一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置及檢測方法
【專利摘要】一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置及檢測方法，將裝置部分的現(xiàn)場可編程門陣列模塊與外部時鐘源模塊及頻率補(bǔ)償電路點對點的直通方式電路連接，輸入輸出串口和同步檢測數(shù)據(jù)下載接口則將外部時鐘源模塊與頻率補(bǔ)償電路的時間戳在應(yīng)用軟件的輔助下打印測試數(shù)據(jù)，然后分別對其秒值部分、納秒值部分和同步性能進(jìn)行檢測，本發(fā)明將軟、硬件結(jié)合，并在硬件平臺上對該方案進(jìn)行了仿真和測試，通過計算比較時間戳對時鐘同步精度進(jìn)行有效的檢測，且本發(fā)明能夠滿足智能化變電站的標(biāo)準(zhǔn)對時間同步精度檢測的要求，其精度可達(dá)到亞微秒甚至是納秒級，本發(fā)明適用于各種智能化變電站的用于將其網(wǎng)絡(luò)精確時間同步領(lǐng)域。
【專利說明】一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置及檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種變電站用數(shù)據(jù)檢測裝置，尤其涉及一種應(yīng)用于智能化變電站的用于將其網(wǎng)絡(luò)精確時間同步裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，隨著中國的現(xiàn)代化建設(shè)的迅速發(fā)展，其智能電網(wǎng)建設(shè)也緊隨步伐的配套完善，智能電網(wǎng)建設(shè)包含發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度6個環(huán)節(jié)，而變電站是其中的重要節(jié)點之一。
[0003]國內(nèi)現(xiàn)有的變電站早已不是舊式變電站，而是基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的變電站，統(tǒng)稱為數(shù)字化變電站，智能電網(wǎng)建設(shè)為變電站的發(fā)展提出了新的要求，即將智能電網(wǎng)的核心功能與數(shù)字化變電站相融合，形成智能化變電站的概念。
[0004]所謂智能化變電站，就是采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備，一圈站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護(hù)、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能的變電站。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)不同的目的、要求定義了不同級別的時鐘同步精度，其中故障定位精度為300m，則電子式電流互感器和點知識電壓互感器用智能電子設(shè)備是同步精度必須達(dá)到I U s才能滿足要求。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)下的智能化變電站內(nèi)的時鐘同步技術(shù)曾廣泛使用到了 GPS同步、編碼同步和簡單網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議(以下簡稱SNTP同步)，但經(jīng)過使用，這3種同步協(xié)議均存在有不少缺陷，其具體如下:
[0006]I) GSP時鐘誤差。在實際應(yīng)用中GPS接收機(jī)產(chǎn)生的GPS時鐘信號(秒脈沖或IRIG-B碼準(zhǔn)秒時刻)的精度和穩(wěn)定性難以一直保持在一種很好的狀態(tài)下。在衛(wèi)星失鎖或衛(wèi)星時鐘實驗跳變的情況下GPS時鐘誤差甚至達(dá)上百毫秒這樣的偏差顯然達(dá)不到同步采樣所需的精度要求。同時合并單元的GPS處理模塊是從GPS時鐘網(wǎng)絡(luò)中獲取時鐘信號從而進(jìn)行采樣時鐘同步的GPS時鐘網(wǎng)絡(luò)難免會遇到外部干擾。因此在GPS接收機(jī)輸出的時鐘誤差比較大或時鐘網(wǎng)絡(luò)受到干擾時必須采取補(bǔ)救措施以滿足同步采樣的精度要求。
[0007]2)GPS時鐘與第I個同步采樣時鐘之間的時間誤差。從檢測到GPS時鐘到第I個采樣時鐘的產(chǎn)生有一定的延時其主要由硬件處理速度決定。
[0008]3)GPS時鐘的晶振頻率的誤差。同步采樣時鐘是由晶振直接分頻得到的但晶振本身的頻率與它的標(biāo)稱頻率間有一定誤差從而造成分頻出來的采樣時鐘與理想狀態(tài)下需要的采樣時鐘之間的誤差且該誤差隨著時間不斷累加。
[0009]4) GPS在變電站自動化系統(tǒng)中應(yīng)用上還存在有兼容上不足的問題；
[0010]5 )編碼同步編碼同步要占用專門的傳輸通道；
[0011]6)SNTP同步的精度不夠，由于SNTP主要通過交換時間服務(wù)器和客戶端的時間戳，計算出客戶端相對于服務(wù)器的時延和偏差，從而實現(xiàn)時間同步的，這樣同步問題的關(guān)鍵就是如何獲得對時間偏移量的準(zhǔn)確估計，故SNTP協(xié)議無法達(dá)到過程總線采樣值微秒級的同步要求。
[0012]綜上所述，上述3種同步協(xié)議方法都存在缺陷，GPS同步雖然標(biāo)稱精度可以達(dá)到
IU S但受環(huán)境天氣的影響較大很難時刻保持很高的精度，編碼同步要占用專門的傳輸通道傳輸距離有限傳輸距離越長則精度越差，而SNTP同步在目前時間同步系統(tǒng)中雖然不存在前2種方式的局限但是由于以太網(wǎng)傳輸過程中存在延時的不確定性(例如交換機(jī)交換延時、設(shè)備響應(yīng)時間同步報文延時等)精度不能滿足電力系統(tǒng)所有的業(yè)務(wù)需求據(jù)調(diào)研目前的NTP和SNTP在局域網(wǎng)中可以達(dá)到Ims的精度，在廣域網(wǎng)中只能達(dá)到幾十毫秒的精度的要求。
[0013]在2002年國家電網(wǎng)引入了 IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于智能化變電站的內(nèi)通信設(shè)備的時鐘同步。IEEE1588定義了一種分布式測量和控制系統(tǒng)的精密時間協(xié)議PTP，其網(wǎng)絡(luò)對視精度可達(dá)U s級，且具有高精度的分布式網(wǎng)絡(luò)對時的特點，另外IEEE1588精確時鐘同步協(xié)議能夠達(dá)到亞微秒級的同步精度，而且完全能滿足IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對時間同步精度的要求。因此，對IEEE1588在智能化變電站中的時鐘同步檢測工作也具有相當(dāng)重要的意義。
[0014]目前尚無對IEEE1588精確時鐘同步協(xié)議的時鐘同步檢測裝置及檢測方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]為了解決現(xiàn)有技術(shù)下的IEEE1588精確時鐘同步協(xié)議尚無時鐘同步檢測裝置及檢測方法的問題，本發(fā)明提供了一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置，對IEEE1588精確時鐘同步協(xié)議實現(xiàn)的硬件部分進(jìn)行了分析研究，對IEEE1588精確時鐘同步協(xié)議進(jìn)行精確檢測，本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)和方法如下所述:
[0016]一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置，包括現(xiàn)場可編程門陣列模塊，其特征在于:
[0017]所述的現(xiàn)場可編程門陣列模塊其上部連接一外部時鐘源模塊；
[0018]所述的現(xiàn)場可編程門陣列模塊其一側(cè)通過物理層連接模塊與電源電路連接；
[0019]所述的現(xiàn)場可編程門陣列模塊其一側(cè)設(shè)置有用于該硬件平臺與計算機(jī)之間的通信的輸入輸出串口和同步檢測數(shù)據(jù)下載接口；
[0020]計算機(jī)可以通過串口讀取測試數(shù)據(jù)，并在相關(guān)應(yīng)用軟件的輔助下將數(shù)據(jù)打印出來。
[0021]所述的現(xiàn)場可編程門陣列模塊的下側(cè)設(shè)置有現(xiàn)場可編程門陣列配置單元模塊、高速存儲器和FLASH存儲器；
[0022]所述的現(xiàn)場可編程門陣列模塊其另一側(cè)連接設(shè)置有一頻率補(bǔ)償電路。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置，其特征在于，所述的高速存儲器的容量為2M字節(jié)，用來存儲封裝時鐘包時要用到的信息。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置，其特征在于，所述的FLASH存儲器其具體為一型28F128的128M的FLASH存儲器。
[0025]FLASH存儲器的使用使得程序的調(diào)試和擦寫方便，它還可以作為程序運(yùn)行過程中需要記錄下來的技術(shù)參數(shù)，已備突然掉電數(shù)據(jù)不丟失。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置，其特征在于，所述的頻率補(bǔ)償電路包括中央處理模塊、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器、本地時鐘模塊和時鐘管腳，其中本地時鐘模塊的一端通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器與中央處理模塊連接，該中央處理模塊再與現(xiàn)場可編程門陣列模塊連接，而本地時鐘模塊的另一端則通過時鐘管腳與現(xiàn)場可編程門陣列模塊連接。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的一種智能化變電站用時鐘同步檢測方法，基于上述的一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置，其具體步驟如下所述:
[0028]I)將上述的一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置的現(xiàn)場可編程門陣列模塊與外部時鐘源模塊及頻率補(bǔ)償電路點對點的直通方式電路連接，輸入輸出串口和同步檢測數(shù)據(jù)下載接口則將外部時鐘源模塊與頻率補(bǔ)償電路的時間戳在應(yīng)用軟件的輔助下打印測試數(shù)據(jù)；
[0029]2)將其結(jié)果進(jìn)行秒值部分比較，設(shè)時間戳t2，t3的秒值部分是本地時鐘的秒值，時間戳tl，t4的秒值部分是主時鐘的秒值，如t2，t3和tl，t4的秒值相差較大則說明外部時鐘源模塊與頻率補(bǔ)償電路的秒值相差比較大。
[0030]3)將其結(jié)果進(jìn)行納秒值部分比較:因為該測試系統(tǒng)是直通方式，不用計算糾正域的值，所以整理得到:offset=(t2+t3-tl-t4)/2，其中tl, t2，t3，t4都取高速存儲器和FLASH存儲器中的納秒值部分，如計算結(jié)果為負(fù)數(shù)，則說明外部時鐘源模塊與頻率補(bǔ)償電路的秒值相差比較大。
[0031]4)檢測同步性能，每隔Ims測量一次外部時鐘源模塊與頻率補(bǔ)償電路的時間偏差，根據(jù)長時間的測量數(shù)據(jù)得出該同步方案的離散曲線圖，截取從時鐘開始鎖定后的200個點得到的結(jié)果，如外部時鐘源模塊與頻率補(bǔ)償電路偏差總是在-60ns?+40ns這個范圍內(nèi)，則此性能能夠滿足智能化變電站用時鐘同步精度的要求，超出該范圍則不滿足。
[0032]5)通過對步驟2)、3)和4)所獲數(shù)據(jù)比較，最終判定時鐘同步系統(tǒng)的同步性能。
[0033]使用本發(fā)明的本發(fā)明的一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置獲得了如下有益效果:
[0034]1.本發(fā)明的一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置及檢測方法，將軟、硬件結(jié)合，并在硬件平臺上對該方案進(jìn)行了仿真和測試，通過計算比較時間戳對時鐘同步精度進(jìn)行有效的檢測，為后續(xù)硬件設(shè)計提供了依據(jù)。
[0035]2.本發(fā)明提供了一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置及檢測方法，能夠滿足智能化變電站的標(biāo)準(zhǔn)對時間同步精度檢測的要求，其精度可達(dá)到亞微秒甚至是納秒級，同時，可通過本方法對采用頻率補(bǔ)償時鐘的方法對地時鐘狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，并仿真驗證了可行性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1為本發(fā)明的一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置的硬件裝置部分的具體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖2為本發(fā)明的一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置的檢測同步性能時的離散曲線圖。
[0038]圖中:1.現(xiàn)場可編程門陣列模塊，2-外部時鐘源模塊，3-物理層連接模塊，4-輸入輸出串口，5-同步檢測數(shù)據(jù)下載接口，6-現(xiàn)場可編程門陣列配置單元模塊，7-高速存儲器，8-FLASH存儲器，A-頻率補(bǔ)償電路，Al-中央處理模塊，A2-數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，A3-本地時鐘模塊，A4-時鐘管腳?！揪唧w實施方式】
[0039]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置做進(jìn)一步的描述。
[0040]實施例
[0041]如圖1所示，一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置，包括現(xiàn)場可編程門陣列模塊1，其特征在于:
[0042]所述的現(xiàn)場可編程門陣列模塊I其上部連接一外部時鐘源模塊2 ；
[0043]所述的現(xiàn)場可編程門陣列模塊I其一側(cè)通過物理層連接模塊3與電源電路連接；
[0044]所述的現(xiàn)場可編程門陣列模塊I其一側(cè)設(shè)置有用于該硬件平臺與計算機(jī)之間的通信的輸入輸出串口 4和同步檢測數(shù)據(jù)下載接口 5 ；
[0045]計算機(jī)可以通過串口讀取測試數(shù)據(jù)，并在相關(guān)應(yīng)用軟件的輔助下將數(shù)據(jù)打印出來。
[0046]所述的現(xiàn)場可編程門陣列模塊I的下側(cè)設(shè)置有現(xiàn)場可編程門陣列配置單元模塊
6、高速存儲器7和FLASH存儲器8 ；
[0047]所述的現(xiàn)場可編程門陣列模塊I其另一側(cè)連接設(shè)置有一頻率補(bǔ)償電路A。
[0048]根據(jù)本發(fā)明的一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置，其特征在于，所述的高速存儲器7的容量為2M字節(jié)，用來存儲封裝時鐘包時要用到的信息。
[0049]根據(jù)本發(fā)明的一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置，其特征在于，所述的FLASH存儲器8其具體為一型28F128的128M的FLASH存儲器。
[0050]FLASH存儲器的使用使得程序的調(diào)試和擦寫方便，它還可以作為程序運(yùn)行過程中需要記錄下來的技術(shù)參數(shù)，已備突然掉電數(shù)據(jù)不丟失。
[0051]根據(jù)本發(fā)明的一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置，其特征在于，所述的頻率補(bǔ)償電路A包括中央處理模塊Al、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器A2、本地時鐘模塊A3和時鐘管腳A4，其中本地時鐘模塊的一端通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器與中央處理模塊連接，該中央處理模塊再與現(xiàn)場可編程門陣列模塊I連接，而本地時鐘模塊的另一端則通過時鐘管腳與現(xiàn)場可編程門陣列模塊I連接。
[0052]一種智能化變電站用時鐘同步檢測方法，基于上述的一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置，其具體步驟如下所述:
[0053]I)將上述的一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置的現(xiàn)場可編程門陣列模塊I與外部時鐘源模塊2及頻率補(bǔ)償電路A點對點的直通方式電路連接，輸入輸出串口 4和同步檢測數(shù)據(jù)下載接口 5則將外部時鐘源模塊與頻率補(bǔ)償電路的時間戳在應(yīng)用軟件的輔助下打印測試數(shù)據(jù)；
[0054]2)將其結(jié)果進(jìn)行秒值部分比較，設(shè)時間戳t2，t3的秒值部分是本地時鐘的秒值，時間戳tl，t4的秒值部分是主時鐘的秒值，如t2，t3和tl，t4的秒值相差較大則說明外部時鐘源模塊2與頻率補(bǔ)償電路A的秒值相差比較大。
[0055]3)將其結(jié)果進(jìn)行納秒值部分比較:因為該測試系統(tǒng)是直通方式，不用計算糾正域的值，所以整理得到:offset=(t2+t3-tl-t4)/2，其中tl, t2，t3，t4都取高速存儲器7和FLASH存儲器8中的納秒值部分，如計算結(jié)果為負(fù)數(shù)，則說明外部時鐘源模塊2與頻率補(bǔ)償電路A的秒值相差比較大。[0056]4.如圖2所示，檢測同步性能，每隔Ims測量一次外部時鐘源模塊2與頻率補(bǔ)償電路A的時間偏差，根據(jù)長時間的測量數(shù)據(jù)得出該同步方案的離散曲線圖，截取從時鐘開始鎖定后的200個點得到的結(jié)果，如外部時鐘源模塊與頻率補(bǔ)償電路偏差總是在-60ns?+40ns這個范圍內(nèi)，則此性能能夠滿足智能化變電站用時鐘同步精度的要求，超出該范圍則不滿足。
[0057]5)通過對步驟2)、3)和4)所獲數(shù)據(jù)比較，最終判定時鐘同步系統(tǒng)的同步性能。
[0058]本發(fā)明的一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置，將軟、硬件結(jié)合，并在硬件平臺上對該方案進(jìn)行了仿真和測試，通過計算比較時間戳對時鐘同步精度進(jìn)行有效的檢測，為后續(xù)硬件設(shè)計提供了依據(jù)，且本發(fā)明能夠滿足智能化變電站的標(biāo)準(zhǔn)對時間同步精度檢測的要求，其精度可達(dá)到亞微秒甚至是納秒級，同時，可通過本方法對采用頻率補(bǔ)償時鐘的方法對地時鐘狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，并仿真驗證了可行性。有效的解決了基于IEC61850的智能化變電站時鐘同步系統(tǒng)的檢測問題，滿足了 IEC61850規(guī)約對時鐘同步精度的要求。本發(fā)明適用于各種智能化變電站的用于將其網(wǎng)絡(luò)精確時間同步領(lǐng)域。
【權(quán)利要求】
1.一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置，包括現(xiàn)場可編程門陣列模塊(1)，其特征在于: 所述的現(xiàn)場可編程門陣列模塊(I)其上部連接一外部時鐘源模塊(2)； 所述的現(xiàn)場可編程門陣列模塊(I)其一側(cè)通過物理層連接模塊(3)與電源電路連接； 所述的現(xiàn)場可編程門陣列模塊(I)其一側(cè)設(shè)置有用于該硬件平臺與計算機(jī)之間的通信的輸入輸出串口(4)和同步檢測數(shù)據(jù)下載接口(5)； 所述的現(xiàn)場可編程門陣列模塊(I)的下側(cè)設(shè)置有現(xiàn)場可編程門陣列配置單元模塊(6)、高速存儲器(7)和FLASH存儲器(8)； 所述的現(xiàn)場可編程門陣列模塊(I)其另一側(cè)連接設(shè)置有一頻率補(bǔ)償電路(A)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置，其特征在于，所述的高速存儲器(7)的容量為2M字節(jié)，用來存儲封裝時鐘包時要用到的信息。
3.如權(quán)利要求1所述的一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置，其特征在于，所述的FLASH存儲器(8)其具體為一型28F128的128M的FLASH存儲器。
4.如權(quán)利要求1所述的一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置，其特征在于，所述的頻率補(bǔ)償電路(A)包括中央處理模塊(Al)、數(shù) 字模擬轉(zhuǎn)換器(A2)、本地時鐘模塊(A3)和時鐘管腳(A4)，其中本地時鐘模塊的一端通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器與中央處理模塊連接，該中央處理模塊再與現(xiàn)場可編程門陣列模塊(I)連接，而本地時鐘模塊的另一端則通過時鐘管腳與現(xiàn)場可編程門陣列模塊連接。
5.一種智能化變電站用時鐘同步檢測方法，基于權(quán)利要求1至權(quán)利要求4所述的一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置，其具體步驟如下所述: 1)將上述的一種智能化變電站用時鐘同步檢測裝置的現(xiàn)場可編程門陣列模塊(I)與外部時鐘源模塊(2)及頻率補(bǔ)償電路(A)點對點的直通方式電路連接，輸入輸出串口(4)和同步檢測數(shù)據(jù)下載接口(5)則將外部時鐘源模塊與頻率補(bǔ)償電路的時間戳在應(yīng)用軟件的輔助下打印測試數(shù)據(jù)； 2)將其結(jié)果進(jìn)行秒值部分比較，設(shè)時間戳t2，t3的秒值部分是本地時鐘的秒值，時間戳tl，t4的秒值部分是主時鐘的秒值，如t2，t3和tl，t4的秒值相差較大則說明外部時鐘源模塊(2)與頻率補(bǔ)償電路(A)的秒值相差比較大。 3)將其結(jié)果進(jìn)行納秒值部分比較:因為該測試系統(tǒng)是直通方式，不用計算糾正域的值，所以整理得到:offset= (t2+t3-tl-t4)/2，其中〖1323334都取高速存儲器(7)和FLASH存儲器(8)中的納秒值部分，如計算結(jié)果為負(fù)數(shù)，則說明外部時鐘源模塊(2)與頻率補(bǔ)償電路(A)的秒值相差比較大。 4)檢測同步性能,每隔Ims測量一次外部時鐘源模塊(2)與頻率補(bǔ)償電路(A)的時間偏差，根據(jù)長時間的測量數(shù)據(jù)得出該同步方案的離散曲線圖，截取從時鐘開始鎖定后的200個點得到的結(jié)果，如外部時鐘源模塊與頻率補(bǔ)償電路偏差總是在-60ns~+40ns這個范圍內(nèi)，則此性能能夠滿足智能化變電站用時鐘同步精度的要求，超出該范圍則不滿足。 5)通過對步驟2)、3)和4)所獲數(shù)據(jù)比較，最終判定時鐘同步系統(tǒng)的同步性能。
【文檔編號】H04L7/00GK103647631SQ201310683253
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】楊勇, 陸永昌 申請人:國網(wǎng)上海市電力公司