智能变电站IRIG—B码授时问题的分析与解决方案

2017-09-15陈家辉

无线互联科技 2017年17期

陈家辉

摘要：智能变电站授时系统主要通过RS-485电平的IRIG-B码授时方式与站内的故障录波、保护、测控和微机监控系统等自动化装置对时。但通过该方式与站内的设备授时时，站内的测控或保护设备会随机地报对时异常或时间跳变现象。文章通过搭建测试仿真环境，查找出问题的原因，并提出了解决该问题方案。

关键词：IRIG-B；RS-485总线；时间同步

1 电站站内设备概述

随着国家智能电网的快速发展，对变电站站内设备的授时精度要求越来越高。目前站内设备的主要授时方式为脉冲同步方式、串口同步方式、IRIG-B码信息同步方式等。由于IRIG-B码同步方式对时精度高并简化了对时回路，国家电网公司《关于加强电力二次系统时钟管理的通知》中就明确要求逐步采用IRIG-B码标准实现GPS装置和相关系统或设备的对时[1]。

2 智能变电站IRIG-B码对时存在的问题与分析

2.1 IRIG-B码对时方式简介

时间码IRIG-B是美国靶场司令部委员会制定的一种时间标准。IRIG-B码为脉宽编码，传输速率为1帧/秒，一帧数据由100个码元组成，每个码元的宽度为10 ms，其每帧数据示意如图1所示。每一帧的数据包含年、天、时、分、秒等信息[2]，被授时设备通过接收并解析IRIG-B码信息，来校对本地时钟的时间。所以在IRIG-B码对时过程中要保证每一个码元信息要可靠、正确进行传输。

2.2 RS-485电平的IRIG-B码对时存在的问题

在智能变电站授时系统中，当采用RS-485电平的IRIG-B码对时方式与站内的故障录波器、测控、微机继电保护、远动及微机监控系统等自动化装置对时时，有些装置在对时的过程中会偶尔报时间异常或时间跳变的现象。图2为某地一个变电站通过RS-485电平的IRIG-B码授时示意图。

如图2所示，RS-485节点1通过100 m的双绞线与5台测控装置对时；RS-485节点2通过50 m的双绞线与4台保护设备对时；RS-485节点3通过80 m双绞线与4台微机监控装置对时；光口节点1通过100 m的多模光纤与录波装置对时。在通过IRIG-B码与站内设备授时过程中，监测后台会偶尔报某台测控装置或继电保护装置时间异常或时间跳变，而通过光纤授时的录波装置从未报过时间异常。为了尽快解决对时异常问题，我们在实验室搭建测试仿真环境。

2.3 RS-485电平的IRIG-B码授时异常问题查找与分析

2.3.1 RS-485数据总线技术简介

RS-485总线是一种多点差分数据传输的电气规范。其通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点双向通信，具有噪声抑制能力及可靠性高等特点[3]。RS-485总线电气性能最大可驱动32个节点；最大输出电压-7～12 V；最大传输速率为10 Mbps。

2.3.2 IRIG-B码授时环境的搭建与测试

为了能够分析和解决变电站出现对时异常的问题，搭建如图3所示的测试环境。试验操作步骤如图3所示。

（1）授时系统接线。按照图3所示，对电能质量设备进行接线，蓝色为30 m双绞线，红色为200 m双绞线，虚线部分为后续接入设备，暂时未接入系统。

（2）等待各设备授时成功。RS-485节点输出稳定的携带有效时间信息的IRIG-B码，待所有电能质量设备被授时成功。

（3）在理想实验条件下对各个测试点进行测试。用采样频率为16 GS/S，带宽为100 MHz的示波器分别对授时系统中的A，D，E点的幅值和上升沿进行测试，测试结果如图4—7所示。各测试点输出精度用泰坦TimeAcc-007时间同步测试仪进行测试。该系统的综合测试结果如表1所示。

2.4 在施加电磁干扰试验条件下对测试点进行测试

由于变电站由大量的一次设备和二次设备组成的，所以二次设备受到的电磁干扰源也比较复杂。其主要来源如下：（1）一次系统遭到的雷击干扰，会在高压母线上产生高频行波；（2）断路器或隔离开关的操作而引起的暂态过程；（3）二次回路中由于继电器或接触器的触点断开电感元件而引起的暂态干扰电压[3]。

为了验证电磁干扰对授时系统造成的影响，将测试设备放入EMC电磁兼容实验室进行如下项目测试。

（1）电快速瞬变脉冲群测试，用来驗证闪电、接地故障或电路中机械开关对电感性负载的切换，对电气系统造成的影响。

实验方法：待IRIG-B码对时信号输出正常后，将图4所示的测试点A输出的IRIG-B信号接入到时间同步测试仪的RS-485接口，记录下当前的测试结果。然后通过耦合/去耦网络将干扰源施加在测试点A的传输到RS-485双绞线中，通过测试仪记录测量结果，其具体试验参数设置和测试结果如表2所示。

（2）浪涌（冲击）抗扰度测试，用来验证雷电、电源系统开关切换时产生的瞬变过压或过流对授时系统的影响。

实验方法：待IRIG-B码对时信号输出正常后，将图4所示的测试点A输出的IRIG-B信号接入到时间同步测试仪的RS-485接口，并记录下当前的测试结果。然后将浪涌干扰信号施加测试点A的传输的RS-485双绞线中，通过测试仪记录测量结果。其具体试验参数设置和测试结果如表3所示。

2.5 变电站IRIG-B码授时问题的分析

在理想试验条件下，测试的结果如表1所示，可以得出以下结论：（1）当传输距离一定时，RS-485总线驱动负载的数量越多，对时信号峰峰值越小，上升沿时间越长，授时精度偏差越大，并且输出信号的波形发生畸变和小的波形振荡。（2）当驱动负载数量一定时，传输线距离越长，对输出信号的幅值影响不大，而信号的上升沿时间变长，授时精度偏差也变大，信号波形也发生小的失真。endprint

在电磁干扰实验条件下，测试结果如表2—3所示，可得出以下结论：电快速瞬变脉冲群或浪涌干扰会对RS-485电平的IRIG-B码对时信号传输的双绞线产生严重干扰，造成被授时设备不能解析该数据帧或解析出的数据帧错误。

通过对以上两种试验条件的分析，当通过RS-485电平的IRIG-B码方式与被授时设备对时时，在授时环境无强烈的电磁干扰时，1路RS-485节点驱动负载数量、双绞线的长度会对RS-485信号的峰峰值、上升沿和授时精度等参数产生影响，但没有造成授时设备的同步失败，只是授时精度产生了影响。但是在具有电磁干扰的环境下，干扰信号造成被授时设备报对时异常或时间跳变等问题。由于在智能变电站中电磁干扰是不可避免的，所以，我们设计了光路电路相互转换器，利用光纤传输介质实现全站时间同步。

3 IRIG-B光路电路转换设计

在智能变电站通过RS-485电平的IRIG-B码授时过程中，传输线路容易受到电磁干扰的影响，为了提高传输线路的抗电磁干扰性和授时的可靠性，设计光路电路转换器。其主要功能是将输入的IRIG-B码电信号或光信号进行相互转换，其基本功能框如图8所示。

3.1 电源模块设计

智能变电站常用的电压为220 VAC或者110 VDC，为了使该转化器能方便接入到授时系统，电源模块采用宽范围电压输入，而整个光路电路转换器仅需要单电源5 V供电。所以，设计电源模块输入电压范围为85～264 VAC或100～370 VDC，输出电压为5 V/1 A。并且该电源模块具有短路保护，过流和过压保护功能。其基本电路如图9所示。

3.2 RS-485接口电路设计

RS-485接口电路主要功能是实现单端信号与差分信号的相互转换。为了提高单端信号与差分信号的转换时间和保证数据传输的可靠性，选用MAXIM公司一款低功耗半双工RS-485/RS422收发器。其满足±15 kV防静电功能，差分转换延迟时间在15 ns以内。为了防止浪涌和瞬变脉冲的干扰，在差分接口输出端设计防护电路，其具体电路如图10所示。

3.3 光模块接口电路设计

在智能变电站中，IRIG-B码光口对时的传输介质常用的为62.5/125 ?m的多模光纤，接头为ST类型[5]。所以，在光口收发模块中选用AVAGO公司的一款ST接头光收发器件。其支持50/125 ?m，62.5/125 ?m，100/140 ?m的多模光纤，信号传输速率可达 160 mega bytes，传输距离最大为1.5 km。在光模块输出接口电路的设计中，采用频率补偿的方法降低发光二极管的上升/下降沿的时间，其典型值为3 ns；在驱动电路中施加一个小的预偏置电压减小传播延迟时间，其抖动典型值为1 ns。具体电路如图11所示。

4 IRIG-B光路电路转换器验证

为了验证光路电路转换器可靠性，按照图12所示搭建测试环境，试验操作步骤如下。

（1）测试系统接线。按照圖13所示，将2路RS-485电平的IRIG-B码授时信号通过电路光路转换器转换成光信号，然后光信号分别通过30 m和100 m的光纤介质传输到被授时设备接收端，在接收端再通过光路电路转换器转换成RS-485信号。

（2）等待各设备授时成功。RS-485节点输出的IRIG-B码授时信号经过光路电路转换器和光纤介质接入被授时设备上，等待所有电能质量设备授时成功。

（3）试验数据的测试和分析。将该对时系统的光纤传输介质放入到具有电磁干扰的实验室环境下，用示波器和时间同步测试仪分别对测试点A和B进行波形和输出偏差的测试，其测试结果如图13—14和表4所示。

由测得的数据结果表明，将输出RS-485电平IRIG-B码授时信号通过光路电路转换器转换为光信号进行传输时，具有授时信号波形良好，授时精度高，能够有效抵御电磁干扰。

5 结语

为了解决智能电站RS-485电平的IRIG-B码授时过程产生的对时异常问题，设计了光路电路转换器。该转换器可以将输入的IRIG-B码电信号或光信号进行相互转换，其采用光纤作为传输介质，具有隔离高电压、防电磁干扰、抗雷击等特点，目前已经在多个变电站得到了应用。

[参考文献]

[1]刘浩，苏理，丁敏.IRIG-B码对时在保护测控装置中的实现[J].江苏电机工程，2007（1）：48.

[2]张继承.数字化变电站时间同步系统的研究[D].南京：南京林业大学，2012.

[3]孙磊，李平舟.智能测控系统中的RS-485总线和CAN总线[J].电子科技，2009（9）：46.