1、IRIG-B 码对时方式在继电保护装置中的应用导读摘要：随着变电站自动化技术的发展，对变电站内时间的精确和统一提出了更高的要求。本文提出了一种采用 IRIG-B 时间码来时时的方案。在这种对时方案中，每个变电站只安装一个 GPS 接收装置，利用 RS422485 总线传输 IRIG-摘要：随着变电站自动化技术的发展，对变电站内时间的精确和统一提出了更高的要求。本文提出了一种采用 IRIG-B 时间码来时时的方案。在这种对时方案中，每个变电站只安装一个 GPS 接收装置，利用 RS422485 总线传输IRIG-B 码，保护装置对 IRIG-B 码解码器后，来设置自己的时间。本文还详细介绍了 I
2、RIG-B 码的概念和原理以及用 CPLD 实现 IRIG-B 码解码器的设计思想和实现方法。IRIG-B 码时时方式简化了回路设计，并且能够可靠地提供精确的时间信息，必将在电力系统中得到广泛的应用。关键词：IRIG-B 时间码；继电保护；对时； CPLD时间的精确和统一是变电站自动化系统的最基本要求。只有电力系统中的各种自动化设备( 如故障录波器、继电保护装置、RTU 微机监控系统等)采用统一的时间基准，在发生事故时，才能根据故障录波数据，以及各开关、断路器动作的先后顺序和准确时间，对事故的原因、过程进行准确分析。统一精确的时间是保证电力系统安全运行，提高运行水平的一个重要措施。全球定位系统
3、(GPS)的出现为实现这些需求提供了可能。基于 GPS 的对时方式有 3 种：1)脉冲对时方式；2)串行口对时方式；3)IRIG-B 时间编码对时方式。脉冲对时和串行口对时各有优缺点，前者精度高但是无法直接提供时间信息，而后者对时精度比较低。IRIG-B 码对时方式兼顾了两者的优点，是一种精度很高并且又含有绝对的精确时间信息的对时方式，采用 IRIC-B 码对时，就不再需要现场总线的通信报文对时，也不再需要 GPS 输出大量脉冲节点信号。国家电网公司发布的技术规范中明确要求新投运的需要授时的变电站自动化系统间隔层设备，原则上应采用 IRIG-B 码(DC) 方式实现对时。1 继电保护装置对时方
4、案一个变电站内配置一套时间同步系统，该时间同步系统可由一面或多面时钟装置屏组成。时问同步系统的结构可采用主从式或主备式结构。时间同步系统与被授时的继电保护装置之间采用 EIA RS-422485 接口标准来传输 IRIG-B(DC)码信号。不同厂家的保护装置仅需具有 EIA RS422485 接口的 IRIG-B码解码器，即可接入变电站统一对时网络。保护装置内嵌 IRIG-B 码解码模块，采用图 1 中的对时模式，即由 IRIG-B 码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。各功能插件都直接从对时模块引入对时脉冲。2 IRIG-B 码解码模块的硬件设计早期的
5、 B 码解码设备多采用 TTL 集成电路与单片机相结合的方法来实现，利用门电路和触发器从编码信号中提取出秒同步信号，而用单片机实现时间信息的解码。目前该方法仍在使用，但该方法存在器件较多，结构复杂，可靠性差、同步精度不高、通用性差、不利于功能扩展等问题。为了解决上述问题，在本设计中，采用 CPLD 芯片来实现 IRIG-B 码的解码，采用的是 Altera 公司的 EPM3256。开发仿真软件采用的是 MAX+ PLUS ，它可以进行原理图编辑和 VHDL 语言编辑，并支持这些编辑方式的混合设计。在本设计中利用 VHDL 语言进行底层模块的设计，用原理图进行上层模块的设计。该软件具有门级仿真功
6、能，可以进行功能和时序仿真，并且支持目标程序在线下载。外部接入的 IRIG-B 编码信号是用 RS485 电平传输的差分信号，需变换为TTL 信号，转换芯片为 AD 公司的 ADM2483，该芯片是带隔离的增强型RS485 收发器，有失效保护、短路电流限制、热关断和恢复等功能。外接的 5 MHz 信号来源于 5 MHz 的有源晶振。硬件框图如图 2 所示。3 IRIG-B 码解码模块的软件设计31 IRIG-B 码原理IRIG(Inter Range Instrumentation Group)码是美国靶场司令委员会制定的一种时间标准，共有 4 种并行二进制时间码格式和 6 种串行二进制时间码
7、格式。其中最常用的是 IRIG-B 时间码格式。B 码可以分为直流(DC)码和交流(AC)码，交流码是 1 kHz 的正弦波载频对直流码进行幅度调制后形成的；直流码采用脉宽编码方式。每秒 1 帧，含 100 个码元，每个码元宽度为 10ms。码元有3 种，位置标识符的脉宽是 8ms(位置标识 P0P9 和参考标志 Pr)，二进制“1”和 “0”的脉宽分别为 5 ms 和 2ms。每帧从参考标志 Pr 开始，也就是连续两个 8 ms 脉冲中的第 2 个 8 ms 脉冲的前沿开始，分别为 Pr，第 0，1，99 码元。在 Pr 和 P5 之间是 BCD 字段，传送的是 BCD 码格式的时间信息 (
8、包含秒、分、时、天 4 种信息)，低位在前，高位在后；个位在前十位在后。在 P5 和 P8 之间是 CF 字段，实现控制功能，可根据实际使用时的协议制定使用方法，在这里没有用到该字段。在 P5和 P8 之间是 SBS 字段，是用二进制表示的以秒 (s)为单位的时间信息。IRIG-B码的格式如图 3 所示。32 IRIG-B 码解码方案IRIC-B 码解码器的功能框图如图 4 所示。1)分频电路本模块的功能是将 5 MHz 的时钟信号进行分频处理，输出 1 000 Hz 和 9 600 Hz 的信号，为码元检测和识别单元、码元记录单元和异步申行发送单元提供时间基准。为了减少计数器的位数进行了多次
9、分频。2)码元检测和识别单元首先对 B 码信号进行串并转换。用 10 个 D 触发器串联，用 1 000Hz 的时钟信号作为它们的时钟，这样只有在 1 000 Hz 的时钟信号的上升沿来的时候才对输入的数据进行输出，其他时候处于保持原来输出不变。串行触发器的输出分别连到 10 个并行 D 触发器，由 IRIG-B 码的上升沿来控制并行 D 触发器的输出 Q9Q0。当并行 D 触发器的输出“Q9Q8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0”为“0011111111”时，对应的码元信息为标识位；同理，“0000011111”对应码元“1”，而“0000000011”对应码元“0” 。码元检测原理框图如图
10、5 所示。3)秒同步脉冲的产生根据码元识别结果，如果连续检测到两个标识位，则第2 个标识位就是参考标志 Pr，其前沿为秒同步脉冲的起始点。而参考标志 Pr 后第 1 个上升沿对应的是秒同步脉冲经过延时 10ms 的时刻，所以应该在参考标志 Pr 后第 1 个上升沿对应时刻再延时 990ms 来产生秒同步脉冲信号，在产生秒脉冲的同时把记录码元位置信息的计数器 A 清零。4)码元记录单元码元记录单元根据码元识别结果和码元位置来组合产生时间信息，包括 7 位秒信息、7 位分信息和 6 位时信息。5)信息处理因为当前解出的时间是上一秒的时间信息。信息处理单元要将解码后的时间加上 1 s，同时为便于后续
11、时间信息的传输和处理，要将时间信息转换成 BCD 码格式。6)异步串行发送异步串行发送模块就是把经过处理后的时间信息通过异步串口发送出去，速率是 9 600 bits，8 位数据位，无校验位， 1 位停止位。4 结束语IRIC-B 码对时有利于简化回路设计，并且能够可靠地提供精确的时间信息，必将在电力系统中得到日益广泛的应用。传统的 IRIG-B 码解码器大多采用单片机来实现，器件较多，结构复杂，在受到外界干扰的情况下还可能出现死机等故障。而采用 CPLD 设计的解码器可以大大减少器件的数量、增加解码器的稳定性和应用的灵活性。根据本方案设计出的解码器模块适用于各种电压等级的保护装置，性能可靠稳定，时间信息准确、对时脉冲精度高(误差为几 s)。
