IRIGB碼對時方式

1、IRIG-B碼對時方式在繼電保護裝置中的應(yīng)用時間：2011-07-18 14:24:17 來源：電子設(shè)計工程 作者：石美傳 保定中力電力摘要：隨著變電站自動化技術(shù)的發(fā)展，對變電站內(nèi)時間的精確和統(tǒng)一提出了更高的要求。本文提出了一種采用IRIG-B時間碼來時時的方案。在這種對時方案中，每個變電站只安裝一個GPS接收裝置，利用RS422485總線傳輸IRIG-B碼，保護裝置對IRIG-B碼解碼器后，來設(shè)置自己的時間。本文還詳細介紹了IRIG-B碼的概念和原理以及用CPLD實現(xiàn)IRIG-B碼解碼器的設(shè)計思想和實現(xiàn)方法。IRIG-B碼時時方式簡化了回路設(shè)計，并且能夠可靠地提供精確的時間信息，必將在電力系

2、統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：IRIG-B時間碼；繼電保護；對時；CPLD 時間的精確和統(tǒng)一是變電站自動化系統(tǒng)的最基本要求。只有電力系統(tǒng)中的各種自動化設(shè)備(如故障錄波器、繼電保護裝置、RTU微機監(jiān)控系統(tǒng)等)采用統(tǒng)一的時間基準，在發(fā)生事故時，才能根據(jù)故障錄波數(shù)據(jù)，以及各開關(guān)、斷路器動作的先后順序和準確時間，對事故的原因、過程進行準確分析。統(tǒng)一精確的時間是保證電力系統(tǒng)安全運行，提高運行水平的一個重要措施。全球定位系統(tǒng)(GPS)的出現(xiàn)為實現(xiàn)這些需求提供了可能。 基于GPS的對時方式有3種：1)脈沖對時方式；2)串行口對時方式；3)IRIG-B時間編碼對時方式。脈沖對時和串行口對時各有優(yōu)缺點，前者精度高

3、但是無法直接提供時間信息，而后者對時精度比較低。IRIG-B碼對時方式兼顧了兩者的優(yōu)點，是一種精度很高并且又含有絕對的精確時間信息的對時方式，采用IRIC-B碼對時，就不再需要現(xiàn)場總線的通信報文對時，也不再需要GPS輸出大量脈沖節(jié)點信號。國家電網(wǎng)公司發(fā)布的技術(shù)規(guī)范中明確要求新投運的需要授時的變電站自動化系統(tǒng)間隔層設(shè)備，原則上應(yīng)采用IRIG-B碼(DC)方式實現(xiàn)對時。1 繼電保護裝置對時方案 一個變電站內(nèi)配置一套時間同步系統(tǒng)，該時間同步系統(tǒng)可由一面或多面時鐘裝置屏組成。時問同步系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可采用主從式或主備式結(jié)構(gòu)。時間同步系統(tǒng)與被授時的繼電保護裝置之間采用EIA RS-422485接口標準來傳輸I

4、RIG-B(DC)碼信號。不同廠家的保護裝置僅需具有EIA RS422485接口的IRIG-B碼解碼器，即可接入變電站統(tǒng)一對時網(wǎng)絡(luò)。保護裝置內(nèi)嵌IRIG-B碼解碼模塊，采用圖1中的對時模式，即由IRIG-B碼解碼模塊檢測出時間信息和對時脈沖，通過串口將時間信息直接下發(fā)到各個功能插件。各功能插件都直接從對時模塊引入對時脈沖。2 IRIG-B碼解碼模塊的硬件設(shè)計 早期的B碼解碼設(shè)備多采用TTL集成電路與單片機相結(jié)合的方法來實現(xiàn)，利用門電路和觸發(fā)器從編碼信號中提取出秒同步信號，而用單片機實現(xiàn)時間信息的解碼。目前該方法仍在使用，但該方法存在器件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差、同步精度不高、通用性差、不利于功

5、能擴展等問題。 為了解決上述問題，在本設(shè)計中，采用CPLD芯片來實現(xiàn)IRIG-B碼的解碼，采用的是Altera公司的EPM3256。開發(fā)仿真軟件采用的是MAX+ PLUS，它可以進行原理圖編輯和VHDL語言編輯，并支持這些編輯方式的混合設(shè)計。在本設(shè)計中利用VHDL語言進行底層模塊的設(shè)計，用原理圖進行上層模塊的設(shè)計。該軟件具有門級仿真功能，可以進行功能和時序仿真，并支持目標程序在線下載。外部接入的IRIG-B編碼信號是用RS485電平傳輸?shù)牟罘中盘?，需變換為TTL信號，轉(zhuǎn)換芯片為AD公司的ADM2483，該芯片是帶隔離的增強型RS485收發(fā)器，有失效保護、短路電流限制、熱關(guān)斷和恢復(fù)等功能。外接的

6、5 MHz信號來源于5 MHz的有源晶振。硬件框圖如圖2所示。 3 IRIG-B碼解碼模塊的軟件設(shè)計31 IRIG-B碼原理 IRIG(Inter Range Instrumentation Group)碼是美國靶場司令委員會制定的一種時間標準，共有4種并行二進制時間碼格式和6種串行二進制時間碼格式。其中最常用的是IRIG-B時間碼格式。B碼可以分為直流(DC)碼和交流(AC)碼，交流碼是1 kHz的正弦波載頻對直流碼進行幅度調(diào)制后形成的；直流碼采用脈寬編碼方式。每秒1幀，含100個碼元，每個碼元寬度為10ms。碼元有3種，位置標識符的脈寬是8ms(位置標識P0P9和參考標志Pr)，二進制“1

7、”和“0”的脈寬分別為5 ms和2ms。 每幀從參考標志Pr開始，也就是連續(xù)兩個8 ms脈沖中的第2個8 ms脈沖的前沿開始，分別為Pr，第0，1，99碼元。在Pr和P5之間是BCD字段，傳送的是BCD碼格式的時間信息(包含秒、分、時、天4種信息)，低位在前，高位在后；個位在前十位在后。在P5和P8之間是CF字段，實現(xiàn)控制功能，可根據(jù)實際使用時的協(xié)議制定使用方法，在這里沒有用到該字段。在P5和P8之間是SBS字段，是用二進制表示的以秒(s)為單位的時間信息。IRIG-B碼的格式如圖3所示。32 IRIG-B碼解碼方案 IRIC-B碼解碼器的功能框圖如圖4所示。 1)分頻電路本模塊的功能是將5

8、MHz的時鐘信號進行分頻處理，輸出1 000 Hz和9 600 Hz的信號，為碼元檢測和識別單元、碼元記錄單元和異步申行發(fā)送單元提供時間基準。為了減少計數(shù)器的位數(shù)進行了多次分頻。 2)碼元檢測和識別單元首先對B碼信號進行串并轉(zhuǎn)換。用10個D觸發(fā)器串聯(lián)，用1 000Hz的時鐘信號作為它們的時鐘，這樣只有在1 000 Hz的時鐘信號的上升沿來的時候才對輸入的數(shù)據(jù)進行輸出，其他時候處于保持原來輸出不變。串行觸發(fā)器的輸出分別連到10個并行D觸發(fā)器，由IRIG-B碼的上升沿來控制并行D觸發(fā)器的輸出Q9Q0。當并行D觸發(fā)器的輸出“Q9Q8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0”為“0011111111”時，對應(yīng)

9、的碼元信息為標識位；同理，“0000011111”對應(yīng)碼元“1”，而“0000000011”對應(yīng)碼元“0”。碼元檢測原理框圖如圖5所示。 3)秒同步脈沖的產(chǎn)生根據(jù)碼元識別結(jié)果，如果連續(xù)檢測到兩個標識位，則第2個標識位就是參考標志Pr，其前沿為秒同步脈沖的起始點。而參考標志Pr后第1個上升沿對應(yīng)的是秒同步脈沖經(jīng)過延時10ms的時刻，所以應(yīng)該在參考標志Pr后第1個上升沿對應(yīng)時刻再延時990ms來產(chǎn)生秒同步脈沖信號，在產(chǎn)生秒脈沖的同時把記錄碼元位置信息的計數(shù)器A清零。 4)碼元記錄單元碼元記錄單元根據(jù)碼元識別結(jié)果和碼元位置來組合產(chǎn)生時間信息，包括7位秒信息、7位分信息和6位時信息。 5)信息處理因為

10、當前解出的時間是上一秒的時間信息。信息處理單元要將解碼后的時間加上1 s，同時為便于后續(xù)時間信息的傳輸和處理，要將時間信息轉(zhuǎn)換成BCD碼格式。 6)異步串行發(fā)送異步串行發(fā)送模塊就是把經(jīng)過處理后的時間信息通過異步串口發(fā)送出去，速率是9 600 bits，8位數(shù)據(jù)位，無校驗位，1位停止位。4 結(jié)束語 IRIC-B碼對時有利于簡化回路設(shè)計，并且能夠可靠地提供精確的時間信息，必將在電力系統(tǒng)中得到日益廣泛的應(yīng)用。 傳統(tǒng)的IRIG-B碼解碼器大多采用單片機來實現(xiàn)，器件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在受到外界干擾的情況下還可能出現(xiàn)死機等故障。而采用CPLD設(shè)計的解碼器可以大大減少器件的數(shù)量、增加解碼器的穩(wěn)定性和應(yīng)用的靈活

11、性。根據(jù)本方案設(shè)計出的解碼器模塊適用于各種電壓等級的保護裝置，性能可靠穩(wěn)定，時間信息準確、對時脈沖精度高(誤差為幾s)。繼電保護及自動裝置因精確對時的全球定位系統(tǒng)GPS 型號:gd 廠商:日行電氣有限公司摘 要 電力系統(tǒng)繼電保護及自動裝置因精確對時而應(yīng)用全球定位系統(tǒng)（GPS）。本文對應(yīng)用的幾種標準形式進行了介紹和比較。 關(guān)鍵詞 全球定位系統(tǒng) 繼電保護 精確對時 隨著人類活動范圍的日趨擴展及航海、航空、測繪、勘探技術(shù)的不斷發(fā)展和軍事應(yīng)用的需要，指導(dǎo)航行的方式亦由遠古時代用自然恒星和指南針的方式演變?yōu)榻裉斓臒o線電導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航，全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System簡稱G

12、PS）就是這樣一個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS是美國國防部自1973年開始研制的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，歷時21年，于1994年正式投入運行。它最初是為美國軍方提供服務(wù)，但隨著它的發(fā)展，在交通、測量、航空等民用領(lǐng)域里獲得了廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)擁有24顆衛(wèi)星，分布于6個軌道平面上，構(gòu)成一個定時定位網(wǎng)。GPS衛(wèi)星用兩個頻率發(fā)射單射測距信號，即L1頻率為1575.42MHz和L2頻率為1227.6MHz,還廣播衛(wèi)星的估計位置。用戶同時測量到4顆恒星的距離，即可解出四個未知數(shù)，它們通常是緯度、經(jīng)度、高程和用戶鐘的改正數(shù)。如果已知其中任何一個未知數(shù)，則用的衛(wèi)星數(shù)可以減少。這樣，通過對觀測點和各衛(wèi)星基點之間的距離測量，

13、它可以為全球各地固定式移動用戶提供用戶自身的實時三維位置、速度和時間信息，實時計算出觀測點精確的地理位置、標準時間、速度等信息。GPS提供兩種定位服務(wù)，即基于精碼（P碼）的精密定位服務(wù)（PPS）和基于粗碼（C/A）的標準定位服務(wù)（SPS）。PPS信號被加密，非授權(quán)用戶不能使用，大部分民間用戶只能依賴C/A碼或SPS。這樣，基于粗碼的SPS不能完全滿足用戶在精度、可用性和完好性方面的要求。為此，從GPS獲得的時間必須經(jīng)過軟、硬件的技術(shù)處理，可以使用戶所在位置的世界時（VTC）達到亞微秒的精度，滿足用戶對精確時間的要求。這就使GPS具有全球覆蓋、全天候、高精度的特征，在飛機導(dǎo)航、海陸交通管理、資源

14、調(diào)查、測繪、勘探、導(dǎo)游等方面都有廣泛的應(yīng)用。在電力系統(tǒng)中，自動化信息傳輸、繼電保護及自動裝置的精確對時都借助于GPS。 一、繼電保護和自動裝置的精確對時為滿足遠距離輸電的需要，高壓大電網(wǎng)應(yīng)運而生，隨之快速繼電保護和多功能的自動裝置也獲得了很大的發(fā)展。電力系統(tǒng)的精確對時也提到了重要的位置，它可以滿足以下各方面的需要:1、 檢測功率平衡和控制潮流:由于電力系統(tǒng)的發(fā)、供、用是同時完成的統(tǒng)一體，測錄電網(wǎng)各相關(guān)部位的電壓、電流、功角和輸送的功率就十分重要，這些信息是調(diào)度人員進行電力調(diào)度的依據(jù)，也是維持高質(zhì)量電能的監(jiān)控基礎(chǔ)。2、計算網(wǎng)絡(luò)電能損耗:電力輸送應(yīng)遵循輸送能量損耗為最小的原則，為此，就必須在同一時

15、刻測量處于不同位置的同一線路，受進與送出的電能，這樣才能準確計算出某元件的電能損耗，否則，正確的損耗測量是辦不到的。3、 電力系統(tǒng)發(fā)生異?；蚴鹿蕰r，故障錄波提供有價值的波形進行分析:電力系統(tǒng)出現(xiàn)異?；蚴鹿剩收箱洸ㄑb置會錄制有關(guān)波形。對這些波形的分析，必須有同一的時間基準，否則就不能正確判斷事故發(fā)生的原因、判斷各種保護及自動裝置動作行為的先后順序的正確與否、判斷事故的演變和發(fā)展過程。4、 高頻保護的調(diào)試:高頻保護調(diào)試需要在線路兩側(cè)的高頻保護上同時加故障量，以真實地模擬線路發(fā)生區(qū)內(nèi)或區(qū)外故障時高頻保護的動作行為。在線路兩側(cè)同時加故障量，靠一般的時鐘是辦不到的，這是因為一般時鐘的工作精度是秒級，而

16、作為快速保護的高頻保護其工作時間是毫秒級，由一般時鐘造成的誤差，無法保證兩側(cè)所加故障量的同時性。而采用具有GPS準確定時功能由PC機控制的繼電保護試驗裝置來保證兩側(cè)所加故障量的同時性，其時間誤差是微秒級的，可以滿足同時加故障量的要求。此外，對其他一些時間精度要求較高的自動裝置，如穩(wěn)定控制裝置傳輸時間的測試等均需要利用GPS來精確測定。二、繼電保護精確對時的實施目前，我國電力系統(tǒng)繼電保護精確對時，都是以美國GPS定位系統(tǒng)為時間基準，選用進口GPS接收機部件，經(jīng)二次開發(fā)研制成標準時間同步鐘，自動選擇最佳星座進行定位、定時，經(jīng)過設(shè)備的硬件及軟件處理轉(zhuǎn)換為北京時間輸出，使在我國任何地方使用，其時間誤差

17、小于1s，完全可以滿足目前電力系統(tǒng)精確對時的需要。標準時間同步鐘的接收機通過GPS專用天線、饋線、接收頭、單片微處理系統(tǒng)，將時間日期等信息輸出到設(shè)備的外部接口，其輸出方式有多種形式可供選擇，T-GPS20系列的原理框圖見圖1。1、GPS裝置各主要部件及作用如下:1）、GPS信號接收器: 是專用接收GPS衛(wèi)星信號的集成電路模塊，輸出時間精度為1微秒的1PPS脈沖，并通過RS232串行口輸出國際標準時間、日期和接收器所處地理位置（經(jīng)緯度）等信息。2）、同步脈沖發(fā)生電路: 輸出秒（1PPS）、分鐘（1PPM）、小時（1PPH）同步脈沖信號。3）、中心處理單元: 對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控。接收GPS衛(wèi)星信號

18、接收模塊發(fā)送的國際標準時間信息及秒同步信息，換算成當?shù)貢r間送LED數(shù)碼顯示器顯示，并按一定的格式經(jīng)串行口輸出，供繼電保護和自動裝置使用。目前，由各研究單位和制造廠商開發(fā)的GPS衛(wèi)星同步時鐘裝置有多種產(chǎn)品，它們根據(jù)用戶的需要開發(fā)出不僅僅滿足精確對時的同步時鐘，還有突發(fā)事件記錄儀、模擬同步故障測試裝置及增加毫秒輸出、微秒輸出的標準時間同步鐘等。2、GPS的輸出方式全站公用的一臺GPS同步時鐘，一般有下列幾種輸出方式，以實現(xiàn)對多臺繼電保護及自動裝置的精確對時:1）、 面板的LED顯示:裝置面板的LED數(shù)碼顯示，直接顯示當?shù)貢r間，可以顯示時、分、秒，也可以顯示時、分、秒、日、月、年。2）、 同步脈沖信

19、號輸出: 它可以是秒脈沖（1PPS，1Pulsae Per Second）、分脈沖（1PPM，1Pulse Per Minute）、小時脈沖（1PPH，1Pulse Per Hour）輸出。秒脈沖輸出有兩種方式:一種是TTL電平: 它是一對標有“+ -”的接點，“+”端為信號線，“-”端為地線，選用高速光耦實現(xiàn)電隔離。實際電路如圖2所示。輸出信號為負脈沖，脈沖寬度為100ms。另一種是靜態(tài)空接點方式: 其內(nèi)部電路如圖3，當秒脈沖到來時，光電耦合器的輸出三級管導(dǎo)通。分脈沖輸出: 為靜態(tài)空接點方式輸出。當分脈沖到來時，光電耦合器的輸出三極管導(dǎo)通，導(dǎo)通時間持續(xù)100ms?？战狱c原理圖見圖3。作為應(yīng)用

20、實例可見圖4。圖中光電耦合器型號: EMG17 024V DC/220 DC/1A時脈沖信號也是以靜態(tài)空接點形式輸出。這三種同步脈沖信號的前沿與VTC時間前沿誤差小于1s，既可用于各種設(shè)備校時，也可作為各種計時或計數(shù)脈沖。3、IRIG-B時間碼輸出:IRIG時間編碼序列是美國靶場儀器組（IRIG）提出的被普遍應(yīng)用于時間信息傳輸系統(tǒng)。該時碼序列分為G、A、B、E、H、D共六種編碼格式。IRIG-B時碼是六種編碼格式中的一種。通過IRIG-B碼發(fā)生器，可將GPS接收器輸送的RS232數(shù)據(jù)及1PPS轉(zhuǎn)換成IRIG-B碼，通過IRIG-B輸出口及RS232/RS422/RS485串行接口輸出，在同站內(nèi)

21、的各種保護的管理機及測控單元內(nèi)都裝有IRIG-B碼解碼器，通過它輸出標準北京時間及1PPS，該時間有年、月、日、時、分、秒，各種保護通過RS232接口檢測同步脈沖，以此完成繼電保護的精確對時（見圖5）。 IRIG-B碼有交流碼和直流碼兩種（亦即正弦調(diào)制輸出和直流偏置輸出）。前者的調(diào)制信號頻率為1000Hz，每個正弦調(diào)制的IRIG-B輸出信號均與其周圍的其他部分完全隔離; 后者的信號TTL電平，信息采用RIRG-B標準格式，每個直流偏置IRIG-B輸出信號也均與周圍的其他部分完全隔離。IRIG-B時間碼輸出信息每秒一次，信息格式見圖6a、b。信息每秒發(fā)送一次習(xí)慣稱為一幀，每幀發(fā)送100個符號，每

22、個符號占有的時間是10ms。符號共有三種: 邏輯值“0”（或稱空碼），邏輯“1”，起始符（或稱標識符）。通過改變直流電平的占空比或變化1000Hz調(diào)制信號的幅值來表示邏輯“1”與“0”及起始符。如圖6b中所示，邏輯“1”的直流電平的占空比為50%: 50%; 邏輯“0”的占空比為20%: 80%; 起始符的占空比為80%: 20%。發(fā)送的每幀信息均以起始符開頭（以MK表示），也以MK表示每幀信息的結(jié)束，幀頭MK的上升沿標志新的一秒的開始，后面的符號則分別表示秒個位、秒十位、分個位、分十位、日個位、日十位、日百位。每幀的信息中，除了幀頭和幀尾外，一幀中間是不會有相鄰的兩個MK，由此可見，當出現(xiàn)兩個相鄰的MK，則表明前一個MK是上幀之尾，后一個是本幀之頭。4、 RS232/RS422/RS485串行輸出口:輸出均為廣播方式，發(fā)送的信息特性如下:1） 工作波特率有9600、4800、2400、1200四種（波特率是每秒鐘傳送“0“或”1“電平的脈沖個數(shù)）。用戶可任意選擇，但如果話路質(zhì)量不高則應(yīng)選擇工作波特率較低的，這樣傳輸?shù)男Ч麜眯?） 數(shù)據(jù)格式: 格式較多，例舉如下:數(shù)據(jù)位（信息位） 7位（AS