專利名稱:實現(xiàn)ieee1588精確對時功能的變電站測控裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實用新型涉及一種可實現(xiàn)IEEE1588精確對時功能的變電站測控裝置。屬于電力自動化技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
時間的精確和統(tǒng)一,在電網(wǎng)中是十分重要的。在變電站自動化系統(tǒng)中,測控裝置遙信變位時產(chǎn)生事件順序記錄(Sequence Of Events,SOE),它對于事故分析具有重要意義。測控裝置的事件順序記錄具有精確統(tǒng)一的時間基準(zhǔn),可以在發(fā)生故障和操作,特別是短時間內(nèi)發(fā)生連續(xù)故障的情況下,方便地分析研究各種保護的動作行為、設(shè)備的工況變化順序,進而分析故障原因、故障類型、故障發(fā)生發(fā)展過程。這對于事故分析,保證電力系統(tǒng)安全運行有著重要意義。目前電力系統(tǒng)的應(yīng)用需求要求變電站自動化系統(tǒng)的SOE分辨率達到兩毫秒,這就要求變電站測控裝置的對時精度達到百微秒級,同時具有較高的狀態(tài)量的信號采集頻率和快速的處理方法。
目前變電站自動化系統(tǒng)普遍采用GPS接受衛(wèi)星時間信號進行時間同步,利用GPS對變電站智能設(shè)備進行校時有兩種方式串行通信接口方式、串行通信與脈沖中斷相結(jié)合的方式。串行通信方式對時精度較低,基本不能滿足變電站自動化系統(tǒng)的要求。目前變電站普遍采用的是串行通信與脈沖中斷相結(jié)合的方式,即GPS系統(tǒng)通過通信報文將時間發(fā)送至通信控制器,通信控制器再通過現(xiàn)場總線或以太網(wǎng)將時間信號發(fā)送給各個智能設(shè)備,同時GPS還輸出許多硬接點信號,如“秒”脈沖或“分”脈沖,進行時間同步。對于每個裝置來說,對時功能是靠硬件脈沖對時和網(wǎng)絡(luò)通信報文對時共同完成的,對時方式不夠簡潔。同時由于從GPS系統(tǒng)引出大量對時接點信號,變電站二次對時回路設(shè)計復(fù)雜繁瑣,而且GPS輸出的硬接點數(shù)量有限,可能不能滿足變電站自動化系統(tǒng)的需要。
文獻《在變電站智能設(shè)備中實現(xiàn)B碼對時》(電力自動化設(shè)備[J],2005,25(9)P86-P88)介紹了一種采用IRIG-B碼實現(xiàn)變電站智能設(shè)備精確對時的方法。IRIG-B碼對時方式的突出的優(yōu)點是將時間同步信號和秒、分、時、天等時間碼信息加載到同一個信號載體中。GPS系統(tǒng)接受衛(wèi)星時間信號,輸出IRIG-B時間碼序列,變電站測控裝置可以掛在統(tǒng)一的對時總線上進行時間同步。變電站的測控裝置采用B碼對時,雖然不需要GPS輸出大量脈沖對時信號,但仍然需要接入專門的B碼對時信號。
2002年底IEEE組織頒布的IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)定義了一種應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)化測量和控制系統(tǒng)的精確時鐘同步協(xié)議,通常稱為Precision Time Protocol(PTP),該協(xié)議適用于任何滿足多點通信的分布式控制系統(tǒng)。使用該協(xié)議進行對時,系統(tǒng)不需要專門的對時總線,裝置不需要專門的對時接口,裝置并不需要很多資源就可以達到100ns級的同步精度。
目前的變電站測控裝置完成變電站自動化系統(tǒng)的狀態(tài)量采集、交流電氣量測量計算、操作對象的控制輸出等功能,是變電站自動化系統(tǒng)和調(diào)度自動化系統(tǒng)的末端采集、執(zhí)行裝置。采用簡潔明了的方法在變電站測控裝置中實現(xiàn)精確時間同步對變電站自動化系統(tǒng)和調(diào)度自動化系統(tǒng)具有重要意義。
實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于雙百兆以太網(wǎng),實現(xiàn)IEEE1588精確對時功能的變電站測控裝置,在盡量不增加裝置硬件成本的條件下,使對時精度滿足測控功能的需求。
為解決上述技術(shù)問題,本實用新型提供一種可實現(xiàn)IEEE1588對時功能的變電站測控裝置,測控裝置采用三模塊結(jié)構(gòu),包括一個處理測控功能的測控模塊和兩個具有IEEE1588對時協(xié)議處理功能的以太網(wǎng)通信模塊,其特征在于 所述的測控模塊包括一片測控DSP以及用于完成狀態(tài)量采集的狀態(tài)量采集電路、用于交流量采樣計算的交流采樣電路、用于控制輸出的控制出口輸出電路、用于人機接口的人機接口電路。
所述的狀態(tài)量采集電路、交流采樣電路、控制出口輸出電路、人機接口電路通過并行數(shù)據(jù)總線和測控DSP直接相連。
所述兩個以太網(wǎng)通信模塊各自獨立完成以太網(wǎng)通信功能,并處理IEEE1588對時協(xié)議進行精確對時,所述的測控模塊與每個以太網(wǎng)通信模塊之間設(shè)置1)“秒”脈沖信號線,用于以太網(wǎng)通信模塊向測控模塊輸出“秒”脈沖對時信號;2)高速CAN網(wǎng)通信線,用于以太網(wǎng)通信模塊向測控模塊發(fā)送具體的時間信息;3)高速異步串行口通信線,用于進行通信模塊和測控模塊之間常規(guī)的數(shù)據(jù)通信。
前述的可實現(xiàn)IEEE1588精確對時功能的變電站測控裝置,其特征在于所述的測控DSP采用32位150MPS高速工業(yè)級DSP,用于處理狀態(tài)量信號采集、常規(guī)采樣計算、信號處理、控制輸出等功能。
前述的可實現(xiàn)IEEE1588精確對時功能的變電站測控裝置,其特征在于所述的測控DSP芯片內(nèi)部集成了CAN網(wǎng)接口和至少兩路異步串行通信接口(UART)。
前述的可實現(xiàn)IEEE1588精確對時功能的變電站測控裝置,其特征在于所述的以太網(wǎng)通信模塊為32位60MHz的高性能處理芯片,芯片內(nèi)部集成了一個高速以太網(wǎng)控制器(Fast Ethernet Controller,F(xiàn)EC)和以太網(wǎng)收發(fā)器(EthernetTransceiver,EPHY)。
前述的可實現(xiàn)IEEE1588精確對時功能的變電站測控裝置,其特征在于所述的以太網(wǎng)通信模塊的處理芯片內(nèi)部集成了多個32位定時器,每個定時器具有一個高速輸出口,該高速輸出口可以按照預(yù)定的設(shè)置,當(dāng)定時器達到某一數(shù)值時輸出一個脈沖信號。
前述的可實現(xiàn)IEEE1588精確對時功能的變電站測控裝置,其特征在于所述的以太網(wǎng)通信模塊的處理芯片內(nèi)部集成了至少一個CAN網(wǎng)接口和一路異步串行通信接口。
前述的可實現(xiàn)IEEE1588精確對時功能的變電站測控裝置,其特征在于所述的以太網(wǎng)通信模塊采用高精度溫補晶振,可以保證長時間收不到網(wǎng)絡(luò)對時信號仍然保證內(nèi)部時鐘的準(zhǔn)確。
前述的可實現(xiàn)IEEE1588精確對時功能的變電站測控裝置,其特征在于所述的測控裝置,與所述以太網(wǎng)通信模塊相通信的以太網(wǎng)為雙百兆以太網(wǎng),并且兩路百兆以太網(wǎng)通信接口采用兩個獨立的以太網(wǎng)通信模塊,實現(xiàn)兩路通信的完全獨立,互為備用。
前述的可實現(xiàn)IEEE1588精確對時功能的變電站測控裝置,其特征在于所述的以太網(wǎng)通信模塊對IEEE1588協(xié)議處理和對時任務(wù)處理采用中斷方式,并在以太網(wǎng)的驅(qū)動層實現(xiàn)。
前述的可實現(xiàn)IEEE1588精確對時功能的變電站測控裝置,其特征在于所述的以太網(wǎng)通信模塊輸出一個“秒”脈沖信號給測控模塊,同時和測控模塊提供高速串口和CAN網(wǎng)進行通信。
前述的可實現(xiàn)IEEE1588精確對時功能的變電站測控裝置,其特征在于所述的測控模塊對以太網(wǎng)通信模塊輸出的“秒”脈沖信號采用中斷方式進行接收,并通過高速CAN網(wǎng)專門接收以太網(wǎng)通信模塊輸出的具體的時間信號,通過高速異步串行口和以太網(wǎng)通信模塊進行常規(guī)的數(shù)據(jù)通信。
本實用新型的有益效果是測控裝置不需要接入專門的對時信號,只需應(yīng)用以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)即可實現(xiàn)精確對時,現(xiàn)場接線簡潔,簡化了變電站的設(shè)計和施工。
圖1是本實用新型中的測控裝置硬件結(jié)構(gòu)示意圖; 圖2是IEEE1588同步原理圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作具體的介紹。
1、測控裝置的硬件結(jié)構(gòu) 由于測控裝置既需要完成狀態(tài)量的采集、交流量的計算和控制量輸出,又需要高速以太網(wǎng)通信功能,同時需要實現(xiàn)IEEE1588精確對時功能,這對測控裝置的硬件結(jié)構(gòu)和性能有較高的要求,圖1為本實用新型中的測控裝置的硬件結(jié)構(gòu)示意圖,它是一個三模塊結(jié)構(gòu)。測控模塊處理測控功能包括狀態(tài)量信號的采集處理、交流采樣、控制輸出和人機接口部分。兩個以太網(wǎng)通信模塊各自專門處理一路以太網(wǎng)通信任務(wù),進行變電站測控裝置和站控層設(shè)備之間的信息交換,同時處理IEEE1588協(xié)議報文,進行精確時間同步。
以太網(wǎng)通信模塊需要完成百兆以太網(wǎng)通信功能,并需要實現(xiàn)基于IEEE1588協(xié)議的精確對時功能。本發(fā)明采用美國Freescale公司的MCF52235處理器,其為主頻達60MHz,采用精簡指令集(RISC),其芯片內(nèi)部集成了一個高速以太網(wǎng)控制器(FEC)和一個以太網(wǎng)收發(fā)器(EPHY),可以非常容易的實現(xiàn)百兆以太網(wǎng)通信功能。芯片內(nèi)部集成了三個異步串行通信收發(fā)器(UART)和一個CAN網(wǎng)處理器,易于和測控DSP實現(xiàn)高速通信。芯片內(nèi)部集成了四個32為定時器,每個定時器具有一個高速輸出口,易于實現(xiàn)“秒”脈沖輸出。
測控裝置首先需要完成的是變電站狀態(tài)量的采集、交流電氣量的采樣計算和控制輸出等功能。本實用新型的基本的測控功能由測控DSP實現(xiàn),測控DSP通過并行總線和狀態(tài)信號采集電路、交流采樣電路、控制輸出電路以及人機接口部分相連。為了保證狀態(tài)量采集的實時準(zhǔn)確和測控功能的完備,測控功能采用主頻達150兆赫茲32位工業(yè)級DSP進行處理。在本系統(tǒng)中選用TI公司2000系列的產(chǎn)品TMS320F28335,這一款芯片是TI公司最近新推出來的具有高性價比的產(chǎn)品。該款芯片具有快速的DSP功能、強大的I/O控制功能、兩路CAN網(wǎng)接口、三路串口、大量的片上存儲器、強大的中斷管理、方便的編程調(diào)試等等,而且該款芯片具有較寬的工作溫度范圍和較強的抗干擾能力,適合應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。
2.功能實現(xiàn) 2.1.IEEE1588對時原理 本發(fā)明介紹的測控裝置和站控層設(shè)備采用雙百兆以太網(wǎng)進行通信,本發(fā)明介紹的IEEE1588對時的通信鏈路采用以太網(wǎng)通信方式,不需要增加新的對時接口。
IEEE1588對時原理如圖2所示。在進行時鐘同步時,首先由變電站的系統(tǒng)主時鐘以多播形式周期性發(fā)出時間同步報文(簡稱為Sync)。對時從終端設(shè)備(如測控裝置)接收到上述的時間同步報文后,準(zhǔn)確記錄下接收時間。主時鐘在同步報文后發(fā)出一個跟隨報文(Follow_up),該報文含有一個時間戳,該時間戳準(zhǔn)確地記錄了同步報文發(fā)出的真實時間。如圖2所示,主時鐘在t1時,發(fā)出同步報文。從時鐘在本側(cè)時間t2接收到該報文。如果主從時鐘之間存在時間偏差為Offset,同步報文的傳輸延時為Delay。則 t2-t1=Delay+Offset(1) 從終端在接收到同步報文后,向主時鐘發(fā)出一個延遲請求報文(Delay_Req)。從終端會準(zhǔn)確記錄延遲請求報文的發(fā)出時間t3,接收方(主時鐘)會準(zhǔn)確記錄接收時間t4,并發(fā)回包含準(zhǔn)確接收時間t4的延遲響應(yīng)報文(Delay_Resp)。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)傳輸延時基本不變,則 t4-t3=Delay-Offset(2) 利用(1)、(2)式可以計算出主從時鐘之間Delay和Offset Delay=((t2-t1)+(t4-t3))/2(3) Offset=((t2-t1)-(t4-t3))/2 (4) 從時鐘獲得時間偏差Offset后,即可以修正自己的時間,使時鐘和主時鐘同步。
2.2.測控裝置1588功能的實現(xiàn) 測控裝置以太網(wǎng)通信模塊按照2.1節(jié)介紹的方法和變電站自動化系統(tǒng)的主時鐘進行對時,將自己的時間和主時鐘同步。以太網(wǎng)通信模塊對IEEE1588協(xié)議的處理和對時任務(wù)的處理采用中斷方式,并在以太網(wǎng)的驅(qū)動層實現(xiàn),這樣可以保證處理器對網(wǎng)絡(luò)1588對時報文及時響應(yīng),保證模塊時鐘的準(zhǔn)確。同時該模塊采用高精度溫補晶振,使其在長時間收不到網(wǎng)絡(luò)1588報文時仍然保證通信模塊自己的時間準(zhǔn)確。
本發(fā)明以太網(wǎng)通信模塊采用美國Freescale公司的MCF52235處理器,其為主頻達60MHz,采用精簡指令集(RISC),其芯片內(nèi)部集成了一個高速以太網(wǎng)控制器(FEC)和一個以太網(wǎng)收發(fā)器(EPHY)。以太網(wǎng)控制器收到以太網(wǎng)報文后產(chǎn)生接收中斷。MCF52235的中央處理器收到該中斷后可以通過內(nèi)部總線讀取接收報文,速度非常快,要遠快于一般的以太網(wǎng)控制器和中央處理器在不同的芯片實現(xiàn)的方案。以太網(wǎng)處理器對以太網(wǎng)IEEE1588對時報文采用中斷方式處理,并在以太網(wǎng)的驅(qū)動層直接對對時報文進行處理,保證對時報文處理的快速及時。MCF52235處理器內(nèi)部具有四個32位定時器,每個定時器還可以在預(yù)定的時間觸發(fā)一個具有高速輸出功能的管腳的電平變化。裝置將該管腳設(shè)計為“秒脈沖”信號。模塊根據(jù)自己的經(jīng)過精確同步后的內(nèi)部時鐘,在整秒時刻觸發(fā)“秒脈沖”電平變化,輸出“秒脈沖”至測控模塊。網(wǎng)絡(luò)通信模塊同時通過CAN網(wǎng)輸出具體的年、月、日、時、分、秒、等時間信息至測控模塊。
測控模塊通過兩路CAN網(wǎng)分別和兩個網(wǎng)絡(luò)通信模塊通信,接收具體的對時報文,同時通過中斷方式接收網(wǎng)絡(luò)通信模塊發(fā)出的“秒脈沖”信號,進行準(zhǔn)確的時間同步。當(dāng)兩路網(wǎng)絡(luò)通信模塊都正常時,測控模塊只認(rèn)其中一個通信模塊的對時“秒脈沖”和CAN網(wǎng)對時報文,進行時間同步。如果該模塊對應(yīng)的通道發(fā)生異常情況,測控模塊自動切換到另一通信模塊進行時鐘同步。如果兩個通道都發(fā)生異常,裝置不能進行以太網(wǎng)通信,裝置可以根據(jù)自己的高精度溫補晶振進行守時。
測控模塊還提供兩路高速串口分別和兩個網(wǎng)絡(luò)通信模塊通信,進行常規(guī)的數(shù)據(jù)交換。
2.3其它功能的實現(xiàn) 測控裝置出來完成精確對時功能外,還需要完成以太網(wǎng)通信功能、常規(guī)測控功能和人機接口功能。
裝置采用兩路百兆以太網(wǎng)和變電站站控層設(shè)備進行通信。裝置的每個以太網(wǎng)通信模塊負責(zé)一路以太網(wǎng)通信,互為備用,形成冗余。
測控模塊中含有交流量處理子模塊,包括隔離變換模塊、信號調(diào)理模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。電壓、電流等交流信號經(jīng)過互感器隔離保護為交流小信號,然后經(jīng)過信號調(diào)理、濾波處理,再進行采樣保持和模/數(shù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號,測控模塊的DSP處理器對數(shù)字信號進行計算。
測控模塊中的狀態(tài)量信號采集處理子模塊,采用光耦隔離技術(shù),將輸入的狀態(tài)量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,然后DSP處理器對其進行采集,分析。
測控模塊中的控制輸出子模塊,采用光耦隔離和繼電器隔離技術(shù),確保輸出功能的可靠執(zhí)行。
測控模塊中的人機接口部分采用128×128點陣式液晶、微動開關(guān)式鍵盤和LED指示燈,人機接口部分通過并行總線和DSP處理器相連。
采用該實用新型介紹的方法,變電站測控裝置不需要接入專門的對時信號,不需要增加額外的硬件開銷,只需應(yīng)用以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)即可實現(xiàn)精確對時,對時精度可達100微秒以內(nèi),滿足了變電站自動化系統(tǒng)的要求。該方法減少了變電站現(xiàn)場專門的對時信號電纜,簡化了變電站的設(shè)計和施工。
上述實施例不以任何形式限制本實用新型,凡采取等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案,均落在本實用新型的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1、一種可實現(xiàn)IEEE1588對時功能的變電站測控裝置,包括處理測控功能的測控模塊和兩個具有IEEE1588對時協(xié)議處理功能的以太網(wǎng)通信模塊,其特征在于
所述的測控模塊包括一片測控DSP以及用于完成狀態(tài)量采集的狀態(tài)量采集電路、用于交流量采樣計算的交流采樣電路、用于控制輸出的控制出口輸出電路、用于人機接口的人機接口電路;
所述的狀態(tài)量采集電路、交流采樣電路、控制出口輸出電路、人機接口電路通過并行數(shù)據(jù)總線和測控DSP直接相連;
所述的測控模塊與每個以太網(wǎng)通信模塊之間設(shè)置1)“秒”脈沖信號線,用于以太網(wǎng)通信模塊向測控模塊輸出“秒”脈沖對時信號;2)高速CAN網(wǎng)通信線,用于以太網(wǎng)通信模塊向測控模塊發(fā)送具體的時間信息;3)高速異步串行口通信線,用于進行通信模塊和測控模塊之間常規(guī)的數(shù)據(jù)通信。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的可實現(xiàn)IEEE1588對時功能的變電站測控裝置,其特征在于所述的測控DSP采用32位150MPS高速工業(yè)級DSP,并且芯片集成CAN網(wǎng)接口和至少兩路異步串行通信接口。
3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可實現(xiàn)IEEE1588對時功能的變電站測控裝置,其特征在于所述的以太網(wǎng)通信模塊為32位60MHz的高性能處理芯片,芯片內(nèi)部集成一個高速以太網(wǎng)控制器和以太網(wǎng)收發(fā)器。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的可實現(xiàn)IEEE1588對時功能的變電站測控裝置,其特征在于所述的以太網(wǎng)通信模塊的處理芯片內(nèi)部集成了多個32位定時器,每個定時器具有一個高速輸出口,該高速輸出口可以按照預(yù)定的設(shè)置,當(dāng)定時器達到某一數(shù)值時輸出一個脈沖信號。
5、根據(jù)權(quán)利要求3所述的可實現(xiàn)IEEE1588對時功能的變電站測控裝置,其特征在于所述的以太網(wǎng)通信模塊的高性能處理芯片內(nèi)部集成至少一個CAN網(wǎng)接口和一路異步串行通信接口。
6、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可實現(xiàn)IEEE1588對時功能的變電站測控裝置,其特征在于所述的以太網(wǎng)通信模塊采用高精度溫補晶振。
7、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可實現(xiàn)IEEE1588對時功能的變電站測控裝置,其特征在于與所述以太網(wǎng)通信模塊相通信的以太網(wǎng)為雙百兆以太網(wǎng)。
專利摘要本實用新型公開了一種可實現(xiàn)IEEE1588對時功能的變電站測控裝置,包括一個測控模塊和兩個百兆以太網(wǎng)通信模塊;測控模塊包括一片測控DSP以及交流采樣電路、狀態(tài)量采集電路、控制輸出電路、人機接口電路等,各電路通過并行數(shù)據(jù)總線和測控DSP直接相連;兩個以太網(wǎng)通信模塊各自獨立完成裝置的以太網(wǎng)通信功能,并處理IEEE1588對時協(xié)議,進行精確對時;測控模塊與兩個以太網(wǎng)通信模塊分別通過“秒”脈沖信號和高速CAN網(wǎng)進行時間同步,并分別通過高速串行口進行常規(guī)數(shù)據(jù)通信。本實用新型的變電站測控裝置不需要接入專門的對時信號,不需要增加額外的硬件,只需應(yīng)用以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)即可實現(xiàn)精確對時。
文檔編號H02J13/00GK201422028SQ20092003946
公開日2010年3月10日 申請日期2009年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月14日
發(fā)明者斌 周, 閆承志, 黃國方, 健 沈, 斌 張, 何 張 申請人:國電南瑞科技股份有限公司