IRIG—B码对时的研究与设计
智能变电站IRIG—B码授时问题的分析与解决方案

智能变电站IRIG—B码授时问题的分析与解决方案作者:陈家辉来源:《无线互联科技》2017年第17期摘要:智能变电站授时系统主要通过RS-485电平的IRIG-B码授时方式与站内的故障录波、保护、测控和微机监控系统等自动化装置对时。
但通过该方式与站内的设备授时时,站内的测控或保护设备会随机地报对时异常或时间跳变现象。
文章通过搭建测试仿真环境,查找出问题的原因,并提出了解决该问题方案。
关键词:IRIG-B;RS-485总线;时间同步1 电站站内设备概述随着国家智能电网的快速发展,对变电站站内设备的授时精度要求越来越高。
目前站内设备的主要授时方式为脉冲同步方式、串口同步方式、IRIG-B码信息同步方式等。
由于IRIG-B 码同步方式对时精度高并简化了对时回路,国家电网公司《关于加强电力二次系统时钟管理的通知》中就明确要求逐步采用IRIG-B码标准实现GPS装置和相关系统或设备的对时[1]。
2 智能变电站IRIG-B码对时存在的问题与分析2.1 IRIG-B码对时方式简介时间码IRIG-B是美国靶场司令部委员会制定的一种时间标准。
IRIG-B码为脉宽编码,传输速率为1帧/秒,一帧数据由100个码元组成,每个码元的宽度为10 ms,其每帧数据示意如图1所示。
每一帧的数据包含年、天、时、分、秒等信息[2],被授时设备通过接收并解析IRIG-B码信息,来校对本地时钟的时间。
所以在IRIG-B码对时过程中要保证每一个码元信息要可靠、正确进行传输。
2.2 RS-485电平的IRIG-B码对时存在的问题在智能变电站授时系统中,当采用RS-485电平的IRIG-B码对时方式与站内的故障录波器、测控、微机继电保护、远动及微机监控系统等自动化装置对时时,有些装置在对时的过程中会偶尔报时间异常或时间跳变的现象。
图2为某地一个变电站通过RS-485电平的IRIG-B码授时示意图。
如图2所示,RS-485节点1通过100 m的双绞线与5台测控装置对时;RS-485节点2通过50 m的双绞线与4台保护设备对时;RS-485节点3通过80 m双绞线与4台微机监控装置对时;光口节点1通过100 m的多模光纤与录波装置对时。
IRIG-B格式时间码产生电路的设计

IRIG-B格式时间码产生电路的设计IRIG-B格式时间码产生电路的设计一、各种自动化设备之间的常用授时方式工作与工业现场的各种自动化设备如(如输电线故障录波装置和数据采集等设备)都需要统一的高精度同步绝对时标,才能够统一系统各部分的时间基准。
才可以在系统发生故障后,为分析故障的情况及开关动作的先后次序提供有力的依据。
GPS同步时钟源接收GPS卫星时间,同步与国际标准时UTC(Universal Coordinated Time)时间,并通过RS-232/RS-485,空接点和光纤等方式输出给被同步的设备。
GPS接收机只能输出1PPS和TTL电平的232时标信号。
两种信号包含的信息都不完整。
由于电厂、变电站大多采用不同厂家的微机自动化设备,因此各个设备的对时方式也各不相同.1) 脉冲对时方式:脉冲对时方式多使用空接点接入方式,主要有以下三种对时方式:秒脉冲(PPS)-----1秒钟对设备对时一次分脉冲(PPM)-----1分钟对设备对时一次时脉冲(PPH)-----1小时对设备对时一次常用的为分脉冲对时方式。
2) 串行口对时方式被对时设备(如微机故障录波及监控设备等)通过GPS时钟的串行口,接收时钟信息,来矫正其自身的时钟。
串行口对时方式分为RS-232(用于近距离)和RS-422/485(用于远距离)两种。
3)IRIG—B时钟码对时方式IRIG-B是专为时钟传输而制定的时钟码国际标准。
同步源每秒钟输出一帧含有秒、分、时、当前日期及年份的的时钟信息。
其对时较为精确。
IRIG-B又可分为非解调制码(DC码)的解调制码(AC码)两类。
DC码可以是TTL电平或RS-485电平等几种。
AC码采用1kHz正弦信号对DC码进行调制。
二、IRIG-B码的编码方法IRIG-B格式时间码(简称B码)为国际通用时间格式码,用于各系统的时间同步。
B码每秒发出一帧时间串码,每个码元宽度为10ms,一个时帧周期包括100个码元,为脉宽编码。
IRIG-B码时统

IRIG-B码时统设备终端产品简介IRIG-B码时统设备是实验靶场的重要保障系统,用来为各种被试设备和参试设备提供统一的时间基准,保证各种测试设备高精度同步运行。
受测试靶场应用需求的影响,对时统设备输出的实验过程控制信息、标准时间信息和标准频率信息信号质量要求较高,为了达到相应的技术指标,需要对时统设备的误差来源和影响进行分析,从而采取可行的、有针对性的处理措施,实现系统的技术性能和经济性能的统一。
随着国家北斗卫星计划的不断成功实施,航天科技不断发展,时间同步得到了越来越广泛的应用。
时间统一系统,简称时统,它的基本任务就是保持被控对象与测量系统时间和频率的高度统一。
作为时统设备的首选串行时间码IRIG-B 码,因其众多优点而被广泛应用与航天、工业控制等重要领域。
IRIG-B码时统终端是测控设备的时间基准,其作用是:接收时统站发来的IRIG-B码,供时统站延时检查和解调检查用;并向测控设备发送所需要的各种频率信号、时间信息和各种采样脉冲信号,以确保测控设备的定时与靶场的时间基准保持一致。
目前的测量装备自动化程度越来越高,大多都具备IRIG-B码输入接口,对时间的准确性也提出更高的要求,当测量装备连接测控网时,时间统一信号由指挥控制中心实时提供,保证测控网内所有装备时间一致,距离指挥控制中心较远的野外测量站点无重大测控任务时,得不到指挥控制中心传来的授时信号,只能通过自身的固有时钟进行守时,如果装备出现时钟掉电时间就没了,而且装备长时间不对时会出现较大的时间偏差,严重影响装备平时的操控训练,为此研制本授时系统。
IRIG-B码时统设备终端汇总1、SYN011型B码时统是由西安同步电子科技有限公司精心设计、自行研发生产的一款专用时统设备,从GPS/北斗卫星上/和外部输入的IRIG-B码获取标准时钟信号信息,内部采用高精度恒温晶振作为守时时钟源,建立时间参考并同步产生IRIG—B码(多模光纤接口)和RS422两种接口对其他设备进行IRIG-B码授时。
IRIG-B对时

IRIG-BIRIG-B(Inter Range Instrumentation Group)概述:IRIG串行时间码,共有六种格式。
即IRIG—A、B、D、E、G、H。
它们的主要差别是时间码的帧速率不同,从最慢的每小时一帧的D格式到最快的每十毫秒一帧的G格式。
由于IRIG—B格式时间码(以下简称B码)是每秒一帧的时间码,最适合使用的习惯,而且传输也较容易。
因此,在IRIG六种串行时间码格式中,应用最为广泛的是B码。
为了便于传递,可用标准正弦波载频进行幅度调制。
标准正弦波载频的频率与码元速率严格相关。
B码的标准正弦波载频频率为1KHz。
同时,其正交过零点与所调制格式码元的前沿相符合,标准的调制比为10比3。
调制后的B码通常称IRIG-B(AC)码,未经幅度调制的通常称IRIG-B(DC)码。
IRIG-B(DC)码的接口通常采用TTL接口和RS422(V.11)接口。
IRIG-B(AC)码的接口采用平衡接口。
IRIG-B(DC)码的同步精度可达亚微秒量级,IRIG-B(AC)码的同步精度一般为10~20ms(微秒)。
IRIG是美国靶场仪器组的简称,美国靶场仪器组是美国靶场司令部委员会的下属机构。
IRIG时间标准有两大类:一类是并行时间码格式,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;另一类是串行时间码,共有六种格式,即A、B、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。
作为应用广泛的时间码,B型码具用以下主要特点:携带信息量大,经译码后可获得1、10、100、1000 c/s的脉冲信号和BCD 编码的时间信息及控制功能信息;高分辨率;调制后的B码带宽,适用于远距离传输;分直流、交流两种;具有接口标准化,国际通用等特点。
随着当今电子技术日新月异的发展,时间同步得到了越来越重要的应用。
基于FPGA的IRIG-B编码器的设计

基于FPGA的IRIG-B编码器的设计我国靶场测量、工业控制、电力系统测量与保护、计算、通信、气象等测试设备均采用国际标准IRIG-B 格式的时间码(简称B 码)作为时间同步标准。
B码是一种串行的时间格式,分为直流码(DC 码)和交流码(AC 码)两种,其格式和码元定时在文献[1]中有详细描述。
本文介绍一种基于FPGA 并执行IRIG-B标准的AC/DC 编码技术,与基于MCU 或者DSP 和数字逻辑电路实现的编码方法相比,该技术可以大大降低系统的设计难度,降低成本,提高B 码的精确性和系统灵活性。
在此,组合GPS 引擎和FPGA,得到B 码的编码输出,直接采用GPS 引擎的100 pps 信号触发输出B 码的每个码元,利用从100 pps 中恢复的1 pps 信号提供B 码的时间参考点。
DC 编码和AC 数字调制均由纯硬件逻辑通过查找表实现,它能使每个码元的上升沿都非常精准,都可以作为百分秒的时间参考点,而计时链的预进位功能则保证了绝对时间的精确,不仅可以满足实时系统对时间同步,还可以实现多节点的数据采集严格同步,为分析和度量异步发生的事件提供有方的支持。
1 IRIG-B 编码格式IRIG 标准规定的B 格式码如图1 所示,每秒钟发1 次,每次100 个码元,包含1 个同步参考点(Pr 脉冲的上升沿)和10 个索引标记。
码元宽度为10 ms,用高电平宽度为8 ms 的脉冲表示索引标记,用宽度为5 ms 的脉冲表示逻辑1,用宽度为2:ms 的脉冲表示逻辑0。
如图1 所示,交流码的载波是1 kHz 正弦信号,幅度变化峰一峰值范围为0.5~10 V。
调制比为U1/U0=1/6~1/2,即逻辑1 是5 个幅度为U1 的1。
IRIG—B(DC)码对时在励磁系统中的实现

平信号 ,用来传递时钟信息给励磁系统其它控制单
考点是其脉冲前沿 ,时帧的参考标志由一个位置识 元 。
TⅪ vI t Ⅻ
电
I R I G — B ( D C) 码\
耦 隔
离
m Q
啪 0
R s 4 8 5 整分 倩 号 /
光 耦 隔 离
图2 I R I G — B码( D C ) 的电路原理示意图
第3 6卷 第 5 期
2 0 1 3年 1 0月
水 电 站 机 电 技 术
Me c h a n i c a l & El e c t r i c l a T e c h n i q u e o f Hy d r o p o we r S t a i t o n
V o 1 . 3 6 N o . 5
时间同步技术对于电力系统的正常运行和故障
系统 , 电压 、 电流 、 相角、 功角变化都是基于时间轴的 波形 , 这就要求微机保护装置 、 自动化监控装置 、 继 电保护装 置等 自动化设备均需 要进行 时钟 同步 。
1 0 个码元有一个位置识别标志 : P 1 , P 2 , P 3 ,…, P 9 , 表示逻辑电平 1 , 2 m s 脉冲宽度代表逻辑电平 0 。
S 4 8 5 接 口标准来传输 , 利用差分 基于 G P S的对时信号在电力系统领域 中得到 了广 磁设 备之间采用 R R I G — B 泛应用。 国家电网公司“ 关于加强 电力二次系统时钟 信号适于长距离恶劣电气环境使用。由于 I 和时间信息 , 其基本码元由 5 m s 、 2 m s 管理 的通知”中明确要求新投运的需要授时的自动 码含有同步信 息 m s 的时间宽度来表示同步信号和电平 1 、 0 , 这 化 系统 设 备 , 原 则 上应 采 用 I R I G — B( D C) 码 方 式 实 和 8 现对时f l I 2 ' 3 1 。 励磁装置是电站稳定运行的重要组成单 就要求硬件平 台对信号 的分析具有 实时性 和准确
光纤irig-b码对时方式

光纤irig-b码对时方式
在工业自动化、电力系统、通讯系统等领域中,精确的时间同步对于保证系统的安全性和可靠性至关重要。
常用的对时方式包括GPS对时和光纤IRIG-B码对时。
IRIG-B码是一种被广泛使用于时标和同步设备中的编码格式。
该编码格式可以在数字和模拟信号中进行传递,并具有定时和同步功能,适用于多种应用场景。
光纤IRIG-B码对时可以通过光纤传递IRIG-B码信号来实现对时。
该方式具有以下优点:
1. 高精度:光纤IRIG-B码对时的精度可以达到几微秒,甚至更高,比GPS对时更为稳定和可靠。
2. 稳定性强:由于光纤传输不受电磁干扰和环境影响,因此光纤IRIG-B码对时的信号稳定性更高,能够在复杂的工业环境下长期稳定传输。
3. 扩展性好:光纤IRIG-B码对时可以通过光纤进行远距离传输,可以覆盖更广的区域,且与数传设备灵活连接。
光纤IRIG-B码对时的实现通常需要以下步骤:
1. 选购光纤IRIG-B码对时设备:按照对时系统的需要,选择合适的光纤IRIG-B码对时设备,包括传输光纤、光纤接口、硬件接收设备、中继、反射器等。
2. 线路布置:将光纤对时设备连接好,并按照实际应用需要进行固定或布置。
3. 硬件接收设备设置:根据选用的光纤IRIG-B码对时设备提供的说明书,进行硬件接收设备的设置,如波特率、同步信号级别等。
光纤IRIG-B码对时方式可以有效提高对时系统的稳定性和可靠性,是一种重要的对时方式。
基于AVR单片机的IRIG_B码授时系统设计与实现_普仕凡

本设计采用 ATmega128 单片机定时器 1 的 PWM 波形来产生 B 码. 设置 ATmega128 单片机 的定时器 1 工作在快速 PWM 模式, 用来产生高 频的 PWM 波形. 可通过设置选择 PWM 波形从 OC1A、 OC1B 或 OC1C 输出, 本设计选择 OC1B 接 快速 PWM 模式计数器从 BOTTOM 通 PWM 输出, 计到 TOP, 然后立即回到 BOTTOM 重新开始. 设 置输出比较引脚 OC1B 在 TCNT1 与 OCR1B 匹配 TOP 值为 ICR1. 设置子 时清零, 在 TOP 时置位, 该子程序实现定时器 程序 Timer1_PWM_Init ( ) , 的初 始 化. 程 序 中 将 设 置 定 时 器 1 工 作 在 快 速 PWM 模式, OCR1B 与 PWM 输出信号连接, 启用 OCR1B 匹配中断功能, 设置 TOP 值为 ICR1 , 设置 ICR1 = 2 499 , 分频因子为 64. 输出的 PWM 频率 可以通过式( 1 ) 计算得到. f PWM = fclk / N( 1 + TOP ) ( 1) fclk 为单片机时钟, 其中, 本设计采用 16 MHz 的 TOP 为 ICR1 晶体振荡器, 变量 N 代表分频因子, B ( DC ) 码基本码元可 中存放的数值. 由图 5 IRIG知, 基 本 码 元 每 位 的 周 期 均 为 10 ms 即频率为 100 Hz, 这就是 PWM 信号的频率 f PWM . 因此可得 由式( 2 ) 计算 TOP 值. TOP = fclk / ( N·f PWM ) - 1 ( 2) TOP = 16 000 000 / ( 64 × 100) - 1 = 2 499 ( 3 ) 即 ICR1 = 2 499. 定时器 1 从 0 ~ 2 499 计 数 , 一共 有 2 500 个计数步长, 周期是 10 ms, 因此 1 ms 对应 于 250 个计数步长. OCR1B 的值由匹配中断子程序 SIGNAL( SIG_OUTPUT_COMPARE1B) 中计算得到. 每个基本码元的高电平时间到后 TCNT1 与 OCR1B 匹配, 程序转入 OCR1B 匹配中断子程序 运行. OCR1B 匹配中断子程序用于确定下一个基 本码 元 的 高 电 平 持 续 时 间. 中 断 子 程 序 中 设 置 Times_cent[ ] 存放 1 s 数据从 0 ~ 100 码元高电平 时间的数组, 设置变量 pTimes _ cent 指向码元位 1PPS 信号的上升沿 置. 单片机 INT4 中断发生时,
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软对时是 以通讯报文 的方式实现的,被对时设备做 障录波装置、微 机保护装置) 通过 G P S 时钟的串行 口, 接收时钟信息, 来矫正 自身的时钟 ,
这个时间是包括年、月、 日、时 、分 、 秒、 毫秒在内的完整时间,监控 系统 中一般是 :总控或远动装置与 G P S 装置通讯以获得 G P S的时间 , 再 以广播报文的方式发送到装置。这种广播 的对时一般每隔一段时 间广播
位) 、基准标 志、天 ( 百位 ) ( 前面各数均为 B C D码 ) 、7个控制码 ( 在特
、
GP S时钟对 时方式
发电厂 、变电站的 自 动化设备 的 G P S 对时方式 ,主要有脉冲对时 、 串行对时、I R I G - B时钟码对时。
( 一 )脉 冲对 时方式,又叫硬对 时
型 的对时标准 ,可以实现多 台设备的高精度对时 ,并且有连接简单 ,抗
干扰能力强等特点 , 所 以在最近几年 中, 国内各大电网公 司将 I R I G — B 作 为自 动化设备 的标准对时接 口
八I R I - B 码格式=
’
结 论
传统的对时方法是采用对时脉冲加 串口的方式,即在发对 时脉冲 的 同时通过串 口网络发对时指令。但传统方法存在很多不足 : 一是过多的
I R I G— B码对时的研与设计
白朝英 江卫斌 牛银 山
1 . 2 . 保定华 源电气新技术 开发有 限公 司 河北
保定
0 7 1 0 5 1 ; 3 . 北京新邮通信设备有 限公 司 北京
1 0 0 0 3 5
【 摘 要 】本文介 绍了变电站常用 几种对 时方式及其对 比, 重 点介 绍了 I R I G — B 码对 时方式,I R I G — B 码信号先通过 M A X 4 8 7 芯 片进行 电平转换,再 利 用解码芯 片进行解码 ,最后送入单 片机 。并介绍 了串口中断软件流程。
三、I RI G— B码对 时软件设计
外部中断 I N T 2 在中断程序中启动定时器 ,串 口中断函数进行解码, 解码的时间就是当前的 G P S 时间, 如果需要 m s 的精度 , 我们可以从定时 器 中读出相应 的计数值转化为 m s 的时间。 同时也可将该时间转化为适合
D S 1 3 9 0芯片的格式写入到芯片 中,进行时间的备用。
参 考文献
[ 1 ] 广 东电网变电站 G P S时间同步系统技术规范.
每秒 1 帧, 包含 1 0 0个码元 ,每个码元 l O e r s 。脉冲宽度编码 ,2 m s 宽度表示二进制 0 、分隔标志或未编码位 ,5 m s 宽度表示二进制 1 ,8 m s
一
次 。报文对时会受距离 限制 ,由于对 时报文存在固有传播延 时误差 ,
所 以在精度要求高的场合不能满足要求 。
( 三 )I R I G - B时钟 码对 时方式
I R 瑗■
I R I G — B是专为时钟传输而制订的时钟码标准。每秒钟输 出一帧含有 时间、日 期 和年份的时钟信息。这种对时 比较精确 。I R I G — B作为一种新
分脉冲( P P M ) 一 G P S 时钟 1 a r i n 对设备对时 1 次; 时脉冲( P P H ) 一 G P S 时钟 1 h 对设备对 时 1 次。
・
分对时将秒清零 、秒对时将毫秒清零 。理论上讲 ,秒对时精度要高
于分对时。
( 二 )串 行 口对 时方式,又叫软对 时
占用智能设备资源 ; 二是串口网络对时存在延时 , 可能出现 1 s 的误差 ;
I 是硬件成本较高,在变 电站 自动化设计中采用本文提出的设计方案 , l 可 以简化 B 码对 时电路设计 ,提高对时 的准确性及可靠性 ,弥补传统对 时的缺陷。该 B码对时设计在以后 的设计 中将得到更加广泛的应用。
析的基准 , 计算机监控系统 、故障录波器和微机保护装置都需要 由统一
的时钟 源向它们提供标准时间。国内变电站主要以 G P S 时间作 为主时钟 的外部 时间基准。
一
冲的第二个脉冲的前沿 ,上升沿 。准时上升沿的时间准确度 ≤2 S 。 帧结构 : 起始标志、秒 ( 个位 ) 、分隔标志 、 秒 ( 十位 ) 、 基准标志 、 分 ( 个位 ) 、分隔标志 、分 ( 十位 ) 、 基准标志、时 ( 个位 ) 、分隔标志 、 时( 十位 ) 、 基准标志、自当年元旦开始 的天 ( 个位 ) 、 分隔标志 、 天 ( 十
【 关键词 】I R I G - B 对 时方 式 中图 分 类 号 :T M7 7 4 文 献 标 识 码 :B 文 章 编号 : 1 0 0 9 - 4 0 6 7 ( 2 0 1 3 ) 1 6 - 7 5 — 0 l
在变电站 中,各类 自动化及继 电保护装置的时间同步是进行事故分
宽度表示整 1 0 0 m s基准标志。秒准时沿 :连续两个 8 ms 宽度基准标志脉
殊使用场合定义 ) 、 自当天 0时整开始 的秒数 ( 为纯二进制整数 ) 、结束
标志。
脉冲对时方式多采用空接点接人方式 ,它可 以分为 : ・ 秒 脉冲( P P S ) 一 G P S 时钟 1 s 对设备对时 1 次;
・
二 、I R l G~ B码对时硬件电路设 计
由于 I R I G — B码对 时精度高, 解码 比 较复杂 , 对硬件要求高, 本设计 采用一款 I R I G — B解码芯片 Y C B 4 0 0 1 。我们采用 P P S为外 中断方案 ,此 种方案可达到高精度时间 ( O . 1 m s 。I R I G - 4 8 5 + 、I R I G 一 4 8 5 一 两引脚为 G P S 时钟输出的 I R I G — B码信号 ,I R I G - B码格式经过 M A X 4 8 7 转换 为 1 - T 1 L电 平 ,再经解码芯片解码 , 解码后的信号 B R X D输入单片机 , I N T 2 为外部 中断引脚 P P S ,每 1 秒中断一次 。