高精度時間同步裝置過程層監(jiān)測的研究

王 琳，劉漢寧，吉帥虎

（石家莊科林電氣股份有限公司，河北石家莊 050000）

關(guān)鍵字：高精度；時間監(jiān)測；偏差計算；問答方式；網(wǎng)絡(luò)壓力抑制

在電力系統(tǒng)中，精準(zhǔn)的時間可以確保各類運行設(shè)備實時數(shù)據(jù)采集時間的一致性，提高電網(wǎng)事故分析和穩(wěn)定控制的水平[1]。時間同步裝置可以為變電站內(nèi)被授時設(shè)備提供高精度時間信號，同時可以監(jiān)測被授時設(shè)備的時間同步狀態(tài)和時間偏差，并及時告警[2]，滿足各類系統(tǒng)和設(shè)備對時間的要求[3]。

文獻(xiàn)[4]中介紹一種根據(jù)被監(jiān)測設(shè)備輸出的B碼信號和GPS（全球定位系統(tǒng)）生成的B 碼信號計算時間偏差的方法，要求被監(jiān)測設(shè)備具有輸出B 碼的功能。文獻(xiàn)[5]中提出根據(jù)被監(jiān)測設(shè)備發(fā)送GOOSE（通用面向變電站對象事件）時間和時間同步裝置收到GOOSE時間，直接計算出時間偏差，精度2 ms，不能滿足現(xiàn)在電力系統(tǒng)對時間精度的要求。針對目前電力系統(tǒng)的需求，提出一種低成本高精度的時間同步裝置，不修改被監(jiān)測設(shè)備的軟硬件，就可以實現(xiàn)高精度的時間監(jiān)測。

1 時間同步裝置系統(tǒng)方案

該時間同步裝置包括時鐘源模塊、信號輸出模塊和監(jiān)測模塊。時鐘源模塊接收外部時源GPS/北斗對時信號，在信號質(zhì)量好且穩(wěn)定后裝置進(jìn)入對時狀態(tài)，信號輸出模塊輸出IRIG-B碼（B類串行時間交換碼）給間隔層和過程層被授時設(shè)備，同時輸出一路IRIG-B碼給內(nèi)部監(jiān)測模塊提供時間基準(zhǔn)。監(jiān)測模塊采用GOOSE 問答方式實現(xiàn)過程層設(shè)備時間監(jiān)測[6]，監(jiān)測結(jié)果通過IEC 61850協(xié)議上送到后臺監(jiān)控系統(tǒng)顯示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)測模塊的核心CPU 芯片采用基于ARM Cortex-M3 的微控制器LPC1768，配合使用FPGA。CPU 主要負(fù)責(zé)監(jiān)測輪詢?nèi)蝿?wù)、收發(fā)GOOSE、偏差結(jié)果計算和網(wǎng)絡(luò)壓力的抑制。FPGA 主要負(fù)責(zé)擴展MAC、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和協(xié)助抑制網(wǎng)絡(luò)壓力。CPU的時間基準(zhǔn)采用信號輸出模塊的IRIG-B信號，由定時器捕獲解析，更新設(shè)備UTC時間；IRIG-B碼兩個秒沿之間的UTC毫秒值在周期1 ms的匹配中斷遞增。

2 過程層監(jiān)測流程

過程層設(shè)備監(jiān)測采用管理端（時間同步裝置）和被監(jiān)測端（過程層智能設(shè)備）GOOSE問答方式實現(xiàn)。問答流程如圖2 所示，其中T0為管理端發(fā)送“監(jiān)測時鐘請求”的時標(biāo)；T1為被監(jiān)測端收到“監(jiān)測時鐘請求”的時標(biāo)；T2為被監(jiān)測端返回“監(jiān)測時鐘請求的結(jié)果”的時標(biāo)；T3為管理端收到“監(jiān)測時鐘請求的結(jié)果”的時標(biāo)[7]。管理端時鐘和被監(jiān)測裝置內(nèi)部時鐘的鐘差為Δt（正為相對超前，負(fù)為相對滯后）：

圖2 問答流程

由上面計算公式可知，時間偏差的計算精度取決于4 個時間戳T0～T3的準(zhǔn)確度，其中T1和T2是被監(jiān)測設(shè)備標(biāo)記的時間，通過GOOSE 發(fā)送給時間同步裝置，不屬于時間同步裝置可控因素，不予討論。T0和T3分別是時間同步裝置標(biāo)記的發(fā)送請求命令時刻和接收響應(yīng)命令時刻，這兩個時刻與實際時間的偏差直接影響最終結(jié)果。下面分別介紹時間同步裝置發(fā)送請求命令時刻T0和接收響應(yīng)的時刻T3的標(biāo)記方法。

2.1 發(fā)送請求命令時間T0

發(fā)送請求命令時間T0為時間同步裝置監(jiān)測模塊發(fā)送請求幀的時間。CPU 發(fā)送的GOOSE 請求幀由FPGA轉(zhuǎn)發(fā)給被監(jiān)測設(shè)備，F(xiàn)PGA發(fā)送完請求幀，給CPU一個外部中斷，標(biāo)志發(fā)送已完成，CPU接收到該外部中斷時記錄此時UTC 時間的秒值，記為Ts，UTC 的毫秒值是在周期為1 ms 的定時器中斷里更新，與實際時間的誤差可能會接近1 ms，所以借助CPU 一個頻率96 MHz 的計數(shù)器來確定進(jìn)入中斷的毫秒值。在收到基準(zhǔn)B 碼秒沿時刻時，記錄計數(shù)器的計數(shù)值為timer0，收到發(fā)送完成外部中斷時記錄計數(shù)器的計數(shù)器值為timer1，利用兩個定時器值可以計算出發(fā)送完成中斷距上一秒的時間：

2.2 接收到響應(yīng)的時刻T3

接收到響應(yīng)的時刻T3為時鐘裝置監(jiān)測模塊接收到響應(yīng)幀的時間。FPGA模塊增加一個頻率100 MHz的32 位計數(shù)器。FPGA 收到數(shù)據(jù)幀，把該計數(shù)器的值主動發(fā)送給CPU，CPU 通過改變FPGA 引腳的電平狀態(tài)可以查詢該計數(shù)器的值。FPGA 接收到數(shù)據(jù)幀，轉(zhuǎn)發(fā)給CPU，同時主動上送收到數(shù)據(jù)時刻計數(shù)器的值TF1。CPU接收到轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)幀后，記錄此時UTC 秒值Ts和定時器的計數(shù)值，并且立刻查詢FPGA 計數(shù)器的值TF1，然后解析該數(shù)據(jù)幀，如果該幀為響應(yīng)幀，計算CPU接收到數(shù)據(jù)幀的時刻T′3，與發(fā)送時刻的計算方法相同：

FPGA轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀給CPU用的時間：

FPGA 接收到響應(yīng)幀的時刻即為監(jiān)測模塊接收到響應(yīng)幀的時刻：

3 網(wǎng)絡(luò)壓力的抑制

智能變電站的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜，接入的設(shè)備數(shù)量也在不斷增加，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴或者設(shè)備異常引起的網(wǎng)絡(luò)壓力的風(fēng)險也在增大[8]。如果設(shè)備不具備抑制網(wǎng)絡(luò)壓力的能力，流量的增加可能影響正常數(shù)據(jù)幀的收發(fā)，從而影響設(shè)備的測試結(jié)果，甚至設(shè)備可能不能正常工作。因此，加強時間同步裝置的抗網(wǎng)絡(luò)壓力能力非常重要。

時間監(jiān)測系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的壓力幀有以下3種：廣播幀；非訂閱的組播幀或單播幀；GOOSE幀是訂閱幀，但是stNum（狀態(tài)號）和sqNum（順序號）變化異常。

FPGA 在處理高數(shù)據(jù)量及數(shù)據(jù)篩選方面具有巨大靈活性和便利性，利用這方面優(yōu)勢，F(xiàn)PGA 濾除前兩種幀，只轉(zhuǎn)發(fā)CPU 訂閱的GOOSE 報文，減輕CPU壓力。

GOOSE 的DatSet（數(shù)據(jù)集引用）、GoCRef（實例路徑名）等元素內(nèi)容都不會變化，只有stNum 和sqNum 會發(fā)生變化，其占用字節(jié)數(shù)可能會變化，但是不會導(dǎo)致Length（數(shù)據(jù)長度）超過0x7fff，Length 在0～0x7fff 范圍內(nèi)，都是用兩個字節(jié)表示，所以stNum 的TAG 位的位置不會變化。CPU 在接收中斷中進(jìn)行ASN.1 數(shù)據(jù)解碼處理，在解析時記錄每種GOOSE 的stNum 的TAG 位在數(shù)據(jù)幀中的位置，用于出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)壓力時盡快解析出stNum 和sq-Num。

電力系統(tǒng)中智能設(shè)備發(fā)送GOOSE 報文的周期一般大于等于1 ms，在正常情況下，1 ms 內(nèi)接收到的最多幀數(shù)是收到所有的訂閱幀，所以當(dāng)1 ms內(nèi)接收到幀數(shù)大于訂閱幀種類時，認(rèn)為出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)壓力。此時，直接根據(jù)保存的該種GOOSE 的st-Num 的TAG 位的位置，解析出該幀的stNum、sq-Num，然后和上一幀的stNum、sqNum 比較。若兩幀GOOSE 報文的stNum 相等，繼續(xù)比較兩幀GOOSE 報文的sqNum 的大小關(guān)系，若新接收GOOSE 幀的sqNum 大于上一幀的sqNum，丟棄此GOOSE 報文，否則更新接收方的數(shù)據(jù)。若兩幀GOOSE 報文的stNum 不相等，更新接收方的數(shù)據(jù)[9]，stNum、sqNum 判斷機制如圖3 所示，程序處理流程如圖4所示。

圖3 stNum、sqNum判斷機制

圖4 GOOSE接收中斷處理流程圖

為驗證在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)壓力時，時間同步裝置運行和監(jiān)測結(jié)果不受影響，在監(jiān)測系統(tǒng)正常數(shù)據(jù)幀的背景下，用壓力模擬器給時間同步裝置施加不同類型的壓力幀，通過后臺系統(tǒng)監(jiān)視監(jiān)測結(jié)果是否出現(xiàn)異常，測試環(huán)境如圖5所示。

圖5 測試網(wǎng)絡(luò)壓力環(huán)境

測試結(jié)果如表1 所示，表明通過該方案可以抑制80 Mbit/s的網(wǎng)絡(luò)壓力流量，保證了設(shè)備的正常工作和正常的時間偏差監(jiān)測結(jié)果。

表1 抑制網(wǎng)絡(luò)壓力測試結(jié)果

4 測試結(jié)果

為了驗證該低成本時間同步裝置能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的時間監(jiān)測，用標(biāo)準(zhǔn)時間測試儀給被監(jiān)測設(shè)備授時，時間測試儀和時間同步裝置都采用GPS/北斗對時，然后改變時間測試儀輸出時間與GPS/北斗時間的偏差，通過后臺系統(tǒng)監(jiān)視偏差監(jiān)測結(jié)果，測試環(huán)境如圖6所示。

圖6 測試精度環(huán)境

做了以下4 組實驗：設(shè)置時間測試儀時間比實際GPS/北斗時間慢11 ms；設(shè)置時間測試儀時間比實際GPS/北斗時間慢21 ms；設(shè)置時間測試儀時間比實際GPS/北斗時間快11 ms；設(shè)置時間測試儀時間比實際GPS/北斗時間快21 ms。

實驗結(jié)果如表2 所示，監(jiān)測偏差結(jié)果精度在0.05 ms以內(nèi)。

表2 精度測試結(jié)果

5 結(jié)束語

利用低成本ARM 和FPGA協(xié)同處理，實現(xiàn)了過程層被授時設(shè)備精度為0.05 ms級別的高精度時間同步監(jiān)測，同時可以抑制80 Mbit/s 的網(wǎng)絡(luò)壓力流量，提高了電網(wǎng)事故分析和穩(wěn)定控制水平，更由于低廉的成本，使設(shè)備更具有市場競爭力。

資訊

國網(wǎng)河南電力：河南省2021年推動農(nóng)村電網(wǎng)提檔升級圓滿完成

2 月14 日，河南省政府新聞辦舉行“實事惠民生 聚力謀出彩”系列新聞發(fā)布會（第三場），介紹2021年河南省“推動農(nóng)村電網(wǎng)提檔升級”民生實事落實情況，并回答記者提問。2021年河南省農(nóng)村電網(wǎng)提檔升級建設(shè)任務(wù)圓滿完成，全省農(nóng)村地區(qū)供電能力和供電可靠性進(jìn)一步提升。

河南省是農(nóng)業(yè)大省、人口大省，農(nóng)村電網(wǎng)覆蓋省內(nèi)108個縣（市、區(qū)），供電面積占全省的九成，供電人口占全省的八成，縣域用電量占全省用電量的六成以上。近年來，國網(wǎng)河南電力持續(xù)推進(jìn)農(nóng)村電網(wǎng)改造。2021年11月底，民生實事工程建設(shè)任務(wù)提前完成，共投資18.47 億元，建成10 kV 及以下電網(wǎng)項目3082 個，新建改造配電變壓器5004 臺、容量101 萬kVA，新建改造10 kV及以下線路7503 km，實現(xiàn)了老百姓從“用上電”到“用好電”的過渡。

來源：國網(wǎng)河南省電力公司