智能變電站IRIG—B碼授時問題的分析與解決方案

陳家輝

摘 要：智能變電站授時系統(tǒng)主要通過RS-485電平的IRIG-B碼授時方式與站內的故障錄波、保護、測控和微機監(jiān)控系統(tǒng)等自動化裝置對時。但通過該方式與站內的設備授時時，站內的測控或保護設備會隨機地報對時異?；驎r間跳變現象。文章通過搭建測試仿真環(huán)境，查找出問題的原因，并提出了解決該問題方案。

關鍵詞：IRIG-B；RS-485總線；時間同步

1 電站站內設備概述

隨著國家智能電網的快速發(fā)展，對變電站站內設備的授時精度要求越來越高。目前站內設備的主要授時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碼同步方式對時精度高并簡化了對時回路，國家電網公司《關于加強電力二次系統(tǒng)時鐘管理的通知》中就明確要求逐步采用IRIG-B碼標準實現GPS裝置和相關系統(tǒng)或設備的對時[1]。

2 智能變電站IRIG-B碼對時存在的問題與分析

2.1 IRIG-B碼對時方式簡介

時間碼IRIG-B是美國靶場司令部委員會制定的一種時間標準。IRIG-B碼為脈寬編碼，傳輸速率為1幀/秒，一幀數據由100個碼元組成，每個碼元的寬度為10 ms，其每幀數據示意如圖1所示。每一幀的數據包含年、天、時、分、秒等信息[2]，被授時設備通過接收并解析IRIG-B碼信息，來校對本地時鐘的時間。所以在IRIG-B碼對時過程中要保證每一個碼元信息要可靠、正確進行傳輸。

2.2 RS-485電平的IRIG-B碼對時存在的問題

在智能變電站授時系統(tǒng)中，當采用RS-485電平的IRIG-B碼對時方式與站內的故障錄波器、測控、微機繼電保護、遠動及微機監(jiān)控系統(tǒng)等自動化裝置對時時，有些裝置在對時的過程中會偶爾報時間異?；驎r間跳變的現象。圖2為某地一個變電站通過RS-485電平的IRIG-B碼授時示意圖。

如圖2所示，RS-485節(jié)點1通過100 m的雙絞線與5臺測控裝置對時；RS-485節(jié)點2通過50 m的雙絞線與4臺保護設備對時；RS-485節(jié)點3通過80 m雙絞線與4臺微機監(jiān)控裝置對時；光口節(jié)點1通過100 m的多模光纖與錄波裝置對時。在通過IRIG-B碼與站內設備授時過程中，監(jiān)測后臺會偶爾報某臺測控裝置或繼電保護裝置時間異?；驎r間跳變，而通過光纖授時的錄波裝置從未報過時間異常。為了盡快解決對時異常問題，我們在實驗室搭建測試仿真環(huán)境。

2.3 RS-485電平的IRIG-B碼授時異常問題查找與分析

2.3.1 RS-485數據總線技術簡介

RS-485總線是一種多點差分數據傳輸的電氣規(guī)范。其通信接口允許在簡單的一對雙絞線上進行多點雙向通信，具有噪聲抑制能力及可靠性高等特點[3]。RS-485總線電氣性能最大可驅動32個節(jié)點；最大輸出電壓-7～12 V；最大傳輸速率為10 Mbps。

2.3.2 IRIG-B碼授時環(huán)境的搭建與測試

為了能夠分析和解決變電站出現對時異常的問題，搭建如圖3所示的測試環(huán)境。試驗操作步驟如圖3所示。

（1）授時系統(tǒng)接線。按照圖3所示，對電能質量設備進行接線，藍色為30 m雙絞線，紅色為200 m雙絞線，虛線部分為后續(xù)接入設備，暫時未接入系統(tǒng)。

（2）等待各設備授時成功。RS-485節(jié)點輸出穩(wěn)定的攜帶有效時間信息的IRIG-B碼，待所有電能質量設備被授時成功。

（3）在理想實驗條件下對各個測試點進行測試。用采樣頻率為16 GS/S，帶寬為100 MHz的示波器分別對授時系統(tǒng)中的A，D，E點的幅值和上升沿進行測試，測試結果如圖4—7所示。各測試點輸出精度用泰坦TimeAcc-007時間同步測試儀進行測試。該系統(tǒng)的綜合測試結果如表1所示。

2.4 在施加電磁干擾試驗條件下對測試點進行測試

由于變電站由大量的一次設備和二次設備組成的，所以二次設備受到的電磁干擾源也比較復雜。其主要來源如下：（1）一次系統(tǒng)遭到的雷擊干擾，會在高壓母線上產生高頻行波；（2）斷路器或隔離開關的操作而引起的暫態(tài)過程；（3）二次回路中由于繼電器或接觸器的觸點斷開電感元件而引起的暫態(tài)干擾電壓[3]。

為了驗證電磁干擾對授時系統(tǒng)造成的影響，將測試設備放入EMC電磁兼容實驗室進行如下項目測試。

（1）電快速瞬變脈沖群測試，用來驗證閃電、接地故障或電路中機械開關對電感性負載的切換，對電氣系統(tǒng)造成的影響。

實驗方法：待IRIG-B碼對時信號輸出正常后，將圖4所示的測試點A輸出的IRIG-B信號接入到時間同步測試儀的RS-485接口，記錄下當前的測試結果。然后通過耦合/去耦網絡將干擾源施加在測試點A的傳輸到RS-485雙絞線中，通過測試儀記錄測量結果，其具體試驗參數設置和測試結果如表2所示。

（2）浪涌（沖擊）抗擾度測試，用來驗證雷電、電源系統(tǒng)開關切換時產生的瞬變過壓或過流對授時系統(tǒng)的影響。

實驗方法：待IRIG-B碼對時信號輸出正常后，將圖4所示的測試點A輸出的IRIG-B信號接入到時間同步測試儀的RS-485接口，并記錄下當前的測試結果。然后將浪涌干擾信號施加測試點A的傳輸的RS-485雙絞線中，通過測試儀記錄測量結果。其具體試驗參數設置和測試結果如表3所示。

2.5 變電站IRIG-B碼授時問題的分析

在理想試驗條件下，測試的結果如表1所示，可以得出以下結論：（1）當傳輸距離一定時，RS-485總線驅動負載的數量越多，對時信號峰峰值越小，上升沿時間越長，授時精度偏差越大，并且輸出信號的波形發(fā)生畸變和小的波形振蕩。（2）當驅動負載數量一定時，傳輸線距離越長，對輸出信號的幅值影響不大，而信號的上升沿時間變長，授時精度偏差也變大，信號波形也發(fā)生小的失真。endprint

在電磁干擾實驗條件下，測試結果如表2—3所示，可得出以下結論：電快速瞬變脈沖群或浪涌干擾會對RS-485電平的IRIG-B碼對時信號傳輸的雙絞線產生嚴重干擾，造成被授時設備不能解析該數據幀或解析出的數據幀錯誤。

通過對以上兩種試驗條件的分析，當通過RS-485電平的IRIG-B碼方式與被授時設備對時時，在授時環(huán)境無強烈的電磁干擾時，1路RS-485節(jié)點驅動負載數量、雙絞線的長度會對RS-485信號的峰峰值、上升沿和授時精度等參數產生影響，但沒有造成授時設備的同步失敗，只是授時精度產生了影響。但是在具有電磁干擾的環(huán)境下，干擾信號造成被授時設備報對時異常或時間跳變等問題。由于在智能變電站中電磁干擾是不可避免的，所以，我們設計了光路電路相互轉換器，利用光纖傳輸介質實現全站時間同步。

3 IRIG-B光路電路轉換設計

在智能變電站通過RS-485電平的IRIG-B碼授時過程中，傳輸線路容易受到電磁干擾的影響，為了提高傳輸線路的抗電磁干擾性和授時的可靠性，設計光路電路轉換器。其主要功能是將輸入的IRIG-B碼電信號或光信號進行相互轉換，其基本功能框如圖8所示。

3.1 電源模塊設計

智能變電站常用的電壓為220 VAC或者110 VDC，為了使該轉化器能方便接入到授時系統(tǒng)，電源模塊采用寬范圍電壓輸入，而整個光路電路轉換器僅需要單電源5 V供電。所以，設計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，過流和過壓保護功能。其基本電路如圖9所示。

3.2 RS-485接口電路設計

RS-485接口電路主要功能是實現單端信號與差分信號的相互轉換。為了提高單端信號與差分信號的轉換時間和保證數據傳輸的可靠性，選用MAXIM公司一款低功耗半雙工RS-485/RS422收發(fā)器。其滿足±15 kV防靜電功能，差分轉換延遲時間在15 ns以內。為了防止浪涌和瞬變脈沖的干擾，在差分接口輸出端設計防護電路，其具體電路如圖10所示。

3.3 光模塊接口電路設計

在智能變電站中，IRIG-B碼光口對時的傳輸介質常用的為62.5/125 ?m的多模光纖，接頭為ST類型[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，信號傳輸速率可達 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計中，采用頻率補償的方法降低發(fā)光二極管的上升/下降沿的時間，其典型值為3 ns；在驅動電路中施加一個小的預偏置電壓減小傳播延遲時間，其抖動典型值為1 ns。具體電路如圖11所示。

4 IRIG-B光路電路轉換器驗證

為了驗證光路電路轉換器可靠性，按照圖12所示搭建測試環(huán)境，試驗操作步驟如下。

（1）測試系統(tǒng)接線。按照圖13所示，將2路RS-485電平的IRIG-B碼授時信號通過電路光路轉換器轉換成光信號，然后光信號分別通過30 m和100 m的光纖介質傳輸到被授時設備接收端，在接收端再通過光路電路轉換器轉換成RS-485信號。

（2）等待各設備授時成功。RS-485節(jié)點輸出的IRIG-B碼授時信號經過光路電路轉換器和光纖介質接入被授時設備上，等待所有電能質量設備授時成功。

（3）試驗數據的測試和分析。將該對時系統(tǒng)的光纖傳輸介質放入到具有電磁干擾的實驗室環(huán)境下，用示波器和時間同步測試儀分別對測試點A和B進行波形和輸出偏差的測試，其測試結果如圖13—14和表4所示。

由測得的數據結果表明，將輸出RS-485電平IRIG-B碼授時信號通過光路電路轉換器轉換為光信號進行傳輸時，具有授時信號波形良好，授時精度高，能夠有效抵御電磁干擾。

5 結語

為了解決智能電站RS-485電平的IRIG-B碼授時過程產生的對時異常問題，設計了光路電路轉換器。該轉換器可以將輸入的IRIG-B碼電信號或光信號進行相互轉換，其采用光纖作為傳輸介質，具有隔離高電壓、防電磁干擾、抗雷擊等特點，目前已經在多個變電站得到了應用。

[參考文獻]

[1]劉浩，蘇理，丁敏.IRIG-B碼對時在保護測控裝置中的實現[J].江蘇電機工程，2007（1）：48.

[2]張繼承.數字化變電站時間同步系統(tǒng)的研究[D].南京：南京林業(yè)大學，2012.

[3]孫磊，李平舟.智能測控系統(tǒng)中的RS-485總線和CAN總線[J].電子科技，2009（9）：46.

[4]賈紅舟.變電站電磁干擾問題淺述[J].科技情報開發(fā)與經濟，2005（12）：260.

[5]國家能源局.電力系統(tǒng)的時間同步系統(tǒng)技術規(guī)范：DL/T 1100.1[S/OL].（2009-07-22）[2017-09-10].http：//www.docin.com/p-895170240.html.endprint