基于鎖相環(huán)技術(shù)的智能變電站時(shí)鐘同步方案

程澤濤，毛遠(yuǎn)軍，肖 凡，魯春華

（三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

變電站是電力網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)，它起著連接線路、輸送電能和擔(dān)負(fù)變換電壓等級(jí)、匯集電流、分配電能、控制電能流向、調(diào)整電壓等諸多重要作用。然而，不管是在站內(nèi)信息采集、測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測(cè)等功能上，還是在站與調(diào)度、站與站之間、站與大用戶和分布式電源上的協(xié)同互動(dòng)上，都嚴(yán)格依賴于時(shí)間上的一致性［1，2］，這就要求站內(nèi)必須配置穩(wěn)定可靠的高精度時(shí)鐘系統(tǒng)。

目前，國(guó)內(nèi)大部分變電站仍采用GPS授時(shí)機(jī)作為站內(nèi)的主要時(shí)鐘源，然而GPS系統(tǒng)受美國(guó)軍方控制，其在可靠性和安全性上任然存在一定的隱患。我國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在2014年已經(jīng)獲得國(guó)際海事組織的認(rèn)可。北斗授時(shí)技術(shù)已經(jīng)逐漸趨于成熟，北斗時(shí)間源也逐漸作為優(yōu)先授時(shí)信號(hào)被廣泛運(yùn)用于智能變電站的同步裝置中。但是，由于北斗1PPS信號(hào)短期穩(wěn)定性差的影響會(huì)伴隨出現(xiàn)較大的隨機(jī)誤差［3］，為進(jìn)一步消除隨機(jī)誤差對(duì)北斗信號(hào)輸出帶來(lái)的影響，本文針對(duì)衛(wèi)星信號(hào)和本地晶振在長(zhǎng)期和短期穩(wěn)定性上的互補(bǔ)特性，對(duì)北斗接收信號(hào)進(jìn)行二次處理，確立一種北斗1PPS信號(hào)馴服本地晶振來(lái)替代變電站衛(wèi)星時(shí)鐘授時(shí)的方案，并利用鎖相環(huán)技術(shù)對(duì)相位誤差進(jìn)行測(cè)量和修正。其中對(duì)本地晶振產(chǎn)生的秒脈沖與北斗1PPS信號(hào)間的相位差值采用數(shù)字鑒相器實(shí)現(xiàn)同步測(cè)量，然后對(duì)誤差值進(jìn)行濾波處理，使本地晶振輸出與北斗標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步的穩(wěn)定性優(yōu)良的時(shí)間信號(hào)。仿真結(jié)果表明該方案能有效削弱相位噪聲的影響，輸出信號(hào)時(shí)間精度滿足智能變電站對(duì)于時(shí)鐘精度的要求。

1 智能變電站時(shí)鐘同步方案

根據(jù)DL／T860《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》，智能變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從邏輯上可以劃分為站控層、間隔層和過(guò)程層［4，5］。智能變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。變電站各層之間緊密聯(lián)系，相互配合，共同完成對(duì)輸電網(wǎng)的測(cè)量、控制、調(diào)節(jié)、保護(hù)、安穩(wěn)等功能。其中，站控層主要完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制（SCADA）、操作閉鎖以及同步相量采集、電能量采集、保護(hù)信息管理等功能；間隔層主要實(shí)現(xiàn)與各種遠(yuǎn)方輸入／輸出、傳感器和控制器通信；過(guò)程層完成變電站電能分配、變換、傳輸及其測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等相關(guān)功能。

保證智能變電站安全運(yùn)行需要統(tǒng)一精確的時(shí)間，智能變電站不同的應(yīng)用需要同步精度的時(shí)間同步，IEC61850－5中定義了時(shí)間同步的各種等級(jí)，如表1所示。

圖1 智能變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 時(shí)間同步的各種精度等級(jí)

智能變電站站內(nèi)配置一套全站公用的時(shí)間同步系統(tǒng)，高精度時(shí)鐘源要雙重化配置；優(yōu)先采用北斗系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)信號(hào)進(jìn)行時(shí)鐘校正。時(shí)間同步系統(tǒng)可以輸出SNTP、IRIG－B（DC）、1PPS信號(hào)。站控層設(shè)備采用SNTP或IRIG－B對(duì)時(shí)方式。間隔層、過(guò)程層設(shè)備采用IRIG－B對(duì)時(shí)方式或IEC61588網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)。主時(shí)鐘源要提供滿足DL／T860通信標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，直接與自動(dòng)化系統(tǒng)連接，將裝置運(yùn)行情況、鎖定衛(wèi)星數(shù)量、同時(shí)或失步狀態(tài)等信息傳輸至站控層。

在同步網(wǎng)絡(luò)中，穩(wěn)定可靠的同步時(shí)鐘源是各層時(shí)間同步的保證，為保證全網(wǎng)全時(shí)段的同步精度，需要選用高穩(wěn)定性的可靠時(shí)間信號(hào)輸出。本文以北斗時(shí)間源（北斗1PPS）為基準(zhǔn)信號(hào)源，利用其長(zhǎng)期穩(wěn)定性優(yōu)秀的特點(diǎn)去校準(zhǔn)本地晶振，從而獲取一個(gè)更為可靠的本地時(shí)鐘。

2 本地時(shí)鐘對(duì)時(shí)方案

由于北斗衛(wèi)星接收機(jī)采集的北斗秒脈沖（1PPS）信號(hào)長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，短期穩(wěn)定性差，不存在累計(jì)誤差但伴隨較大的隨機(jī)誤差；而對(duì)于高精度的時(shí)鐘晶振來(lái)說(shuō)，其不存在隨機(jī)誤差，在短時(shí)間內(nèi)累計(jì)誤差很小，但是長(zhǎng)期穩(wěn)定性差［6］。根據(jù)兩者誤差互補(bǔ)的特性，本文設(shè)計(jì)了一種利用外部時(shí)間基準(zhǔn)校準(zhǔn)本地晶振的時(shí)鐘產(chǎn)生方案。以本時(shí)鐘作為變電站的主要時(shí)鐘源，由于采用了北斗1PPS對(duì)本地1PPS的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，既有效避免了衛(wèi)星信號(hào)隨機(jī)誤差的影響，又保證了本地時(shí)鐘優(yōu)良的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。圖2為本地時(shí)鐘的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 本地時(shí)鐘結(jié)構(gòu)圖

本地時(shí)鐘的系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。其核心是通過(guò)外部時(shí)間基準(zhǔn)（北斗1PPS信號(hào)），對(duì)本地晶振的頻率和分頻產(chǎn)生的秒脈沖進(jìn)行測(cè)量和校正，獲得和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間一致的秒脈沖（1PPS）信號(hào)，來(lái)替代原有的北斗時(shí)間信號(hào)輸出，提供準(zhǔn)確的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)和頻率標(biāo)準(zhǔn)。

在本系統(tǒng)中，北斗接收模塊用于實(shí)時(shí)采集北斗1PPS時(shí)間信號(hào)；干擾信號(hào)判斷模塊用于對(duì)提取的時(shí)間信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，對(duì)正常1PPS信號(hào)和偽信號(hào)進(jìn)行區(qū)分；干擾屏蔽模塊用于對(duì)北斗時(shí)間信號(hào)進(jìn)行濾波，濾除偽信號(hào)；10 MHz恒溫壓控晶振是本系統(tǒng)采用的本地晶振，為本系統(tǒng)提供時(shí)間來(lái)源；倍頻模塊用于對(duì)10 MHz晶振進(jìn)行倍頻，將10 MHz晶振倍頻到100 MHz，最小計(jì)數(shù)周期將從100 ns減小到10 ns，計(jì)數(shù)周期越小，對(duì)北斗1PPS的計(jì)數(shù)越精確；誤差測(cè)量模塊用于測(cè)量本地產(chǎn)生的1PPS和正常1PPS時(shí)間信號(hào)之間的相位誤差。

干擾信號(hào)判斷和屏蔽：1PPS秒脈沖信號(hào)以方波形式輸出，高電平表示有秒脈沖輸出，高電平脈沖寬度不是恒定值，持續(xù)時(shí)間約為1 ms，有0.01 ms的誤差，這就導(dǎo)致在1PPS信號(hào)高電平期間的晶振計(jì)數(shù)值不相等。由于干擾，接收到的1PPS信號(hào)中還存有各種毛刺，若以檢測(cè)脈沖上升沿作為計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，必然導(dǎo)致計(jì)數(shù)結(jié)果的不準(zhǔn)確，所測(cè)值將明顯偏大。在數(shù)字電路中，干擾脈沖的高電平持續(xù)時(shí)間大多是μs級(jí)的，很少有超過(guò)ms級(jí)的［7］，因此將高電平持續(xù)時(shí)間作為是否為正常秒脈沖的判斷依據(jù)。當(dāng)檢測(cè)有脈沖上升沿來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，發(fā)生信號(hào)跳變后停止計(jì)數(shù)，若計(jì)數(shù)脈寬大于等于（1＋σ）ms（σ為誤差裕量），則視為正常1PPS信號(hào)，否則視為偽信號(hào)。正常1PPS信號(hào)保留，將偽信號(hào)電平拉低。

3 基于鎖相技術(shù)的誤差校正方法

鎖相環(huán)電路（PLL），是一個(gè)使輸出信號(hào)（由振蕩器產(chǎn)生的）與參考信號(hào)或者輸入信號(hào)在頻率和相位上同步的電路。鎖相環(huán)的組成如圖3所示。

一個(gè)典型的鎖相環(huán)電路由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）三部分組成。其中，鑒相器又稱為相位比較器，其作用是比較輸出信號(hào)和參考信號(hào)之間的相位，獲得一個(gè)與相位誤差θe相關(guān)的輸出信號(hào)ud（t）；ud（t）中包含直流分量和疊加的交流分量，通過(guò)環(huán)路濾波器可將交流分量濾除；當(dāng)θe值不為0時(shí)，ud（t）的作用使LF產(chǎn)生一個(gè)固定信號(hào)uf，這將改變VCO的工作頻率，使其輸出頻率上升或降低，結(jié)果相位誤差θe變小，最終θe減小到0或趨于一個(gè)固定值。

圖3 鎖相環(huán)工作原理

圖4 鑒相模塊

本文采用了如圖4所示鑒相器模型，該模型由兩個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成，輸入信號(hào)為北斗1PPS脈沖以及本地晶振產(chǎn)生的秒脈沖，經(jīng)鑒相測(cè)量后分別輸出超前部分和滯后部分脈沖。

圖5 鑒相器輸出信號(hào)平均占空比與頻率比的關(guān)系

圖5所示曲線描繪出了鎖相環(huán)在未鎖定狀態(tài)鑒相器的行為，因?yàn)殍b相器的輸出信號(hào)在鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)時(shí)與相位差有關(guān)，在未鎖定狀態(tài)時(shí)與頻率誤差有關(guān)，因此，該鎖相環(huán)在任何條件下都能獲得鎖定。

圖6為環(huán)路濾波器模型。環(huán)路濾波器包括一個(gè)超前脈沖計(jì)數(shù)器N和一個(gè)滯后脈沖計(jì)數(shù)器N，其和在M計(jì)數(shù)器內(nèi)計(jì)數(shù)存儲(chǔ)。

當(dāng)鑒相器送出超前脈沖或滯后脈沖時(shí)，濾波器并不馬上將它送去進(jìn)行相位調(diào)整，而是分別對(duì)輸入的超前脈沖（或滯后脈沖）進(jìn)行計(jì)數(shù)。

圖6 環(huán)路濾波器模型

如果兩個(gè)N計(jì)數(shù)器中的一個(gè)，在M計(jì)數(shù)器計(jì)滿的同時(shí)或未計(jì)滿前就計(jì)滿了，則濾波器就輸出一個(gè)“減脈沖”（或“加脈沖”）控制信號(hào)去進(jìn)行相位調(diào)整，同時(shí)將三個(gè)計(jì)數(shù)器都置“0”（即復(fù)位），準(zhǔn)備再對(duì)后面的輸入脈沖進(jìn)行處理。

當(dāng)有干擾存在，鑒相器會(huì)輸出離散的超前或滯后脈沖，這兩種脈沖隨機(jī)出現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)N計(jì)數(shù)器的任何一個(gè)未計(jì)滿時(shí)，M計(jì)數(shù)器可能已經(jīng)計(jì)滿，并將三個(gè)計(jì)數(shù)器置“0”，因此濾波器沒(méi)有輸出，這樣就消除了隨機(jī)干擾對(duì)同步信號(hào)相位的影響。

利用XILINX的System Generator可以很快地完成鎖相環(huán)模塊的搭建，借助MATLAB中的Simulink工具可以實(shí)現(xiàn)FPGA硬件的協(xié)同仿真和系統(tǒng)在線調(diào)試。利用XILINX ISE環(huán)境中的Chipscope工具對(duì)測(cè)量到的北斗1PPS信號(hào)與本地秒脈沖之間的相位差波形進(jìn)行抓取，未進(jìn)行鎖相前的波形如圖7所示。由圖7可知，相位誤差被噪聲淹沒(méi)，相位差的噪聲很大，鎖相環(huán)無(wú)法進(jìn)入鎖定狀態(tài)。圖8為進(jìn)行鎖相誤差修正后的相位差波形。該結(jié)果表明鎖相環(huán)能快速對(duì)誤差值進(jìn)行鎖定，相位誤差在1 000 s內(nèi)可收斂到5 ns以內(nèi)，在3 600 s內(nèi)可收斂到1 ns以內(nèi)。

圖7 未進(jìn)行相位鎖定

圖8 鎖相環(huán)進(jìn)入工作后的相位誤差

4 結(jié) 論

時(shí)鐘同步技術(shù)在智能變電站中占有重要的位置，這是因?yàn)檎緝?nèi)信號(hào)的采集、傳輸和控制必須基于統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，才能保證準(zhǔn)確性、可靠性和有效性。本文針對(duì)衛(wèi)星時(shí)間源短期穩(wěn)定性差的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單可靠的本地時(shí)鐘進(jìn)行替代授時(shí)的同步方案，該方案結(jié)合了北斗信號(hào)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和本地晶振的短期穩(wěn)定性，利用衛(wèi)星基于鎖相技術(shù)的誤差測(cè)量和修正保證了時(shí)間源的穩(wěn)定性，仿真表明該方案能對(duì)相位誤差進(jìn)行鎖定和有效濾除，能夠滿足智能變電站的時(shí)間同步需求。

［1］ 劉振亞.智能電網(wǎng)技術(shù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2010.

［2］ 趙東艷，原義棟.用于智能電網(wǎng)建設(shè)的北斗／GPS高精度授時(shí)方案關(guān)鍵技術(shù)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（9）：2621－2625.

［3］ 王 軍.基于FPGA的壓控晶振同步頻率控制系統(tǒng)的研究［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2012，35（11）：83－85.

［4］ 何 磊.IEC61850應(yīng)用入門［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2014.

［5］ 陳 超.基于GPS的智能變電站高精度時(shí)鐘設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.南京：南京理工大學(xué)，2014.

［6］ 王 鵬.基于FPGA的絕對(duì)時(shí)間同步系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2007.

［7］ 陳孟元，陳躍東.基于高精度晶振同步北斗1PPS的同步相量測(cè)量裝置的時(shí)鐘源［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31（9）：111－114.