基于MAXII570的高精度同步時(shí)鐘信號在分布式錄波器中的實(shí)現(xiàn)

房樹超 ，李 芹

(1.國電南思控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 211153；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中心，江蘇 南京 210000)

隨著智能電網(wǎng)技術(shù)大踏步地向前發(fā)展，電力部門對故障錄波裝置的分布式應(yīng)用要求越來越高，對在分布式系統(tǒng)中的錄波同步的要求也越來越嚴(yán)格，僅采用單一的GPS對時(shí)系統(tǒng)已不能完全滿足電網(wǎng)運(yùn)行的要求。因此，需要引入更多的啟動(dòng)邏輯作為系統(tǒng)同步錄波的判據(jù)。

目前智能變電站的時(shí)間同步系統(tǒng)的主時(shí)鐘多采用GPS和北斗的雙系統(tǒng)對時(shí)，對于作為從時(shí)鐘的二次裝置(如保護(hù)、測控、故障錄波、合并單元等)一般采用IRIG-B碼對時(shí)方式。長期以來，IRIG-B碼對時(shí)也一直是電力部門較為青睞的一種時(shí)鐘源，而且大多二次設(shè)備多采用CPU的方式進(jìn)行編解碼。但由于CPU在受到干擾的情況下容易出現(xiàn)死機(jī)、崩潰、復(fù)位等現(xiàn)象，盡管時(shí)間短暫，在故障錄波的情況下是絕對不允許的。針對以上情況，本文提出了一種基于Altera公司的MAXII570來實(shí)現(xiàn)IRIG-B解碼器的設(shè)計(jì)思想，利用CPLD基于硬件邏輯、對環(huán)境的抗干擾性能強(qiáng)等優(yōu)勢來避免產(chǎn)生類似的情況，以提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性與安全性。

故障錄波器是電力系統(tǒng)發(fā)生故障及振蕩時(shí)能自動(dòng)記錄故障前、后過程的各種電氣量變化的一種裝置。它可以記錄因短路故障、系統(tǒng)振蕩、頻率崩潰、電壓崩潰等大擾動(dòng)引起的系統(tǒng)電流、電壓及其導(dǎo)出量(如有功、無功以及系統(tǒng)頻率)的全過程變化。主要用于檢測繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置的動(dòng)作行為，了解系統(tǒng)暫態(tài)過程中系統(tǒng)中各電參量的變化規(guī)律，以及校核電力系統(tǒng)計(jì)算程序及模型參數(shù)的正確性等。目前，故障錄波裝置的錄波結(jié)果是分析電力系統(tǒng)故障的重要依據(jù)。

在分布式的錄波系統(tǒng)中，各子單元之間需要在同一節(jié)拍下完成模數(shù)轉(zhuǎn)換工作，以達(dá)到同步采樣的功能。因此需要一個(gè)“同步節(jié)拍器”來完成各子單元之間的信號同步，當(dāng)出現(xiàn)故障的時(shí)候，由監(jiān)測到故障的單元向本同步器發(fā)出錄波啟動(dòng)信號，由本同步器向其他子單元發(fā)出同步錄波的命令，從而達(dá)到同步錄波的功能。

本文介紹的一種采用MAXII570實(shí)現(xiàn)分布式錄波系統(tǒng)同步的設(shè)計(jì)思想，為充分利用MAXII570芯片資源，將上述所有同步啟動(dòng)信號的啟動(dòng)邏輯均集成在芯片中。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用MAXII570實(shí)現(xiàn)分布式錄波系統(tǒng)的IRIG-B(DC)解碼器的框圖如圖1所示。在變電站中由主時(shí)鐘或擴(kuò)展鐘送出的IRIG-B碼到達(dá)故障錄波裝置后，經(jīng)過MAXII570解碼后產(chǎn)生秒脈沖、串行時(shí)標(biāo)等TTL信號。由于TTL傳輸距離比較短，很容易受到干擾，所以將其轉(zhuǎn)換為RS485電平后發(fā)送給各子單元。這樣不僅可以做到長距離傳輸，而且可以大大提高抗干擾性能。在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境中，若主時(shí)鐘系統(tǒng)送過來的IRIG-B碼源為本身就為RS485信號，則在該系統(tǒng)中同樣可以工作，只需調(diào)整光耦前端的限流電阻大小即可實(shí)現(xiàn)解碼。

圖1 IRIG-B解碼器框圖

為提高系統(tǒng)同步時(shí)鐘的精度和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)時(shí)采用一片12.8 MHz的溫度補(bǔ)償晶振的輸出作為主振頻率。溫度補(bǔ)償晶振的精度為0.5 ppm，經(jīng)過分頻后可以產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的12.8 kHz作為模數(shù)轉(zhuǎn)換的工作頻率。

故障信號為各子單元發(fā)送過來的信號，作為系統(tǒng)的同步判據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)收到故障信號后，發(fā)出錄波啟動(dòng)信號，通知各子單元啟動(dòng)錄波，經(jīng)過一段時(shí)間后(該時(shí)間可以由整定值設(shè)定)，發(fā)出錄波結(jié)束信號，完成本次錄波工作。當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)故障時(shí)，只要對應(yīng)的子單元發(fā)出故障信號即可，其余的同步工作由本系統(tǒng)完成。

2 IRIG-B解碼器的實(shí)現(xiàn)

圖2為IRIG-B(DC)碼的示意圖[1]。它是每秒一幀的時(shí)間串碼，每個(gè)碼元寬度為10 ms，一個(gè)時(shí)幀周期包括100個(gè)碼元，為脈寬編碼。碼元的“準(zhǔn)時(shí)”參考點(diǎn)是其脈沖前沿，時(shí)幀的參考標(biāo)志由一個(gè)位置識別標(biāo)志和相鄰的參考碼元組成，其寬度為8 ms。每10個(gè)碼元有一個(gè)位置識別標(biāo)志：P1、P2、P3，…，P9、P0，均為 8 ms寬度；PR 為幀參考點(diǎn)，二進(jìn)制“1”和“0”的脈寬分別為 5 ms和2 ms。

一個(gè)時(shí)間格式幀從幀參考標(biāo)志開始。因此連續(xù)兩個(gè)8 ms寬脈沖表明秒的開始，如果從第二個(gè)8 ms開始對碼元進(jìn)行編碼，則分別為第 0，1，2，…，99個(gè)碼元。 在 B碼時(shí)間格式中含有天、時(shí)、分、秒，順序?yàn)槊?分-時(shí)-天，所占信息位為秒7位、分7位、時(shí)6位、天10位，其位置在P0～P5之間。P6～P0包含其他控制信息。其中“秒”信息為第 1～8個(gè)碼元；“分”信息為第 10～17個(gè)碼元；“時(shí)”信息為第 20～27個(gè)碼元；第 5、14、24碼元為索引標(biāo)志，寬度為2 ms。時(shí)、分、秒均用BCD碼表示，低位在前，高位在后；個(gè)位在前，十位在后。

圖2 IRIG-B(DC)碼示意圖

IRIG-B的解碼過程采用最簡單的脈寬測量方法實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過編譯比較，該方法所耗用的CPLD資源最少。IRIG-B碼元信號的高低電平均為1 ms的整數(shù)倍，所以測量該信號的基本時(shí)鐘采用1 kHz的時(shí)鐘信號作為解碼時(shí)鐘。該時(shí)鐘由系統(tǒng)輸入的12.8 MHz時(shí)鐘經(jīng)過12 800次分頻后產(chǎn)生。脈寬測量部分VHDL源代碼描述如下：

IRIG-B解碼的主要任務(wù)是找到碼元起始報(bào)頭，也就是2個(gè)連續(xù)的占空比為8 ms：2 ms的脈沖。找到報(bào)頭后，根據(jù)碼元的分布情況逐一解出相應(yīng)的數(shù)據(jù)即可。找到起始報(bào)頭后，輸出秒脈沖，同時(shí)根據(jù)解碼數(shù)據(jù)輸出串行數(shù)據(jù)。本文利用12.8 MHz進(jìn)行1 333次分頻產(chǎn)生9 600 b/s的串行數(shù)據(jù)波特率，雖然不是整數(shù)，但是可滿足串行數(shù)據(jù)的誤碼率要求。

分脈沖由秒脈沖計(jì)數(shù)器產(chǎn)生，即計(jì)數(shù)器計(jì)滿1 min時(shí)，輸出一個(gè)脈沖。

3 同步邏輯信號的實(shí)現(xiàn)

分布式同步邏輯的實(shí)現(xiàn)為本系統(tǒng)的重要部分，也是分布式錄波系統(tǒng)同步錄波的關(guān)鍵。系統(tǒng)中有一個(gè)專門用于接收各子單元故障的信號，作為系統(tǒng)錄波的專用引腳，該信號為RS485驅(qū)動(dòng)，因此抗干擾能力比較強(qiáng)。實(shí)際應(yīng)用中，不論哪一個(gè)子單元判斷出故障信號，均向本系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)觸發(fā)電平，當(dāng)本系統(tǒng)收到該電平后立即發(fā)出啟動(dòng)信號，啟動(dòng)錄波后一段時(shí)間再發(fā)出錄波結(jié)束電平，結(jié)束本次錄波工作。

由于CPLD的并行處理功能強(qiáng)大與反應(yīng)速度快的特點(diǎn)，所以子單元發(fā)出故障信號的延時(shí)可以忽略不計(jì)(小于10 ns)。由于不同的用戶需要的錄波文件大小不一致，所以將錄波結(jié)束的控制參數(shù)交由用戶在線設(shè)置。由故障、錄波啟動(dòng)、錄波結(jié)束三組信號再配合IRIG-B時(shí)鐘信號即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的同步錄波功能(此處的源代碼不再贅述)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案在Altera公司的MAXII570[2]上實(shí)現(xiàn)，編譯環(huán)境為 QuartusII 8.0，編程語言為 VHDL[3]。

本系統(tǒng)在理論上最多能夠連接32個(gè)子單元(RS485驅(qū)動(dòng)能力的限制)，實(shí)際應(yīng)用中，由于受到產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)的限制，最大連接了8個(gè)子單元，任意一個(gè)子單元發(fā)出故障信號時(shí)，均能通過本系統(tǒng)產(chǎn)生錄波的同步信號，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足錄波器的相關(guān)指標(biāo)要求。即使多個(gè)子單元發(fā)出故障信號，本系統(tǒng)亦能準(zhǔn)確判斷出故障信號，從而輸出同步信號。

通過實(shí)際測試，本文設(shè)計(jì)方案只占用了63%的系統(tǒng)資源，留有相當(dāng)大的剩余資源，非常方便實(shí)現(xiàn)后期的功能升級，而不用更換硬件。

本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于如何正確地安排好芯片內(nèi)部各個(gè)模塊之間的時(shí)序，特別是當(dāng)多個(gè)單元發(fā)出故障信號的情況下，如何能夠準(zhǔn)確地發(fā)出錄波啟動(dòng)和錄波結(jié)束信號，而不丟失錄波文件。本系統(tǒng)可以用于暫態(tài)錄波器，也可以用于穩(wěn)態(tài)錄波器。此外，經(jīng)過調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)后，也可以用于其他的分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

[1]中華人民共和國國家能源局 DL/T 1100.1-2009.電力系統(tǒng)的時(shí)間同步系統(tǒng) 第1部分：技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2009.

[2]Altera.MAX II programmable logicdevice family data sheet[EB].2002.

[3]潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)實(shí)用教程[M].北京：科學(xué)出版社，2007.