高精度同步時(shí)鐘信號(hào)在分布式錄波器中的實(shí)現(xiàn)
隨著智能電網(wǎng)技術(shù)大踏步地向前發(fā)展,電力部門對(duì)故障錄波裝置的分布式應(yīng)用要求越來越高,對(duì)在分布式系統(tǒng)中的錄波同步的要求也越來越嚴(yán)格,僅采用單一的GPS對(duì)時(shí)系統(tǒng)已不能完全滿足電網(wǎng)運(yùn)行的要求。因此,需要引入更多的啟動(dòng)邏輯作為系統(tǒng)同步錄波的判據(jù)。
故障錄波器是電力系統(tǒng)發(fā)生故障及振蕩時(shí)能自動(dòng)記錄故障前、后過程的各種電氣量變化的一種裝置。它可以記錄因短路故障、系統(tǒng)振蕩、頻率崩潰、電壓崩潰等大擾動(dòng)引起的系統(tǒng)電流、電壓及其導(dǎo)出量(如有功、無功以及系統(tǒng)頻率)的全過程變化。主要用于檢測(cè)繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置的動(dòng)作行為,了解系統(tǒng)暫態(tài)過程中系統(tǒng)中各電參量的變化規(guī)律,以及校核電力系統(tǒng)計(jì)算程序及模型參數(shù)的正確性等。目前,故障錄波裝置的錄波結(jié)果是分析電力系統(tǒng)故障的重要依據(jù)。
在分布式的錄波系統(tǒng)中,各子單元之間需要在同一節(jié)拍下完成模數(shù)轉(zhuǎn)換工作,以達(dá)到同步采樣的功能。因此需要一個(gè)“同步節(jié)拍器”來完成各子單元之間的信號(hào)同步,當(dāng)出現(xiàn)故障的時(shí)候,由監(jiān)測(cè)到故障的單元向本同步器發(fā)出錄波啟動(dòng)信號(hào),由本同步器向其他子單元發(fā)出同步錄波的命令,從而達(dá)到同步錄波的功能。
本文介紹的一種采用MAXII570實(shí)現(xiàn)分布式錄波系統(tǒng)同步的設(shè)計(jì)思想,為充分利用MAXII570芯片資源,將上述所有同步啟動(dòng)信號(hào)的啟動(dòng)邏輯均集成在芯片中。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
采用MAXII570實(shí)現(xiàn)分布式錄波系統(tǒng)的IRIG-B(DC)解碼器的框圖如圖1所示。在變電站中由主時(shí)鐘或擴(kuò)展鐘送出的IRIG-B碼到達(dá)故障錄波裝置后,經(jīng)過MAXII570解碼后產(chǎn)生秒脈沖、串行時(shí)標(biāo)等TTL信號(hào)。由于TTL傳輸距離比較短,很容易受到干擾,所以將其轉(zhuǎn)換為RS485電平后發(fā)送給各子單元。這樣不僅可以做到長(zhǎng)距離傳輸,而且可以大大提高抗干擾性能。在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境中,若主時(shí)鐘系統(tǒng)送過來的IRIG-B碼源為本身就為RS485信號(hào),則在該系統(tǒng)中同樣可以工作,只需調(diào)整光耦前端的限流電阻大小即可實(shí)現(xiàn)解碼。
為提高系統(tǒng)同步時(shí)鐘的精度和穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)時(shí)采用一片12.8 MHz的溫度補(bǔ)償晶振的輸出作為主振頻率。溫度補(bǔ)償晶振的精度為0.5 ppm,經(jīng)過分頻后可以產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的12.8 kHz作為模數(shù)轉(zhuǎn)換的工作頻率。
故障信號(hào)為各子單元發(fā)送過來的信號(hào),作為系統(tǒng)的同步判據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)收到故障信號(hào)后,發(fā)出錄波啟動(dòng)信號(hào),通知各子單元啟動(dòng)錄波,經(jīng)過一段時(shí)間后(該時(shí)間可以由整定值設(shè)定),發(fā)出錄波結(jié)束信號(hào),完成本次錄波工作。當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)故障時(shí),只要對(duì)應(yīng)的子單元發(fā)出故障信號(hào)即可,其余的同步工作由本系統(tǒng)完成。
2 IRIG-B解碼器的實(shí)現(xiàn)
圖2為IRIG-B(DC)碼的示意圖[1]。它是每秒一幀的時(shí)間串碼,每個(gè)碼元寬度為10 ms,一個(gè)時(shí)幀周期包括100個(gè)碼元,為脈寬編碼。碼元的“準(zhǔn)時(shí)”參考點(diǎn)是其脈沖前沿,時(shí)幀的參考標(biāo)志由一個(gè)位置識(shí)別標(biāo)志和相鄰的參考碼元組成,其寬度為8 ms。每10個(gè)碼元有一個(gè)位置識(shí)別標(biāo)志:P1、P2、P3,…,P9、P0,均為8 ms寬度;PR為幀參考點(diǎn),二進(jìn)制“1”和“0”的脈寬分別為5 ms和2 ms。
一個(gè)時(shí)間格式幀從幀參考標(biāo)志開始。因此連續(xù)兩個(gè)8 ms寬脈沖表明秒的開始,如果從第二個(gè)8 ms開始對(duì)碼元進(jìn)行編碼,則分別為第0,1,2,…,99個(gè)碼元。在B碼時(shí)間格式中含有天、時(shí)、分、秒,順序?yàn)槊?分-時(shí)-天,所占信息位為秒7位、分7位、時(shí)6位、天10位,其位置在P0~P5之間。P6~P0包含其他控制信息。其中“秒”信息為第1~8個(gè)碼元;“分”信息為第10~17個(gè)碼元;“時(shí)”信息為第20~27個(gè)碼元;第5、14、24碼元為索引標(biāo)志,寬度為2 ms。時(shí)、分、秒均用BCD碼表示,低位在前,高位在后;個(gè)位在前,十位在后。
IRIG-B的解碼過程采用最簡(jiǎn)單的脈寬測(cè)量方法實(shí)現(xiàn),經(jīng)過編譯比較,該方法所耗用的CPLD資源最少。IRIG-B碼元信號(hào)的高低電平均為1 ms的整數(shù)倍,所以測(cè)量該信號(hào)的基本時(shí)鐘采用1 kHz的時(shí)鐘信號(hào)作為解碼時(shí)鐘。該時(shí)鐘由系統(tǒng)輸入的12.8 MHz時(shí)鐘經(jīng)過12 800次分頻后產(chǎn)生。脈寬測(cè)量部分VHDL源代碼描述如下:
measureBwide:process(inputHClk)
begin
if rising_edge(inputHClk) then
if pwmMeasureEnable=′1′ then
--上升沿開始計(jì)數(shù)
regCountH=regCountH+1;
--計(jì)數(shù)器++
regOutputReadEnable=′0′;
--此時(shí)數(shù)據(jù)不可讀
else null;
end if;
if (regBLast=′1′)and( regBCurrent=′0′) then
--降沿判斷脈寬
case (regCountH) is
when 5000 to 14000 =>
regOutputData=0010;
- regOutputPwm0Or1=′0′;
when 20000 to 30000=>
regOutputData=0101;
regOutputPwm0Or1=′1′;
when 35000 to 48000=>
regOutputData=1000;
regOutputPwm0Or1=′0′;
when others=>NULL;
regOutputPwm0Or1=′0′;
end case;
regCountH=0;
regOutputReadEnable=′1′;
--此時(shí)數(shù)據(jù)可讀
else null;
end if;
else NULL;
end if;
end process measureBwide;
IRIG-B解碼的主要任務(wù)是找到碼元起始報(bào)頭,也就是2個(gè)連續(xù)的占空比為8 ms:2 ms的脈沖。找到報(bào)頭后,根據(jù)碼元的分布情況逐一解出相應(yīng)的數(shù)據(jù)即可。找到起始報(bào)頭后,輸出秒脈沖,同時(shí)根據(jù)解碼數(shù)據(jù)輸出串行數(shù)據(jù)。本文利用12.8 MHz進(jìn)行1 333次分頻產(chǎn)生9 600 b/s的串行數(shù)據(jù)波特率,雖然不是整數(shù),但是可滿足串行數(shù)據(jù)的誤碼率要求。
分脈沖由秒脈沖計(jì)數(shù)器產(chǎn)生,即計(jì)數(shù)器計(jì)滿1 min時(shí),輸出一個(gè)脈沖。
3 同步邏輯信號(hào)的實(shí)現(xiàn)
分布式同步邏輯的實(shí)現(xiàn)為本系統(tǒng)的重要部分,也是分布式錄波系統(tǒng)同步錄波的關(guān)鍵。系統(tǒng)中有一個(gè)專門用于接收各子單元故障的信號(hào),作為系統(tǒng)錄波的專用引腳,該信號(hào)為RS485驅(qū)動(dòng),因此抗干擾能力比較強(qiáng)。實(shí)際應(yīng)用中,不論哪一個(gè)子單元判斷出故障信號(hào),均向本系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)觸發(fā)電平,當(dāng)本系統(tǒng)收到該電平后立即發(fā)出啟動(dòng)信號(hào),啟動(dòng)錄波后一段時(shí)間再發(fā)出錄波結(jié)束電平,結(jié)束本次錄波工作。
由于CPLD的并行處理功能強(qiáng)大與反應(yīng)速度快的特點(diǎn),所以子單元發(fā)出故障信號(hào)的延時(shí)可以忽略不計(jì)(小于10 ns)。由于不同的用戶需要的錄波文件大小不一致,所以將錄波結(jié)束的控制參數(shù)交由用戶在線設(shè)置。由故障、錄波啟動(dòng)、錄波結(jié)束三組信號(hào)再配合IRIG-B時(shí)鐘信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的同步錄波功能(此處的源代碼不再贅述)。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本系統(tǒng)在理論上最多能夠連接32個(gè)子單元(RS485驅(qū)動(dòng)能力的限制),實(shí)際應(yīng)用中,由于受到產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)的限制,最大連接了8個(gè)子單元,任意一個(gè)子單元發(fā)出故障信號(hào)時(shí),均能通過本系統(tǒng)產(chǎn)生錄波的同步信號(hào),各項(xiàng)指標(biāo)均滿足錄波器的相關(guān)指標(biāo)要求。即使多個(gè)子單元發(fā)出故障信號(hào),本系統(tǒng)亦能準(zhǔn)確判斷出故障信號(hào),從而輸出同步信號(hào)。
通過實(shí)際測(cè)試,本文設(shè)計(jì)方案只占用了63%的系統(tǒng)資源,留有相當(dāng)大的剩余資源,非常方便實(shí)現(xiàn)后期的功能升級(jí),而不用更換硬件。
評(píng)論