基于MAXII570的高精度同步时钟信号在分布式录波器中的实现

摘 要： 同步时钟信号是分布式录波器系统任务顺利完成的关键。介绍一种利用可编程CPLD器件实现性能优良的分布式同步信号源。通过高度集成，将IRIG-B(DC)解码器以及系统的各种同步逻辑电路集成在一个MAXII570芯片中，构成一个高精度同步系统，从而达到最佳同步效果。
关键词： 同步；IRIG-B；秒脉冲；分布式；录波器

　随着智能电网技术大踏步地向前发展，电力部门对故障录波装置的分布式应用要求越来越高，对在分布式系统中的录波同步的要求也越来越严格，仅采用单一的GPS对时系统已不能完全满足电网运行的要求。因此，需要引入更多的启动逻辑作为系统同步录波的判据。
　目前智能变电站的时间同步系统的主时钟多采用GPS和北斗的双系统对时，对于作为从时钟的二次装置(如保护、测控、故障录波、合并单元等)一般采用IRIG-B码对时方式。长期以来，IRIG-B码对时也一直是电力部门较为青睐的一种时钟源，而且大多二次设备多采用CPU的方式进行编解码。但由于CPU在受到干扰的情况下容易出现死机、崩溃、复位等现象，尽管时间短暂，在故障录波的情况下是绝对不允许的。针对以上情况，本文提出了一种基于Altera公司的MAXII570来实现IRIG-B解码器的设计思想，利用CPLD基于硬件逻辑、对环境的抗干扰性能强等优势来避免产生类似的情况，以提高设备运行的可靠性与安全性。
　故障录波器是电力系统发生故障及振荡时能自动记录故障前、后过程的各种电气量变化的一种装置。它可以记录因短路故障、系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等大扰动引起的系统电流、电压及其导出量(如有功、无功以及系统频率)的全过程变化。主要用于检测继电保护与安全自动装置的动作行为，了解系统暂态过程中系统中各电参量的变化规律，以及校核电力系统计算程序及模型参数的正确性等。目前，故障录波装置的录波结果是分析电力系统故障的重要依据。
在分布式的录波系统中，各子单元之间需要在同一节拍下完成模数转换工作，以达到同步采样的功能。因此需要一个“同步节拍器”来完成各子单元之间的信号同步，当出现故障的时候，由监测到故障的单元向本同步器发出录波启动信号，由本同步器向其他子单元发出同步录波的命令，从而达到同步录波的功能。
本文介绍的一种采用MAXII570实现分布式录波系统同步的设计思想，为充分利用MAXII570芯片资源，将上述所有同步启动信号的启动逻辑均集成在芯片中。
1 系统结构
　采用MAXII570实现分布式录波系统的IRIG-B(DC)解码器的框图如图1所示。在变电站中由主时钟或扩展钟送出的IRIG-B码到达故障录波装置后，经过MAXII570解码后产生秒脉冲、串行时标等TTL信号。由于TTL传输距离比较短，很容易受到干扰，所以将其转换为RS485电平后发送给各子单元。这样不仅可以做到长距离传输，而且可以大大提高抗干扰性能。在实际的应用环境中，若主时钟系统送过来的IRIG-B码源为本身就为RS485信号，则在该系统中同样可以工作，只需调整光耦前端的限流电阻大小即可实现解码。

　为提高系统同步时钟的精度和稳定性，设计时采用一片12.8 MHz的温度补偿晶振的输出作为主振频率。温度补偿晶振的精度为0.5 ppm，经过分频后可以产生稳定可靠的12.8 kHz作为模数转换的工作频率。
故障信号为各子单元发送过来的信号，作为系统的同步判据。当系统收到故障信号后，发出录波启动信号，通知各子单元启动录波，经过一段时间后(该时间可以由整定值设定)，发出录波结束信号，完成本次录波工作。当出现连续故障时，只要对应的子单元发出故障信号即可，其余的同步工作由本系统完成。
2 IRIG-B解码器的实现
　图2为IRIG-B(DC)码的示意图[1]。它是每秒一帧的时间串码，每个码元宽度为10 ms，一个时帧周期包括100个码元，为脉宽编码。码元的“准时”参考点是其脉冲前沿，时帧的参考标志由一个位置识别标志和相邻的参考码元组成，其宽度为8 ms。每10个码元有一个位置识别标志：P1、P2、P3，…，P9、P0，均为8 ms宽度；PR为帧参考点，二进制“1”和“0”的脉宽分别为5 ms和2 ms。

　一个时间格式帧从帧参考标志开始。因此连续两个8 ms宽脉冲表明秒的开始，如果从第二个8 ms开始对码元进行编码，则分别为第0，1，2，…，99个码元。在B码时间格式中含有天、时、分、秒，顺序为秒-分-时-天，所占信息位为秒7位、分7位、时6位、天10位，其位置在P0～P5之间。P6～P0包含其他控制信息。其中“秒”信息为第1~8个码元；“分”信息为第10~17个码元；“时”信息为第20~27个码元；第5、14、24码元为索引标志，宽度为2 ms。时、分、秒均用BCD码表示，低位在前，高位在后；个位在前，十位在后。
　IRIG-B的解码过程采用最简单的脉宽测量方法实现，经过编译比较，该方法所耗用的CPLD资源最少。IRIG-B码元信号的高低电平均为1 ms的整数倍，所以测量该信号的基本时钟采用1 kHz的时钟信号作为解码时钟。该时钟由系统输入的12.8 MHz时钟经过12 800次分频后产生。脉宽测量部分VHDL源代码描述如下：
measureBwide：process(inputHClk)
begin
　if rising_edge(inputHClk) then
if pwmMeasureEnable=′1′ then
--上升沿开始计数
regCountH=regCountH+1；
--计数器++
regOutputReadEnable=′0′；
--此时数据不可读
else null；
end if；
if (regBLast=′1′)and( regBCurrent=′0′) then
--降沿判断脉宽
case (regCountH) is
when 5000 to 14000 =>
regOutputData="0010"；
- regOutputPwm0Or1=′0′；
when 20000 to 30000=>
regOutputData="0101"；
regOutputPwm0Or1=′1′；
when 35000 to 48000=>
regOutputData="1000"；
regOutputPwm0Or1=′0′；
when others=>NULL；
regOutputPwm0Or1=′0′；
end case；
regCountH=0；
regOutputReadEnable=′1′；
--此时数据可读
else null；
end if；
　else NULL；
　end if；
end process measureBwide；
　IRIG-B解码的主要任务是找到码元起始报头，也就是2个连续的占空比为8 ms：2 ms的脉冲。找到报头后，根据码元的分布情况逐一解出相应的数据即可。找到起始报头后，输出秒脉冲，同时根据解码数据输出串行数据。本文利用12.8 MHz进行1 333次分频产生9 600 b/s的串行数据波特率，虽然不是整数，但是可满足串行数据的误码率要求。
　分脉冲由秒脉冲计数器产生，即计数器计满1 min时，输出一个脉冲。
3 同步逻辑信号的实现
　分布式同步逻辑的实现为本系统的重要部分，也是分布式录波系统同步录波的关键。系统中有一个专门用于接收各子单元故障的信号，作为系统录波的专用引脚，该信号为RS485驱动，因此抗干扰能力比较强。实际应用中，不论哪一个子单元判断出故障信号，均向本系统发出一个触发电平，当本系统收到该电平后立即发出启动信号，启动录波后一段时间再发出录波结束电平，结束本次录波工作。
由于CPLD的并行处理功能强大与反应速度快的特点，所以子单元发出故障信号的延时可以忽略不计(小于10 ns)。由于不同的用户需要的录波文件大小不一致，所以将录波结束的控制参数交由用户在线设置。由故障、录波启动、录波结束三组信号再配合IRIG-B时钟信号即可实现系统的同步录波功能(此处的源代码不再赘述)。
4 实验结果
　本系统的设计方案在Altera公司的MAXII570[2]上实现，编译环境为QuartusII 8.0，编程语言为VHDL[3]。
本系统在理论上最多能够连接32个子单元(RS485驱动能力的限制)，实际应用中，由于受到产品外形结构的限制，最大连接了8个子单元，任意一个子单元发出故障信号时，均能通过本系统产生录波的同步信号，各项指标均满足录波器的相关指标要求。即使多个子单元发出故障信号，本系统亦能准确判断出故障信号，从而输出同步信号。
　通过实际测试，本文设计方案只占用了63%的系统资源，留有相当大的剩余资源，非常方便实现后期的功能升级，而不用更换硬件。
本设计的难点在于如何正确地安排好芯片内部各个模块之间的时序，特别是当多个单元发出故障信号的情况下，如何能够准确地发出录波启动和录波结束信号，而不丢失录波文件。本系统可以用于暂态录波器，也可以用于稳态录波器。此外，经过调整相应的参数后，也可以用于其他的分布式实时系统。