智能变电站的稳定运行靠什么来保障？

 智能变电站的二次系统通常包含电子式互感器、合并单元、交换机、保护测控等设备。这些装置必须基于统一的时间基准运行，这对智能变电站的时钟同步系统提出严格的要求。智能变电站微秒级的对时系统究竟是如何实现的呢?

时间是基本物理量，那么时间也就会有精度的问题，不同时间源有着不同的精度。如Apple Watch与iPhone配合使用，同UTC时间误差不超过50ms。50ms误差对于人类的感知可以忽略，可是如果用在智能变电站中就显得不尽人意了。

智能变电站的二次系统通常包含电子式互感器、合并单元、交换机、保护测控等设备。这些装置必须基于统一的时间基准运行，方能满足事件顺序记录(SOE)、故障录波、实时数据采集时间一致性的要求，确保线路故障测距、相量和攻角动态监测、机组和电网参数校验的准确性。这些要求对智能变电站的时钟同步系统提出严格的要求。

IEC61850标准将变电站分为站空层、间隔层和过程层，对时间同步精度的要求，各层设备是不同的。间隔层设备需要到达ms精度;而过程层设备，由于主要传输采样值、跳闸信息，需要达到μs的同步精度。智能变电站的测试设备DT6000系列(DT6000、DT6000E和DT6000S)的对时精度可达μs的同步精度，完全满足变电站各层的设备的对时精度。

DT6000系列的对时系统

图 1.1 DT6000系列的对时

DT6000系列的对时支持IRIG-B、PPS和IEEE1588三种对时，如图 1.1所示。三种协议全部采用FPGA硬解码，解码之后转换为UTC时标，提供时间给SMV、GOOSE等其他协议，如SMV和GOOSE的接收的时标为硬时标，由FPGA进行打时标，将时间信息插入报文中，实时保存报文信息和时间。在对时的同时，FPGA还进行了校时，即将本地晶振引起的误差(μs级)进行校正，动态调整均匀调节误差值。

1.1.1对时

1.PPS对时

检测PPS正常与否，有两个重要的判别依据：

(1)相邻脉冲上升沿的时间间隔为1s。当相邻脉冲上升沿的间隔时间与理想间隔时间(1s)相差大于10μs时，则判定输入异常。

(2)脉冲宽度大于10μs，间隔大于500ms。当测量到的脉冲宽度小于10μs，或者测量到的脉冲间隔小于500ms时，则认为输入异常。

DT6000系列根据上述两个判别依据并将输入的信号进行了过滤，去除毛刺信号。如图 1.2所示为DT6000E经过PPS对时之后，SMV采样计数器在整秒清零。

图 1.2 整秒SMV采样计数器清零

2.IRIG-B对时

IRIG-B码的帧周期是1s，包含100个码元，每个码元周期为10 ms，即IRIG-B码的码元速率为100pps。IRIG-B码有3种码元，二进制“0”、“1”和位置识别标志Px，脉宽分别为2ms、5ms和8ms。脉冲信号如图1.3所示。

图1.3 IRIG-B码元图

连续2个“P”码元表示整秒的开始，第2个“P”码元的脉冲前沿是“准时”参考点，定义其为“Pr”，后面携带当前的时间和时间控制相关的信息。IRIG-B的整秒“准时”参考点，SMV的采样计数器的需要清零，这点和PPS是一样的，如图 1.2所示。

如图 1.4所示为DT6000E的IRIG-B对时。

图 1.4 IRIG-B对时

3.IEEE1588对时

IEEE1588报文的解码和打时标都是在FPGA中进行的，工作在Slave模式。打时标是指在同步报文进入或者离开协议栈的时候，用本地时钟信息标记同步报文的过程。时间戳的获取方式直接影响时钟同步的精度，获取时间戳的地点约接近物理层，越能很好的避开报文在协议栈中的延时抖动，所能够达到的同步精度也就越高。在FPGA中进行报文解码和打时标为在MII层打时标，为硬件打时标，精度最高。

如图 1.5所示为DT6000E的IEEE 1588对时。

图 1.5 IEEE 1588对时

1.1.2校时

DT6000系列在对时的同时会进行校时，校正本地晶振的误差值。图 1.6为校时调整的一个实例说明图，由图中可以看出第一次粗略调节值为+99，第二次精确调节为正向，此时的Value=+99+9=+108，第三次精确调节为反向，此时的Value=+108-2=+106，在获取Value值的同时计数器也在一直均匀的调节。

图 1.6 校时实例说明图

校时电路(FPGA)工作在100MHz主频下，经过实际测量，校正稳定之后，温度变化不大的环境下，其精度误差不超过20个周期(10ns)，经过校时之后，对时精度从μs级可变为200ns级。并且采用校时电路之后，在移除校时设备之后都能长时间保持本地的时间的高准确度。

1.1.3授时

DT6000系列支持IRIG-B码和PPS的授时，DT6000S有两个光串口，因此支持两个光串口同时授时。如图 1.7所示为DT6000E的IRIG-B码授时界面，PPS的授时等同。

图 1.7 IRIG-B码授时