技术领域

本发明属于电力系统区域电网及智能变电站智 能设备的时间同歩测试领 域， 具体涉及一种区域电网智能设备时间分析仪。

背景技术

在区域电网及智能变电站过程层内， 时间同歩精度最高要求为 1 微秒。 现阶段， 区域电网及智能变电站的实时继电保护控制的 时钟同歩功能基本采 用 IRIG-B码方式和 IEEE1588方式。

IEEE1588协议是精密时间协议， 非常适用于区域电网网络保护控制功能 的时钟同歩功能实现， 如果智能装置采用硬件辅助打时间戳的方法时 间同歩 精度可以达到亚微秒， 完全满足智能变电站对时间同歩的精度要求。

IEEE1588精密时间同歩技术在电力行业内应用刚� ��起歩， 国内多个电力 二次设备制造商都陆续开展了 IEEE1588的应用研宄和产品开发， 电力公司也 组织进行了 IEEE1588产品互操作性测试， 但尚未开展对支持 IEEE1588协议 的产品进行 IEEE1588规约一致性测试， 这不利于 IEEE1588协议在区域电网 和智能变电站网络的推广应用。 另外， 支持 IEEE1588协议的主钟、 交换机和 数字合并单元等产品的功能测试、 性能测试中， 因为缺乏专门的 IEEE1588测 试仪器， 导致测试工程师测试效率较低， 特别是无法进行异常测试， 测试案 例覆盖面较窄， 不能对 IEEE1588产品进行充分测试， 无法保证实现 IEEE1588 协议的产品的时间同歩可靠性， 为采用 IEEE1588同歩技术的区域电网及智能 变电站的运行带来了安全隐患。 时间同歩技术是区域电网网络保护控制系统的 关键支撑技术， 关系着网 络保护控制功能实现的可靠性和区域电网运行 的安全性。 目前主要采用

IRIG-B码脉冲组网方式和 IEEE1588高精度网络方式进行时钟同歩，对智能� �� 备时钟同歩性能的测试一般采用入网检测方式 ， 且采用通用的进口仪器， 使 用复杂， 成本高， 且无法开展 FAT及 SAT, 为电网的安全运行埋下了隐患， 因 此当前的区域电网和智能变电站急切需要能够 在智能设备的 IEEE1588规约一 致性测试、 时间性能指标分析评估中使用， 且满足移动测试要求的时间分析 发明内容

本发明的目的是提供一种区域电网智能设备时 间分析仪， 以解决目前在 区域电网和智能变电站的智能设备时间精度指 标分析评估及 IEEE1588规约一 致性测试领域没有专用测试分析仪的问题。

为了实现以上目的， 本发明所采用的技术方案是： 一种区域电网智能设 备时间分析仪， 包括：

时间分析主控模块， 用于收发 IEEE1588报文及其它时间性能数据报文， 分析处理各种形式的输入输出信号， 处理卫星时钟信号， 进行所有 IEEE1588 测试及时间性能指标分析评估操作；

光以太网通信模块， 用于向分析主控模块输出秒脉冲时间信号和发 送 IEEE1588报文时间戳信息；

电以太网模块， 用于作为该时间分析仪的调试接口；

信号输入输出模块， 用于向分析主控模块输入各种形式的秒脉冲信 号及 IRIG-B信号； 卫星信号接收模块， 用于接收外部卫星时钟信号；

搬运钟模块， 用于跟踪外部时钟源及在设计时限内保证特定 时间稳定精 度的时钟信号输出。

该分析仪还包括用于显示时间信息及指示灯信 息的显示模块。

所述分析主控模块与光以太网通信模块之间设 有用于向分析主控模块输 出秒脉冲时间信号的秒脉冲信号线和用于发送 IEEE1588报文时间戳信息的时 间通信线。

所述时间分析主控模块包括相互连接的 DSP和 FPGA。

所述光以太网通信模块为两个。

所述卫星信号接收模块为 GPS/北斗卫星双路时钟信号自适应接收模块。 本发明的区域电网智能设备时间分析仪支持时 间同歩精度指标分析评估 和 IEEE1588—致性测试， 可提供方便的智能装置时间同歩指标测试仪器 ， 有 效克服当前区域电网和智能变电站智能设备时 间精度指标及 IEEE1588产品测 试手段不足， 无法有效进行异常测试， 测试覆盖面较窄， 以及测试时错误定 位困难等一系列难题， 适用于区域电网及智能变电站相关智能设备， 如合并 器、 智能终端、 支持 IEEE1588交换机、 时钟源设备、 保护控制设备等， 具有 重要的实用价值。

附图说明

图 1是本发明的硬件组成系统原理图；

图 2是本发明系统控制软件结构图；

图 3是本发明侧测试操作流程图。

具体实施方式 下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进 一歩介绍。

如图 1 所示为本发明区域电网智能设备时间分析仪的 硬件组成系统原理 图， 该分析仪采用模块化设计， 包括分析仪的硬件组成结构及软件控制系统， 从硬件组成结构来说， 该分析仪包括分析主控模块及与其连接的具有

IEEE1588时间同歩功能的以太网模块、 电以太网模块、 IRIG-B及脉冲时钟以 光及电气 BNC信号形式输入输出模块、 卫星信号接收模块及搬运钟模块， 各 模块的具体分析如下：

时间分析主控模块， 用于收发 IEEE1588报文及其它时间性能数据报文， 分析处理各种形式 （主要包括光信号及 BNC 电气信号） 的输入输出信号， 处 理卫星时钟信号， 进行所有 IEEE1588测试及时间性能指标分析评估操作。

光以太网通信模块， 用于向分析主控模块输出秒脉冲时间信号和发 送 IEEE1588报文时间戳信息。

本实施例具有 IEEE1588时间同歩功能的光以太网通信模块为两� ��， 与分 析主控模块相连， 作为时间分析仪的 IEEE1588测试接口； 各光以太网通信模 块与分析主控模块之间均设有： 1)秒脉冲信号线， 用于此太网通信模块向分析 主控模块输出秒脉冲时间信号； 2)时间通信线， 用于此以太网通信模块向分 析主控模块发送 IEEE1588报文时间戳信息。

电以太网模块与分析主控模块相连， 用于作为该时间分析仪的调试接口。 信号输入输出模块与分析主控模块通过欧式连 接器相连， 来自面板接口 的时间信号经电平转换后通过欧式连接器送至 分析主控模块的 FPGA引脚中， 用于向分析主控模块输入各种形式的非网络方 式的秒脉冲信号及 IRIG-B 信 号， 该模块具体可以输入光秒脉冲时钟信号、 BNC 电气秒脉冲时钟信号、 光 IRIG-B码时钟信号、 BNC电气 IRIG-B码时钟信号， 可以输出光秒脉冲时钟信 号、 BNC电气秒脉冲时钟信号、 光 IRIG-B码时钟信号、 光秒脉冲时钟信号、 电气 BNC设定频率方波信号。该模块最多可以同时对 8路时间输入信号（6路 BNC电气信号及 2路光信号）进行比对性时间指标评估， 非常适合于区域网络 保护控制系统中多个观测点 （如主变 3侧差动数据的同歩） 的时间同歩性能 评测， 并输出由分析主控模块发送来的各种时间信号 （当被定义为频率发生 器时， 输出设定频率的方波信号）， 频率发生器输出的频率信号和时间信号输 出端子复用， 不单独设置频率输出端口。

卫星信号接收模块为 GPS/北斗卫星双路时钟信号自适应接收模块， 与分 析主控模块相连， 用于接收外部卫星时钟信号 （GPS/北斗）。 能根据双路卫星 跟踪模式， 选定卫星型号， 在不同的双路卫星跟踪模式下， 跟踪不同的卫星 时钟信号输入， 主要包括自动优选模式和人工指定模式， 并将该信号发送至 分析主控模块。 还可以把接收到的 GPS秒脉冲信号和串口时间信号也送至主 控模块， 供 DSP芯片和 FPGA芯片处理。

搬运钟模块与分析主控模块相连， 该模块具备大容量锂电池， 在初始的 时钟驯服状态时， 能跟踪高精度的外部时钟源， 若干小时后， 搬运钟进入稳 定的驯服状态， 可脱离高精度外部时钟源， 在设计时限内保证特定时间稳定 精度的时钟信号输出， 实现高精度的移动方式时间性能测试。

该分析仪还包括用于显示时间信息及指示灯信 息的显示模块， 包括时间 显示用的 7段数码管和 9个 LED指示灯。 时间显示数码管显示来自 GPS卫星 信号的 "年月日"格式的时间， LED指示灯显示 GPS、 北斗、 同歩、 失歩、 卫 星信号秒脉冲、光网口 A master状态、光网口 A slave状态、光网口 B master 状态、 光网口 B slave状态， 即分别指示 "GPS"、 "北斗"、 "同歩"、 "告警"、 " 1588 A钟主"、 " 1588 A钟从"、 " 1588 B钟主"、 " 1588 B钟从"、 "PPS"。

时间分析主控模块主要包括相互连接的 DSP和 FPGA, 还包括 SDRAM芯片 和 FLASH 芯片的存储器。 DSP 芯片采用德州仪器公司的高性能 TMS320DM642A (主频 600M)， FPGA 芯片采用赛灵思公司的 Spartan_3E 系列 XC3S500E, 采用这种架构通信速度快、 系统稳定可靠。 DSP芯片内设时间指标 分析引擎， 本时间分析仪所有测试及评估分析都在配套的 计算机上软件控制 系统的控制下， 由分析仪上的时间分析引擎执行模块负责具体 执行并将过程 中的实时数据及执行结果传送至控制系统显示 或分析。

时间分析引擎在 IEEE1588规约一致性测试方面支持 IEEE1588-2008标准 和 IEEE C37. 238标准（电力行业 IEEE1588 Prof ile)，支持智能变电站内任何 支持 IEEE1588协议的智能设备； 在时间精度测试、 分析评估方面遵循区域电 网及智能变电站保护控制功能实现对时间精度 指标要求 profile (mask), 因 此该时间分析仪适用于区域电网及智能变电站 网络保护控制功能的实现。

每个具有 IEEE1588时间同歩功能的光以太网模块的光以太� ��口的物理层 芯片采用美国国家半导体的 DP83640芯片， 可以捕获 IEEE1588报文的精确发 送或接收时标， 时标分辨率为 8ns， 可完全满足智能变电站内支持 IEEE1588 协议的智能装置的测试需求； 可定义 DP83640芯片的通用输入输出引脚 GPI0 为芯片时钟的秒脉冲输出口， 输出到测试主控模块中的 FPGA引脚中， 测试时 可用来监视此秒脉冲，例如此光网口作为从钟 时，此秒脉冲上升沿与 IEEE1588 主钟的秒脉冲上升沿之间的时间差就是此从钟 相对于 IEEE1588主钟的时钟偏 差。 1个 RJ45电以太网口用做测试接口， 可连接到个人计算机网口。 如图 2所示为配套的计算机上的软件控制系统， 主界面下设有系统参数设 置界面、 IEEE1588—致性测试界面、 IEEE1588功能测试界面、 IEEE1588性能 测试界面、 时间精度指标分析评估界面、 频率发生器设定界面、 测试案例编 辑器； IEEE1588—致性测试界面包括主钟一致性测试模� ��、 从钟一致性测试 模块、 透明时钟一致性测试模块； IEEE1588功能测试界面包括主钟功能测试 模块、 从钟功能测试模块、 透明时钟功能测试模块； IEEE1588性能测试界面 包括主钟性能测试模块、 从钟性能测试模块、 透明时钟性能测试模块。 时间 性能指标评估分析界面包括 TIE、 MTIE、 TDEV、 ADEV、 MDEV等 5项时间精度指 标， 根据预设的区域电网时间精度指标 profile, 给出分析结果， 并以图形化 曲线形式展示。 频率发生器界面包括频率设定、 方波幅值及占空比设定等。 测试案例编辑器界面包括测试案例编辑等。

该控制系统具有监视、 控制、 配置及统计分析功能， 所有的一致性测试、 功能测试和性能测试都在时间测试分析软件的 控制下进行， 测试过程中可以 通过软件界面监视测试实时数据和整个测试过 程。 时间测试分析软件中的编 辑功能包括测试钟参数编辑功能和测试案例编 缉功能； 通过测试钟参数编缉 功能测试工程师可以配置 2个光测试口的参数； 通过测试案例编缉功能， 测试 工程师可以编辑自己设计的测试案例， 而不局限于软件默认的测试案例。 在 性能测试中， 性能测试数据可以由测试仪传输至 PC机监控软件， 并存储到硬 盘上的文件中。

如图 3所示，本发明时间分析仪的测试操作流程如� �：

( 1 )、 测试环境准备： 首先用光纤连接时间分析仪和被测设备， 连接时间 分析分析软件所在计算机的网口和时间分析仪 的调试电口。 (2)、 选择测试类别；

(3)、 在选定的测试类别中选择具体的测试案例；

(4)、 执行选定的测试案例： 在测试过程中， 测试仪把测试过程信息送 至 IEEE1588测试分析软件， 通过图形化界面可以监视整个测试过程， 必要时 可能需要用户确认使得测试继续进行。

(5)、 给出测试案例是否通过的结论： 测试完成后， 时间分析软件给出此 测试案例通过还是不通过的结论， 如果不通过， 给出此测试案例不能通过的 原因。

(6)、 如果需要进行下一个测试案例， 到歩骤 （3 )， 否则到 （7);

( 7)、 生成测试报告： 当用户选择的所有测试案例完成后， 产生一份测试 报告， 可以存为电子文档也可以打印。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明 所作的进一歩详细说明， 本发明的具体实施不局限于这些说明。 对于本发明所属技术领域的普通技术 人员来说， 在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替 代， 而且性能或用 途相同， 则应当视为属于本发明所提交的权利要求书确 定的保护范围。