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【摘要】随着科技不断迈进的步伐，传统的变电站越来越少，数字化变电站占领了绝大部分的份额，相关技术的研究和应用也随之成了热门。相对于传统的变电站，数字化保护装置是一种新事物，其显著的变化主要有通信接口和信号传输方式的变化。本文浅析了IEC61850数字化变电站对时系统的结构特点和时钟误差的根源，并提出一种比较通用的时钟同步软件设机构想，并在硬件层面上做了简单的设想，使之能使用与大部分的数字化变电站。
【关键词】数字化保护装置；时钟同步；设计构想
一、前言
数字化变电站在上个世纪就已经迈入我们的生活，传统的变电站几乎被数字化变电站所替代。提起数字化变电站，我们收想象到的词就是数字化、网络化，还有IEC61850，这是数字化变电站的系统技术标准，被业界所广泛认同。数字化变电站含有三个层次，站控层间隔层和过程层，其中站控层和间隔层还有间隔层与网络层之间有一种作用为实现层与层之间接口数据交换的通信网络。本文将要讨论的数字化保护装置在间隔层，属于三层最中心的链接枢纽的组成部分，所以时钟同步非常重要，它要兼顾三个层次所有的需求。
在传统的变电站中，保护装置只是一层简单的监控层通信，所以监控层负责全部的时钟同步的报文。半数字化的变电站（过程层未数字化），通信需求只存在于站控层和间隔层的设备。但是全数字化的变电站三个层次都需要通信，所以时钟同步报文既可以在过程层也可以在站控层。
二、对时网络时钟源
上文提到过，数字化保护装置有两个通信网络，过程层和站控层，这二者都是外部时钟同步源的可能的来源。另一种可能是时钟同步硬脉冲在过程层而时钟同步报文在站控层。对时处理是非常重要的，很多地方都和时间相关联，例如过程、站控通信层插件、保护动作、告警事件、液晶屏的时间显示等，所以保护装置的时间处理有很多插件，这些插件分别对应上述功能。
当对时时钟源来源自过程网络层的时候，时钟同步硬脉冲连同时钟同步报文全部从过程层中发来，时钟同步的方式有IEEE1588或者IRIG-B。基于过程层的插件接受上述两种信号，并向设备内部发送相应信号。
当对时时钟源来源自站控层网络，时钟同步硬脉冲连同时钟同步报文就来源于站控层，时钟同步的方式有上段的两种方式加上站控层硬脉冲。基于站控层的插件接受两种信号，并向设备内部发送相应信号。
当对时是过程层和站控层网络混合对时，时钟同步硬脉冲来源于过程层二时钟同步报文来自站控层。因为这时很容易出现站控层使用低精度的时钟同步方式但是网络层使用的授时精度较高这样的情况，这时需要保护装置发挥作用，保护装置将复用过程层采样同步的精度合适的时钟同步硬脉冲作为输入，所以这时的时钟同步报文来源于站控层，时钟同步硬脉冲来源于过程层。
三、误差分析
3.1外部的时钟源误差
三种外部时钟源：
（1）硬脉冲时钟同步信号，该对时方式一般采用脉冲信号精度能达到一微妙的秒脉冲和分脉冲。
（2）IRIG-B时钟同步码，这种对时方式结合了脉冲时钟同步的准时延码和实时时间码两种时间信息。它的精度通常由GPS接收机决定，大多数情况下能达到一微妙。
（3）网络IEEE1588时钟同步报文，这种对时方式参考了网络时间协议和简单网络时间协议的内容，但在此之上迭代消除了往返的传输路径延时，并应用以太网络的打时间戳的方法，最大程度消除了设备的反应时间，多种技术的叠加是最高精度能达到十分之一微妙的程度。
外部时钟源的信号都从卫星时钟GPS信号获取，误差的形式主要是随机误差，但所幸没有积累误差，误差范围内一般呈正态分布。
3.2晶振导致的时钟误差
晶振误差是造成保护装置的时钟误差的重要因素，这种误差每秒最大误差一般被设置为50微妙，虽然随机误差很小，但是存在积累误差。
四、通用式对时设计
4.1硬件设计
基本上所有的插件都有很高的时间精度要求，为了同时适应不同的要求，很多插件都需要一种通用式硬件设计思路。
通用对时插件前四个对时硬件回路应使用一样的硬件设计，通过切换控制输入输出线进行五种不同的PPS输入控制电路芯片。下图和下表分别为第二个插件与第三个插件接收通用插件一的内部对时源和各种不同的对时方式切换电路的对应状态。
4.2软件设计
相同的硬件设计需要相同的软件设计来支持。从前面的误差分析可以看出，外部时钟源信号随机误差大，无叠加误差，晶振误差随机误差小而存在叠加误差，二者互补。所以我们利用这一特点，建立数学模型可以估算平均值。该平均值符合一元二次回归方程，方程为其中n为回归样本数量。
另一方面，因为晶振误差是主要误差来源，所以保护装置的晶振技术时钟可以经过回填修正能打到更高精度。
还有，程序也会有一定的执行时间，所以也会造成一定程度上的时钟误差。减少这类误差的方式可以是时间差值捕捉。时间差值捕捉将记录标准PPS和晶振PPS的秒脉冲输入上升沿时刻的时间，在计算之后修正时间值。
五、结语
本文通过分析数字化保护装置中的外部时钟源和内部晶振时钟的误差来源和特点，简单提出了一种通用的软件设计方案，并提出了进一步提高时钟精度的方法。硬件方面，本文也详细参考了对时网络的特点，提出了一种可行的设计。这些设计已经经过一定程度的实用性证明。在测试之后我们能够确定这种设计方案适用于数字化保护装置的应用，也同样会在其他工业应用场景中发挥作用，具有很好的发展前景。
参考文献
[1]江涛，孙昕.GPS与IRIG-B在电网授时系统中的应用【J】.继电器，2012，35（S1）：333-335
【关键词】数字化保护装置；时钟同步；设计构想
一、前言
数字化变电站在上个世纪就已经迈入我们的生活，传统的变电站几乎被数字化变电站所替代。提起数字化变电站，我们收想象到的词就是数字化、网络化，还有IEC61850，这是数字化变电站的系统技术标准，被业界所广泛认同。数字化变电站含有三个层次，站控层间隔层和过程层，其中站控层和间隔层还有间隔层与网络层之间有一种作用为实现层与层之间接口数据交换的通信网络。本文将要讨论的数字化保护装置在间隔层，属于三层最中心的链接枢纽的组成部分，所以时钟同步非常重要，它要兼顾三个层次所有的需求。
在传统的变电站中，保护装置只是一层简单的监控层通信，所以监控层负责全部的时钟同步的报文。半数字化的变电站（过程层未数字化），通信需求只存在于站控层和间隔层的设备。但是全数字化的变电站三个层次都需要通信，所以时钟同步报文既可以在过程层也可以在站控层。
二、对时网络时钟源
上文提到过，数字化保护装置有两个通信网络，过程层和站控层，这二者都是外部时钟同步源的可能的来源。另一种可能是时钟同步硬脉冲在过程层而时钟同步报文在站控层。对时处理是非常重要的，很多地方都和时间相关联，例如过程、站控通信层插件、保护动作、告警事件、液晶屏的时间显示等，所以保护装置的时间处理有很多插件，这些插件分别对应上述功能。
当对时时钟源来源自过程网络层的时候，时钟同步硬脉冲连同时钟同步报文全部从过程层中发来，时钟同步的方式有IEEE1588或者IRIG-B。基于过程层的插件接受上述两种信号，并向设备内部发送相应信号。
当对时时钟源来源自站控层网络，时钟同步硬脉冲连同时钟同步报文就来源于站控层，时钟同步的方式有上段的两种方式加上站控层硬脉冲。基于站控层的插件接受两种信号，并向设备内部发送相应信号。
当对时是过程层和站控层网络混合对时，时钟同步硬脉冲来源于过程层二时钟同步报文来自站控层。因为这时很容易出现站控层使用低精度的时钟同步方式但是网络层使用的授时精度较高这样的情况，这时需要保护装置发挥作用，保护装置将复用过程层采样同步的精度合适的时钟同步硬脉冲作为输入，所以这时的时钟同步报文来源于站控层，时钟同步硬脉冲来源于过程层。
三、误差分析
3.1外部的时钟源误差
三种外部时钟源：
（1）硬脉冲时钟同步信号，该对时方式一般采用脉冲信号精度能达到一微妙的秒脉冲和分脉冲。
（2）IRIG-B时钟同步码，这种对时方式结合了脉冲时钟同步的准时延码和实时时间码两种时间信息。它的精度通常由GPS接收机决定，大多数情况下能达到一微妙。
（3）网络IEEE1588时钟同步报文，这种对时方式参考了网络时间协议和简单网络时间协议的内容，但在此之上迭代消除了往返的传输路径延时，并应用以太网络的打时间戳的方法，最大程度消除了设备的反应时间，多种技术的叠加是最高精度能达到十分之一微妙的程度。
外部时钟源的信号都从卫星时钟GPS信号获取，误差的形式主要是随机误差，但所幸没有积累误差，误差范围内一般呈正态分布。
3.2晶振导致的时钟误差
晶振误差是造成保护装置的时钟误差的重要因素，这种误差每秒最大误差一般被设置为50微妙，虽然随机误差很小，但是存在积累误差。
四、通用式对时设计
4.1硬件设计
基本上所有的插件都有很高的时间精度要求，为了同时适应不同的要求，很多插件都需要一种通用式硬件设计思路。
通用对时插件前四个对时硬件回路应使用一样的硬件设计，通过切换控制输入输出线进行五种不同的PPS输入控制电路芯片。下图和下表分别为第二个插件与第三个插件接收通用插件一的内部对时源和各种不同的对时方式切换电路的对应状态。
4.2软件设计
相同的硬件设计需要相同的软件设计来支持。从前面的误差分析可以看出，外部时钟源信号随机误差大，无叠加误差，晶振误差随机误差小而存在叠加误差，二者互补。所以我们利用这一特点，建立数学模型可以估算平均值。该平均值符合一元二次回归方程，方程为其中n为回归样本数量。
另一方面，因为晶振误差是主要误差来源，所以保护装置的晶振技术时钟可以经过回填修正能打到更高精度。
还有，程序也会有一定的执行时间，所以也会造成一定程度上的时钟误差。减少这类误差的方式可以是时间差值捕捉。时间差值捕捉将记录标准PPS和晶振PPS的秒脉冲输入上升沿时刻的时间，在计算之后修正时间值。
五、结语
本文通过分析数字化保护装置中的外部时钟源和内部晶振时钟的误差来源和特点，简单提出了一种通用的软件设计方案，并提出了进一步提高时钟精度的方法。硬件方面，本文也详细参考了对时网络的特点，提出了一种可行的设计。这些设计已经经过一定程度的实用性证明。在测试之后我们能够确定这种设计方案适用于数字化保护装置的应用，也同样会在其他工业应用场景中发挥作用，具有很好的发展前景。
参考文献
[1]江涛，孙昕.GPS与IRIG-B在电网授时系统中的应用【J】.继电器，2012，35（S1）：333-335