IRIG-B码对时方式479.pdf

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1、IRIG-B 码对时方式在继电保护装置中的应用 时间：2011-07-18 14:24:17 来源：电子设计工程 作者：石美传 保定中力电力 摘要：随着变电站自动化技术的发展，对变电站内时间的精确和统一提出了更高的要求。本文提出了一种采用 IRIG-B 时间码来时时的方案。在这种对时方案中，每个变电站只安装一个 GPS 接收装置，利用 RS422485 总线传输 IRIG-B 码，保护装置对 IRIG-B 码解码器后，来设置自己的时间。本文还详细介绍了 IRIG-B 码的概念和原理以及用 CPLD 实现IRIG-B 码解码器的设计思想和实现方法。IRIG-B 码时时方式简化了回路设计，并且能够

2、可靠地提供精确的时间信息，必将在电力系统中得到广泛的应用。关键词：IRIG-B 时间码；继电保护；对时；CPLD?时间的精确和统一是变电站自动化系统的最基本要求。只有电力系统中的各种自动化设备(如故障录波器、继电保护装置、RTU 微机监控系统等)采用统一的时间基准，在发生事故时，才能根据故障录波数据，以及各开关、断路器动作的先后顺序和准确时间，对事故的原因、过程进行准确分析。统一精确的时间是保证电力系统安全运行，提高运行水平的一个重要措施。全球定位系统(GPS)的出现为实现这些需求提供了可能。?基于 GPS 的对时方式有 3 种：1)脉冲对时方式；2)串行口对时方式；3)IRIG-B 时间编码

3、对时方式。脉冲对时和串行口对时各有优缺点，前者精度高但是无法直接提供时间信息，而后者对时精度比较低。IRIG-B 码对时方式兼顾了两者的优点，是一种精度很高并且又含有绝对的精确时间信息的对时方式，采用 IRIC-B 码对时，就不再需要现场总线的通信报文对时，也不再需要 GPS 输出大量脉冲节点信号。国家电网公司发布的技术规范中明确要求新投运的需要授时的变电站自动化系统间隔层设备，原则上应采用 IRIG-B 码(DC)方式实现对时。1 继电保护装置对时方案?一个变电站内配置一套时间同步系统，该时间同步系统可由一面或多面时钟装置屏组成。时问同步系统的结构可采用主从式或主备式结构。时间同步系统与被授

4、时的继电保护装置之间采用 EIA RS-422485 接口标准来传输 IRIG-B(DC)码信号。不同厂家的保护装置仅需具有 EIA RS422485 接口的 IRIG-B 码解码器，即可接入变电站统一对时网络。保护装置内嵌 IRIG-B 码解码模块，采用图 1 中的对时模式，即由 IRIG-B 码解码模块检测出时间信息和对时脉冲，通过串口将时间信息直接下发到各个功能插件。各功能插件都直接从对时模块引入对时脉冲。2 IRIG-B 码解码模块的硬件设计?早期的 B 码解码设备多采用 TTL 集成电路与单片机相结合的方法来实现，利用门电路和触发器从编码信号中提取出秒同步信号，而用单片机实现时间信息

5、的解码。目前该方法仍在使用，但该方法存在器件较多，结构复杂，可靠性差、同步精度不高、通用性差、不利于功能扩展等问题。?为了解决上述问题，在本设计中，采用 CPLD 芯片来实现 IRIG-B 码的解码，采用的是 Altera 公司的 EPM3256。开发仿真软件采用的是 MAX+PLUS，它可以进行原理图编辑和 VHDL 语言编辑，并支持这些编辑方式的混合设计。在本设计中利用 VHDL 语言进行底层模块的设计，用原理图进行上层模块的设计。该软件具有门级仿真功能，可以进行功能和时序仿真，并支持目标程序在线下载。外部接入的 IRIG-B 编码信号是用 RS485 电平传输的差分信号，需变换为 TTL

6、 信号，转换芯片为 AD 公司的 ADM2483，该芯片是带隔离的增强型 RS485 收发器，有失效保护、短路电流限制、热关断和恢复等功能。外接的 5 MHz 信号来源于 5 MHz 的有源晶振。硬件框图如图 2 所示。3 IRIG-B 码解码模块的软件设计 31 IRIG-B 码原理?IRIG(Inter Range Instrumentation Group)码是美国靶场司令委员会制定的一种时间标准，共有 4 种并行二进制时间码格式和 6 种串行二进制时间码格式。其中最常用的是 IRIG-B 时间码格式。B 码可以分为直流(DC)码和交流(AC)码，交流码是 1 kHz 的正弦波载频对直流

7、码进行幅度调制后形成的；直流码采用脉宽编码方式。每秒 1 帧，含 100 个码元，每个码元宽度为 10ms。码元有 3 种，位置标识符的脉宽是 8ms(位置标识 P0P9 和参考标志 Pr)，二进制“1”和“0”的脉宽分别为 5 ms 和 2ms。?每帧从参考标志 Pr 开始，也就是连续两个 8 ms 脉冲中的第 2 个 8 ms 脉冲的前沿开始，分别为 Pr，第 0，1，99 码元。在 Pr 和 P5 之间是 BCD 字段，传送的是 BCD码格式的时间信息(包含秒、分、时、天 4 种信息)，低位在前，高位在后；个位在前十位在后。在 P5 和 P8 之间是 CF 字段，实现控制功能，可根据实际

8、使用时的协议制定使用方法，在这里没有用到该字段。在 P5 和 P8 之间是 SBS 字段，是用二进制表示的以秒(s)为单位的时间信息。IRIG-B 码的格式如图 3 所示。32 IRIG-B 码解码方案?IRIC-B 码解码器的功能框图如图 4 所示。?1)分频电路本模块的功能是将 5 MHz 的时钟信号进行分频处理，输出 1 000 Hz 和9 600 Hz 的信号，为码元检测和识别单元、码元记录单元和异步申行发送单元提供时间基准。为了减少计数器的位数进行了多次分频。?3)秒同步脉冲的产生根据码元识别结果，如果连续检测到两个标识位，则第 2 个标识位就是参考标志 Pr，其前沿为秒同步脉冲的起

9、始点。而参考标志 Pr 后第 1 个上升沿对应的是秒同步脉冲经过延时 10ms 的时刻，所以应该在参考标志 Pr 后第 1 个上升沿对应时刻再延时 990ms 来产生秒同步脉冲信号，在产生秒脉冲的同时把记录码元位置信息的计数器A 清零。?4)码元记录单元码元记录单元根据码元识别结果和码元位置来组合产生时间信息，包括 7 位秒信息、7 位分信息和 6 位时信息。?5)信息处理因为当前解出的时间是上一秒的时间信息。信息处理单元要将解码后的时间加上 1 s，同时为便于后续时间信息的传输和处理，要将时间信息转换成 BCD 码格式。?6)异步串行发送异步串行发送模块就是把经过处理后的时间信息通过异步串口

10、发送出去，速率是 9 600 bits，8 位数据位，无校验位，1 位停止位。4 结束语?IRIC-B 码对时有利于简化回路设计，并且能够可靠地提供精确的时间信息，必将在电力系统中得到日益广泛的应用。?传统的 IRIG-B 码解码器大多采用单片机来实现，器件较多，结构复杂，在受到外界干扰的情况下还可能出现死机等故障。而采用 CPLD 设计的解码器可以大大减少器件的数量、增加解码器的稳定性和应用的灵活性。根据本方案设计出的解码器模块适用于各种电压等级的保护装置，性能可靠稳定，时间信息准确、对时脉冲精度高(误差为几 s)。型号:gd?厂商:日行电气有限公司 摘 要 电力系统继电保护及自动装置因精确

11、对时而应用全球定位系统（GPS）。本文对应用的几种标准形式进行了介绍和比较。关键词 全球定位系统 继电保护 精确对时?随着人类活动范围的日趋扩展及航海、航空、测绘、勘探技术的不断发展和军事应用的需要，指导航行的方式亦由远古时代用自然恒星和指南针的方式演变为今天的无线电导航、卫星导航，全球定位系统（Global Positioning System 简称 GPS）就是这样一个卫星导航系统。GPS 是美国国防部自 1973 年开始研制的第二代卫星导航系统，历时 21 年，于 1994 年正式投入运行。它最初是为美国军方提供服务，但随着它的发展，在交通、测量、航空等民用领域里获得了广泛的应用。该系统

12、拥有 24 颗卫星，分布于 6 个轨道平面上，构成一个定时定位网。GPS 卫星用两个频率发射单射测距信号，即 L1 频率为 1575.42MHz 和 L2 频率为 1227.6MHz,还广播卫星的估计位置。用户同时测量到 4颗恒星的距离，即可解出四个未知数，它们通常是纬度、经度、高程和用户钟的改正数。如果已知其中任何一个未知数，则用的卫星数可以减少。这样，通过对观测点和各卫星基点之间的距离测量，它可以为全球各地固定式移动用户提供用户自身的实时三维位置、速度和时间信息，实时计算出观测点精确的地理位置、标准时间、速度等信息。GPS 提供两种定位服务，即基于精码（P 码）的精密定位服务（PPS）和基

13、于粗码（C/A）的标准定位服务（SPS）。PPS 信号被加密，非授权用户不能使用，大部分民间用户只能依赖C/A 码或 SPS。这样，基于粗码的 SPS 不能完全满足用户在精度、可用性和完好性方面的要求。为此，从GPS 获得的时间必须经过软、硬件的技术处理，可以使用户所在位置的世界时（VTC）达到亚微秒的精度，满足用户对精确时间的要求。这就使 GPS 具有全球覆盖、全天候、高精度的特征，在飞机导航、海陆交通管理、资源调查、测绘、勘探、导游等方面都有广泛的应用。在电力系统中，自动化信息传输、继电保护及自动装置的精确对时都借助于 GPS。一、继电保护和自动装置的精确对时 为满足远距离输电的需要，高压

14、大电网应运而生，随之快速继电保护和多功能的自动装置也获得了很大的发展。电力系统的精确对时也提到了重要的位置，它可以满足以下各方面的需要:1、检测功率平衡和控制潮流:由于电力系统的发、供、用是同时完成的统一体，测录电网各相关部位的电压、电流、功角和输送的功率就十分重要，这些信息是调度人员进行电力调度的依据，也是维持高质量电能的监控基础。2、计算网络电能损耗:电力输送应遵循输送能量损耗为最小的原则，为此，就必须在同一时刻测量处于不同位置的同一线路，受进与送出的电能，这样才能准确计算出某元件的电能损耗，否则，正确的损耗测量是办不到的。3、电力系统发生异常或事故时，故障录波提供有价值的波形进行分析:电

15、力系统出现异常或事故，故障录波装置会录制有关波形。对这些波形的分析，必须有同一的时间基准，否则就不能正确判断事故发生的原因、判断各种保护及自动装置动作行为的先后顺序的正确与否、判断事故的演变和发展过程。4、高频保护的调试:高频保护调试需要在线路两侧的高频保护上同时加故障量，以真实地模拟线路发生区内或区外故障时高频保护的动作行为。在线路两侧同时加故障量，靠一般的时钟是办不到的，这是因为一般时钟的工作精度是秒级，而作为快速保护的高频保护其工作时间是毫秒级，由一般时钟造成的误差，无法保证两侧所加故障量的同时性。而采用具有 GPS 准确定时功能由 PC 机控制的继电保护试验装置来保证两侧所加故障量的同

16、时性，其时间误差是微秒级的，可以满足同时加故障量的要求。此外，对其他一些时间精度要求较高的自动装置，如稳定控制装置传输时间的测试等均需要利用 GPS来精确测定。?二、继电保护精确对时的实施 目前，我国电力系统继电保护精确对时，都是以美国 GPS 定位系统为时间基准，选用进口 GPS 接收机部件，经二次开发研制成标准时间同步钟，自动选择最佳星座进行定位、定时，经过设备的硬件及软件处理转换为北京时间输出，使在我国任何地方使用，其时间误差小于 1s，完全可以满足目前电力系统精确对时的需要。标准时间同步钟的接收机通过 GPS 专用天线、馈线、接收头、单片微处理系统，将时间日期等信息输出到设备的外部接口

17、，其输出方式有多种形式可供选择，T-GPS20 系列的原理框图见图 1。1、GPS 装置各主要部件及作用如下:1）、GPS 信号接收器:是专用接收 GPS 卫星信号的集成电路模块，输出时间精度为 1 微秒的 1PPS 脉冲，并通过 RS232 串行口输出国际标准时间、日期和接收器所处地理位置（经纬度）等信息。2）、同步脉冲发生电路:输出秒（1PPS）、分钟（1PPM）、小时（1PPH）同步脉冲信号。3）、中心处理单元:对整个系统进行监控。接收 GPS 卫星信号接收模块发送的国际标准时间信息及秒同步信息，换算成当地时间送 LED 数码显示器显示，并按一定的格式经串行口输出，供继电保护和自动装置使

18、用。目前，由各研究单位和制造厂商开发的 GPS 卫星同步时钟装置有多种产品，它们根据用户的需要开发出不仅仅满足精确对时的同步时钟，还有突发事件记录仪、模拟同步故障测试装置及增加毫秒输出、微秒输出的标准时间同步钟等。2、GPS 的输出方式 全站公用的一台 GPS 同步时钟，一般有下列几种输出方式，以实现对多台继电保护及自动装置的精确对时:1）、面板的 LED 显示:装置面板的 LED 数码显示，直接显示当地时间，可以显示时、分、秒，也可以显示时、分、秒、日、月、年。2）、同步脉冲信号输出:它可以是秒脉冲（1PPS，1Pulsae Per Second）、分脉冲（1PPM，1Pulse Per M

19、inute）、小时脉冲（1PPH，1Pulse Per Hour）输出。秒脉冲输出有两种方式:一种是 TTL 电平:它是一对标有“+-”的接点，“+”端为信号线，“-”端为地线，选用高速光耦实现电隔离。实际电路如图 2 所示。输出信号为负脉冲，脉冲宽度为 100ms。?另一种是静态空接点方式:其内部电路如图 3，当秒脉冲到来时，光电耦合器的输出三级管导通。分脉冲输出:为静态空接点方式输出。当分脉冲到来时，光电耦合器的输出三极管导通，导通时间持续 100ms。空接点原理图见图 3。作为应用实例可见图 4。?图中光电耦合器型号:EMG17 024V DC/220 DC/1A 时脉冲信号也是以静态空

20、接点形式输出。这三种同步脉冲信号的前沿与 VTC 时间前沿误差小于 1s，既可用于各种设备校时，也可作为各种计时或计数脉冲。3、IRIG-B 时间码输出:IRIG 时间编码序列是美国靶场仪器组（IRIG）提出的被普遍应用于时间信息传输系统。该时码序列分为 G、A、B、E、H、D 共六种编码格式。IRIG-B 时码是六种编码格式中的一种。通过 IRIG-B 码发生器，可将 GPS 接收器输送的 RS232 数据及1PPS 转换成 IRIG-B 码，通过 IRIG-B 输出口及 RS232/RS422/RS485 串行接口输出，在同站内的各种保护的管理机及测控单元内都装有 IRIG-B 码解码器，

21、通过它输出标准北京时间及 1PPS，该时间有年、月、日、时、分、秒，各种保护通过 RS232 接口检测同步脉冲，以此完成继电保护的精确对时（见图 5）。?IRIG-B 码有交流码和直流码两种（亦即正弦调制输出和直流偏置输出）。前者的调制信号频率为1000Hz，每个正弦调制的 IRIG-B 输出信号均与其周围的其他部分完全隔离;后者的信号 TTL 电平，信息采用 RIRG-B 标准格式，每个直流偏置 IRIG-B 输出信号也均与周围的其他部分完全隔离。IRIG-B 时间码输出信息每秒一次，信息格式见图 6a、b。?信息每秒发送一次习惯称为一帧，每帧发送 100 个符号，每个符号占有的时间是 10

22、ms。符号共有三种:逻辑值“0”（或称空码），逻辑“1”，起始符（或称标识符）。通过改变直流电平的占空比或变化 1000Hz调制信号的幅值来表示逻辑“1”与“0”及起始符。如图 6b 中所示，逻辑“1”的直流电平的占空比为 50%:50%;逻辑“0”的占空比为 20%:80%;起始符的占空比为 80%:20%。发送的每帧信息均以起始符开头（以 M?K 表示），也以 M?K 表示每帧信息的结束，帧头 M?K 的上升沿标志新的一秒的开始，后面的符号则分别表示秒个位、秒十位、分个位、分十位、日个位、日十位、日百位。每帧的信息中，除了帧头和帧尾外，一帧中间是不会有相邻的两个 M?K，由此可见，当出现两

23、个相邻的 M?K，则表明前一个 M?K 是上帧之尾，后一个是本帧之头。4、RS232/RS422/RS485 串行输出口:输出均为广播方式，发送的信息特性如下:1）工作波特率有 9600、4800、2400、1200 四种（波特率是每秒钟传送“0“或”1“电平的脉冲个数）。用户可任意选择，但如果话路质量不高则应选择工作波特率较低的，这样传输的效果会好些。2）数据格式:格式较多，例举如下:数据位（信息位）7 位（ASCII 码）起始位 1 位 停止位 2 位 校验位 1 位（偶校验）3）信息格式:每分钟发送一次，格式为:T 代表一帧信息的头，后面相继为年+，年个位，。其中，北京时间标志位为 1，

24、GPS 同步标志位为 1时，表示时钟同步良好，发送标准北京时间。GPS 同步标志位为 1 时，表示时钟同步良好，发送标准北京时间。GPS 同步标志位为 0 时，表示时钟失去同步，发送时间不准确。例如:现在是北京时间 96 年 9 月19 日 如果装置刚上电或装置失去同步后一小时，则装置的信息格式里的GPS 同步标志位将为 0。4）串行数据接口输出的1PPM 为一分钟一次的 10ms 脉冲，后沿有效，为串行信号传输精确定时。信息格式见图 7。?对于 RS232/RS422/RS485 串行输出方式而言，信息格式的输出和脉冲格式的输出是缺一不可的，前者输出准确的年、月、日、时、分、秒的信息，告之被

25、同步设备;而后者发出的脉冲，则告之被同步设备:准确时间的到来，下降沿为信号精确定时。综上所述，利用 GPS 装置满足电力系统继电保护及自动装置的精确对时有同步脉冲信号输出方式、IRIG-B 时间码输出方式、RS232/RS422/RS485 串行输出口方式可供选择，而且每种输出方式的个数可根据应用要求而扩展。三、结论 随着 GPS 技术的开发、推广和应用，成功地解决了由于电力系统发展而带来的高压网络中，继电保护和自动装置的精确对时问题，而且实现了一个站内的多套继电保护和自动装置共享一台 GPS 资源，做到了投资省、对时方式灵活、对时准确，为电力系统的装置调试、事故分析、监控继电保护和自动装置的动作行为、电能损耗计算、电量平衡、负荷管理、稳定控制等提供了有力的帮助，必将大大地推动电力系统的继电保护和自动化技术的发展。