陳家輝

摘 要：智能變電站授時(shí)系統(tǒng)主要通過(guò)RS-485電平的IRIG-B碼授時(shí)方式與站內(nèi)的故障錄波、保護(hù)、測(cè)控和微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等自動(dòng)化裝置對(duì)時(shí)。但通過(guò)該方式與站內(nèi)的設(shè)備授時(shí)時(shí)，站內(nèi)的測(cè)控或保護(hù)設(shè)備會(huì)隨機(jī)地報(bào)對(duì)時(shí)異?；驎r(shí)間跳變現(xiàn)象。文章通過(guò)搭建測(cè)試仿真環(huán)境，查找出問(wèn)題的原因，并提出了解決該問(wèn)題方案。

關(guān)鍵詞：IRIG-B；RS-485總線(xiàn)；時(shí)間同步

1 電站站內(nèi)設(shè)備概述

隨著國(guó)家智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，對(duì)變電站站內(nèi)設(shè)備的授時(shí)精度要求越來(lái)越高。目前站內(nèi)設(shè)備的主要授時(shí)方式為脈沖同步方式、串口同步方式、IRIG-B碼信息同步方式等。由于IRIG-B碼同步方式對(duì)時(shí)精度高并簡(jiǎn)化了對(duì)時(shí)回路，國(guó)家電網(wǎng)公司《關(guān)于加強(qiáng)電力二次系統(tǒng)時(shí)鐘管理的通知》中就明確要求逐步采用IRIG-B碼標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)GPS裝置和相關(guān)系統(tǒng)或設(shè)備的對(duì)時(shí)[1]。

2 智能變電站IRIG-B碼對(duì)時(shí)存在的問(wèn)題與分析

2.1 IRIG-B碼對(duì)時(shí)方式簡(jiǎn)介

時(shí)間碼IRIG-B是美國(guó)靶場(chǎng)司令部委員會(huì)制定的一種時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。IRIG-B碼為脈寬編碼，傳輸速率為1幀/秒，一幀數(shù)據(jù)由100個(gè)碼元組成，每個(gè)碼元的寬度為10 ms，其每幀數(shù)據(jù)示意如圖1所示。每一幀的數(shù)據(jù)包含年、天、時(shí)、分、秒等信息[2]，被授時(shí)設(shè)備通過(guò)接收并解析IRIG-B碼信息，來(lái)校對(duì)本地時(shí)鐘的時(shí)間。所以在IRIG-B碼對(duì)時(shí)過(guò)程中要保證每一個(gè)碼元信息要可靠、正確進(jìn)行傳輸。

2.2 RS-485電平的IRIG-B碼對(duì)時(shí)存在的問(wèn)題

在智能變電站授時(shí)系統(tǒng)中，當(dāng)采用RS-485電平的IRIG-B碼對(duì)時(shí)方式與站內(nèi)的故障錄波器、測(cè)控、微機(jī)繼電保護(hù)、遠(yuǎn)動(dòng)及微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等自動(dòng)化裝置對(duì)時(shí)時(shí)，有些裝置在對(duì)時(shí)的過(guò)程中會(huì)偶爾報(bào)時(shí)間異?；驎r(shí)間跳變的現(xiàn)象。圖2為某地一個(gè)變電站通過(guò)RS-485電平的IRIG-B碼授時(shí)示意圖。

如圖2所示，RS-485節(jié)點(diǎn)1通過(guò)100 m的雙絞線(xiàn)與5臺(tái)測(cè)控裝置對(duì)時(shí)；RS-485節(jié)點(diǎn)2通過(guò)50 m的雙絞線(xiàn)與4臺(tái)保護(hù)設(shè)備對(duì)時(shí)；RS-485節(jié)點(diǎn)3通過(guò)80 m雙絞線(xiàn)與4臺(tái)微機(jī)監(jiān)控裝置對(duì)時(shí)；光口節(jié)點(diǎn)1通過(guò)100 m的多模光纖與錄波裝置對(duì)時(shí)。在通過(guò)IRIG-B碼與站內(nèi)設(shè)備授時(shí)過(guò)程中，監(jiān)測(cè)后臺(tái)會(huì)偶爾報(bào)某臺(tái)測(cè)控裝置或繼電保護(hù)裝置時(shí)間異?；驎r(shí)間跳變，而通過(guò)光纖授時(shí)的錄波裝置從未報(bào)過(guò)時(shí)間異常。為了盡快解決對(duì)時(shí)異常問(wèn)題，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室搭建測(cè)試仿真環(huán)境。

2.3 RS-485電平的IRIG-B碼授時(shí)異常問(wèn)題查找與分析

2.3.1 RS-485數(shù)據(jù)總線(xiàn)技術(shù)簡(jiǎn)介

RS-485總線(xiàn)是一種多點(diǎn)差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范。其通信接口允許在簡(jiǎn)單的一對(duì)雙絞線(xiàn)上進(jìn)行多點(diǎn)雙向通信，具有噪聲抑制能力及可靠性高等特點(diǎn)[3]。RS-485總線(xiàn)電氣性能最大可驅(qū)動(dòng)32個(gè)節(jié)點(diǎn)；最大輸出電壓-7～12 V；最大傳輸速率為10 Mbps。

2.3.2 IRIG-B碼授時(shí)環(huán)境的搭建與測(cè)試

為了能夠分析和解決變電站出現(xiàn)對(duì)時(shí)異常的問(wèn)題，搭建如圖3所示的測(cè)試環(huán)境。試驗(yàn)操作步驟如圖3所示。

（1）授時(shí)系統(tǒng)接線(xiàn)。按照?qǐng)D3所示，對(duì)電能質(zhì)量設(shè)備進(jìn)行接線(xiàn)，藍(lán)色為30 m雙絞線(xiàn)，紅色為200 m雙絞線(xiàn)，虛線(xiàn)部分為后續(xù)接入設(shè)備，暫時(shí)未接入系統(tǒng)。

（2）等待各設(shè)備授時(shí)成功。RS-485節(jié)點(diǎn)輸出穩(wěn)定的攜帶有效時(shí)間信息的IRIG-B碼，待所有電能質(zhì)量設(shè)備被授時(shí)成功。

（3）在理想實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)各個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。用采樣頻率為16 GS/S，帶寬為100 MHz的示波器分別對(duì)授時(shí)系統(tǒng)中的A，D，E點(diǎn)的幅值和上升沿進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4—7所示。各測(cè)試點(diǎn)輸出精度用泰坦TimeAcc-007時(shí)間同步測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。該系統(tǒng)的綜合測(cè)試結(jié)果如表1所示。

2.4 在施加電磁干擾試驗(yàn)條件下對(duì)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試

由于變電站由大量的一次設(shè)備和二次設(shè)備組成的，所以二次設(shè)備受到的電磁干擾源也比較復(fù)雜。其主要來(lái)源如下：（1）一次系統(tǒng)遭到的雷擊干擾，會(huì)在高壓母線(xiàn)上產(chǎn)生高頻行波；（2）斷路器或隔離開(kāi)關(guān)的操作而引起的暫態(tài)過(guò)程；（3）二次回路中由于繼電器或接觸器的觸點(diǎn)斷開(kāi)電感元件而引起的暫態(tài)干擾電壓[3]。

為了驗(yàn)證電磁干擾對(duì)授時(shí)系統(tǒng)造成的影響，將測(cè)試設(shè)備放入EMC電磁兼容實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行如下項(xiàng)目測(cè)試。

（1）電快速瞬變脈沖群測(cè)試，用來(lái)驗(yàn)證閃電、接地故障或電路中機(jī)械開(kāi)關(guān)對(duì)電感性負(fù)載的切換，對(duì)電氣系統(tǒng)造成的影響。

實(shí)驗(yàn)方法：待IRIG-B碼對(duì)時(shí)信號(hào)輸出正常后，將圖4所示的測(cè)試點(diǎn)A輸出的IRIG-B信號(hào)接入到時(shí)間同步測(cè)試儀的RS-485接口，記錄下當(dāng)前的測(cè)試結(jié)果。然后通過(guò)耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)將干擾源施加在測(cè)試點(diǎn)A的傳輸?shù)絉S-485雙絞線(xiàn)中，通過(guò)測(cè)試儀記錄測(cè)量結(jié)果，其具體試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置和測(cè)試結(jié)果如表2所示。

（2）浪涌（沖擊）抗擾度測(cè)試，用來(lái)驗(yàn)證雷電、電源系統(tǒng)開(kāi)關(guān)切換時(shí)產(chǎn)生的瞬變過(guò)壓或過(guò)流對(duì)授時(shí)系統(tǒng)的影響。

實(shí)驗(yàn)方法：待IRIG-B碼對(duì)時(shí)信號(hào)輸出正常后，將圖4所示的測(cè)試點(diǎn)A輸出的IRIG-B信號(hào)接入到時(shí)間同步測(cè)試儀的RS-485接口，并記錄下當(dāng)前的測(cè)試結(jié)果。然后將浪涌干擾信號(hào)施加測(cè)試點(diǎn)A的傳輸?shù)腞S-485雙絞線(xiàn)中，通過(guò)測(cè)試儀記錄測(cè)量結(jié)果。其具體試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置和測(cè)試結(jié)果如表3所示。

2.5 變電站IRIG-B碼授時(shí)問(wèn)題的分析

在理想試驗(yàn)條件下，測(cè)試的結(jié)果如表1所示，可以得出以下結(jié)論：（1）當(dāng)傳輸距離一定時(shí)，RS-485總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的數(shù)量越多，對(duì)時(shí)信號(hào)峰峰值越小，上升沿時(shí)間越長(zhǎng)，授時(shí)精度偏差越大，并且輸出信號(hào)的波形發(fā)生畸變和小的波形振蕩。（2）當(dāng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載數(shù)量一定時(shí)，傳輸線(xiàn)距離越長(zhǎng)，對(duì)輸出信號(hào)的幅值影響不大，而信號(hào)的上升沿時(shí)間變長(zhǎng)，授時(shí)精度偏差也變大，信號(hào)波形也發(fā)生小的失真。endprint

在電磁干擾實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)試結(jié)果如表2—3所示，可得出以下結(jié)論：電快速瞬變脈沖群或浪涌干擾會(huì)對(duì)RS-485電平的IRIG-B碼對(duì)時(shí)信號(hào)傳輸?shù)碾p絞線(xiàn)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，造成被授時(shí)設(shè)備不能解析該數(shù)據(jù)幀或解析出的數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤。

通過(guò)對(duì)以上兩種試驗(yàn)條件的分析，當(dāng)通過(guò)RS-485電平的IRIG-B碼方式與被授時(shí)設(shè)備對(duì)時(shí)時(shí)，在授時(shí)環(huán)境無(wú)強(qiáng)烈的電磁干擾時(shí)，1路RS-485節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)負(fù)載數(shù)量、雙絞線(xiàn)的長(zhǎng)度會(huì)對(duì)RS-485信號(hào)的峰峰值、上升沿和授時(shí)精度等參數(shù)產(chǎn)生影響，但沒(méi)有造成授時(shí)設(shè)備的同步失敗，只是授時(shí)精度產(chǎn)生了影響。但是在具有電磁干擾的環(huán)境下，干擾信號(hào)造成被授時(shí)設(shè)備報(bào)對(duì)時(shí)異?；驎r(shí)間跳變等問(wèn)題。由于在智能變電站中電磁干擾是不可避免的，所以，我們?cè)O(shè)計(jì)了光路電路相互轉(zhuǎn)換器，利用光纖傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)全站時(shí)間同步。

3 IRIG-B光路電路轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

在智能變電站通過(guò)RS-485電平的IRIG-B碼授時(shí)過(guò)程中，傳輸線(xiàn)路容易受到電磁干擾的影響，為了提高傳輸線(xiàn)路的抗電磁干擾性和授時(shí)的可靠性，設(shè)計(jì)光路電路轉(zhuǎn)換器。其主要功能是將輸入的IRIG-B碼電信號(hào)或光信號(hào)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，其基本功能框如圖8所示。

3.1 電源模塊設(shè)計(jì)

智能變電站常用的電壓為220 VAC或者110 VDC，為了使該轉(zhuǎn)化器能方便接入到授時(shí)系統(tǒng)，電源模塊采用寬范圍電壓輸入，而整個(gè)光路電路轉(zhuǎn)換器僅需要單電源5 V供電。所以，設(shè)計(jì)電源模塊輸入電壓范圍為85～264 VAC或100～370 VDC，輸出電壓為5 V/1 A。并且該電源模塊具有短路保護(hù)，過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)功能。其基本電路如圖9所示。

3.2 RS-485接口電路設(shè)計(jì)

RS-485接口電路主要功能是實(shí)現(xiàn)單端信號(hào)與差分信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。為了提高單端信號(hào)與差分信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間和保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，選用MAXIM公司一款低功耗半雙工RS-485/RS422收發(fā)器。其滿(mǎn)足±15 kV防靜電功能，差分轉(zhuǎn)換延遲時(shí)間在15 ns以?xún)?nèi)。為了防止浪涌和瞬變脈沖的干擾，在差分接口輸出端設(shè)計(jì)防護(hù)電路，其具體電路如圖10所示。

3.3 光模塊接口電路設(shè)計(jì)

在智能變電站中，IRIG-B碼光口對(duì)時(shí)的傳輸介質(zhì)常用的為62.5/125 ?m的多模光纖，接頭為ST類(lèi)型[5]。所以，在光口收發(fā)模塊中選用AVAGO公司的一款ST接頭光收發(fā)器件。其支持50/125 ?m，62.5/125 ?m，100/140 ?m的多模光纖，信號(hào)傳輸速率可達(dá) 160 mega bytes，傳輸距離最大為1.5 km。在光模塊輸出接口電路的設(shè)計(jì)中，采用頻率補(bǔ)償?shù)姆椒ń档桶l(fā)光二極管的上升/下降沿的時(shí)間，其典型值為3 ns；在驅(qū)動(dòng)電路中施加一個(gè)小的預(yù)偏置電壓減小傳播延遲時(shí)間，其抖動(dòng)典型值為1 ns。具體電路如圖11所示。

4 IRIG-B光路電路轉(zhuǎn)換器驗(yàn)證

為了驗(yàn)證光路電路轉(zhuǎn)換器可靠性，按照?qǐng)D12所示搭建測(cè)試環(huán)境，試驗(yàn)操作步驟如下。

（1）測(cè)試系統(tǒng)接線(xiàn)。按照?qǐng)D13所示，將2路RS-485電平的IRIG-B碼授時(shí)信號(hào)通過(guò)電路光路轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，然后光信號(hào)分別通過(guò)30 m和100 m的光纖介質(zhì)傳輸?shù)奖皇跁r(shí)設(shè)備接收端，在接收端再通過(guò)光路電路轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成RS-485信號(hào)。

（2）等待各設(shè)備授時(shí)成功。RS-485節(jié)點(diǎn)輸出的IRIG-B碼授時(shí)信號(hào)經(jīng)過(guò)光路電路轉(zhuǎn)換器和光纖介質(zhì)接入被授時(shí)設(shè)備上，等待所有電能質(zhì)量設(shè)備授時(shí)成功。

（3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)試和分析。將該對(duì)時(shí)系統(tǒng)的光纖傳輸介質(zhì)放入到具有電磁干擾的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，用示波器和時(shí)間同步測(cè)試儀分別對(duì)測(cè)試點(diǎn)A和B進(jìn)行波形和輸出偏差的測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如圖13—14和表4所示。

由測(cè)得的數(shù)據(jù)結(jié)果表明，將輸出RS-485電平IRIG-B碼授時(shí)信號(hào)通過(guò)光路電路轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為光信號(hào)進(jìn)行傳輸時(shí)，具有授時(shí)信號(hào)波形良好，授時(shí)精度高，能夠有效抵御電磁干擾。

5 結(jié)語(yǔ)

為了解決智能電站RS-485電平的IRIG-B碼授時(shí)過(guò)程產(chǎn)生的對(duì)時(shí)異常問(wèn)題，設(shè)計(jì)了光路電路轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器可以將輸入的IRIG-B碼電信號(hào)或光信號(hào)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，其采用光纖作為傳輸介質(zhì)，具有隔離高電壓、防電磁干擾、抗雷擊等特點(diǎn)，目前已經(jīng)在多個(gè)變電站得到了應(yīng)用。

[參考文獻(xiàn)]

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