基于 FPGA的数字化变电站时钟同步系统设计

基于 FPGA的数字化变电站时钟同步系统设计

王翠

北京四方继保自动化股份有限公司 黑龙江省哈尔滨市 150000

摘要：对于数字化变电站或智能变电站，传统的时间同步方法甚至网络对时方式已不能完全满足变电站对时精度的需求。参考标准，过程层的某些应用要求时间同步精度达到微秒甚至亚微秒的级别。适时出现的精确时间协议，只需少量的硬件和网络资源，就能满足数字化变电站同步精度的要求。

关键词：FPGA；数字化；变电站

引言：本文较为系统地比较了几种变电站对时方式，指出协议其优势所在。着重于标准的数字化变电站通信体系，粗略地介绍了数字化变电站的相关理论和技术。文章还详细地介绍了精确对时协议的时钟模型以及同步报文的结构，深入地分析了协议的同步原理。

一、传统电力系统时间同步技术概述

电力系统的运行离不开绝对时间和参考时间，因为无论电流、电压，或是相角、功角的波形，都是以时间为轴线得到。事件的顺序记录（、故障录播、实时数据釆集都要求时间的一致性为了准确地进行相角和功角的动态检测、对线路故障进行行波测距、校验机组和电网的参数。，以及电网的故障分析、控制水平的稳定，提高电网的运行效率及其可靠性，都要求自动化设备、继电保护装置、生产信息管理系统、安全稳定控制系统和能量管理系统（等给予统一的时间基准运行。

1、脉冲对时方式（硬对时）

脉冲对时方式有三种，分别是秒脉冲（PPS）对时、分脉冲（PPM）对时、时脉冲大多利用空接点接入，被授时设备由脉冲的上升或下降沿来校正时间。

串口报文对时（软对时）常用串行通信接口分为用于近距离）和用于远距离）两种。利用串行数据流方式输出时间信息，各个保护测控装置作为从时钟利用这些数据设置自身内部时钟。

时间码对时方式（主要是IRIG-B码方式）。我国电力系统中，对于时间码对时方式的应用，数IRIG-B时间码应用最为广泛。IRIG-B码（简称B码）是美国勒场仪器组制定的一种时间码标准，性能优越成为时统设备首选的标准码型B码分为交流码和直流码,交流码虽然精度可达10~20us但实现电路很复杂。一般采用的直流码，采用脉宽调制，每秒发出一中贞包含天、时、分、秒等时间信息的时间信息，脉冲前沿为码元的“准时”参考点。

2、网络对时方式

网络对时在服务器和客户端之间进行，服务器从外部时钟源获取时钟信号，再使用网络协议，广播同步报文到网络中各客户端进行对时。当前，最常用的网络时间同步协议是网络时间协议（NTP）和简单网络时间同步协议（SNTP）。

三、数字化变电站相关技术

1、电子式互感器

由于传统互感器固有的不足（如：磁饱和、动态范围小，随着电压升高结构变得复杂、体积增加等），很难满足电力系统发展的需求。随着光电子技术、微电子技术及光纤通信技术的发展，基于光学传感技术的光学电流互感器，基于罗科夫斯基空芯线圈原理的电子式互感器技术得到了快速发展，能有效克服传统电磁式互感器的缺点。电子式互感器由一个或多个电流或电压传感器组成，这些传感器连接于传输系统和二次转换器，将正比于被测量的量采用光电子器件传输，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制设备。

2、智能断路器

根据标准指出的变电站层次化概念，智能断路器被归为过程层设备，它应该具有过程层通信接口，断路器状态信息和跳闹、合闹命令可以通过符合标准的通信报文来实现传递。智能操作断路器在现有断路器的基础上引入智能控制单元，它由数据采集、智能识别和调节装置个3、基本模块构成。

智能断路器工作机制是根据所监测的故障电流，自动选择操作机构及灭弧室预先设定的工作条件，如正常运行电流较小时以较低速度分阐，系统短路电流较大时以较高速度分闹，以获得电气和机械性能上的最佳分闹效果。

根据系统故障，继电保护装置发出分闹信号或者操作人员发出操作信号后，智能识别模块启动，判断当前断路器工作条件，对调节装置发出不同的定量控制信息而自动调整操动机构的参数，以获得与当前系统工作状态相适应的运动特性，然后使断路器动作。

4、合并单元

合并单元的作用是对一次互感器传输过来的电气量进行合并和同步处理，并将处理后的数字信号按照特定格式转发给间隔层设备使用的装置。

合并单元均按规定最多路设计采集通道，实用中，须用相应的状态标志位表示没有用上的电压、电流信息，这些状态标志位也必须包括在合并单元输出的巾贞内。在个二次变换数据通道中，一个数据通道对应一台电子式电压互感器或电流互感器采样测量值的单一测量值，进行传送。二次转换器可利用一个物理接口将多相或组合单元的多个数据通道传输到合并单元，并且常规电压、电流互感器的也可通过二次转换器将电流、电压信息送到合并单元。它输出带有时间信息的数字采样信号，为了保证保护动作的正确性，由合并单元输出的电压电流信号必须严格同步。

四、基于FPGA的IEEE15888同步系统

1、时钟同步系统硬件架构

整体架构包括一个主时钟和多个从时钟，时钟源采用信号。利用发出的秒脉冲使主时钟的时间与—致，主、从时钟之间的同步基于以太网通信链路。交换设备采用交换机。

系统中的每个节点都包含、控制器、芯片、四种主要芯片。介质无关接口连接芯片和控制器，控制器和都通过总线连接。报文的发送、接收依靠、芯片和控制器组成的网络协议栈实现。同步报文接收和发送过程中提取时间戳、频率补偿模块、时钟计数器等功能交给完成。

整个协议的同步网络由若干个这样的节点组成。在具体设计中，需要由结合和芯片搭建协议栈。由于本设计需要使用到接口，因此不能选择如等层和层集成于同一芯片的方案，需要选择单独的芯片和芯片。

基于嵌入式系统的支持和经济性等原因，选择三星公司的作为。它是基于架构的位处理器，其核心是操作频率最高可达，支持内存管理，具有功耗低、性能高、价格低廉的特点，且能够完美支持系统。在芯片和芯片的选择上，分别釆用和，依靠接口进行连接。的管理接口包括和两个信号，分别是时钟信号和数据信号，为提供参考时钟。的数据接口有个信号，分为发送和接收通道，连接到相应的网络发送、接收器，并且无论发送或接收通道，都有时钟、控制信号以及数据总线。

2、IEEE15888协议的软件架构

根据协议，为每一个端口定义了种状态，且任意时刻必处于其中一种状态。确定端口状态后，由于FGPA负责PTP截取同步报文时间戳，而CPU负责对提取出来的时间戳进行处理。因此FPGA需要和CPU共同配合与协调PTP报文的收发.

3、最佳主时钟算法模块设计

在协议中，最佳主时钟算法，是至关重要的部分。虽然局域网是协议所设计使用的环境，但是对于网络规模、网络结构和节点数目上没有特别的规定。在这些未知状况下，最佳主时钟算法的目的就是在任意的网络拓扑下选择最佳的主从关系和对时路径，使时钟精度尽量达到最好。

算法使网络中的每个节点凭借收到的同步报文和本地时钟的属性判定应该将本地时钟端口置为或。算法由下面两部分构成：一为数据比较算法它将本地时钟固有属性的数值和接收的同步报文的对应部分数值进行比较。通过这种比较，即可确定收、发同步报文两方谁来担任主时钟，谁来担任从时钟。另一部分为状态决定算法（，数据比较算法结束后，状态决定算法根据结果得到状态机转换逻辑的状态值。随后，利用状态决定算法和同步报文内的最佳时钟消息、以及、默认数据集，确定各个端口经过算法后的状态。

结语：数字化变电站的快速发展，提高了对时钟同步系统的要求。本文在深入分析标准的的基础上，结合IEEE1588协议，提出了变电站内基于以太网的时钟同步方案。基于IEEE1588协议，在开发套件中，对其中的关键模块进行了设计和时序仿真。

参考文献：

[1]殷志良，刘万顺，杨奇逊，等基于实现变电站过程总线釆样值同步新技术电力系统自动化

[2]桂本轩基于的高精度时间同步算法的分析与实现工业仪表与自动化装置

[3]刘魏，熊浩清，石光，等时钟同步系统应用分析与现场测试电力自动化设备