络精确时间同步装置。

背景技术

目前，随着中国的现代化建设的迅速发展，其智能电网建设也紧随步伐的配套完善，智能电网建设包含发电、输电、变电、配电、用电和调度6个环节，而变电站是其中的重要节点之一。

国内现有的变电站早已不是旧式变电站，而是基于IEC61850标准建设的变电站，统称为数字化变电站，智能电网建设为变电站的发展提出了新的要求，即将智能电网的核心功能与数字化变电站相融合，形成智能化变电站的概念。

所谓智能化变电站，就是采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，一圈站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。IEC61850标准中根据不同的目的、要求定义了不同级别的时钟同步精度，其中故障定位精度为300m，则电子式电流互感器和点知识电压互感器用智能电子设备是同步精度必须达到1μs才能满足要求。

现有技术下的智能化变电站内的时钟同步技术曾广泛使用到了GPS同步、编码同步和简单网络时间同步协议（以下简称SNTP同步），但经过使用，这3种同步协议均存在有不少缺陷，其具体如下：

1)GSP时钟误差。在实际应用中GPS接收机产生的GPS时钟信号(秒脉冲或IRIG-B码准秒时刻)的精度和稳定性难以一直保持在一种很好的状态下。在卫星失锁或卫星时钟实验跳变的情况下GPS时钟误差甚至达上百毫秒这样的偏差显然达不到同步采样所需的精度要求。同时合并单元的GPS处理模块是从GPS时钟网络中获取时钟信号从而进行采样时钟同步的GPS时钟网络难免会遇到外部干扰。因此在GPS接收机输出的时钟误差比较大或时钟网络受到干扰时必须采取补救措施以满足同步采样的精度要求。

2)GPS时钟与第1个同步采样时钟之间的时间误差。从检测到GPS时钟到第1个采样时钟的产生有一定的延时其主要由硬件处理速度决定。

3)GPS时钟的晶振频率的误差。同步采样时钟是由晶振直接分频得到的但晶振本身的频率与它的标称频率间有一定误差从而造成分频出来的采样时钟与理想状态下需要的采样时钟之间的误差且该误差随着时间不断累加。

4）GPS在变电站自动化系统中应用上还存在有兼容上不足的问题；

5）编码同步编码同步要占用专门的传输通道；

6）SNTP同步的精度不够，由于SNTP主要通过交换时间服务器和客户端的时间戳，计算出客户端相对于服务器的时延和偏差，从而实现时间同步的，这样同步问题的关键就是如何获得对时间偏移量的准确估计，故SNTP协议无法达到过程总线采样值微秒级的同步要求。

综上所述，上述3种同步协议方法都存在缺陷，GPS同步虽然标称精度可以达到1μs但受环境天气的影响较大很难时刻保持很高的精度，编码同步要占用专门的传输通道传输距离有限传输距离越长则精度越差，而SNTP同步在目前时间同步系统中虽然不存在前2种方式的局限但是由于以太网传输过程中存在延时的不确定性(例如交换机交换延时、设备响应时间同步报文延时等)精度不能满足电力系统所有的业务需求据调研目前的NTP和SNTP在局域网中可以达到1ms的精度，在广域网中只能达到几十毫秒的精度的要求。

在2002年国家电网引入了IEEE1588标准应用于智能化变电站的内通信设备的时钟同步。IEEE1588定义了一种分布式测量和控制系统的精密时间协议PTP，其网络对视精度可达μs级，且具有高精度的分布式网络对时的特点，另外IEEE1588精确时钟同步协议能够达到亚微秒级的同步精度，而且完全能满足IEC61850标准对时间同步精度的要求。因此，对IEEE1588在智能化变电站中的时钟同步检测工作也具有相当重要的意义。

目前尚无对IEEE1588精确时钟同步协议的时钟同步检测装置及检测方法。

发明内容

为了解决现有技术下的IEEE1588精确时钟同步协议尚无时钟同步检测装置及检测方法的问题，本发明提供了一种智能化变电站用时钟同步检测装置，对IEEE1588精确时钟同步协议实现的硬件部分进行了分析研究，对IEEE1588精确时钟同步协议进行精确检测，本发明的具体结构和方法如下所述：

一种智能化变电站用时钟同步检测装置，包括现场可编程门阵列模块，其特征在于：

所述的现场可编程门阵列模块其上部连接一外部时钟源模块；

所述的现场可编程门阵列模块其一侧通过物理层连接模块与电源电路连接；

所述的现场可编程门阵列模块其一侧设置有用于该硬件平台与计算机之间的通信的输入输出串口和同步检测数据下载接口；

计算机可以通过串口读取测试数据，并在相关应用软件的辅助下将数据打印出来。

所述的现场可编程门阵列模块的下侧设置有现场可编程门阵列配置单元模块、高速存储器和FLASH存储器；

所述的现场可编程门阵列模块其另一侧连接设置有一频率补偿电路。

根据本发明的一种智能化变电站用时钟同步检测装置，其特征在于，所述的高速存储器的容量为2M字节，用来存储封装时钟包时要用到的信息。

根据本发明的一种智能化变电站用时钟同步检测装置，其特征在于，所述的FLASH存储器其具体为一型28F128的128M的FLASH存储器。

FLASH存储器的使用使得程序的调试和擦写方便，它还可以作为程序运行过程中需要记录下来的技术参数，已备突然掉电数据不丢失。

根据本发明的一种智能化变电站用时钟同步检测装置，其特征在于，所述的频率补偿电路包括中央处理模块、数字模拟转换器、本地时钟模块和时钟管脚，其中本地时钟模块的一端通过数字模拟转换器与中央处理模块连接，该中央处理模块再与现场可编程门阵列模块连接，而本地时钟模块的另一端则通过时钟管脚与现场可编程门阵列模块连接。

根据本发明的一种智能化变电站用时钟同步检测方法，基于上述的一种智能化变电站用时钟同步检测装置，其具体步骤如下所述：

1）将上述的一种智能化变电站用时钟同步检测装置的现场可编程门阵列模块与外部时钟源模块及频率补偿电路点对点的直通方式电路连接，输入输出串口和同步检测数据下载接口则将外部时钟源模块与频率补偿电路的时间戳在应用软件的辅助下打印测试数据；

2）将其结果进行秒值部分比较，设时间戳t2，t3的秒值部分是本地时钟的秒值，时间戳t1，t4的秒值部分是主时钟的秒值，如t2，t3和t1，t4的秒值相差较大则说明外部时钟源模块与频率补偿电路的秒值相差比较大。

3）将其结果进行纳秒值部分比较：因为该测试系统是直通方式，不用计算纠正域的值，所以整理得到：offset=(t2+t3-t1-t4)/2，其中t1，t2，t3，t4都取高速存储器和FLASH存储器中的纳秒值部分，如计算结果为负数，则说明外部时钟源模块与频率补偿电路的秒值相差比较大。

4）检测同步性能，每隔1ms测量一次外部时钟源模块与频率补偿电路的时间偏差，根据长时间的测量数据得出该同步方案的离散曲线图，截取从时钟开始锁定后的200个点得到的结果，如外部时钟源模块与频率补偿电路偏差总是在-60ns～+40ns这个范围内，则此性能能够满足智能化变电站用时钟同步精度的要求，超出该范围则不满足。

5）通过对步骤2）、3）和4）所获数据比较，最终判定时钟同步系统的同步性能。

使用本发明的本发明的一种智能化变电站用时钟同步检测装置获得了如下有益效果：

1.本发明的一种智能化变电站用时钟同步检测装置及检测方法，将软、硬件结合，并在硬件平台上对该方案进行了仿真和测试，通过计算比较时间戳对时钟同步精度进行有效的检测，为后续硬件设计提供了依据。

2.本发明提供了一种智能化变电站用时钟同步检测装置及检测方法，能够满足智能化变电站的标准对时间同步精度检测的要求，其精度可达到亚微秒甚至是纳秒级，同时，可通过本方法对采用频率补偿时钟的方法对地时钟状态进行动态调整，并仿真验证了可行性。

附图说明

图1为本发明的一种智能化变电站用时钟同步检测装置的硬件装置部分的具体结构示意图；

图2为本发明的一种智能化变电站用时钟同步检测装置的检测同步性能时的离散曲线图。

图中：1.现场可编程门阵列模块，2-外部时钟源模块，3-物理层连接模块，4-输入输出串口，5-同步检测数据下载接口，6-现场可编程门阵列配置单元模块，7-高速存储器，8-FLASH存储器，A-频率补偿电路，A1-中央处理模块，A2-数字模拟转换器，A3-本地时钟模块，A4-时钟管脚。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种智能化变电站用时钟同步检测装置做进一步的描述。

实施例

如图1所示，一种智能化变电站用时钟同步检测装置，包括现场可编程门阵列模块1，其特征在于：

所述的现场可编程门阵列模块1其上部连接一外部时钟源模块2；

所述的现场可编程门阵列模块1其一侧通过物理层连接模块3与电源电路连接；

所述的现场可编程门阵列模块1其一侧设置有用于该硬件平台与计算机之间的通信的输入输出串口4和同步检测数据下载接口5；

计算机可以通过串口读取测试数据，并在相关应用软件的辅助下将数据打印出来。

所述的现场可编程门阵列模块1的下侧设置有现场可编程门阵列配置单元模块6、高速存储器7和FLASH存储器8；

所述的现场可编程门阵列模块1其另一侧连接设置有一频率补偿电路A。

根据本发明的一种智能化变电站用时钟同步检测装置，其特征在于，所述的高速存储器7的容量为2M字节，用来存储封装时钟包时要用到的信息。

根据本发明的一种智能化变电站用时钟同步检测装置，其特征在于，所述的FLASH存储器8其具体为一型28F128的128M的FLASH存储器。

FLASH存储器的使用使得程序的调试和擦写方便，它还可以作为程序运行过程中需要记录下来的技术参数，已备突然掉电数据不丢失。

根据本发明的一种智能化变电站用时钟同步检测装置，其特征在于，所述的频率补偿电路A包括中央处理模块A1、数字模拟转换器A2、本地时钟模块A3和时钟管脚A4，其中本地时钟模块的一端通过数字模拟转换器与中央处理模块连接，该中央处理模块再与现场可编程门阵列模块1连接，而本地时钟模块的另一端则通过时钟管脚与现场可编程门阵列模块1连接。

一种智能化变电站用时钟同步检测方法，基于上述的一种智能化变电站用时钟同步检测装置，其具体步骤如下所述：

1）将上述的一种智能化变电站用时钟同步检测装置的现场可编程门阵列模块1与外部时钟源模块2及频率补偿电路A点对点的直通方式电路连接，输入输出串口4和同步检测数据下载接口5则将外部时钟源模块与频率补偿电路的时间戳在应用软件的辅助下打印测试数据；

2）将其结果进行秒值部分比较，设时间戳t2，t3的秒值部分是本地时钟的秒值，时间戳t1，t4的秒值部分是主时钟的秒值，如t2，t3和t1，t4的秒值相差较大则说明外部时钟源模块2与频率补偿电路A的秒值相差比较大。

3）将其结果进行纳秒值部分比较：因为该测试系统是直通方式，不用计算纠正域的值，所以整理得到：offset=(t2+t3-t1-t4)/2，其中t1，t2，t3，t4都取高速存储器7和FLASH存储器8中的纳秒值部分，如计算结果为负数，则说明外部时钟源模块2与频率补偿电路A的秒值相差比较大。

4.如图2所示，检测同步性能，每隔1ms测量一次外部时钟源模块2与频率补偿电路A的时间偏差，根据长时间的测量数据得出该同步方案的离散曲线图，截取从时钟开始锁定后的200个点得到的结果，如外部时钟源模块与频率补偿电路偏差总是在-60ns～+40ns这个范围内，则此性能能够满足智能化变电站用时钟同步精度的要求，超出该范围则不满足。

5）通过对步骤2）、3）和4）所获数据比较，最终判定时钟同步系统的同步性能。

本发明的一种智能化变电站用时钟同步检测装置，将软、硬件结合，并在硬件平台上对该方案进行了仿真和测试，通过计算比较时间戳对时钟同步精度进行有效的检测，为后续硬件设计提供了依据，且本发明能够满足智能化变电站的标准对时间同步精度检测的要求，其精度可达到亚微秒甚至是纳秒级，同时，可通过本方法对采用频率补偿时钟的方法对地时钟状态进行动态调整，并仿真验证了可行性。有效的解决了基于IEC61850的智能化变电站时钟同步系统的检测问题，满足了IEC61850规约对时钟同步精度的要求。本发明适用于各种智能化变电站的用于将其网络精确时间同步领域。

Claims (5)

1.一种智能化变电站用时钟同步检测装置，包括现场可编程门阵列模块（1），其特征在于：

所述的现场可编程门阵列模块（1）其上部连接一外部时钟源模块（2）；

所述的现场可编程门阵列模块（1）其一侧通过物理层连接模块（3）与电源电路连接；

所述的现场可编程门阵列模块（1）其一侧设置有用于该硬件平台与计算机之间的通信的输入输出串口（4）和同步检测数据下载接口（5）；

所述的现场可编程门阵列模块（1）的下侧设置有现场可编程门阵列配置单元模块（6）、高速存储器（7）和FLASH存储器（8）；

所述的现场可编程门阵列模块（1）其另一侧连接设置有一频率补偿电路（A）。

2.如权利要求1所述的一种智能化变电站用时钟同步检测装置，其特征在于，所述的高速存储器（7）的容量为2M字节，用来存储封装时钟包时要用到的信息。

3.如权利要求1所述的一种智能化变电站用时钟同步检测装置，其特征在于，所述的FLASH存储器（8）其具体为一型28F128的128M的FLASH存储器。

4.如权利要求1所述的一种智能化变电站用时钟同步检测装置，其特征在于，所述的频率补偿电路（A）包括中央处理模块（A1）、数字模拟转换器（A2）、本地时钟模块（A3）和时钟管脚（A4），其中本地时钟模块的一端通过数字模拟转换器与中央处理模块连接，该中央处理模块再与现场可编程门阵列模块（1）连接，而本地时钟模块的另一端则通过时钟管脚与现场可编程门阵列模块连接。

5.一种智能化变电站用时钟同步检测方法，基于权利要求1至权利要求4所述的一种智能化变电站用时钟同步检测装置，其具体步骤如下所述：

1）将上述的一种智能化变电站用时钟同步检测装置的现场可编程门阵列模块（1）与外部时钟源模块（2）及频率补偿电路（A）点对点的直通方式电路连接，输入输出串口（4）和同步检测数据下载接口（5）则将外部时钟源模块与频率补偿电路的时间戳在应用软件的辅助下打印测试数据；

2）将其结果进行秒值部分比较，设时间戳t2，t3的秒值部分是本地时钟的秒值，时间戳t1，t4的秒值部分是主时钟的秒值，如t2，t3和t1，t4的秒值相差较大则说明外部时钟源模块（2）与频率补偿电路（A）的秒值相差比较大。

3）将其结果进行纳秒值部分比较：因为该测试系统是直通方式，不用计算纠正域的值，所以整理得到：offset=(t2+t3-t1-t4)/2，其中t1，t2，t3，t4都取高速存储器（7）和FLASH存储器（8）中的纳秒值部分，如计算结果为负数，则说明外部时钟源模块（2）与频率补偿电路（A）的秒值相差比较大。

4）检测同步性能，每隔1ms测量一次外部时钟源模块（2）与频率补偿电路（A）的时间偏差，根据长时间的测量数据得出该同步方案的离散曲线图，截取从时钟开始锁定后的200个点得到的结果，如外部时钟源模块与频率补偿电路偏差总是在-60ns～+40ns这个范围内，则此性能能够满足智能化变电站用时钟同步精度的要求，超出该范围则不满足。

5）通过对步骤2）、3）和4）所获数据比较，最终判定时钟同步系统的同步性能。

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