基于IEEE1588时间同步模式的新型电子变压器校准装置外文翻译资料

 2023-02-06 09:54:31

基于IEEE1588时间同步模式的新型电子变压器校准装置

摘要

时间同步模式对于数字变电站中电子变压器的误差校准非常重要。本文首先介绍IEEE1588时间同步协议的技术原理，然后介绍基于IEEE1588时间同步模式的电子式变压器新校准装置的设计方案和技术特点。然后，使用校准装置比较和分析电子变压器的误差校准的结果，并比较包括IEEE1588，B码和PPS的三种时间同步模式之间的差异。测试结果验证IEEE5588时间同步模式在电子变压器的误差校准中具有更多优点，并提供了在智能变电站中使用的IEEE1588时间同步协议的参考。

关键词：IEEE1588，时间同步，电子变压器，误差校准

  1. 介绍

随着以电子变压器为代表的中国国家电网公司（SGCC）的智能电网的发展，大量的智能电子设备（IED）已经应用于数字变电站。

在采样过程后，电子变压器通过合并单元将包括电流互感器和电压互感器的输出信号的数字信号发送到隔离层中的LED。当且仅当数字信号采集和传输基于统一的时序和时钟标准时，才能保证信息的精度，可靠性和有效性，从而保证数字化变电站的正常运行。合并单元时间同步技术在数字化变电站中起着重要作用，通常使用GPS时间信号作为外部时间基准信号，PPS，IRIG-B码或SNTP等作为时钟同步模式。与IEEE1588相比，这些时钟同步模式有几个缺点，如可靠性较低，时间攻击精度较低，与时钟接口不兼容等。作为网络时间协议，IEEE 1588可以实现亚微秒级协调精度，这使得数字变电站网络时间同步。本文将介绍这种精密时间协议的技术特点和应用。

  1. 技术原理

2.1 简要说明

IEEE 1588，即精确时间协议（PTP），可以达到亚微秒级同步精度，是2002年发布的高精度时间同步协议，用于工业控制和测量领域。协议中定义的所有类型的同步消息均基于UDP / IP协议发送。因此，它非常适合于LAN分布式应用，因为现有的以太网可以用作定时通道。采用三种主要技术，即网络通信，本地计算和分布式对象技术来实现测量和控制系统中的精确定时同步。具有IEEE 1588协议的简单时间同步系统包括至少一个主时钟和多个从时钟[3]。如果存在多个潜在主时钟，则主时钟由优化的主时钟算法决定[1]。

2.2时间同步原理

IEEE 1588的时间同步分两个步骤进行，首先是时钟偏移测量，然后是网络延迟测量。

首先，主时钟周期性地发送同步消息。当发送同步消息时，主时钟记录时间标记T1，如图1所示。从时钟记录接收同步消息时的时间标记T2。然后主时钟发送以下消息，如果网络时间延迟是Tdelay，则可以在等式1中获得偏移时间滞后Toffset [2]。

（1）

Delay_Req

Syne

主时钟

从时钟

T1

T2

偏移测量

Follow_up

T3

T4

Delay_Resp

延迟测量

图1. IEEE1588协议的时间同步原理。

在具有固定网络结构和网络的系统中，负载不变化很大，延迟测量通常是随机发送的，如图1所示。从时钟发送delay_req消息，并记录时间标记T3。当主时钟接收到delay_req消息时，记录时间标记T4，并且delay-resp消息依次发送到从时钟。然后网络时间延迟由等值2给出。

（2）

结合等值1和等值2，

（3）

（4）

利用Tdelay，Toffset，从时钟可以用主时钟以统一的时间标准进行修改[3] [4]。

  1. 设计和技术特性

3.1硬件设计

太阳能基于IEEE 1588协议的电子电压/电流互感器（ECT / EVT）的校准装置由IEEE1588以太网交换机，IEEE1588时钟，标准电压/电流转换器，标准通道数据采集单元，同步脉冲传输模块，测量通道数 采集单元，数据处理单元和GPS，如图2所示。

校准装置的步骤如下所示以下

步骤：

  • IEEE1588以太网交换机接收测量电子式电流互感器合并单元发送的IEC1850和IEEE1588消息数字输出，然后通过组播将消息发送到IEEE1588时钟和测量通道单元的数字输入日期采集。
  • 在测量通道的数字输入数据采集单元中解析后，将IEC 61580信息发送给数据处理误差计算显示单元。
  • 当IEEE 1588时钟时间攻击完成时，输出PPS信号发送到同步脉冲传输模块。
  • 当PPS信号接收时，同步脉冲传输模块向标准通道的数据采集单元产生采样脉冲。
  • 标准通道数据采集单元采用标准电压/电流转换器产生的信号进行数据采样，同时采样。

3.2时间同步的软件设计

系统软件流程图如图3所示。 首先，设置主时钟的工作模式; 第二，时间同步模型设置为ETE或PTP; 然后，IEEE1588参数设置保证时间成功; 最后，启动错误测试并获取测试结果。

标准电流互感器

电子式电流互感器数字输出

IEC 61580和IEEE 1588的信息

采样

脉冲

IEC61580

信息

IEEE1588

信息

电子式电流互感器的校准装置

图2 校准设备的框图。

开始

设置主时钟的工作模式

设置时间同步

模式（ETE / PTP）

时间同步

成功

设置正确

IEEE1588

参数IEEE1588

参数

parameters

开始错误测试

测试结束

yes

no

no

no

图3.系统软件流程图

3.3技术特点

基于IEEE 1588协议的电子变压器的这种校准装置的技术特征总结如下：

  • 高精度的DAQ卡PCI5922从NI具有电压基准，并具有自校准能力，可以消除由温度变化引起的误差，非常适合现场测试由于其紧凑性[5]。
  • 提供IEEE 1588时钟，可作为主时钟和从时钟; 并且它具有仅当时间同步成功时输出PPS的能力。
  • 采用机架式网管型工业千兆以太网交换机SICOM3024PT，支持ETE和PTP的时间同步模式，可以考虑时间同步模式对电压/电流电子式变压器误差的影响。 如果测量的合并单元中的IEEE1588和IEC61580的数据帧共享相同
  • EMAC，IEEE 1588以太网交换机可扩展为两个通道，一个用于时间同步，另一个用于IEC 61580数据采样[6]。
  1. 测试

4.1基于IEEE 1588模式的测试

基于IEEE1588时间同步模式的电子变压器校准装置用于测试电子式电流互感器的误差。 校准装置中电子电流互感器的误差如表1所示

表1.基于IEEE 1588模式的电子电流互感器的误差

上升

下降

比误差（%）

角误差（rsquo;）

比误差（%）

角误差（rsquo;）

1%

0.10

-11.7

0.08

-15.5

5%

0.10

-5.0

0.11

-6.3

20%

-0.01

-10.6

-0.01

-10.3

100%

0.02

-14.0

0.02

-14.1

120%

0.03

-14.2

4.2基于PPS模式进行测试

该校准装置的IEEE1588时钟和IEEE1588以太网交换机由PPS时间同步模块替代。然后，新的校准装置用于测试基于PPS模式的电子电流互感器的误差。 校准装置中电子电流互感器的误差如表2所示。

表2.基于PPS 模式的电子电流互感器的误差

上升

下降

比误差（%）

角误差（rsquo;）

比误差（%）

角误差（rsquo;）

1%

0.10

-15.7

0.16

-17.0

5%

0.13

-6.1

0.12

-5.4

20%

-0.02

-10.3

0.01

-9.0

100%

0.02

-14.1

0.03

-13.9

120%

0.03

-14.3

4.3基于IRIG-B码模的测试

该校准装置的IEEE1588时钟和IEEE1588以太网交换机由IRIG-B码的时间同步模块代替，然后新的校准装置用于基于IRIG-B码模式测试电子电流互感器的误差。 校准装置中的电子电流互感器如表3所示

表3.基于PPS模式的电子电流互感器的误差

上升

下降

比误差（%）

角误差（rsquo;）

比误差（%）

角误差（rsquo;）

1%

0.08

-14.7

0.15

-16.4

5%

0.14

-4.3

0.10

-6.3

20%

-0.04

-10.0

0.01

-10.6

100%

0.01

-13.9

0.01

-14.2

120%

0.02

-14.1

4.4三种时间同步模式的分析

包括IEEE1588，PPS和IRIG-B码的三种不同时间同步模式的误差曲线如图4和图5所示。

图4.三种时间同步模式的比率差曲线。

图5.三种时间同步模式的角差曲线

上面的误差曲线示出了与电子电流和电压变压器的比率误差和角度误差的良好的误差一致性。PPS模式和IRIG-B码模式的误差曲线几乎一致，但由于时间同步原理的不同，IEEE1588模式的误

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