高精度时间同步装置过程层监测的研究

王 琳，刘汉宁，吉帅虎

（石家庄科林电气股份有限公司，河北石家庄 050000）

关键字：高精度；时间监测；偏差计算；问答方式；网络压力抑制

在电力系统中，精准的时间可以确保各类运行设备实时数据采集时间的一致性，提高电网事故分析和稳定控制的水平[1]。时间同步装置可以为变电站内被授时设备提供高精度时间信号，同时可以监测被授时设备的时间同步状态和时间偏差，并及时告警[2]，满足各类系统和设备对时间的要求[3]。

文献[4]中介绍一种根据被监测设备输出的B码信号和GPS（全球定位系统）生成的B 码信号计算时间偏差的方法，要求被监测设备具有输出B 码的功能。文献[5]中提出根据被监测设备发送GOOSE（通用面向变电站对象事件）时间和时间同步装置收到GOOSE时间，直接计算出时间偏差，精度2 ms，不能满足现在电力系统对时间精度的要求。针对目前电力系统的需求，提出一种低成本高精度的时间同步装置，不修改被监测设备的软硬件，就可以实现高精度的时间监测。

1 时间同步装置系统方案

该时间同步装置包括时钟源模块、信号输出模块和监测模块。时钟源模块接收外部时源GPS/北斗对时信号，在信号质量好且稳定后装置进入对时状态，信号输出模块输出IRIG-B码（B类串行时间交换码）给间隔层和过程层被授时设备，同时输出一路IRIG-B码给内部监测模块提供时间基准。监测模块采用GOOSE 问答方式实现过程层设备时间监测[6]，监测结果通过IEC 61850协议上送到后台监控系统显示，系统结构如图1所示。

图1 系统结构

监测模块的核心CPU 芯片采用基于ARM Cortex-M3 的微控制器LPC1768，配合使用FPGA。CPU 主要负责监测轮询任务、收发GOOSE、偏差结果计算和网络压力的抑制。FPGA 主要负责扩展MAC、转发数据和协助抑制网络压力。CPU的时间基准采用信号输出模块的IRIG-B信号，由定时器捕获解析，更新设备UTC时间；IRIG-B码两个秒沿之间的UTC毫秒值在周期1 ms的匹配中断递增。

2 过程层监测流程

过程层设备监测采用管理端（时间同步装置）和被监测端（过程层智能设备）GOOSE问答方式实现。问答流程如图2 所示，其中T0为管理端发送“监测时钟请求”的时标；T1为被监测端收到“监测时钟请求”的时标；T2为被监测端返回“监测时钟请求的结果”的时标；T3为管理端收到“监测时钟请求的结果”的时标[7]。管理端时钟和被监测装置内部时钟的钟差为Δt（正为相对超前，负为相对滞后）：

图2 问答流程

由上面计算公式可知，时间偏差的计算精度取决于4 个时间戳T0～T3的准确度，其中T1和T2是被监测设备标记的时间，通过GOOSE 发送给时间同步装置，不属于时间同步装置可控因素，不予讨论。T0和T3分别是时间同步装置标记的发送请求命令时刻和接收响应命令时刻，这两个时刻与实际时间的偏差直接影响最终结果。下面分别介绍时间同步装置发送请求命令时刻T0和接收响应的时刻T3的标记方法。

2.1 发送请求命令时间T0

发送请求命令时间T0为时间同步装置监测模块发送请求帧的时间。CPU 发送的GOOSE 请求帧由FPGA转发给被监测设备，FPGA发送完请求帧，给CPU一个外部中断，标志发送已完成，CPU接收到该外部中断时记录此时UTC 时间的秒值，记为Ts，UTC 的毫秒值是在周期为1 ms 的定时器中断里更新，与实际时间的误差可能会接近1 ms，所以借助CPU 一个频率96 MHz 的计数器来确定进入中断的毫秒值。在收到基准B 码秒沿时刻时，记录计数器的计数值为timer0，收到发送完成外部中断时记录计数器的计数器值为timer1，利用两个定时器值可以计算出发送完成中断距上一秒的时间：

2.2 接收到响应的时刻T3

接收到响应的时刻T3为时钟装置监测模块接收到响应帧的时间。FPGA模块增加一个频率100 MHz的32 位计数器。FPGA 收到数据帧，把该计数器的值主动发送给CPU，CPU 通过改变FPGA 引脚的电平状态可以查询该计数器的值。FPGA 接收到数据帧，转发给CPU，同时主动上送收到数据时刻计数器的值TF1。CPU接收到转发的数据帧后，记录此时UTC 秒值Ts和定时器的计数值，并且立刻查询FPGA 计数器的值TF1，然后解析该数据帧，如果该帧为响应帧，计算CPU接收到数据帧的时刻T′3，与发送时刻的计算方法相同：

FPGA转发数据帧给CPU用的时间：

FPGA 接收到响应帧的时刻即为监测模块接收到响应帧的时刻：

3 网络压力的抑制

智能变电站的网络规模越来越大，网络结构逐渐复杂，接入的设备数量也在不断增加，发生网络风暴或者设备异常引起的网络压力的风险也在增大[8]。如果设备不具备抑制网络压力的能力，流量的增加可能影响正常数据帧的收发，从而影响设备的测试结果，甚至设备可能不能正常工作。因此，加强时间同步装置的抗网络压力能力非常重要。

时间监测系统中可能出现的压力帧有以下3种：广播帧；非订阅的组播帧或单播帧；GOOSE帧是订阅帧，但是stNum（状态号）和sqNum（顺序号）变化异常。

FPGA 在处理高数据量及数据筛选方面具有巨大灵活性和便利性，利用这方面优势，FPGA 滤除前两种帧，只转发CPU 订阅的GOOSE 报文，减轻CPU压力。

GOOSE 的DatSet（数据集引用）、GoCRef（实例路径名）等元素内容都不会变化，只有stNum 和sqNum 会发生变化，其占用字节数可能会变化，但是不会导致Length（数据长度）超过0x7fff，Length 在0～0x7fff 范围内，都是用两个字节表示，所以stNum 的TAG 位的位置不会变化。CPU 在接收中断中进行ASN.1 数据解码处理，在解析时记录每种GOOSE 的stNum 的TAG 位在数据帧中的位置，用于出现网络压力时尽快解析出stNum 和sq-Num。

电力系统中智能设备发送GOOSE 报文的周期一般大于等于1 ms，在正常情况下，1 ms 内接收到的最多帧数是收到所有的订阅帧，所以当1 ms内接收到帧数大于订阅帧种类时，认为出现了网络压力。此时，直接根据保存的该种GOOSE 的st-Num 的TAG 位的位置，解析出该帧的stNum、sq-Num，然后和上一帧的stNum、sqNum 比较。若两帧GOOSE 报文的stNum 相等，继续比较两帧GOOSE 报文的sqNum 的大小关系，若新接收GOOSE 帧的sqNum 大于上一帧的sqNum，丢弃此GOOSE 报文，否则更新接收方的数据。若两帧GOOSE 报文的stNum 不相等，更新接收方的数据[9]，stNum、sqNum 判断机制如图3 所示，程序处理流程如图4所示。

图3 stNum、sqNum判断机制

图4 GOOSE接收中断处理流程图

为验证在出现网络压力时，时间同步装置运行和监测结果不受影响，在监测系统正常数据帧的背景下，用压力模拟器给时间同步装置施加不同类型的压力帧，通过后台系统监视监测结果是否出现异常，测试环境如图5所示。

图5 测试网络压力环境

测试结果如表1 所示，表明通过该方案可以抑制80 Mbit/s的网络压力流量，保证了设备的正常工作和正常的时间偏差监测结果。

表1 抑制网络压力测试结果

4 测试结果

为了验证该低成本时间同步装置能够实现高精度的时间监测，用标准时间测试仪给被监测设备授时，时间测试仪和时间同步装置都采用GPS/北斗对时，然后改变时间测试仪输出时间与GPS/北斗时间的偏差，通过后台系统监视偏差监测结果，测试环境如图6所示。

图6 测试精度环境

做了以下4 组实验：设置时间测试仪时间比实际GPS/北斗时间慢11 ms；设置时间测试仪时间比实际GPS/北斗时间慢21 ms；设置时间测试仪时间比实际GPS/北斗时间快11 ms；设置时间测试仪时间比实际GPS/北斗时间快21 ms。

实验结果如表2 所示，监测偏差结果精度在0.05 ms以内。

表2 精度测试结果

5 结束语

利用低成本ARM 和FPGA协同处理，实现了过程层被授时设备精度为0.05 ms级别的高精度时间同步监测，同时可以抑制80 Mbit/s 的网络压力流量，提高了电网事故分析和稳定控制水平，更由于低廉的成本，使设备更具有市场竞争力。

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