CN103684907A - 一种区域电网智能设备时间分析仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种区域电网智能设备时间分析仪，包括分析主控模块及与其连接的具有IEEE1588时间同步功能的以太网模块、电以太网模块、IRIG-B及脉冲时钟以光及电气BNC信号形式输入输出模块、卫星信号接收模块及搬运钟模块。本发明的区域电网智能设备时间分析仪支持时间同步精度指标分析评估和IEEE1588一致性测试，可提供方便的智能装置时间同步指标测试仪器,有效克服当前区域电网和智能变电站智能设备时间精度指标及IEEE1588产品测试手段不足，无法有效进行异常测试，测试覆盖面较窄，以及测试时错误定位困难等一系列难题，适用于区域电网及智能变电站相关智能设备，如合并器、智能终端、支持IEEE1588交换机、时钟源设备、保护控制设备等，具有重要的实用价值。

Description

一种区域电网智能设备时间分析仪
技术领域
本发明属于电力系统区域电网及智能变电站智能设备的时间同步测试领域，具体涉及一种区域电网智能设备时间分析仪。
背景技术
在区域电网及智能变电站过程层内，时间同步精度最高要求为1微秒。现阶段，区域电网及智能变电站的实时继电保护控制的时钟同步功能基本采用IRIG-B码方式和IEEE1588方式。
IEEE1588协议是精密时间协议，非常适用于区域电网网络保护控制功能的时钟同步功能实现，如果智能装置采用硬件辅助打时间戳的方法时间同步精度可以达到亚微秒，完全满足智能变电站对时间同步的精度要求。
IEEE1588精密时间同步技术在电力行业内应用刚刚起步，国内多个电力二次设备制造商都陆续开展了IEEE1588的应用研究和产品开发，电力公司也组织进行了IEEE1588产品互操作性测试，但尚未开展对支持IEEE1588协议的产品进行IEEE1588规约一致性测试，这不利于IEEE1588协议在区域电网和智能变电站网络的推广应用。另外，支持IEEE1588协议的主钟、交换机和数字合并单元等产品的功能测试、性能测试中，因为缺乏专门的IEEE1588测试仪器，导致测试工程师测试效率较低，特别是无法进行异常测试，测试案例覆盖面较窄，不能对IEEE1588产品进行充分测试，无法保证实现IEEE1588协议的产品的时间同步可靠性，为采用IEEE1588同步技术的区域电网及智能变电站的运行带来了安全隐患。
时间同步技术是区域电网网络保护控制系统的关键支撑技术，关系着网络保护控制功能实现的可靠性和区域电网运行的安全性。目前主要采用IRIG-B码脉冲组网方式和IEEE1588高精度网络方式进行时钟同步，对智能设备时钟同步性能的测试一般采用入网检测方式，且采用通用的进口仪器，使用复杂，成本高，且无法开展FAT及SAT，为电网的安全运行埋下了隐患，因此当前的区域电网和智能变电站急切需要能够在智能设备的IEEE1588规约一致性测试、时间性能指标分析评估中使用，且满足移动测试要求的时间分析仪。
发明内容
本发明的目的是提供一种区域电网智能设备时间分析仪，以解决目前在区域电网和智能变电站的智能设备时间精度指标分析评估及IEEE1588规约一致性测试领域没有专用测试分析仪的问题。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种区域电网智能设备时间分析仪，包括：
时间分析主控模块，用于收发IEEE1588报文及其它时间性能数据报文，分析处理各种形式的输入输出信号，处理卫星时钟信号，进行所有IEEE1588测试及时间性能指标分析评估操作；
光以太网通信模块，用于向分析主控模块输出秒脉冲时间信号和发送IEEE1588报文时间戳信息；
电以太网模块，用于作为该时间分析仪的调试接口；
信号输入输出模块，用于向分析主控模块输入各种形式的秒脉冲信号及IRIG-B信号；
卫星信号接收模块，用于接收外部卫星时钟信号；
搬运钟模块，用于跟踪外部时钟源及在设计时限内保证特定时间稳定精度的时钟信号输出。
该分析仪还包括用于显示时间信息及指示灯信息的显示模块。
所述分析主控模块与光以太网通信模块之间设有用于向分析主控模块输出秒脉冲时间信号的秒脉冲信号线和用于发送IEEE1588报文时间戳信息的时间通信线。
所述时间分析主控模块包括相互连接的DSP和FPGA。
所述光以太网通信模块为两个。
所述卫星信号接收模块为GPS/北斗卫星双路时钟信号自适应接收模块。
本发明的区域电网智能设备时间分析仪支持时间同步精度指标分析评估和IEEE1588一致性测试，可提供方便的智能装置时间同步指标测试仪器,有效克服当前区域电网和智能变电站智能设备时间精度指标及IEEE1588产品测试手段不足，无法有效进行异常测试，测试覆盖面较窄，以及测试时错误定位困难等一系列难题，适用于区域电网及智能变电站相关智能设备，如合并器、智能终端、支持IEEE1588交换机、时钟源设备、保护控制设备等，具有重要的实用价值。
附图说明
图1是本发明的硬件组成系统原理图；
图2是本发明系统控制软件结构图；
图3是本发明侧测试操作流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
如图1所示为本发明区域电网智能设备时间分析仪的硬件组成系统原理图，该分析仪采用模块化设计，包括分析仪的硬件组成结构及软件控制系统，从硬件组成结构来说，该分析仪包括分析主控模块及与其连接的具有IEEE1588时间同步功能的以太网模块、电以太网模块、IRIG-B及脉冲时钟以光及电气BNC信号形式输入输出模块、卫星信号接收模块及搬运钟模块，各模块的具体分析如下：
时间分析主控模块，用于收发IEEE1588报文及其它时间性能数据报文，分析处理各种形式（主要包括光信号及BNC电气信号）的输入输出信号，处理卫星时钟信号，进行所有IEEE1588测试及时间性能指标分析评估操作。
光以太网通信模块，用于向分析主控模块输出秒脉冲时间信号和发送IEEE1588报文时间戳信息。
本实施例具有IEEE1588时间同步功能的光以太网通信模块为两个，与分析主控模块相连，作为时间分析仪的IEEE1588测试接口；各光以太网通信模块与分析主控模块之间均设有:1)秒脉冲信号线，用于此太网通信模块向分析主控模块输出秒脉冲时间信号；2)时间通信线，用于此以太网通信模块向分析主控模块发送IEEE1588报文时间戳信息。
电以太网模块与分析主控模块相连，用于作为该时间分析仪的调试接口。
信号输入输出模块与分析主控模块通过欧式连接器相连，来自面板接口的时间信号经电平转换后通过欧式连接器送至分析主控模块的FPGA引脚中，用于向分析主控模块输入各种形式的非网络方式的秒脉冲信号及IRIG-B信号，该模块具体可以输入光秒脉冲时钟信号、BNC电气秒脉冲时钟信号、光IRIG-B码时钟信号、BNC电气IRIG-B码时钟信号，可以输出光秒脉冲时钟信号、BNC电气秒脉冲时钟信号、光IRIG-B码时钟信号、光秒脉冲时钟信号、电气BNC设定频率方波信号。该模块最多可以同时对8路时间输入信号（6路BNC电气信号及2路光信号）进行比对性时间指标评估，非常适合于区域网络保护控制系统中多个观测点（如主变3侧差动数据的同步）的时间同步性能评测，并输出由分析主控模块发送来的各种时间信号（当被定义为频率发生器时，输出设定频率的方波信号），频率发生器输出的频率信号和时间信号输出端子复用，不单独设置频率输出端口。
卫星信号接收模块为GPS/北斗卫星双路时钟信号自适应接收模块，与分析主控模块相连，用于接收外部卫星时钟信号（GPS/北斗）。能根据双路卫星跟踪模式，选定卫星型号，在不同的双路卫星跟踪模式下，跟踪不同的卫星时钟信号输入，主要包括自动优选模式和人工指定模式，并将该信号发送至分析主控模块。还可以把接收到的GPS秒脉冲信号和串口时间信号也送至主控模块，供DSP芯片和FPGA芯片处理。
搬运钟模块与分析主控模块相连，该模块具备大容量锂电池，在初始的时钟驯服状态时，能跟踪高精度的外部时钟源，若干小时后，搬运钟进入稳定的驯服状态，可脱离高精度外部时钟源，在设计时限内保证特定时间稳定精度的时钟信号输出，实现高精度的移动方式时间性能测试。
该分析仪还包括用于显示时间信息及指示灯信息的显示模块，包括时间显示用的7段数码管和9个LED指示灯。时间显示数码管显示来自GPS卫星信号的“年月日”格式的时间，LED指示灯显示GPS、北斗、同步、失步、卫星信号秒脉冲、光网口A master状态、光网口A slave状态、光网口B master状态、光网口B slave状态，即分别指示“GPS”、“北斗”、“同步”、“告警”、“1588 A钟主”、“1588 A钟从”、“1588 B钟主”、“1588 B钟从”、“PPS”。
时间分析主控模块主要包括相互连接的DSP和FPGA，还包括SDRAM芯片和FLASH芯片的存储器。DSP芯片采用德州仪器公司的高性能TMS320DM642A(主频600M)，FPGA芯片采用赛灵思公司的Spartan-3E系列XC3S500E，采用这种架构通信速度快、系统稳定可靠。DSP芯片内设时间指标分析引擎，本时间分析仪所有测试及评估分析都在配套的计算机上软件控制系统的控制下，由分析仪上的时间分析引擎执行模块负责具体执行并将过程中的实时数据及执行结果传送至控制系统显示或分析。
时间分析引擎在IEEE1588规约一致性测试方面支持IEEE1588-2008标准和IEEE C37.238标准(电力行业IEEE1588 Profile),支持智能变电站内任何支持IEEE1588协议的智能设备；在时间精度测试、分析评估方面遵循区域电网及智能变电站保护控制功能实现对时间精度指标要求profile（mask），因此该时间分析仪适用于区域电网及智能变电站网络保护控制功能的实现。
每个具有IEEE1588时间同步功能的光以太网模块的光以太网口的物理层芯片采用美国国家半导体的DP83640芯片，可以捕获IEEE1588报文的精确发送或接收时标，时标分辨率为8ns，可完全满足智能变电站内支持IEEE1588协议的智能装置的测试需求；可定义DP83640芯片的通用输入输出引脚GPIO为芯片时钟的秒脉冲输出口，输出到测试主控模块中的FPGA引脚中，测试时可用来监视此秒脉冲，例如此光网口作为从钟时，此秒脉冲上升沿与IEEE1588主钟的秒脉冲上升沿之间的时间差就是此从钟相对于IEEE1588主钟的时钟偏差。1个RJ45电以太网口用做测试接口，可连接到个人计算机网口。
如图2所示为配套的计算机上的软件控制系统，主界面下设有系统参数设置界面、IEEE1588一致性测试界面、IEEE1588功能测试界面、IEEE1588性能测试界面、时间精度指标分析评估界面、频率发生器设定界面、测试案例编辑器；IEEE1588一致性测试界面包括主钟一致性测试模块、从钟一致性测试模块、透明时钟一致性测试模块；IEEE1588功能测试界面包括主钟功能测试模块、从钟功能测试模块、透明时钟功能测试模块；IEEE1588性能测试界面包括主钟性能测试模块、从钟性能测试模块、透明时钟性能测试模块。时间性能指标评估分析界面包括TIE、MTIE、TDEV、ADEV、MDEV等5项时间精度指标，根据预设的区域电网时间精度指标profile，给出分析结果，并以图形化曲线形式展示。频率发生器界面包括频率设定、方波幅值及占空比设定等。
测试案例编辑器界面包括测试案例编辑等。
该控制系统具有监视、控制、配置及统计分析功能，所有的一致性测试、功能测试和性能测试都在时间测试分析软件的控制下进行，测试过程中可以通过软件界面监视测试实时数据和整个测试过程。时间测试分析软件中的编辑功能包括测试钟参数编辑功能和测试案例编缉功能；通过测试钟参数编缉功能测试工程师可以配置2个光测试口的参数；通过测试案例编缉功能，测试工程师可以编辑自己设计的测试案例，而不局限于软件默认的测试案例。在性能测试中，性能测试数据可以由测试仪传输至PC机监控软件，并存储到硬盘上的文件中。
如图3所示,本发明时间分析仪的测试操作流程如下:
（1）、测试环境准备：首先用光纤连接时间分析仪和被测设备，连接时间分析分析软件所在计算机的网口和时间分析仪的调试电口。
（2）、选择测试类别；
（3）、在选定的测试类别中选择具体的测试案例；
（4）、执行选定的测试案例：在测试过程中，测试仪把测试过程信息送至IEEE1588测试分析软件，通过图形化界面可以监视整个测试过程，必要时可能需要用户确认使得测试继续进行。
（5）、给出测试案例是否通过的结论：测试完成后，时间分析软件给出此测试案例通过还是不通过的结论，如果不通过，给出此测试案例不能通过的原因。
（6）、如果需要进行下一个测试案例，到步骤（3），否则到（7）；
（7）、生成测试报告：当用户选择的所有测试案例完成后，产生一份测试报告，可以存为电子文档也可以打印。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，本发明的具体实施不局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代，而且性能或用途相同，则应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的保护范围。

Claims (6)

1.一种区域电网智能设备时间分析仪，其特征在于，包括：
时间分析主控模块，用于收发IEEE1588报文及其它时间性能数据报文，分析处理各种形式的输入输出信号，处理卫星时钟信号，进行所有IEEE1588测试及时间性能指标分析评估操作；
光以太网通信模块，用于向分析主控模块输出秒脉冲时间信号和发送IEEE1588报文时间戳信息；
电以太网模块，用于作为该时间分析仪的调试接口；
信号输入输出模块，用于向分析主控模块输入各种形式的秒脉冲信号及IRIG-B信号；
卫星信号接收模块，用于接收外部卫星时钟信号；
搬运钟模块，用于跟踪外部时钟源及在设计时限内保证特定时间稳定精度的时钟信号输出。
2.根据权利要求1所述的区域电网智能设备时间分析仪，其特征在于：该分析仪还包括用于显示时间信息及指示灯信息的显示模块。
3.根据权利要求1所述的区域电网智能设备时间分析仪，其特征在于：所述分析主控模块与光以太网通信模块之间设有用于向分析主控模块输出秒脉冲时间信号的秒脉冲信号线和用于发送IEEE1588报文时间戳信息的时间通信线。
4.根据权利要求1所述的区域电网智能设备时间分析仪，其特征在于：所述时间分析主控模块包括相互连接的DSP和FPGA。
5.根据权利要求3所述的区域电网智能设备时间分析仪，其特征在于：所述光以太网通信模块为两个。
6.根据权利要求1～5任意一项所述的区域电网智能设备时间分析仪，其特征在于：所述卫星信号接收模块为GPS/北斗卫星双路时钟信号自适应接收模块。
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