一種實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤的對(duì)時(shí)方法

吳納磊，徐少雄，張春豪，賈海旭，李英春

(石家莊科林電氣股份有限公司，河北 石家莊 050000)

隨著科學(xué)技術(shù)及經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，不管是企業(yè)還是人民生活對(duì)電的需求有了進(jìn)一步的提高，國(guó)家電網(wǎng)有限公司已經(jīng)將停電時(shí)間作為考核標(biāo)準(zhǔn)。為了減少停電時(shí)間，迅速查找故障源，國(guó)家電網(wǎng)有限公司廣泛應(yīng)用了暫態(tài)錄波型故障指示器，其具有安裝方便，判斷故障準(zhǔn)確率高，用戶使用方便等特點(diǎn)。最主要的特點(diǎn)是將線路發(fā)生故障時(shí)刻的三相波形錄下來(lái)并上傳至主站，供主站對(duì)故障進(jìn)一步分析。這就要求三相波形的同步性要高，并且是越高越好。

暫態(tài)錄波型故障指示器一般由1個(gè)匯集單元和3個(gè)采集單元構(gòu)成?，F(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)匯集單元安裝在電線桿上距地大約3 m，3個(gè)采集單元分別安裝在10 kV的ABC三相線路上（可帶電安裝），匯集單元與主站之間通過(guò)GPRS通信，匯集單元和采集單元之間通過(guò)433 MHz的無(wú)線進(jìn)行通信。上傳給主站的錄波數(shù)據(jù)是由ABC三相線路上的設(shè)備分別采樣存儲(chǔ)的，為了滿足三相波形之間的同步性，就要保證三相的設(shè)備在同一時(shí)刻對(duì)線路電流電壓進(jìn)行采樣，這就需要在整套故障指示器系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一套精確穩(wěn)定的時(shí)間系統(tǒng)。

輸電線路上出現(xiàn)故障的時(shí)刻是不確定的，隨時(shí)都可能發(fā)生，這就要求三相設(shè)備的時(shí)間系統(tǒng)必須長(zhǎng)時(shí)間處于穩(wěn)定狀態(tài)。由于晶振本身的偏差會(huì)使得設(shè)備的時(shí)間系統(tǒng)隨著時(shí)間的推移誤差逐漸變大，如果通過(guò)頻繁對(duì)時(shí)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，通信信道就沒(méi)有能力傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，而433 MHz的信道數(shù)量有限，所以不能通過(guò)增加信道的方式來(lái)解決此問(wèn)題。故提出了一種實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤的對(duì)時(shí)方法來(lái)解決短時(shí)間內(nèi)不對(duì)時(shí)還能夠保證三相設(shè)備之間的對(duì)時(shí)精度。

1 對(duì)時(shí)方法

本文提出的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤的對(duì)時(shí)方法是基于主從結(jié)構(gòu)的通信系統(tǒng)，如圖1所示，主機(jī)通過(guò)GPRS信道接受主站下發(fā)的對(duì)時(shí)命令或者接受GPS的對(duì)時(shí)信號(hào)來(lái)保證本身的時(shí)間的準(zhǔn)確性，通過(guò)發(fā)送廣播對(duì)時(shí)命令的方式將時(shí)間下發(fā)到從機(jī)設(shè)備，一般的對(duì)時(shí)方式為從機(jī)接受到主機(jī)下發(fā)的對(duì)時(shí)命令后根據(jù)測(cè)得的傳輸時(shí)間進(jìn)行簡(jiǎn)單的補(bǔ)償直接對(duì)時(shí)給自身的時(shí)間系統(tǒng)，這樣能夠保證在對(duì)完時(shí)時(shí)時(shí)間系統(tǒng)是精準(zhǔn)的，但經(jīng)過(guò)時(shí)間的推移各個(gè)從設(shè)備之間的時(shí)間偏差會(huì)越來(lái)越大。基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤的對(duì)時(shí)方法可以在短時(shí)間內(nèi)避免這一問(wèn)題，給業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸留了足夠的時(shí)間。

圖1 主從結(jié)構(gòu)的通信系統(tǒng)

主機(jī)設(shè)備與各個(gè)從機(jī)設(shè)備之間的通信方式采用分時(shí)復(fù)用的方式。如圖2所示主機(jī)分別在時(shí)間點(diǎn)Tz0、Tz1、Tzn發(fā)送數(shù)據(jù)給從機(jī)設(shè)備，即主機(jī)每間隔T時(shí)間給從機(jī)發(fā)送一幀數(shù)據(jù)。

圖2 主機(jī)給從機(jī)下發(fā)對(duì)時(shí)命令的時(shí)序圖

圖2中的T為主機(jī)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)給從機(jī)設(shè)備的周期；Tz0、Tz1、Tzn分別為主機(jī)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)刻；Tc0、Tc1、Tcn分別為從機(jī)設(shè)備收到數(shù)據(jù)的時(shí)刻；Bc0、Bc1、Bcn分別為數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間；

主機(jī)設(shè)備按照?qǐng)D2中的周期給從機(jī)設(shè)備下發(fā)對(duì)時(shí)命令，對(duì)時(shí)命令中帶有時(shí)間戳，當(dāng)有其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時(shí)就暫停下發(fā)對(duì)時(shí)命令，沒(méi)有其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的時(shí)候下發(fā)對(duì)時(shí)命令，而從機(jī)在接受到對(duì)時(shí)命令以后進(jìn)行以下步驟的處理：

A.接收到對(duì)時(shí)命令。

B.判斷是否首次收到對(duì)時(shí)命令，如果是，將收到的當(dāng)前時(shí)間戳作為系統(tǒng)時(shí)間寫入本地，否則執(zhí)行步驟。

C.如果距上次收到對(duì)時(shí)命令的時(shí)間超過(guò)T+ΔT，放棄本次對(duì)時(shí)命令，否則執(zhí)行步驟D，其中ΔT為間隔ΔT間從機(jī)未接受到對(duì)時(shí)命令，還能保證從機(jī)時(shí)間精度的最大值。

D.計(jì)算當(dāng)前收到的對(duì)時(shí)命令中的時(shí)間戳和上次收到對(duì)時(shí)命令中的時(shí)間戳之間的差t1，計(jì)算收到當(dāng)前對(duì)時(shí)命令時(shí)和上次對(duì)時(shí)命令時(shí)的本地時(shí)間差t2，如果abs(t1-t2)>T1，放棄本次對(duì)時(shí)命令，T1為主機(jī)在兩次對(duì)時(shí)的間隔時(shí)間內(nèi)走過(guò)的時(shí)間與從機(jī)在兩次對(duì)時(shí)的間隔時(shí)間內(nèi)走過(guò)的時(shí)間允許的最大差值，否則執(zhí)行下一步驟。

E.根據(jù)當(dāng)前收到的對(duì)時(shí)命令中的時(shí)間戳和上次收到的對(duì)時(shí)命令中的時(shí)間戳Tz1和Tz0，計(jì)算出在此間隔內(nèi)主機(jī)走過(guò)的時(shí)間Pz，Pz=Tz1-Tz0。

根據(jù)當(dāng)前和上次收到對(duì)時(shí)命令時(shí)的本地時(shí)刻Tc1和Tc0，計(jì)算出在此間隔內(nèi)從設(shè)備走過(guò)的時(shí)間Pc，Pc=Tz1-Tz0。執(zhí)行步驟F。

F.本地的晶振頻率為Fclock，經(jīng)過(guò)PZ晶振震蕩次數(shù)為PC/(1/Fclock)，設(shè)置本地計(jì)數(shù)器，使之后晶振震動(dòng)次數(shù)為PC/(1/Fclock)時(shí)，經(jīng)過(guò)的時(shí)間為Pz。

計(jì)算：時(shí)間差ΔT=PC-Pz；調(diào)整量A= Δt。

進(jìn)一步地：步驟E中，計(jì)算：Δkn=Δt+An-1，其中：An=aΔkn+(1-a)An-1。式中：n為一共收到連續(xù)對(duì)時(shí)命令的數(shù)量；Δkn為本次調(diào)整量的中間值；Ai為連續(xù)第i次收到對(duì)時(shí)命令后的調(diào)整量，1≤i≤n，A1=0，A2=Δt2；a為調(diào)整系數(shù)。

調(diào)整量A=An步驟F中，具體執(zhí)行的步驟包括：

每ms調(diào)整1次晶振震蕩作為調(diào)整的基礎(chǔ)值，計(jì)算在T時(shí)間內(nèi)，以基礎(chǔ)值為基準(zhǔn)，可以調(diào)整的總時(shí)間為：Tp=T×1/Fclock，T的單位為ms。

計(jì)算在T時(shí)間內(nèi)完成調(diào)整量的調(diào)整，每ms需要調(diào)整的晶振震蕩次數(shù)：T0=A/Tp，A/Tp代表取整。

計(jì)算將T0分配到每ms后，剩余的需要調(diào)整的時(shí)間：T1=A%Tp，A%TV代表取余數(shù)。

如果T1≠0，計(jì)算調(diào)整范圍：Tv=T1/(1/Fclock)。

設(shè)置計(jì)數(shù)器：在前TT內(nèi)，每ms的計(jì)數(shù)為：當(dāng)前計(jì)數(shù)+Tv+an，之后的每ms的計(jì)數(shù)為：當(dāng)前計(jì)數(shù)Tv，其中，如果Av>0,an=1，否則，an=-1。

MCU使用計(jì)數(shù)器完成定時(shí)功能，晶振參數(shù)及定時(shí)器的工作頻率確定后，每個(gè)時(shí)間單位的晶振震蕩次數(shù)是一定的。如定時(shí)器的工作頻率為12 MHz，定時(shí)器的TOP值設(shè)為（12000-1），也就是說(shuō)定時(shí)器的計(jì)數(shù)器從0計(jì)數(shù)到TOP值時(shí)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間是1 ms。

本方法依據(jù)絕對(duì)的時(shí)間參考，將定時(shí)器中的計(jì)數(shù)作為一個(gè)變量進(jìn)行調(diào)整，可以精細(xì)調(diào)整本地時(shí)鐘精度。

采用本文提出的方案，根據(jù)收到的對(duì)時(shí)命令中的時(shí)間戳作為參考，調(diào)整一定時(shí)間內(nèi)的晶振震蕩計(jì)數(shù)，精細(xì)調(diào)整本地時(shí)鐘與主機(jī)同步，實(shí)現(xiàn)多個(gè)從設(shè)備的時(shí)鐘同步，從設(shè)備之間的時(shí)間差在±2μs內(nèi)。

2 暫態(tài)錄波型故障指示器

以上介紹的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤的對(duì)時(shí)方法應(yīng)用到暫態(tài)錄波型故障指示器中以滿足三相錄波數(shù)據(jù)的同步性。本文提出的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤的對(duì)時(shí)方法主要是在采集單元中實(shí)現(xiàn)，采集單元系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 采集單元采樣結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)采集單元接受到匯集單元的對(duì)時(shí)幀并進(jìn)行跟蹤對(duì)時(shí)后，可以認(rèn)為三相采集單元中的時(shí)鐘系統(tǒng)是精準(zhǔn)的，即三相設(shè)備的ms沿中對(duì)齊的。采集單元的主頻為12 MHz，啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換的定時(shí)器的時(shí)鐘頻率也是12 MHz，每周波采樣100個(gè)點(diǎn)，即啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換的定時(shí)器的周期值就為2400。在每ms沿到來(lái)的時(shí)候?qū)D轉(zhuǎn)換定時(shí)器的當(dāng)前計(jì)數(shù)器的值歸零，重新計(jì)數(shù)。經(jīng)過(guò)測(cè)試三相設(shè)備的定時(shí)器值在間隔1 ms時(shí)的偏差是很小的完全滿足應(yīng)用。這樣就能夠滿足三相采集單元錄波數(shù)據(jù)的同步性。

3 測(cè)試及結(jié)果分析

使用繼電保護(hù)測(cè)試儀輸出狀態(tài)序列，模擬現(xiàn)場(chǎng)的接地故障，如圖4為模擬的A相接地故障的狀態(tài)序列。

圖4 A相接地故障的狀態(tài)序列圖

圖中Iabc為ABC相正常負(fù)荷電流120 A，Ua為A相電壓，T1為A相發(fā)送接地故障的時(shí)刻，故障指示器在檢測(cè)到該序列時(shí)就會(huì)將接地時(shí)刻的波形存儲(chǔ)下來(lái)并上傳到主站，在PC機(jī)上使用查看comtrade文件格式波形軟件，查看上傳的波形如圖5所示。

圖5 A相接地故障波形

從圖5中可以看出，三相錄波數(shù)據(jù)之間的角差為0.3°左右，折算為時(shí)間約16μs，為主站對(duì)接地故障波形的分析提供了扎實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而提高故障判斷的準(zhǔn)確率。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤的對(duì)時(shí)方法應(yīng)用于暫態(tài)錄波型故障指示器中，不僅提高了整個(gè)產(chǎn)品的對(duì)時(shí)系統(tǒng)的精度，還促使產(chǎn)品可以更加長(zhǎng)久穩(wěn)定的運(yùn)行，并且為在主站分析波形判斷線路故障提供了可靠有效地波形數(shù)據(jù)，提高了故障判斷的準(zhǔn)確性。