專利名稱：數(shù)字化變電站精確對(duì)時(shí)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
數(shù)字化變電站精確對(duì)時(shí)裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及一種電力系統(tǒng)的對(duì)時(shí)裝置，特別是一種應(yīng)用于數(shù)字化變電站的 精確對(duì)時(shí)裝置。
背景技術(shù)：
[0002]隨著基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的數(shù)字化變電站的大范圍陸續(xù)投運(yùn)，電子式電壓電 流互感器、智能就地單元以及合并單元將廣泛應(yīng)用于變電站中。同一個(gè)合并單元的電子 互感器、不同間隔的合并單元之間必須基于精確統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，才能保證采集數(shù)據(jù)的 準(zhǔn)確性、可靠性和有效性，從而為變電站控制中心提供準(zhǔn)確的操作依據(jù)，保證電力系統(tǒng) 的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。[0003]目前，我國電力系統(tǒng)廣泛采用全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)同步設(shè)備，通過硬接線利用脈沖信號(hào)進(jìn)行對(duì)時(shí)，其輸出的秒脈沖統(tǒng)計(jì)誤差為1 μ S，能夠滿 足許多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ν綍r(shí)鐘的要求。但是，隨著變電站數(shù)字化的發(fā)展趨勢(shì)，變電站內(nèi)的 二次硬接線已被光纖通信網(wǎng)絡(luò)所取代。針對(duì)變電站一體化通信網(wǎng)絡(luò)和更高的同步精度要 求，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)引入了簡單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(simplenetwork time protocol，SNTP)作為網(wǎng) 絡(luò)對(duì)時(shí)協(xié)議。在一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，SNTP對(duì)時(shí)精度可達(dá)Tl等級(jí)(1ms)，廣域網(wǎng)內(nèi)誤差 范圍為10 100ms。對(duì)于過程層設(shè)備，需要實(shí)時(shí)傳輸采樣值信息和跳閘信息，IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)要求達(dá)到μs級(jí)的同步精度。[0004]IEC61588是關(guān)于網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)間協(xié)議(precision timeprotocol, PTP)標(biāo)準(zhǔn)，其網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)精度可達(dá)亞微妙級(jí)，能滿足IEC61850對(duì)采樣值同步精度的要求。 IEEE1588定義的各種類型的同步報(bào)文均是基于UDP/IP協(xié)議發(fā)送的，適用于數(shù)字化變電 站的通信網(wǎng)絡(luò)。[0005]中國專利200910034664.9公開了一種數(shù)字化變電站對(duì)時(shí)裝置，包括核心處 理模塊以及與核心處理模塊相通信的PTP事件處理模塊、以太網(wǎng)通信接口模塊、串 行通信接口模塊和開關(guān)量輸入輸出模塊，其核心處理模塊的主控芯片為中央處理器 AT91RM9200,該專利是在IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化變電站設(shè)備的時(shí)鐘同步 的基本要求。但是由于其基準(zhǔn)源的采集較不穩(wěn)定，并且只有單一的一種對(duì)時(shí)方式，一旦 基準(zhǔn)源不穩(wěn)定或者對(duì)時(shí)模塊出現(xiàn)故障，該裝置便不能運(yùn)行，影響整個(gè)數(shù)字化變電站的運(yùn) 行。另外由于該裝置的通信輸出接口較少，只有單一的串行接口，因此不能適應(yīng)數(shù)字化 變電站內(nèi)各層設(shè)備的時(shí)鐘同步要求以及不同接口形式的需求。實(shí)用新型內(nèi)容[0006]本實(shí)用新型需要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠適應(yīng)數(shù)字化變電站各層設(shè)備同 步精度要求的精確對(duì)時(shí)裝置。[0007]為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型所采取的技術(shù)方案是[0008]數(shù)字化變電站精確對(duì)時(shí)裝置，基于變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)協(xié)議IEC-61850標(biāo)準(zhǔn)，包括接收單元、時(shí)鐘單元、內(nèi)部守時(shí)單元和輸出單元；用于接收外部時(shí)鐘基準(zhǔn)源信 號(hào)的接收單元和輸出內(nèi)部守時(shí)信號(hào)的內(nèi)部守時(shí)單元分別連接按照優(yōu)先級(jí)順序及信號(hào)源狀 態(tài)自動(dòng)選擇最佳外部基準(zhǔn)源信號(hào)的時(shí)鐘單元，時(shí)鐘單元的輸出端連接具有多種介質(zhì)接口 的輸出單元。[0009]本實(shí)用新型所述接收單元的改進(jìn)在于接收單元包括用于接收GPS衛(wèi)星信號(hào)并 輸出數(shù)據(jù)流及IPPS脈沖信號(hào)的GPS接收模塊和用于接收北斗衛(wèi)星信號(hào)并輸出數(shù)據(jù)流及 IPPS信號(hào)的北斗信號(hào)接收模塊。所述GPS接收模塊和北斗信號(hào)接收模塊輸出的信號(hào)作 為時(shí)鐘單元互為備用的基準(zhǔn)源，當(dāng)其中一個(gè)基準(zhǔn)源無效時(shí)，自動(dòng)切換到另一個(gè)基準(zhǔn)信號(hào) 源。[0010]本實(shí)用新型所述輸出單元的改進(jìn)在于輸出單元包括用于輸出IRIG-B碼的 RS422/光纖接口和用于輸出PTP同步報(bào)文以及SNTP同步報(bào)文的TX/FX接口。RS422/ 光纖接口和TX/FX接口的數(shù)量可根據(jù)數(shù)字化變電站內(nèi)的各層設(shè)備需求進(jìn)行擴(kuò)展。[0011]本實(shí)用新型所述時(shí)鐘單元的改進(jìn)在于時(shí)鐘單元包括用于判斷外部時(shí)鐘基準(zhǔn)源 信號(hào)狀態(tài)并按照優(yōu)先級(jí)順序自動(dòng)選擇最佳基準(zhǔn)源的時(shí)鐘基準(zhǔn)源選擇模塊，以及分別與時(shí) 鐘基準(zhǔn)源選擇模塊輸出端連接的IRIG-B碼發(fā)生器、IEC61588時(shí)鐘模塊和SNTP時(shí)鐘模 塊。當(dāng)GPS信號(hào)和北斗信號(hào)均有效時(shí)，基準(zhǔn)源選擇模塊按照優(yōu)先級(jí)順序及基準(zhǔn)源信號(hào)狀 態(tài)自動(dòng)選擇最佳的外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)作為同步源，將時(shí)鐘牽引入跟蹤鎖定狀態(tài)，并補(bǔ)償 傳輸延時(shí)，然后將數(shù)據(jù)流及IPPS脈沖信號(hào)提供給IRIG-B碼發(fā)生器、IEC61588時(shí)鐘模塊 和SNTP時(shí)鐘模塊。[0012]上述在于IRIG-B碼發(fā)生器的改進(jìn)在于用于接收時(shí)鐘基準(zhǔn)源選擇模塊輸出的數(shù) 據(jù)流及IPPS脈沖信號(hào)的IRIG-B碼發(fā)生器包括直流B碼產(chǎn)生電路和直流碼到交流碼轉(zhuǎn)換 電路，直流B碼產(chǎn)生電路和直流碼到交流碼轉(zhuǎn)換電路的輸出端分別與輸出單元的RS422/ 光纖接口連接。直流B碼產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生直流B碼；直流碼到交流碼轉(zhuǎn)換電路采用直 流IRIG-B碼對(duì)標(biāo)準(zhǔn)IkHz正弦波載頻進(jìn)行幅度調(diào)制后，得到IRIG-B交流碼，便于標(biāo)準(zhǔn)同 步時(shí)間碼的傳遞。[0013]本實(shí)用新型所述IEC61588時(shí)鐘模塊的改進(jìn)在于所述發(fā)送PTP同步報(bào)文并響 應(yīng)延遲申請(qǐng)報(bào)文的IEC61588時(shí)鐘模塊包括時(shí)標(biāo)模塊和執(zhí)行模塊，執(zhí)行模塊的輸出端與輸 出單元的TX/FX接口連接。IEC61588時(shí)鐘模塊通過執(zhí)行模塊進(jìn)行PTP事件處理，完成 IEC61588PTP協(xié)議，并在時(shí)標(biāo)單元的配合下，在物理層加蓋時(shí)間信息，發(fā)送PTP同步報(bào) 文并響應(yīng)延遲申請(qǐng)報(bào)文，計(jì)算時(shí)間偏差，向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送同步報(bào)文，實(shí)現(xiàn)全站精確對(duì)時(shí)。[0014]本實(shí)用新型時(shí)鐘單元的SNTP時(shí)鐘模塊發(fā)送并接收SNTP同步報(bào)文，實(shí)現(xiàn)SNTP 網(wǎng)絡(luò)授時(shí)。本實(shí)用新型所述接收單元在能夠接收到GPS/北斗基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，裝置的內(nèi)部 守時(shí)單元被外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)同步；當(dāng)接收單元失去外部基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，裝置自動(dòng)切換到 內(nèi)部守時(shí)保持狀態(tài)，由內(nèi)部守時(shí)單元繼續(xù)提供高精度時(shí)間信號(hào)供裝置運(yùn)行；當(dāng)外部時(shí)間 基準(zhǔn)信號(hào)恢復(fù)后，自動(dòng)結(jié)束保持狀態(tài)并快速切換到正常跟蹤鎖定狀態(tài)。[0015]由于采用了上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型所取得的技術(shù)進(jìn)步在于[0016]本實(shí)用新型針對(duì)數(shù)字化變電站的應(yīng)用要求，既能滿足IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的SNTP對(duì) 時(shí)協(xié)議，又能滿足IEC61588標(biāo)準(zhǔn)的PTP對(duì)時(shí)協(xié)議的精確對(duì)時(shí)要求。本實(shí)用新型采用模 塊化設(shè)計(jì)，可靈活配置，易于擴(kuò)展、方便維護(hù)，可通過接收單元接收精確的同步時(shí)鐘源信號(hào)，并將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)通過雙絞線或光纖以太網(wǎng)傳送給數(shù)字化變電站各層及各間隔設(shè) 備，將整個(gè)變電站內(nèi)的時(shí)鐘統(tǒng)一為該裝置輸出的基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)；采用IEC61588精密時(shí)間 協(xié)議，在時(shí)標(biāo)模塊的配合下，時(shí)標(biāo)的測(cè)量精確到報(bào)文從PHY層發(fā)出的時(shí)刻，完全消除了 報(bào)文在硬件內(nèi)部的接收、解碼和傳輸?shù)臅r(shí)延，同步精確度可達(dá)亞微秒級(jí)，大大降低了站 內(nèi)數(shù)據(jù)的傳送誤差，保證了電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。裝置內(nèi)設(shè)置的IRIG-B碼發(fā)生器，采用 RS422/光纖接口方式輸出的同步信號(hào)具有時(shí)間精度高、網(wǎng)絡(luò)校時(shí)方便和成本低的特點(diǎn)， 能滿足變電站各種通信介質(zhì)的不同接口需求，且不需要上位機(jī)的參與，提高了授時(shí)的可 靠性，大大降低了成本。[0017]本實(shí)用新型的接收模塊采用GPS和北斗雙信號(hào)作為外部互為備用的兩種時(shí)鐘基 準(zhǔn)源，起到了雙重接收的作用，保證了裝置信號(hào)的接收；增設(shè)的內(nèi)部守時(shí)單元作為備用 模塊，在GPS信號(hào)和/或北斗信號(hào)均受干擾不可用情況下，自動(dòng)進(jìn)入保持狀態(tài)，為站內(nèi) 各層設(shè)備提供高精度頻率和時(shí)間信號(hào)，保證了裝置的持續(xù)運(yùn)行。


[0018]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
[0019]
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)說明[0020]數(shù)字化變電站精確對(duì)時(shí)裝置如圖1所示，包括接收單元、時(shí)鐘單元、內(nèi)部守時(shí) 單元和輸出單元。[0021]接收單元包括GPS接收模塊和北斗信號(hào)接收模塊，GPS接收模塊用于接收外部 基準(zhǔn)源GPS信號(hào)并輸出數(shù)據(jù)流及IPPS脈沖信號(hào)，北斗信號(hào)接收模塊用于接收北斗授時(shí)源 信號(hào)并輸出數(shù)據(jù)流及IPPS脈沖信號(hào)，GPS接收模塊和北斗信號(hào)接收模塊為時(shí)鐘單元互為 備用的基準(zhǔn)源。GPS/北斗接收模塊主要由天線、饋線、接收器、信號(hào)調(diào)理電路和保護(hù)電 路構(gòu)成。[0022]輸出單元包括RS422/光纖接口和雙絞線TX/FX接口，IRIG_B碼可以通過 RS422/光纖接口傳送給變電站內(nèi)其它設(shè)備，IEC61588同步報(bào)文和SNTP同步報(bào)文通過 TX/FX接口或光纖接口接入以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)金站精確對(duì)時(shí)。輸出單元同時(shí)輸出并顯示時(shí)間 信號(hào)及各種狀態(tài)信號(hào)。[0023]時(shí)鐘單元由時(shí)鐘基準(zhǔn)源選擇模塊、IRIG-B碼發(fā)生器、IEC61588時(shí)鐘模塊和 SNTP時(shí)鐘模塊組成?；鶞?zhǔn)源選擇模塊按照優(yōu)先級(jí)順序及基準(zhǔn)源信號(hào)狀態(tài)自動(dòng)選擇最佳的 外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)作為同步源，并將數(shù)據(jù)流及IPPS脈沖信號(hào)提供給IRIG-B碼發(fā)生器、 IEC61588時(shí)鐘模塊和SNTP時(shí)鐘模塊。[0024]IRIG-B碼發(fā)生器包括直流B碼產(chǎn)生電路和直流碼到交流碼轉(zhuǎn)換電路，直流B碼 產(chǎn)生電路和直流碼到交流碼轉(zhuǎn)換電路的輸出端分別與輸出單元的RS422/光纖接口連接。 直流B碼產(chǎn)生電路采用高性能FPGA作為控制器，進(jìn)行IRIG-B直流碼的編碼；直流碼到 交流碼轉(zhuǎn)換電路在直流碼的基礎(chǔ)上對(duì)標(biāo)準(zhǔn)IkHz正弦波載頻進(jìn)行幅度調(diào)制，得到IRIG-B 交流碼，便于標(biāo)準(zhǔn)同步時(shí)間碼的傳遞。[0025]IEC61588時(shí)鐘模塊包括時(shí)標(biāo)模塊和執(zhí)行模塊，執(zhí)行模塊的輸出端與輸出單元的TX/FX接口連接。其中時(shí)標(biāo)模塊實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘校正、傳送時(shí)間戳等功能；IEC61588時(shí)鐘模 塊通過執(zhí)行模塊進(jìn)行PTP事件處理，實(shí)現(xiàn)IEC61588PTP協(xié)議，并在時(shí)標(biāo)模塊的配合下， 在物理層加蓋時(shí)間信息，發(fā)送PTP同步報(bào)文并響應(yīng)延遲申請(qǐng)報(bào)文，計(jì)算時(shí)間偏差，向網(wǎng) 絡(luò)發(fā)送同步報(bào)文，實(shí)現(xiàn)金站精確對(duì)時(shí)。[0026]SNTP時(shí)鐘模塊實(shí)現(xiàn)SNTP時(shí)鐘服務(wù)器，發(fā)送并接收SNTP同步報(bào)文，實(shí)現(xiàn)SNTP網(wǎng)絡(luò)授時(shí)。[0027]內(nèi)部守時(shí)單元接收外部時(shí)鐘基準(zhǔn)信號(hào)，當(dāng)外部時(shí)鐘基準(zhǔn)信號(hào)有效時(shí)被外部時(shí)間 基準(zhǔn)信號(hào)所同步；當(dāng)失去外部基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，自動(dòng)切換到內(nèi)部守時(shí)保持狀態(tài)，繼續(xù)為時(shí)鐘 單元提供高精度時(shí)間信號(hào)。當(dāng)外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)恢復(fù)后，自動(dòng)結(jié)束保持狀態(tài)并快速切換 到正常跟蹤鎖定狀態(tài)。
權(quán)利要求1.數(shù)字化變電站精確對(duì)時(shí)裝置，其特征在于包括接收單元、時(shí)鐘單元、內(nèi)部守時(shí) 單元和輸出單元；用于接收外部時(shí)鐘基準(zhǔn)源信號(hào)的接收單元和輸出內(nèi)部守時(shí)信號(hào)的內(nèi)部 守時(shí)單元分別連接按照優(yōu)先級(jí)順序及信號(hào)源狀態(tài)自動(dòng)選擇最佳外部基準(zhǔn)源信號(hào)的時(shí)鐘單 元，時(shí)鐘單元的輸出端連接具有多種介質(zhì)接口的輸出單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字化變電站精確對(duì)時(shí)裝置，其特征在于所述接收單元 包括用于接收GPS衛(wèi)星信號(hào)并輸出數(shù)據(jù)流及IPPS脈沖信號(hào)的GPS接收模塊和用于接收 北斗衛(wèi)星信號(hào)并輸出數(shù)據(jù)流及IPPS信號(hào)的北斗信號(hào)接收模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字化變電站精確對(duì)時(shí)裝置，其特征在于所述輸出單元 包括用于輸出IRIG-B碼的RS422/光纖接口和用于輸出PTP同步報(bào)文以及SNTP同步報(bào) 文的TX/FX接口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字化變電站精確對(duì)時(shí)裝置，其特征在于所述時(shí)鐘單 元包括用于判斷外部時(shí)鐘基準(zhǔn)源信號(hào)狀態(tài)并按照優(yōu)先級(jí)順序自動(dòng)選擇最佳基準(zhǔn)源的時(shí) 鐘基準(zhǔn)源選擇模塊，以及分別與時(shí)鐘基準(zhǔn)源選擇模塊輸出端連接的IRIG-B碼發(fā)生器、 IEC61588時(shí)鐘模塊和SNTP時(shí)鐘模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的數(shù)字化變電站精確對(duì)時(shí)裝置，其特征在于所述用于接收 時(shí)鐘基準(zhǔn)源選擇模塊輸出的數(shù)據(jù)流及IPPS脈沖信號(hào)的IRIG-B碼發(fā)生器包括直流B碼產(chǎn) 生電路和直流碼到交流碼轉(zhuǎn)換電路，直流B碼產(chǎn)生電路和直流碼到交流碼轉(zhuǎn)換電路的輸 出端分別與輸出單元的RS422/光纖接口連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的數(shù)字化變電站精確對(duì)時(shí)裝置，其特征在于所述發(fā)送PTP同 步報(bào)文并響應(yīng)延遲申請(qǐng)報(bào)文的IEC61588時(shí)鐘模塊包括時(shí)標(biāo)模塊和執(zhí)行模塊，執(zhí)行模塊的 輸出端與輸出單元的TX/FX接口連接。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種數(shù)字化變電站精確對(duì)時(shí)裝置，包括接收單元、時(shí)鐘單元、內(nèi)部守時(shí)單元和輸出單元，接收單元和內(nèi)部守時(shí)單元分別與時(shí)鐘單元連接，時(shí)鐘單元的輸出端與輸出單元連接。本實(shí)用新型接口豐富，既能適用于智能設(shè)備又能用于常規(guī)設(shè)備的精確對(duì)時(shí)，解決了數(shù)字化變電站各層設(shè)備的時(shí)鐘同步問題，使時(shí)鐘同步精度達(dá)到亞微秒級(jí)，大大降低了站內(nèi)數(shù)據(jù)的傳送誤差，保證了電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
文檔編號(hào)G04G5/00GK201812153SQ201020522189
公開日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月9日
發(fā)明者張紹娟, 潘霄鵬, 董鎖英, 鄭金芝 申請(qǐng)人:河北旭輝電氣股份有限公司