CN201812153U - 数字化变电站精确对时装置 - Google Patents

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张绍娟
董锁英
郑金芝
潘霄鹏
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Abstract

本实用新型公开了一种数字化变电站精确对时装置，包括接收单元、时钟单元、内部守时单元和输出单元，接收单元和内部守时单元分别与时钟单元连接，时钟单元的输出端与输出单元连接。本实用新型接口丰富，既能适用于智能设备又能用于常规设备的精确对时，解决了数字化变电站各层设备的时钟同步问题，使时钟同步精度达到亚微秒级，大大降低了站内数据的传送误差，保证了电力系统的安全运行。

Description

数字化变电站精确对时装置
技术领域
本实用新型涉及一种电力系统的对时装置，特别是一种应用于数字化变电站的精确对时装置。
背景技术
随着基于IEC61850标准建设的数字化变电站的大范围陆续投运，电子式电压电流互感器、智能就地单元以及合并单元将广泛应用于变电站中。同一个合并单元的电子互感器、不同间隔的合并单元之间必须基于精确统一的时间基准，才能保证采集数据的准确性、可靠性和有效性，从而为变电站控制中心提供准确的操作依据，保证电力系统的安全、稳定、经济运行。
目前，我国电力系统广泛采用全球定位系统(global positioning system，GPS)同步设备，通过硬接线利用脉冲信号进行对时，其输出的秒脉冲统计误差为1μs，能够满足许多应用领域对同步时钟的要求。但是，随着变电站数字化的发展趋势，变电站内的二次硬接线已被光纤通信网络所取代。针对变电站一体化通信网络和更高的同步精度要求，IEC 61850标准引入了简单网络时间协议(simplenetwork time protocol，SNTP)作为网络对时协议。在一定的网络结构下，SNTP对时精度可达T1等级(1ms)，广域网内误差范围为10～100ms。对于过程层设备，需要实时传输采样值信息和跳闸信息，IEC61850标准要求达到μs级的同步精度。
IEC61588是关于网络测量和控制系统的精密时间协议(precision timeprotocol，PTP)标准，其网络对时精度可达亚微妙级，能满足IEC61850对采样值同步精度的要求。IEEE1588定义的各种类型的同步报文均是基于UDP/IP协议发送的，适用于数字化变电站的通信网络。
中国专利200910034664.9公开了一种数字化变电站对时装置，包括核心处理模块以及与核心处理模块相通信的PTP事件处理模块、以太网通信接口模块、串行通信接口模块和开关量输入输出模块，其核心处理模块的主控芯片为中央处理器AT91RM9200，该专利是在IEEE1588标准的基础上实现了数字化变电站设备的时钟同步的基本要求。但是由于其基准源的采集较不稳定，并且只有单一的一种对时方式，一旦基准源不稳定或者对时模块出现故障，该装置便不能运行，影响整个数字化变电站的运行。另外由于该装置的通信输出接口较少，只有单一的串行接口，因此不能适应数字化变电站内各层设备的时钟同步要求以及不同接口形式的需求。
实用新型内容
本实用新型需要解决的技术问题是提供一种能够适应数字化变电站各层设备同步精度要求的精确对时装置。
为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：
数字化变电站精确对时装置，基于变电站通信网络和系统协议IEC-61850标准，包括接收单元、时钟单元、内部守时单元和输出单元；用于接收外部时钟基准源信号的接收单元和输出内部守时信号的内部守时单元分别连接按照优先级顺序及信号源状态自动选择最佳外部基准源信号的时钟单元，时钟单元的输出端连接具有多种介质接口的输出单元。
本实用新型所述接收单元的改进在于：接收单元包括用于接收GPS卫星信号并输出数据流及1PPS脉冲信号的GPS接收模块和用于接收北斗卫星信号并输出数据流及1PPS信号的北斗信号接收模块。所述GPS接收模块和北斗信号接收模块输出的信号作为时钟单元互为备用的基准源，当其中一个基准源无效时，自动切换到另一个基准信号源。
本实用新型所述输出单元的改进在于：输出单元包括用于输出IRIG-B码的RS422/光纤接口和用于输出PTP同步报文以及SNTP同步报文的TX/FX接口。RS422/光纤接口和TX/FX接口的数量可根据数字化变电站内的各层设备需求进行扩展。
本实用新型所述时钟单元的改进在于：时钟单元包括用于判断外部时钟基准源信号状态并按照优先级顺序自动选择最佳基准源的时钟基准源选择模块，以及分别与时钟基准源选择模块输出端连接的IRIG-B码发生器、IEC61588时钟模块和SNTP时钟模块。当GPS信号和北斗信号均有效时，基准源选择模块按照优先级顺序及基准源信号状态自动选择最佳的外部时间基准信号作为同步源，将时钟牵引入跟踪锁定状态，并补偿传输延时，然后将数据流及1PPS脉冲信号提供给IRIG-B码发生器、IEC61588时钟模块和SNTP时钟模块。
上述在于IRIG-B码发生器的改进在于：用于接收时钟基准源选择模块输出的数据流及1PPS脉冲信号的IRIG-B码发生器包括直流B码产生电路和直流码到交流码转换电路，直流B码产生电路和直流码到交流码转换电路的输出端分别与输出单元的RS422/光纤接口连接。直流B码产生电路用于产生直流B码；直流码到交流码转换电路采用直流IRIG-B码对标准1kHz正弦波载频进行幅度调制后，得到IRIG-B交流码，便于标准同步时间码的传递。
本实用新型所述IEC61588时钟模块的改进在于：所述发送PTP同步报文并响应延迟申请报文的IEC61588时钟模块包括时标模块和执行模块，执行模块的输出端与输出单元的TX/FX接口连接。IEC61588时钟模块通过执行模块进行PTP事件处理，完成IEC61588PTP协议，并在时标单元的配合下，在物理层加盖时间信息，发送PTP同步报文并响应延迟申请报文，计算时间偏差，向网络发送同步报文，实现全站精确对时。
本实用新型时钟单元的SNTP时钟模块发送并接收SNTP同步报文，实现SNTP网络授时。本实用新型所述接收单元在能够接收到GPS/北斗基准信号时，装置的内部守时单元被外部时间基准信号同步；当接收单元失去外部基准信号时，装置自动切换到内部守时保持状态，由内部守时单元继续提供高精度时间信号供装置运行；当外部时间基准信号恢复后，自动结束保持状态并快速切换到正常跟踪锁定状态。
由于采用了上述技术方案，本实用新型所取得的技术进步在于：
本实用新型针对数字化变电站的应用要求，既能满足IEC 61850标准的SNTP对时协议，又能满足IEC61588标准的PTP对时协议的精确对时要求。本实用新型采用模块化设计，可灵活配置，易于扩展、方便维护，可通过接收单元接收精确的同步时钟源信号，并将标准时间信号通过双绞线或光纤以太网传送给数字化变电站各层及各间隔设备，将整个变电站内的时钟统一为该装置输出的基准时钟信号；采用IEC61588精密时间协议，在时标模块的配合下，时标的测量精确到报文从PHY层发出的时刻，完全消除了报文在硬件内部的接收、解码和传输的时延，同步精确度可达亚微秒级，大大降低了站内数据的传送误差，保证了电力系统的安全运行。装置内设置的IRIG-B码发生器，采用RS422/光纤接口方式输出的同步信号具有时间精度高、网络校时方便和成本低的特点，能满足变电站各种通信介质的不同接口需求，且不需要上位机的参与，提高了授时的可靠性，大大降低了成本。
本实用新型的接收模块采用GPS和北斗双信号作为外部互为备用的两种时钟基准源，起到了双重接收的作用，保证了装置信号的接收；增设的内部守时单元作为备用模块，在GPS信号和/或北斗信号均受干扰不可用情况下，自动进入保持状态，为站内各层设备提供高精度频率和时间信号，保证了装置的持续运行。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步详细说明：
数字化变电站精确对时装置如图1所示，包括接收单元、时钟单元、内部守时单元和输出单元。
接收单元包括GPS接收模块和北斗信号接收模块，GPS接收模块用于接收外部基准源GPS信号并输出数据流及1PPS脉冲信号，北斗信号接收模块用于接收北斗授时源信号并输出数据流及1PPS脉冲信号，GPS接收模块和北斗信号接收模块为时钟单元互为备用的基准源。GPS/北斗接收模块主要由天线、馈线、接收器、信号调理电路和保护电路构成。
输出单元包括RS422/光纤接口和双绞线TX/FX接口，IRIG-B码可以通过RS422/光纤接口传送给变电站内其它设备，IEC61588同步报文和SNTP同步报文通过TX/FX接口或光纤接口接入以太网，实现金站精确对时。输出单元同时输出并显示时间信号及各种状态信号。
时钟单元由时钟基准源选择模块、IRIG-B码发生器、IEC61588时钟模块和SNTP时钟模块组成。基准源选择模块按照优先级顺序及基准源信号状态自动选择最佳的外部时间基准信号作为同步源，并将数据流及1PPS脉冲信号提供给IRIG-B码发生器、IEC61588时钟模块和SNTP时钟模块。
IRIG-B码发生器包括直流B码产生电路和直流码到交流码转换电路，直流B码产生电路和直流码到交流码转换电路的输出端分别与输出单元的RS422/光纤接口连接。直流B码产生电路采用高性能FPGA作为控制器，进行IRIG-B直流码的编码；直流码到交流码转换电路在直流码的基础上对标准1kHz正弦波载频进行幅度调制，得到IRIG-B交流码，便于标准同步时间码的传递。
IEC61588时钟模块包括时标模块和执行模块，执行模块的输出端与输出单元的TX/FX接口连接。其中时标模块实现时钟校正、传送时间戳等功能；IEC61588时钟模块通过执行模块进行PTP事件处理，实现IEC61588PTP协议，并在时标模块的配合下，在物理层加盖时间信息，发送PTP同步报文并响应延迟申请报文，计算时间偏差，向网络发送同步报文，实现金站精确对时。
SNTP时钟模块实现SNTP时钟服务器，发送并接收SNTP同步报文，实现SNTP网络授时。
内部守时单元接收外部时钟基准信号，当外部时钟基准信号有效时被外部时间基准信号所同步；当失去外部基准信号时，自动切换到内部守时保持状态，继续为时钟单元提供高精度时间信号。当外部时间基准信号恢复后，自动结束保持状态并快速切换到正常跟踪锁定状态。

Claims (6)

1.数字化变电站精确对时装置，其特征在于：包括接收单元、时钟单元、内部守时单元和输出单元；用于接收外部时钟基准源信号的接收单元和输出内部守时信号的内部守时单元分别连接按照优先级顺序及信号源状态自动选择最佳外部基准源信号的时钟单元，时钟单元的输出端连接具有多种介质接口的输出单元。
2.根据权利要求1所述的数字化变电站精确对时装置，其特征在于：所述接收单元包括用于接收GPS卫星信号并输出数据流及1PPS脉冲信号的GPS接收模块和用于接收北斗卫星信号并输出数据流及1PPS信号的北斗信号接收模块。
3.根据权利要求1所述的数字化变电站精确对时装置，其特征在于：所述输出单元包括用于输出IRIG-B码的RS422/光纤接口和用于输出PTP同步报文以及SNTP同步报文的TX/FX接口。
4.根据权利要求1所述的数字化变电站精确对时装置，其特征在于：所述时钟单元包括用于判断外部时钟基准源信号状态并按照优先级顺序自动选择最佳基准源的时钟基准源选择模块，以及分别与时钟基准源选择模块输出端连接的IRIG-B码发生器、IEC61588时钟模块和SNTP时钟模块。
5.根据权利要求4所述的数字化变电站精确对时装置，其特征在于：所述用于接收时钟基准源选择模块输出的数据流及1PPS脉冲信号的IRIG-B码发生器包括直流B码产生电路和直流码到交流码转换电路，直流B码产生电路和直流码到交流码转换电路的输出端分别与输出单元的RS422/光纤接口连接。
6.根据权利要求4所述的数字化变电站精确对时装置，其特征在于：所述发送PTP同步报文并响应延迟申请报文的IEC61588时钟模块包括时标模块和执行模块，执行模块的输出端与输出单元的TX/FX接口连接。
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