基于CPLD的IRIG-B碼對(duì)時(shí)方式在繼電保護(hù)裝置中的應(yīng)用

時(shí)間的精確和統(tǒng)一是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的最基本要求。只有電力系統(tǒng)中的各種自動(dòng)化設(shè)備(如故障錄波器、繼電保護(hù)裝置、RTU微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等)采用統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，在發(fā)生事故時(shí)，才能根據(jù)故障錄波數(shù)據(jù)，以及各開(kāi)關(guān)、斷路器動(dòng)作的先后順序和準(zhǔn)確時(shí)間，對(duì)事故的原因、過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確分析。統(tǒng)一精確的時(shí)間是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，提高運(yùn)行水平的一個(gè)重要措施。全球定位系統(tǒng)(GPS)的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)這些需求提供了可能。

基于GPS的對(duì)時(shí)方式有3種：1)脈沖對(duì)時(shí)方式;2)串行口對(duì)時(shí)方式;3)IRIG-B時(shí)間編碼對(duì)時(shí)方式。脈沖對(duì)時(shí)和串行口對(duì)時(shí)各有優(yōu)缺點(diǎn)，前者精度高但是無(wú)法直接提供時(shí)間信息，而后者對(duì)時(shí)精度比較低。IRIG-B碼對(duì)時(shí)方式兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn)，是一種精度很高并且又含有絕對(duì)的精確時(shí)間信息的對(duì)時(shí)方式，采用IRIC-B碼對(duì)時(shí)，就不再需要現(xiàn)場(chǎng)總線的通信報(bào)文對(duì)時(shí)，也不再需要GPS輸出大量脈沖節(jié)點(diǎn)信號(hào)。國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布的技術(shù)規(guī)范中明確要求新投運(yùn)的需要授時(shí)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)間隔層設(shè)備，原則上應(yīng)采用IRIG-B碼(DC)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)。

1 繼電保護(hù)裝置對(duì)時(shí)方案

一個(gè)變電站內(nèi)配置一套時(shí)間同步系統(tǒng)，該時(shí)間同步系統(tǒng)可由一面或多面時(shí)鐘裝置屏組成。時(shí)問(wèn)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(shí)間同步系統(tǒng)與被授時(shí)的繼電保護(hù)裝置之間采用EIA RS-422/485接口標(biāo)準(zhǔn)來(lái)傳輸IRIG-B(DC)碼信號(hào)。不同廠家的保護(hù)裝置僅需具有EIA RS422/485接口的IRIG-B碼解碼器，即可接入變電站統(tǒng)一對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)。保護(hù)裝置內(nèi)嵌IRIG-B碼解碼模塊，采用圖1中的對(duì)時(shí)模式，即由 IRIG-B碼解碼模塊檢測(cè)出時(shí)間信息和對(duì)時(shí)脈沖，通過(guò)串口將時(shí)間信息直接下發(fā)到各個(gè)功能插件。各功能插件都直接從對(duì)時(shí)模塊引入對(duì)時(shí)脈沖。

2 IRIG-B碼解碼模塊的硬件設(shè)計(jì)

早期的B碼解碼設(shè)備多采用TTL集成電路與單片機(jī)相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用門(mén)電路和觸發(fā)器從編碼信號(hào)中提取出秒同步信號(hào)，而用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)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、不利于功能擴(kuò)展等問(wèn)題。

為了解決上述問(wèn)題，在本設(shè)計(jì)中，采用CPLD芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)IRIG-B碼的解碼，采用的是Altera公司的EPM3256。開(kāi)發(fā)仿真軟件采用的是 MAX+PLUSⅡ，它可以進(jìn)行原理圖編輯和VHDL語(yǔ)言編輯，并支持這些編輯方式的混合設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中利用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行底層模塊的設(shè)計(jì)，用原理圖進(jìn)行上層模塊的設(shè)計(jì)。該軟件具有門(mén)級(jí)仿真功能，可以進(jìn)行功能和時(shí)序仿真，并且支持目標(biāo)程序在線下載。

外部接入的IRIG-B編碼信號(hào)是用 RS485電平傳輸?shù)牟罘中盘?hào)，需變換為T(mén)TL信號(hào)，轉(zhuǎn)換芯片為AD公司的ADM2483，該芯片是帶隔離的增強(qiáng)型RS485收發(fā)器，有失效保護(hù)、短路電流限制、熱關(guān)斷和恢復(fù)等功能。外接的5 MHz信號(hào)來(lái)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(jì)

3.1 IRIG-B碼原理

IRIG(Inter Range Instrumentation Group)碼是美國(guó)靶場(chǎng)司令委員會(huì)制定的一種時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，共有4種并行二進(jìn)制時(shí)間碼格式和6種串行二進(jìn)制時(shí)間碼格式。其中最常用的是IRIG-B時(shí)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(duì)直流碼進(jìn)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(gè)碼元，每個(gè)碼元寬度為10ms。碼元有3種，位置標(biāo)識(shí)符的脈寬是8ms(位置標(biāo)識(shí)P0～P9和參考標(biāo)志Pr)，二進(jìn)制“1”和“0”的脈寬分別為5 ms和2ms。

每幀從參考標(biāo)志Pr開(kāi)始，也就是連續(xù)兩個(gè)8 ms脈沖中的第2個(gè)8 ms脈沖的前沿開(kāi)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(shí)間信息(包含秒、分、時(shí)、天4種信息)，低位在前，高位在后;個(gè)位在前十位在后。在P5和P8之間是CF字段，實(shí)現(xiàn)控制功能，可根據(jù)實(shí)際使用時(shí)的協(xié)議制定使用方法，在這里沒(méi)有用到該字段。在P5和P8之間是SBS字段，是用二進(jìn)制表示的以秒(s)為單位的時(shí)間信息。IRIG-B碼的格式如圖3所示。

3.2 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 MHz的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻處理，輸出1 000 Hz和9 600 Hz的信號(hào)，為碼元檢測(cè)和識(shí)別單元、碼元記錄單元和異步申行發(fā)送單元提供時(shí)間基準(zhǔn)。為了減少計(jì)數(shù)器的位數(shù)進(jìn)行了多次分頻。

2) 碼元檢測(cè)和識(shí)別單元首先對(duì)B碼信號(hào)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換。用10個(gè)D觸發(fā)器串聯(lián)，用1 000Hz的時(shí)鐘信號(hào)作為它們的時(shí)鐘，這樣只有在1 000 Hz的時(shí)鐘信號(hào)的上升沿來(lái)的時(shí)候才對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，其他時(shí)候處于保持原來(lái)輸出不變。串行觸發(fā)器的輸出分別連到10個(gè)并行D觸發(fā)器，由IRIG-B碼的上升沿來(lái)控制并行D觸發(fā)器的輸出Q9～Q0。當(dāng)并行D觸發(fā)器的輸出“Q9Q8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0”為“0011111111”時(shí)，對(duì)應(yīng)的碼元信息為標(biāo)識(shí)位;同理，“0000011111”對(duì)應(yīng)碼元“1”，而“0000000011”對(duì)應(yīng)碼元“0”。碼元檢測(cè)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(shí)別結(jié)果，如果連續(xù)檢測(cè)到兩個(gè)標(biāo)識(shí)位，則第2個(gè)標(biāo)識(shí)位就是參考標(biāo)志Pr，其前沿為秒同步脈沖的起始點(diǎn)。而參考標(biāo)志Pr后第1個(gè)上升沿對(duì)應(yīng)的是秒同步脈沖經(jīng)過(guò)延時(shí)10ms的時(shí)刻，所以應(yīng)該在參考標(biāo)志Pr后第1個(gè)上升沿對(duì)應(yīng)時(shí)刻再延時(shí)990ms來(lái)產(chǎn)生秒同步脈沖信號(hào)，在產(chǎn)生秒脈沖的同時(shí)把記錄碼元位置信息的計(jì)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(shí)別結(jié)果和碼元位置來(lái)組合產(chǎn)生時(shí)間信息，包括7位秒信息、7位分信息和6位時(shí)信息。

5)信息處理因?yàn)楫?dāng)前解出的時(shí)間是上一秒的時(shí)間信息。信息處理單元要將解碼后的時(shí)間加上1 s，同時(shí)為便于后續(xù)時(shí)間信息的傳輸和處理，要將時(shí)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(guò)處理后的時(shí)間信息通過(guò)異步串口發(fā)送出去，速率是9 600 bit/s，8位數(shù)據(jù)位，無(wú)校驗(yàn)位，1位停止位。

4 結(jié)束語(yǔ)

IRIC-B碼對(duì)時(shí)有利于簡(jiǎn)化回路設(shè)計(jì)，并且能夠可靠地提供精確的時(shí)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(jī)來(lái)實(shí)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(jī)等故障。而采用CPLD設(shè)計(jì)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)用的靈活性。根據(jù)本方案設(shè)計(jì)出的解碼器模塊適用于各種電壓等級(jí)的保護(hù)裝置，性能可靠穩(wěn)定，時(shí)間信息準(zhǔn)確、對(duì)時(shí)脈沖精度高(誤差為幾μs)。