摘要：通过对智能变电站的脉冲对时、IRIG-B码对时的原理的分析与探讨，对比出各自的优缺点以及适用场合，从而为理解智能站的对时系统打好基础。
关键字：智能变电站；对时方式；脉冲对时；IRIG-B码
1. 引言
变电站中常用的对时方式有：脉冲对时（硬对时）、串口通信（软对时）、编码对时。在智能站中，最常见的授时方式有脉冲对时、直流IRIG-B码对时。本文就此两种对时方式做了详细的说明。
2. 脉冲对时
2.1 概述
脉冲对时信号主要分为三种：秒脉冲信号PPS（Pulse per Second）、分脉冲信号PPM（Pulse per Minute）和时脉冲信号PPH（Pulse per Hour）。秒脉冲是利用GPS所输出的每秒一个脉冲方式进行时间同步校准，获得与UTC同步的时间准确度较高，上升沿的时间误差不大于1μs，这是国内外IED常用的对时方式；分脉冲是利用GPS所输出的每分钟一个脉冲方式进行时间同步校准。其输出方式有TTL电平、静态空接点、RS-422、RS-485和光纤等。脉冲对时方式进行对时时，装置利用GPS所提出的时间脉冲信号进行时间同步校准，常见的秒脉冲信号如图3所示：
图1 秒脉冲信号
2.2 技术指标
智能变电站的过程层设备若采用1PPS对时方式，应采用850nm波长的光纤接口，其技术指标如下：
（1）脉冲宽度th＞10ms；
（2）秒准时沿：上升沿，上升时间≤100ns；
（3）上升沿的时间准确度：优于1μs；
（4）使用光纤传导时，亮对应高电平，灭对应低电平，由灭转亮的跳变对应准时沿。
2.3 特点
脉冲对时方式的特点如下：
（1）实现简单：可适用于以翻转序号为主要应用的装置，如合并单元等；可用电缆或光缆作为传输通道；
（2）抗干扰能力弱于IRIG-B码；
（3）不能传输完整的时间信息，需与串口报文等其他报文配合使用；
（4）对时误差不小于1μs，只能对时到秒。
3. IRIG-B码对时
3.1 概述
IRIG（InterRange Instrumentation Group）时间标准有两大类：
（1）并行时间码：这类码由于是并行格式，传输距离较近，且是二进制，因此远不如串行格式广泛；
（2）串行时间码：共有六种格式，即A、B、C、D、E、G、H。它们的主要差别是时间码的帧速率不同，IRIG-B即为其中的B型码。B型码的时帧速率为1帧/s；可传递100位的信息。由于IRIG-B格式时间码是每秒一帧的时间码，最适合使用习惯，而且传输也较容易。因此，在IRIG六种串行时间码格式中，应用最广泛的是B码。
IRIG-B码对时有交流（AC）和直流（DC）码两种方式。其中AC码以调制的方式解码，适合较远距离传送，DC码是依靠电平逻辑来编码，传送距离较近。按技术规范规定凡新投运的需授时变电站，间隔层设备采用RS-485接口的IRIG-B码（DC）对时信号，过程层设备宜采用1310nm波长光纤接口的B码对时信号。
3.2 对时原理
IRIG-B码对时兼顾了通信对时报文和脉冲信号的优点，是一种精度很高并且又含有标准的时间信息的对时方式。其报文中包含了秒、分、小时、日期等相关时间信息，同时每一帧报文的第一个跳变又对应于整秒，相当于秒脉冲同步信号，如图4所示。装置进行IRIG-B码对时时，利用内嵌解码模块，检测出时间信息和对时脉冲，通过串口将时间信息直接下发到各个功能插件。
图2 IRIG-B码波形图
（1）码元识别。
1）码元。时间格式里的每个脉冲称为码元。码元的“准时”（OnTime）参考点是其脉冲前沿；码元的重复速率称为码元速率，B码的码元速率为100pps。
2）索引计数。每个码元对应一个索引计数。两个相邻码元前沿之间的时间间隔为索引计数间隔，B码的索引计数间隔为10ms。索引计数在帧参考点处以“0”开始，以后每隔一个索引计数间隔增加1，直至这帧结束。B码每帧的索引计数间隔为100个，直至这帧结束。索引计数数字为0~99。
3）位置识别标志。其宽度是对应时码的索引计数间隔的0.8，B码为8ms。位置识别标志P0的前沿在帧参考点（即PR）前一个索引计数间隔处，以后每10个码元有一个位置识别标志，分别为P1、P2、…、P9。位置识别标志的重复速率为码元速率的1/10，B码为10pps。
4）码字。所有的时间格式都是脉宽码。B码的二进制“1”和“0”的脉宽分别为5ms和2ms。
5）参考标志。时帧的参考标志由一个位置识别标志（P0）和相邻的参考码元（PR）组成。参考码元的宽度为对应时码索引计数间隔的0.8，B码为8ms。时帧的“准时”参考点是参考码元的前沿。
（2）时帧。一个时间格式帧（简称时帧）从参考标志开始，由两个相邻帧参考标志间的所有码元组成。时帧的重复速率为时帧速率，其周期为时帧周期。B码的时帧速率为1个/s，时帧周期为1s。
（3）时间编码。B码的时间信息共30位，其中天10位（从001到365或366），时6位，分7位，秒7位。时序为秒一分一时一天。位置在P0~P5之间。采用BCD码。
另外，B码还有纯二进制秒码（SBS码），共17位，午夜为0秒，最大计数为86 399秒时序，低位在前，高位在后。位置在P8~P0之间。
（4）控制功能（CF）。B码预留了一组用于控制功能（CF）的码元，用于各种控制、识别和其他特殊目的功能编码。B码控制功能的位置在P5~P8之间，有27个码元。对电力授时比较重要的有闰秒标志位、时差位以及质量位。
（5）对时机制。被授时装置将PR脉冲的上升沿作为秒脉冲的准时延，然后分别硬件解码出B码的各个码元信息，从而得到装置所需的秒脉冲、时戳信息及B码状态信息。
3.3 技术指标
IRIG-B码的技术指标如下：
（1）脉冲上升时间≤100ns；
（2）抖动时间≤200ns；
（3）秒准时沿的时间准确度要求优于1μs；
（4）使用光线传导时，亮对应高电平，灭对应低电平，由灭转亮的跳变对应秒准时沿；
（5）P6后的码元均为标志位，标志包含时间质量、时区信息，还包括闰秒预告、夏时制预告等信息；
（6）IRIG-B码传输的时间为当地时间，而非UTC（协调世界时）时间。
3.4 特点
IRIG-B码的特点如下：
（1）携带信息量大，经译码后可获得脉冲信号和BCD编码的时间信息及控制功能信息；
（2）分辨率高；
（3）调制后的B码带宽适用于远距离传输；
（4）具有接口标准化、国际通用等特点；其中直流B码的同步精度可达到几十纳秒量级，满足智能变电站授时要求。
4结束语
只有了解掌握了智能站的对时方式原理，才能深刻的理解智能站同步采样方式的意义和作用，从而进一步理解智能变电站中同步时钟系统的重要意义。
论文作者:王栋
论文发表刊物:《电力设备》2017年第28期
论文发表时间:2018/1/19
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