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时钟精度对网络记录分析装置的影响及应对措施

2018-04-16 09:50:06
来源: 万选通资讯
分类: 技术应用
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导读

网络记录分析装置为智能变电站调试和运行提供了重要手段,它还原智能化变电站间隔设备的通信概貌又高度依赖网络报文的时间戳精度。影响网络报文时间戳精度主要依赖于装置的irig-b码校时精度和守时精度;若装置的校时精度和守时精度不满足系统运行要求时,网络报文的时间戳就不能够为网络通信的时序提供有效的支撑。该文深入分析如何提高网络记录分析装置的守时精度和校时精度,从而满足了智能变电站对网络报文时间戳的精度要求。

吴阳生1,张道农2

1.南京新和普电力科技有限公司;2.华北电力设计院有限公司

1 引言

网络记录分析装置为智能变电站调试和运行提供了重要手段,它还原智能化变电站间隔设备的通信概貌又高度依赖网络报文的时间戳精度。报文时间戳精度主要依赖于装置的irig-b码校时精度、守时精度以及加盖报文时间戳的机制;若装置的校时精度和守时精度不满足系统运行要求时,网络报文的时间戳就不能够为网络通信的时序提供有效的支撑。

2 网络记录分析装置在智能变电站的作用

网络记录分析装置在智能变电站中的作用主要体现在可以提供用户查询特定时刻各过程层和站控层设备发出的报文信息,有利于用户以一个特定的时间断面关联分析智能变电站的动作行为及特点,分析电网运行的稳定性。此功能的实现高度依赖报文时间戳的精度。同时,网络记录分析装置可提供用户以若干个关联设备为对象查询特定时间段的网络通讯行为,分析他们的通讯时序是否满足相关规约要求,并分析动作行为。该功能的实现也高度依赖报文时间戳精度,有效提高了智能变电站调试进度,节约了调试成本。

3 影响报文时间戳精度的要素

报文时间戳是描述在网络传输的报文到达网络记录分析装置phy时刻的时间刻度。报文时间戳精度主要体现在两个方面:一是,该报文的时间戳和当前gps时间的误差;二是,两个报文之间的间隔和设备记录间隔的误差。影响报文时间戳精度也体现在两个方面:第一,设备的系统时间精度;第二,设备对网络报文到达的识别和加盖当前系统时间的机制。

4 提高报文时间戳精度的措施

提高校时精度有利于报文时间戳的绝对时间精度,目前在智能变电站中广泛应用irig-b模式进行终端设备的校时。irig-b的校时精度主要体现在对B码整秒上升沿的捕获、B码时间信息的正确识别。Irig-b整秒上升沿的精度体现在三个方面:gps服务器发送的绝对时刻、GPS服务器到校时终端的线路延时、终端设备接受电路和捕获上升沿的延时。从这三方面综合分析,irig-b的校时精度又可分为固定延时和整个信号传输线上的抖动而带来的误差。对于线路上的固定延时我们可以在时间数据上直接补偿以达到消除固定延时带来的误差。影响信号在线路传输上抖动的原因较多,有设备的工作温度及元件老化等不定因数而引起的,硬件电路是无法完全消除的,对于信号的抖动,可以在软件上引入一些实用性的算法来弥补硬件设计上的不足。

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图1 终端设备捕获B码整秒上升沿的示意图

图1是描述终端设备捕获B码整秒上升沿的示意图,假设蓝线的a、c处为gps服务器发出的整秒上升沿时刻,若信号在线路上的传输不存在抖动而仅仅存在线路延时情况下的终端设备捕获整秒上升沿应为红线b、d时刻,若 ,那么, 等式也是成立的。假如b时刻是终端设备捕获的第一个有效的整秒上升沿,时间数据为 ,终端设备完全可以在c时刻 校时终端设备的系统时间为 。实际系统中信号在线路上传输是存在一定程度抖动的,那么,若b时刻是终端设备捕获的第一个有效整秒上升沿,时间数据为 ,而下一个整秒捕获时刻就不一定是d时刻,可能是e时刻也可能是f时刻,同时b也不能作为整秒的参考时刻,b时刻相对a时刻同样存在抖动误差。图1生动描述了终端校时误差,是因为信号在线路上的延时和抖动引起的,而线路延时基本可以消除,信号在线路上的抖动是没办法完全消除,只能在算法上做一定存度的降低因抖动而带来的误差。利用抖动是一个随机性的特点,累加的和并不是和累加的次数成正比的。因此,可以在终端设备中采用Averaging算法,减少因抖动而带的校时误差。在终端设备中连续捕获若干有效的整秒上升沿,去掉m个最大值(整秒间的时间间隔),和n个最小值(过滤掉一些病态的时钟值)之后再得出平均值ET。

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图2 处修正设备的系统时间

经过算法处理之后,在 处修正设备的系统时间,在下一个报文时间戳上置一个校时标志,以描述在校时前后两个网络报文时间戳相对时间的误差存在因校时而累计的误差,以及可能因为校时而引起的系统时间大幅值的跳变,导致前后两个报文记录的时间差远大于实际发出的时间差。

设备对网络报文到达的识别和加盖当前系统时间的精度,取决于设备对网络采集的实时响应的能力,目前对通讯网络信号的采集主要方式有使用成熟的网卡芯片,以及使用可编程能的fpga来实现,成熟的网卡芯片面向的对象是整帧报文,而fpga面向的是一个高速串型数据,响应时间不受报文类型、报文大小受约束,最高响应时间为一个时钟周期。当两个报文在不同端口同时到达时,时间戳误差只有一个时钟周期,若系统时钟为100Mhz条件下。那么,一个时钟周期只有10ns。因此,使用fpga来实现电力网络数据的采集可以最大限度的提高网络报文时间戳的精度。

5 总结

报文时间戳精度是网络记录分析装置的关键指标,它的精度控制依赖于网络记录分析装置的硬件架构和IRIG-B校时软件的算法,只有高精度的报文时间戳才能够正确还原变电站的网络通讯时序,以及变电站的运行工况。

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参考文献

[1] 李军华.高精度IRIG-B的数字方法实现[D].北京:北京邮电大学.2007.

[2] 陈曦.基于FPGA的IRIG-B(DC)码的解码方案[J].仪器仪表用户.2009.16(3),94-96.

[3] Xiao L. Dual averaging methods for regularized stochastic learning and online optimization.The Journal of Machine Learning Research,2010,11:2543-2596.

作者简介

吴阳生(1974- ),工程师,主要从事计算机硬件平台的研发工作。

张道农(1961- ),教授级高级工程师/设计总工程师,全国微电网与分布式电源并网标准化技术委员会委员、全国时间频率计量委员会委员、中国电工技术学会理事、中国电工技术学会电力系统控制与保护专业委员会委员、全国电力系统管理及其信息交换标准化委员会委员、WAMS及时间同步工作组组长,中国电机工程学会高级会员,主要从事继电保护及安全自动装置的设计与研究以及大型工程项目的项目管理工作。

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