CN201422028Y - 实现ieee1588精确对时功能的变电站测控装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种可实现IEEE1588对时功能的变电站测控装置，包括一个测控模块和两个百兆以太网通信模块；测控模块包括一片测控DSP以及交流采样电路、状态量采集电路、控制输出电路、人机接口电路等，各电路通过并行数据总线和测控DSP直接相连；两个以太网通信模块各自独立完成装置的以太网通信功能，并处理IEEE1588对时协议，进行精确对时；测控模块与两个以太网通信模块分别通过“秒”脉冲信号和高速CAN网进行时间同步，并分别通过高速串行口进行常规数据通信。本实用新型的变电站测控装置不需要接入专门的对时信号，不需要增加额外的硬件，只需应用以太网通信网络即可实现精确对时。

Description

实现IEEE1588精确对时功能的变电站测控装置
技术领域
本实用新型涉及一种可实现IEEE1588精确对时功能的变电站测控装置。属于电力自动化技术领域。
背景技术
时间的精确和统一，在电网中是十分重要的。在变电站自动化系统中，测控装置遥信变位时产生事件顺序记录(Sequence Of Events，SOE)，它对于事故分析具有重要意义。测控装置的事件顺序记录具有精确统一的时间基准，可以在发生故障和操作，特别是短时间内发生连续故障的情况下，方便地分析研究各种保护的动作行为、设备的工况变化顺序，进而分析故障原因、故障类型、故障发生发展过程。这对于事故分析，保证电力系统安全运行有着重要意义。目前电力系统的应用需求要求变电站自动化系统的SOE分辨率达到两毫秒，这就要求变电站测控装置的对时精度达到百微秒级，同时具有较高的状态量的信号采集频率和快速的处理方法。
目前变电站自动化系统普遍采用GPS接受卫星时间信号进行时间同步，利用GPS对变电站智能设备进行校时有两种方式：串行通信接口方式、串行通信与脉冲中断相结合的方式。串行通信方式对时精度较低，基本不能满足变电站自动化系统的要求。目前变电站普遍采用的是串行通信与脉冲中断相结合的方式，即GPS系统通过通信报文将时间发送至通信控制器，通信控制器再通过现场总线或以太网将时间信号发送给各个智能设备，同时GPS还输出许多硬接点信号，如“秒”脉冲或“分”脉冲，进行时间同步。对于每个装置来说，对时功能是靠硬件脉冲对时和网络通信报文对时共同完成的，对时方式不够简洁。同时由于从GPS系统引出大量对时接点信号，变电站二次对时回路设计复杂繁琐，而且GPS输出的硬接点数量有限，可能不能满足变电站自动化系统的需要。
文献《在变电站智能设备中实现B码对时》(电力自动化设备[J]，2005，25(9)：P86-P88)介绍了一种采用IRIG-B码实现变电站智能设备精确对时的方法。IRIG-B码对时方式的突出的优点是将时间同步信号和秒、分、时、天等时间码信息加载到同一个信号载体中。GPS系统接受卫星时间信号，输出IRIG-B时间码序列，变电站测控装置可以挂在统一的对时总线上进行时间同步。变电站的测控装置采用B码对时，虽然不需要GPS输出大量脉冲对时信号，但仍然需要接入专门的B码对时信号。
2002年底IEEE组织颁布的IEEE1588标准定义了一种应用于网络化测量和控制系统的精确时钟同步协议，通常称为Precision Time Protocol(PTP)，该协议适用于任何满足多点通信的分布式控制系统。使用该协议进行对时，系统不需要专门的对时总线，装置不需要专门的对时接口，装置并不需要很多资源就可以达到100ns级的同步精度。
目前的变电站测控装置完成变电站自动化系统的状态量采集、交流电气量测量计算、操作对象的控制输出等功能，是变电站自动化系统和调度自动化系统的末端采集、执行装置。采用简洁明了的方法在变电站测控装置中实现精确时间同步对变电站自动化系统和调度自动化系统具有重要意义。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于双百兆以太网，实现IEEE1588精确对时功能的变电站测控装置，在尽量不增加装置硬件成本的条件下，使对时精度满足测控功能的需求。
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种可实现IEEE1588对时功能的变电站测控装置，测控装置采用三模块结构，包括一个处理测控功能的测控模块和两个具有IEEE1588对时协议处理功能的以太网通信模块，其特征在于：
所述的测控模块包括一片测控DSP以及用于完成状态量采集的状态量采集电路、用于交流量采样计算的交流采样电路、用于控制输出的控制出口输出电路、用于人机接口的人机接口电路。
所述的状态量采集电路、交流采样电路、控制出口输出电路、人机接口电路通过并行数据总线和测控DSP直接相连。
所述两个以太网通信模块各自独立完成以太网通信功能，并处理IEEE1588对时协议进行精确对时，所述的测控模块与每个以太网通信模块之间设置：1)“秒”脉冲信号线，用于以太网通信模块向测控模块输出“秒”脉冲对时信号；2)高速CAN网通信线，用于以太网通信模块向测控模块发送具体的时间信息；3)高速异步串行口通信线，用于进行通信模块和测控模块之间常规的数据通信。
前述的可实现IEEE1588精确对时功能的变电站测控装置，其特征在于所述的测控DSP采用32位150MPS高速工业级DSP，用于处理状态量信号采集、常规采样计算、信号处理、控制输出等功能。
前述的可实现IEEE1588精确对时功能的变电站测控装置，其特征在于所述的测控DSP芯片内部集成了CAN网接口和至少两路异步串行通信接口(UART)。
前述的可实现IEEE1588精确对时功能的变电站测控装置，其特征在于所述的以太网通信模块为32位60MHz的高性能处理芯片，芯片内部集成了一个高速以太网控制器(Fast Ethernet Controller，FEC)和以太网收发器(EthernetTransceiver，EPHY)。
前述的可实现IEEE1588精确对时功能的变电站测控装置，其特征在于所述的以太网通信模块的处理芯片内部集成了多个32位定时器，每个定时器具有一个高速输出口，该高速输出口可以按照预定的设置，当定时器达到某一数值时输出一个脉冲信号。
前述的可实现IEEE1588精确对时功能的变电站测控装置，其特征在于所述的以太网通信模块的处理芯片内部集成了至少一个CAN网接口和一路异步串行通信接口。
前述的可实现IEEE1588精确对时功能的变电站测控装置，其特征在于所述的以太网通信模块采用高精度温补晶振，可以保证长时间收不到网络对时信号仍然保证内部时钟的准确。
前述的可实现IEEE1588精确对时功能的变电站测控装置，其特征在于所述的测控装置，与所述以太网通信模块相通信的以太网为双百兆以太网，并且两路百兆以太网通信接口采用两个独立的以太网通信模块，实现两路通信的完全独立，互为备用。
前述的可实现IEEE1588精确对时功能的变电站测控装置，其特征在于所述的以太网通信模块对IEEE1588协议处理和对时任务处理采用中断方式，并在以太网的驱动层实现。
前述的可实现IEEE1588精确对时功能的变电站测控装置，其特征在于所述的以太网通信模块输出一个“秒”脉冲信号给测控模块，同时和测控模块提供高速串口和CAN网进行通信。
前述的可实现IEEE1588精确对时功能的变电站测控装置，其特征在于所述的测控模块对以太网通信模块输出的“秒”脉冲信号采用中断方式进行接收，并通过高速CAN网专门接收以太网通信模块输出的具体的时间信号，通过高速异步串行口和以太网通信模块进行常规的数据通信。
本实用新型的有益效果是：测控装置不需要接入专门的对时信号，只需应用以太网通信网络即可实现精确对时，现场接线简洁，简化了变电站的设计和施工。
附图说明
图1是本实用新型中的测控装置硬件结构示意图；
图2是IEEE1588同步原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作具体的介绍。
1、测控装置的硬件结构
由于测控装置既需要完成状态量的采集、交流量的计算和控制量输出，又需要高速以太网通信功能，同时需要实现IEEE1588精确对时功能，这对测控装置的硬件结构和性能有较高的要求，图1为本实用新型中的测控装置的硬件结构示意图，它是一个三模块结构。测控模块处理测控功能包括状态量信号的采集处理、交流采样、控制输出和人机接口部分。两个以太网通信模块各自专门处理一路以太网通信任务，进行变电站测控装置和站控层设备之间的信息交换，同时处理IEEE1588协议报文，进行精确时间同步。
以太网通信模块需要完成百兆以太网通信功能，并需要实现基于IEEE1588协议的精确对时功能。本发明采用美国Freescale公司的MCF52235处理器，其为主频达60MHz，采用精简指令集(RISC)，其芯片内部集成了一个高速以太网控制器(FEC)和一个以太网收发器(EPHY)，可以非常容易的实现百兆以太网通信功能。芯片内部集成了三个异步串行通信收发器(UART)和一个CAN网处理器，易于和测控DSP实现高速通信。芯片内部集成了四个32为定时器，每个定时器具有一个高速输出口，易于实现“秒”脉冲输出。
测控装置首先需要完成的是变电站状态量的采集、交流电气量的采样计算和控制输出等功能。本实用新型的基本的测控功能由测控DSP实现，测控DSP通过并行总线和状态信号采集电路、交流采样电路、控制输出电路以及人机接口部分相连。为了保证状态量采集的实时准确和测控功能的完备，测控功能采用主频达150兆赫兹32位工业级DSP进行处理。在本系统中选用TI公司2000系列的产品TMS320F28335，这一款芯片是TI公司最近新推出来的具有高性价比的产品。该款芯片具有快速的DSP功能、强大的I/O控制功能、两路CAN网接口、三路串口、大量的片上存储器、强大的中断管理、方便的编程调试等等，而且该款芯片具有较宽的工作温度范围和较强的抗干扰能力，适合应用于工业控制领域。
2.功能实现
2.1.IEEE1588对时原理
本发明介绍的测控装置和站控层设备采用双百兆以太网进行通信，本发明介绍的IEEE1588对时的通信链路采用以太网通信方式，不需要增加新的对时接口。
IEEE1588对时原理如图2所示。在进行时钟同步时，首先由变电站的系统主时钟以多播形式周期性发出时间同步报文(简称为Sync)。对时从终端设备(如测控装置)接收到上述的时间同步报文后，准确记录下接收时间。主时钟在同步报文后发出一个跟随报文(Follow_up)，该报文含有一个时间戳，该时间戳准确地记录了同步报文发出的真实时间。如图2所示，主时钟在t1时，发出同步报文。从时钟在本侧时间t2接收到该报文。如果主从时钟之间存在时间偏差为Offset，同步报文的传输延时为Delay。则：
t2-t1＝Delay+Offset    (1)
从终端在接收到同步报文后，向主时钟发出一个延迟请求报文(Delay_Req)。从终端会准确记录延迟请求报文的发出时间t3，接收方(主时钟)会准确记录接收时间t4，并发回包含准确接收时间t4的延迟响应报文(Delay_Resp)。假设网络传输延时基本不变，则：
t4-t3＝Delay-Offset    (2)
利用(1)、(2)式可以计算出主从时钟之间Delay和Offset：
Delay＝((t2-t1)+(t4-t3))/2    (3)
Offset＝((t2-t1)-(t4-t3))/2   (4)
从时钟获得时间偏差Offset后，即可以修正自己的时间，使时钟和主时钟同步。
2.2.测控装置1588功能的实现
测控装置以太网通信模块按照2.1节介绍的方法和变电站自动化系统的主时钟进行对时，将自己的时间和主时钟同步。以太网通信模块对IEEE1588协议的处理和对时任务的处理采用中断方式，并在以太网的驱动层实现，这样可以保证处理器对网络1588对时报文及时响应，保证模块时钟的准确。同时该模块采用高精度温补晶振，使其在长时间收不到网络1588报文时仍然保证通信模块自己的时间准确。
本发明以太网通信模块采用美国Freescale公司的MCF52235处理器，其为主频达60MHz，采用精简指令集(RISC)，其芯片内部集成了一个高速以太网控制器(FEC)和一个以太网收发器(EPHY)。以太网控制器收到以太网报文后产生接收中断。MCF52235的中央处理器收到该中断后可以通过内部总线读取接收报文，速度非常快，要远快于一般的以太网控制器和中央处理器在不同的芯片实现的方案。以太网处理器对以太网IEEE1588对时报文采用中断方式处理，并在以太网的驱动层直接对对时报文进行处理，保证对时报文处理的快速及时。MCF52235处理器内部具有四个32位定时器，每个定时器还可以在预定的时间触发一个具有高速输出功能的管脚的电平变化。装置将该管脚设计为“秒脉冲”信号。模块根据自己的经过精确同步后的内部时钟，在整秒时刻触发“秒脉冲”电平变化，输出“秒脉冲”至测控模块。网络通信模块同时通过CAN网输出具体的年、月、日、时、分、秒、等时间信息至测控模块。
测控模块通过两路CAN网分别和两个网络通信模块通信，接收具体的对时报文，同时通过中断方式接收网络通信模块发出的“秒脉冲”信号，进行准确的时间同步。当两路网络通信模块都正常时，测控模块只认其中一个通信模块的对时“秒脉冲”和CAN网对时报文，进行时间同步。如果该模块对应的通道发生异常情况，测控模块自动切换到另一通信模块进行时钟同步。如果两个通道都发生异常，装置不能进行以太网通信，装置可以根据自己的高精度温补晶振进行守时。
测控模块还提供两路高速串口分别和两个网络通信模块通信，进行常规的数据交换。
2.3其它功能的实现
测控装置出来完成精确对时功能外，还需要完成以太网通信功能、常规测控功能和人机接口功能。
装置采用两路百兆以太网和变电站站控层设备进行通信。装置的每个以太网通信模块负责一路以太网通信，互为备用，形成冗余。
测控模块中含有交流量处理子模块，包括隔离变换模块、信号调理模块、模/数转换模块。电压、电流等交流信号经过互感器隔离保护为交流小信号，然后经过信号调理、滤波处理，再进行采样保持和模/数转换成为数字信号，测控模块的DSP处理器对数字信号进行计算。
测控模块中的状态量信号采集处理子模块，采用光耦隔离技术，将输入的状态量信号转换为数字信号，然后DSP处理器对其进行采集，分析。
测控模块中的控制输出子模块，采用光耦隔离和继电器隔离技术，确保输出功能的可靠执行。
测控模块中的人机接口部分采用128×128点阵式液晶、微动开关式键盘和LED指示灯，人机接口部分通过并行总线和DSP处理器相连。
采用该实用新型介绍的方法，变电站测控装置不需要接入专门的对时信号，不需要增加额外的硬件开销，只需应用以太网通信网络即可实现精确对时，对时精度可达100微秒以内，满足了变电站自动化系统的要求。该方法减少了变电站现场专门的对时信号电缆，简化了变电站的设计和施工。
上述实施例不以任何形式限制本实用新型，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1、一种可实现IEEE1588对时功能的变电站测控装置，包括处理测控功能的测控模块和两个具有IEEE1588对时协议处理功能的以太网通信模块，其特征在于：
所述的测控模块包括一片测控DSP以及用于完成状态量采集的状态量采集电路、用于交流量采样计算的交流采样电路、用于控制输出的控制出口输出电路、用于人机接口的人机接口电路；
所述的状态量采集电路、交流采样电路、控制出口输出电路、人机接口电路通过并行数据总线和测控DSP直接相连；
所述的测控模块与每个以太网通信模块之间设置：1)“秒”脉冲信号线，用于以太网通信模块向测控模块输出“秒”脉冲对时信号；2)高速CAN网通信线，用于以太网通信模块向测控模块发送具体的时间信息；3)高速异步串行口通信线，用于进行通信模块和测控模块之间常规的数据通信。
2、根据权利要求1所述的可实现IEEE1588对时功能的变电站测控装置，其特征在于：所述的测控DSP采用32位150MPS高速工业级DSP，并且芯片集成CAN网接口和至少两路异步串行通信接口。
3、根据权利要求1或2所述的可实现IEEE1588对时功能的变电站测控装置，其特征在于：所述的以太网通信模块为32位60MHz的高性能处理芯片，芯片内部集成一个高速以太网控制器和以太网收发器。
4、根据权利要求3所述的可实现IEEE1588对时功能的变电站测控装置，其特征在于：所述的以太网通信模块的处理芯片内部集成了多个32位定时器，每个定时器具有一个高速输出口，该高速输出口可以按照预定的设置，当定时器达到某一数值时输出一个脉冲信号。
5、根据权利要求3所述的可实现IEEE1588对时功能的变电站测控装置，其特征在于：所述的以太网通信模块的高性能处理芯片内部集成至少一个CAN网接口和一路异步串行通信接口。
6、根据权利要求1或2所述的可实现IEEE1588对时功能的变电站测控装置，其特征在于：所述的以太网通信模块采用高精度温补晶振。
7、根据权利要求1或2所述的可实现IEEE1588对时功能的变电站测控装置，其特征在于：与所述以太网通信模块相通信的以太网为双百兆以太网。
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