CN112213541A - 一种应用于暂态录波型故障指示器的守时方法 - Google Patents

一种应用于暂态录波型故障指示器的守时方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于暂态录波型故障指示器的守时方法，所述方法用以解决基于低频晶振守时的故障指示器汇集单元对时刻度误差大，且需要频繁GPS对时的问题；同时提供了一种汇集单元在精准时刻发起采集单元对时的方法。所述方法基于环境稳定条件下晶振频率基本恒定的特点，通过利用高频晶振及已有GPS实现对低频晶振守时误差及对时误差的精确计算和补偿，在此基础上为全网采集单元提供基于高频晶振粒度的授时时刻，实现全网采集单元的精确同步。

Description

一种应用于暂态录波型故障指示器的守时方法
技术领域
本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种应用于暂态录波型故障指示器的守时方法。
背景技术
配电网络***因分支多而复杂，很容易出现接地和短路故障。随着智能电网的快速发展，使得配电网故障信息越发复杂，故障的准确快速分析变得越发困难。为快速处理配电网故障，需要对馈线运行数据进行实时监控、异常情况及时预警，以及对故障快速发现处理。
基于零序电压启动型的暂态录波型故障指示器是一种配电网线路故障的检测装置，录波启动装置安装于变电站出线处，采集单元安装于中压配电线路上，可以实时采集线路电流，当线路发生接地或短路故障时，录波启动装置记录波形启动时刻，由主站发起对同一时刻的波形收集，并对波形统一分析，实现对故障类型及区段的定位；此种方式对全网采集单元同步要求较高，在12.8K采样率下，要求全网采集单元时间同步偏差不大于40μs。
当前暂态录波型故障指示器汇集单元多采用周期性GPS对时并周期性给采集单元对时的方案，汇集单元守时基于高精度低频晶振；以采用精度为±5ppm的低频守时晶振(32.768KHz)为例，晶振频率粒度决定其在对时完成时即有(0～30.5)μs的对时刻度误差Tds，考虑到每秒±5μs的守时误差Tss，若要满足40μs的全网同步精度，要求设备每秒都进行GPS对时，频繁GPS对时大大提高了设备功耗，对设备运行环境提出了更高要求，且无法抹去对时刻度误差Tds；亦有方案在每个采集单元上安装GPS模块，每个采集单元直接从 GPS获取时间，这种方法虽然可以采集单元全网时间同步，减少无线对时环节引入的误差，但实现成本高，且GPS模块功耗较大，提高了对采集单元安装线路的负荷要求，限制了设备可应用范围。
通过对晶振频率的大量测试发现，在常温环境下，晶振频率偏差值基本保持不变。基于此特点，考虑通过阶段性计算所得的晶振频偏对汇集单元时钟进行补偿，并基于此补偿向采集单元对时的时刻，从而降低全网采集单元时间同步偏差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是通过提供一种应用于暂态录波型故障指示器的守时方法，将全网汇集单元给采集单元的授时时刻相差控制在20μs以内，为采集单元的全网时间同步提供准确参考。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种应用于暂态录波型故障指示器的守时方法，本方法通过引入高频晶振、结合GPS标准时钟源实现对低频守时晶振的对时刻度误差Tds和守时误差Tss的精确计算，进而实现对低频晶振的校准，并通过一定策略为全网采集单元提供基于高频晶振粒度的授时时刻，实现全网采集单元的同步守时。
GPS标准时钟源集成在汇集单元设备上，可以输出秒脉冲及串口时间，作为设备的标准时间参考；低频晶振作为设备守时晶振，高频晶振作为超短时间内的计时及守时晶振使用。
前述汇集单元守时方法其包括以下步骤：
步骤1)在GPS标准时钟源秒脉冲对时时刻，通过基于高频晶振的计数器以及低频晶振刻度实现对汇集单元低频晶振对时刻度误差Tds的计算。
步骤2)以GPS标准时钟源标准时钟参考，通过高频晶振计数器、低频晶振计数器实现对低频晶振区段守时误差Tss的计算。
步骤3)根据守时误差Tss，计算相邻区段低频晶振守时误差偏差T△ss，根据此偏差结合汇集单元守时目标TGoal，计算GPS标准时钟源对时间隔T△GPS
步骤4)根据守时误差Tss计算得出相邻区段低频晶振守时误差偏差T△ss，结合汇集单元守时目标TGoal，动态更新GPS标准时钟源对时间隔T△GPS；
步骤5)根据对时刻度误差Tds及守时误差Tss计算低频晶振补偿参数，对低频晶振的时钟进行补偿；
步骤6)采集单元对时周期到来时，通过基于高频晶振的延时结合补偿参数将全网汇集单元对时时刻控制在一个以高频晶振为粒度的准确时刻，实现全网采集单元的同步对时。
记汇集单元低频晶振频率为fLF，精度为ALF；高频晶振频率为fHF,精度为AHF。
前述步骤1)中汇集单元低频晶振对时刻度误差Tds的计算，实现路线为：在GPS标准时钟源秒脉冲对时时刻使用高频计数器计算当前低频晶振震荡波形所处的位置，进而计算出对时刻度误差Tds，Tds范围在0～低频晶振粒度T△LF间，其中T△LF＝1/fLF。
具体包含以下步骤：
步骤1)GPS标准时钟源秒脉冲信号来临时，清零低频晶振计数器和基于高频晶振计数器。
步骤2)等待低频晶振计数器变化，记录低频晶振计数器变化时刻高频晶振计数器计数 NHF。
步骤3)根据高频晶振计数器计数结合低频晶振计数器的计数时间分辨率，得出对时刻度误差
Tds＝T△LF-NHF/fHF
前述步骤2)中汇集单元低频晶振区段守时误差Tss的计算，分为首次和非首次对时过程中的计算。实现路线为：在首次GPS标准时钟源对时期间，使用对时刻度误差Tds结合低频晶振精度范围计算得出低频晶振每秒守时偏差Tss；在后续GPS对时期间，使用相邻两次GPS对时过程中设备走过的时间Tgap计算低频晶振秒守时误差Tss，其中Tgap由两次秒脉冲期间的低频晶振计数器累加值及两次秒脉冲时的对时刻度误差Tds结合运算而来。
其中：首次GPS标准时钟源对时过程中的守时误差Tss计算过程如下：
设相邻秒对时刻度误差分别为Tds0、Tds1，若(Tds1-Tds0)＞|Tssmax|，得出
Tss＝Tds1-Tds0-T△LF
若(Tds1-Tds0)＜-|Tssmax|，得出
Tss＝Tds1-Tds0+T△LF
非首次GPS标准时钟源对时过程中的守时误差Tss计算过程如下：
记上一次GPS标准时钟源对时过程中最后一次秒脉冲和本次秒脉冲时的对时刻度误差分别为Tds0、Tds1，记两次秒脉冲期间低频晶振计数器走过NLF,期间GPS走过时间为T△GPS,设备走过时间为Tgap，那么得出
Tgap＝NLF·T△LF+Tds1-Tds0
Tss＝(Tgap-T△GPS)/T△GPS
前述步骤3)中汇集单元GPS对时间隔
Figure RE-GDA0002832176650000031
前述步骤5)中汇集单元补偿参数计算包括补偿步长、周期TC、结余Cremain。补偿对象为低频晶振计数器，补偿步长为低频晶振粒度即T△LF，补偿结余为执行补偿后因时间误差不能整除守时误差Tss而产生的结余。补偿的策略为在补偿周期到来时通过对低频晶振晶振计数器进行加一或减一操作使得设备时间误差在T△LF内。
前述步骤5)中汇集单元对采集单元授时时刻确认的策略为，设采集单元对时周期为N 秒，考虑到经过上一步补偿后汇集单元误差可控制在T△LF以内，那么汇集单元可在每隔N秒处通过基于高频晶振的延时一定时间t，使汇集单元时间达到补偿后的准确时间N秒 +2*T△LF，从而使各汇集单元都能在一个以高频晶振为粒度的准确时刻发出采集单元对时帧，完成全网采集单元的同步对时。
附图说明
图1为本发明应用于暂态录波型故障指示器的守时方法中对汇集单元低频对时刻度误差Tds的示意图。
图2为本发明应用于暂态录波型故障指示器的守时方法的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明中汇集单元低频晶振对时刻度误差Tds的计算包括以下步骤：
步骤1)GPS标准时钟源秒脉冲信号来临时，清零低频晶振计数器和基于高频晶振计数器。
步骤2)等待低频晶振计数器变化，记录低频晶振计数器变化时刻高频晶振计数器计数 NHF。
步骤3)根据高频晶振计数器计数结合低频晶振计数器的计数时间分辨率，有对时刻度误差
Tds＝T△LF-NHF/fHF
本发明中汇集单元守时误差Tss的计算包括首次和后续GPS对时中的守时误差Tss计算。其中：首次GPS标准时钟源对时过程中的守时误差Tss计算过程如下：
设相邻秒对时刻度误差分别为Tds0、Tds1，若(Tds1-Tds0)＞|Tssmax|，得出
Tss＝Tds1-Tds0-T△LF
若(Tds1-Tds0)＜-|Tssmax|，得出
Tss＝Tds1-Tds0+T△LF
非首次GPS标准时钟源对时过程中的守时误差Tss计算过程如下：
记上一次GPS标准时钟源对时过程中最后一次秒脉冲和本次秒脉冲时的对时刻度误差分别为Tds0、Tds1，记两次秒脉冲期间低频晶振计数器走过NLF,期间GPS走过时间为T△GPS,设备走过时间为Tgap，那么得出
Tgap＝NLF·T△LF+Tds1-Tds0
Tss＝(Tgap-T△GPS)/T△GPS
完成守时误差Tss计算后，允许设备从GPS串口输出的信息中校准秒级信息。
在从GPS串口输出信息正确校准秒级信息后，展开补偿参数的计算，所述的补偿参数包括补偿步长、补偿周期TC、补偿结余Cremain。其中补偿步长为低频晶振粒度即T△LF，补偿结余为执行补偿后因时间误差不能整除守时误差Tss而产生的结余。补偿的策略为通过对低频晶振计数器进行加一或减一操作使得设备时间误差在一定范围内。
具体的，对于每次GPS对时后的首次补偿参数，若Tds大于
Figure RE-GDA0002832176650000051
补偿周期TC＝0；即低频晶振计数器当即执行一次减一操作，将误差控制在
Figure RE-GDA0002832176650000052
间，Cremain＝Tds-T△LF；否则补偿参数技术方法同非首次，此种情况下Cremain初值为Tds。
对于非首次补偿参数，若守时误差Tss大于0(设备时间快于标准时间)，则后续的补偿周期
Figure RE-GDA0002832176650000053
到达补偿周期后执行低频晶振计数器减一操作，补偿后结余
Cremain＝Cremain-T△LF+TC·Tss；
若守时误差Tss小于0(设备时间慢于标准时间)，则后续的补偿周期
Figure RE-GDA0002832176650000054
到达补偿周期后执行低频晶振计数器加一操作，补偿后结余
Cremain＝Cremain+T△LF+TC·Tss；
对时采集单元。对采集单元授时时刻确认的策略为，设采集单元对时周期为N秒，考虑到经过上一步补偿后汇集单元误差可控制在T△LF以内，那么汇集单元可在每隔N秒处通过基于高频晶振的延时一定时间t，使各汇集单元时间均达到标准时间N秒+2*T△LF，t由补偿结余及距离上一次补偿的时间T△C综合计算而来，再统一发出授时报文，完成全网采集单元的同步对时,其中有
t＝Cremain+T△C·Tss+2·T△LF
易知，Max(t)≤3·T△LF
授时时刻的误差包含守时误差Tss的计算误差Ess1st(首次)Ess(后续)、对时刻度误差Tds的计算误差Eds、延时函数的误差Eys、相邻区段低频晶振守时误差偏差T△ss。
其中首次GPS标准时钟源对时期间计算的守时误差Tss、对时刻度误差Tds、延时函数的误差均决定于高频晶振精度AHF及高频晶振刻度误差T△HF，设低频晶振精度为ALF,那么有首次GPS标准时钟源对时期间守时误差Tss最大计算误差为：
Max(Ess1st)＝|AHF·(ALF+T△HF)|+|T△ss|
考虑到使用高频计时器的计时时长不超过T△LF，有非首次GPS对时期间守时误差Tss最大计算误差为：
Figure RE-GDA0002832176650000061
最大对时刻度误差Tds计算误差为：
Max(Eds)＝AHF·(T△LF+T△HF)
使用基于高频晶振造成的最大时间误差为：
Max(Eys)＝AHF·(Max(t)+T△HF)＝AHF·(3·T△LF+T△HF)
设汇集单元给采集单元的对时周期为N秒，设在汇集单元最近一次GPS对时完成后第 X次给采集单元对时时刻与标准时间的偏差Eg，那么有：
首次GPS标准时钟源对时后，有最大Eg为：
Figure RE-GDA0002832176650000062
非首次GPS对时后有，最大Eg为：
Figure RE-GDA0002832176650000063
设汇集单元低频晶振频率为32768Hz，误差为±5ppm；高频晶振频率为72M,误差为± 0.5％，汇集单元守时目标为5us,要求N·X小于GPS对时间隔，那么有
Figure RE-GDA0002832176650000064
有汇集单元间授时时刻最大偏差为2*Max(Eg)
下面对本发明做进一步说明：
汇集单元主MCU设置基于GPS秒脉冲的外部中断、基于低频守时晶振的秒中断、GPS串口通信中断。设置基于低频守时晶振的低频晶振计数器，以及基于高频晶振(可以是 MCU集成的高频晶振)的高频晶振计数器。
设置GPS秒脉冲中断优先级最高，在此中断中完成低频晶振对时刻度误差Tds及守时误差Tss的计算。
设置***秒中断优先级次之，在此中断中完成对低频晶振计数器的补偿、补偿参数的更新、采集单元校时处理。
GPS串口中断优先级最低，在此中断中从GPS获取正确的秒级时间，完成对时后更新补偿参数并关闭GPS或使之进入低功耗模式。
设置汇集单元守时目标以及采集单元对时间隔，汇集单元根据相邻区段的守时误差偏差及守时目标确认GPS对时间隔。
以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。

Claims (6)

1.一种应用于暂态录波型故障指示器的守时方法，其特征在于，通过引入高频晶振、结合GPS标准时钟源实现对低频晶振的对时刻度误差Tds和守时误差的精确计算，基于环境稳定条件下晶振频率基本恒定的基础，实现对低频晶振的校准，并通过一定策略为全网采集单元提供基于高频晶振粒度的守时时刻，实现全网采集单元的精确同步；其中，GPS标准时钟源集成在汇集单元MCU上，可以输出秒脉冲及串口时间，作为设备的标准时间参考；低频晶振作为设备守时晶振，高频晶振作为超短时间内的计时晶振使用。
2.根据权利要求1所述的一种应用于暂态录波型故障指示器的守时方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1)在GPS标准时钟源秒脉冲对时时刻，通过利用基于高频晶振的计数器实现对汇集单元低频晶振对时刻度误差Tds的计算，将对时的刻度误差缩小到高频晶振刻度；
步骤2)重复步骤1)；
步骤3)根据两次GPS标准时钟源秒脉冲对时时刻计算的对时刻度误差Tds及期间低频计数器累加值计算汇集单元低频晶振的守时误差Tss；
步骤4)根据守时误差Tss计算得出相邻区段低频晶振守时误差偏差T△ss，结合汇集单元守时目标TGoal，动态更新GPS标准时钟源对时间隔T△GPS；
步骤5)根据对时刻度误差Tds及守时误差Tss计算低频晶振补偿参数，对低频晶振的时钟进行补偿；
步骤6)采集单元对时周期到来时，通过基于高频晶振的延时结合补偿参数将全网汇集单元对时时刻控制在一个以高频晶振为粒度的准确时刻，实现全网采集单元的同步对时。
3.根据权利要求1所述的一种应用于暂态录波型故障指示器的守时方法，其特征在于,汇集单元主MCU设置基于GPS秒脉冲的外部中断、基于低频守时晶振的秒中断、GPS串口通信中断。设置基于低频守时晶振的低频晶振计数器，以及基于高频晶振(可以是MCU集成的高频晶振)的高频晶振计数器,设置GPS秒脉冲中断优先级最高，在此中断中完成低频晶振对时刻度误差Tds及守时误差Tss的计算，设置***秒中断优先级次之，在此中断中完成对低频晶振计数器的补偿、补偿参数的更新、采集单元校时处理，GPS串口中断优先级最低，在此中断中从GPS获取正确的秒级时间，完成对时后更新补偿参数并关闭GPS或使之进入低功耗模式，设置汇集单元守时目标以及采集单元对时间隔，汇集单元根据相邻区段的守时误差偏差及守时目标确认GPS对时间隔。
4.根据权利要求2所述的一种应用于暂态录波型故障指示器的守时方法，其特征在于，步骤1)中汇集单元低频晶振对时刻度误差的计算，实现路线为：在GPS对时时刻使用高频计数器计算当前低频晶振震荡波形所处的位置，进而计算出对时刻度误差Tds，Tds范围在0～低频晶振粒度T△LF间，其中T△LF＝1/fLF。
5.根据权利要求2所述的一种应用于暂态录波型故障指示器的守时方法，其特征在于，步骤3)中汇集单元低频晶振的守时误差Tss分为首次和非首次对时过程中的计算；实现路线为：在首次GPS标准时钟源秒脉冲对时期间，使用相邻GPS标准时钟源秒脉冲计得的对时时刻误差Tds结合低频晶振精度范围计算得出低频晶振每秒守时偏差Tss；在后续GPS标准时钟源秒脉冲对时期间，使用相邻两次GPS标准时钟源秒脉冲对时过程中设备走过的时间Tgap计算低频晶振秒守时误差Tss，其中Tgap由两次秒脉冲期间的低频守时计数器累加值及两次秒脉冲时的对时误差结合运算而来。
6.根据权利要求2所述的一种应用于暂态录波型故障指示器的守时方法，其特征在于，步骤5)中的补偿参数包含补偿步长、周期TC、结余Cremain，补偿对象为低频计数器，补偿步长为低频晶振粒度即T△LF，补偿结余为执行补偿后因时间误差不能整除守时误差而产生的结余；补偿的策略为在补偿周期到来时通过对低频晶振守时计数器进行加一或减一操作使得设备时间误差在T△LF内。
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