IRIG-B碼元信號傳輸質量分析方法

黃鳴宇，趙旭陽

（1.國網寧夏電力公司電力科學研究院，銀川 750002；2.上海遠景數字信息技術有限公司，上海 201206）

IRIG-B碼元信號傳輸質量分析方法

黃鳴宇1，趙旭陽2

（1.國網寧夏電力公司電力科學研究院，銀川 750002；2.上海遠景數字信息技術有限公司，上海 201206）

為了解決IRIG-B碼元傳輸過程中碼元寬度、脈寬信息、幅值信息等易受到干擾而發生變化的隨機性及不確定性的檢測問題，通過衛星時間建立有效的高精度時間基準以及高度集成化的管理模塊對IRIG-B傳輸信號的快速實時捕獲分析機制，采用優化的符號記憶方法實現對時間信號傳輸質量的智能化分析，實現信號傳輸質量檢測評估過程中對隨機性及不確定問題的有效檢測，提高電力系統對IRIG-B碼元信號傳輸質量的檢測效率，同時通過實驗模型驗證說明IRIG-B信號傳輸質量檢測方法的可行性和有效性。

時間信號；編碼；解碼；時間同步；時間檢測

電力系統智能變電站建設中規定所有二次設備及監控系統必須與時間同步系統傳遞的時間同步信號實現時間同步。靶場儀器組B類信號IRIGB（inter-range instrumentation group B）時間同步信號可達到1 μs甚至更高時間準確度，被電力系統廣泛應用［1-2］。為了確保IRIG-B時間信號準確度在合理的應用范圍內，采用IRIG-B時間信號的智能變電站在投運前必須進行全面的功能性能檢測，變電站投運后的運行維護階段也需要定期對信號進行巡檢。電力系統權威檢測機構會對滿足IRIG-B時間信號要求的設備發放入網證書并定期進行入網檢測。目前在檢測IRIG-B信號傳輸質量方面的傳統方法只是使用示波器在一個隨機時刻捕獲一組IRIG-B碼元的傳輸波形，通過捕獲的隨機時間片段來分析其信號傳輸質量的物理特性是否滿足要求，此測試方法是隨機抽樣測試方法，具有測試片面性的缺陷，不能衡量信號的長期穩定性［3-4］。一般情況下，信號物理傳輸特性的改變會導致時間解碼出現錯誤信息，智能變電站中被授時的設備對于不可識別的時間解碼信息會以故障告警方式報告給智能變電站監控系統，故障信息帶來的直接后果是降低電力系統生產的穩定性和安全性。

本文提出了實時在線檢測存儲分析IRIG-B信號傳輸質量的方法，可對IRIG-B信號傳輸質量進行長時間的實時存儲分析，解決測試的隨機性及片面性問題。利用IRIG-B信號傳輸過程中波形數據的標準定義，通過內部現場可編程門陣列FPGA （field-programmable gate array）的高可靠性及實時性特點快速捕獲IRIG-B傳輸過程的所有波形，通過對波形時間特性的檢測和分析，評估IRIG-B信號傳輸質量的長期穩定度。在時間測試儀器上的實現，可以為電力系統時間信號權威檢測機構提供IRIGB信號傳輸質量的檢測和評估方法，檢測驗證后的IRIG-B信號在實際應用中大大提高了長期運行穩定度，降低電力系統生產的運行風險。

1　信號分析

1.1信號傳輸方法

靶場儀器組IRIG是美國靶場司令委員會RCC（range commanders council）的下屬機構，其定義了一組時間傳輸的格式，B是一種最為常見的時間同步信號，其同步速率為1幀/s，每幀可攜帶100位時間碼元信息。

IRIG-B碼因具有攜帶信息量大、高分辨率、接口標準化及國際通用的特點，目前被廣泛應用于電力、工業等時間同步系統，具有直流DC和交流AC 2種信號傳輸方式，傳輸介質可承載于同軸電纜、光纖、雙絞線等多種方式。

IRIG-B時間碼元一般是指時間信號傳輸的最小信息單位，IRIG-B通過100個時間碼元的編碼可以傳遞時間信息、狀態信息等。不管是DC直流傳輸模式還是AC交流傳輸模式，正確的時間碼元一般標記為P碼元、1碼元和0碼元，所有的時間信息和狀態信息通過不同碼元的編碼組合進行傳輸。

對于DC直流B碼，信號通過數字方波進行傳輸，對于各種碼元信息定義的波形［9］如圖1～圖3所示。

圖1　碼元P（直流）Fig.1　Element P（DC）

圖2　碼元1（直流）Fig.2　Element 1（DC）

圖3　碼元0（直流）Fig.3　Element 0（DC）

對于AC的交流B碼，信號通過標準正弦載波進行調幅調制傳輸，對于各種碼元信息定義的波形［7］如圖4～圖6所示。

圖4　碼元P（交流）Fig.4　Element P（AC）

圖5　碼元1（交流）Fig.5　Element 1（AC）

圖6　碼元0（交流）Fig.6　Element 0（AC）

通過上述對時間碼元的定義可以發現，每個時間碼元的波形在時間上具有明確的特點，其中時間碼元的寬度必須為10 ms，任意一個時間碼元可通過高低電平或者高低幅值的寬度比來進行識別，即8 ms與2 ms比識別為P時間碼元，5 ms與5 ms比識別為1時間碼元，2 ms與8 ms比識別為0時間碼元，這就是IRIG-B信號傳輸的最基本的時間特性，任何不符合此時間特性的時間碼元將不會被識別。

如果需要在IRIG-B信號中傳遞時間，參與時間同步的裝置不論是發送方還是接收方都需要通過對IRIG-B編碼和解碼來完成時間的傳遞。通用的設計方式是通過高穩定高可靠性的FPGA硬件實現對IRIG-B信號的編碼和解碼設計，此方法是目前最簡單最有效的編碼和解碼方法［5-10］。

對于時間信號的檢測同樣也需要遵循上述設計原則，通過對信號傳輸的內容進行解碼和分析來驗證IRIG-B信號的功能及性能。

2.2時間檢測模型

權威檢測機構對時間檢測提出的最基本檢測要素是時間準確度［11-12］。時間準確度一般定義為時間信號攜帶的時間信息與標準時間信號源之間的時間偏差，時間準確度的好壞決定其是否可以在相關行業中被使用。正常情況下對于IRIG-B時間信號，檢測結果同樣需要時間準確度來定義，但IRIGB傳輸的時間信息只有被正確解碼后才能檢測出其時間準確度，因此在時間準確度檢測前必須對IRIG-B信號傳輸的正確性進行檢測，而檢測依據就是IRIG-B時間碼元傳輸時間特性，通過檢測可以驗證IRIG-B傳輸信號是否具備了被使用者正確解碼的條件。因此對于檢測和評估IRIG-B時間信號，除了時間準確度的測量考核指標外，必須對IRIG-B時間碼元傳輸質量進行考核。

IRIG-B信號通過各種傳輸介質輸送時間信號到達被授時設備，為其提供時間服務。實際應用中，所有的中間傳輸環節、IRIG-B時間信號發送方設計原因或者線路信號干擾等問題導致IRIG-B時間碼元在傳輸過程中時間特性會發生改變，產生時間傳遞錯誤或者信號丟失的非正常工作狀態。

傳統方式只是通過示波器隨機抽樣測試某一個時間點上IRIG-B信號的時間特性，檢測是否合格完全是通過人為參照示波器上捕獲的數據信息進行分析和計算得出來的結果。這種傳統方法的隨機性、片面性以及非智能化是本文提出研究IRIG-B檢測方法模型的一個必要條件，因此新的方法模型中必須提供可以長期分析的智能化方法，必須實時存儲記錄分析所有時間碼元的時間特性，對時間碼元信息進行充分完整的標識和記錄，確保不遺漏任何數據。在傳統方法在測試過程中只是測試時間信息的碼元寬度，并不具體地識別IRIG-B信息碼元在位置序列上的正確性，即P碼元、1碼元及0碼元應該出現在應該出現的地方，因此傳統方法的測試過于籠統，不能對數據信息檢測結果進行細化。因此考慮到上述因素，必須建立對碼元信息的空間位置的分析，確保在正確的位置上出現正確信息，錯誤的位置信息直接反映到測試報告中。

鑒于上述對方法模型的考慮，時間檢測模型將采用信息標識符的方法顯示檢測結構，不僅可以識別信號的時間特性，而且也可以表示空間位置。通過不同的信息標識符可以記錄數據發生中傳輸的所有信息。本方法提供兩種類型的標識符記錄信息，一種為標準信息標識符，另一種為檢測信息標識符。

一般情況下，被標識為標準信息標識符的IRIG-B碼元說明其傳輸過程是正確的并且碼元會被識別和解碼的。標準信息標識符見表1。

表1　標準信息標識符Tab.1　Standard information identifier

一旦傳輸過程中發生碼元寬度與標準定義不匹配、碼元信息中高低電平或高低幅值寬度比與標準定義不匹配、出現碼元位置錯亂、碼元不能被正確識別等非正常工作狀態時，都會導致IRIG-B時間信息解碼失敗，上述各種發生錯誤的時間信息進行標記的符號會被記錄為檢測信息標識符。檢測信息標識符見表2。

表2　檢測信息標識符Tab.2　Test information identifier

根據標準碼元寬度為10 ms的信息以及碼元中高電平或高幅值的寬度分別為8、5、2 ms的定義，由于在傳輸過程中或多或少存在信號延遲和抖動等不可抗的因素，因此上述檢測信息標識符在信號處理過程中可以預留檢測的控制閾值，目前碼元寬度的有效性檢測控制閾值設置為9～13 ms，其他檢測值都被設定為無效狀態，而碼元中高電平或高幅值寬度的有效性檢測控制閾值設置為1 ms，小于此控制閾值的檢測值都被設定為無效狀態。在實際應用中控制閾值可以通過預制來改變信號檢測的條件和要求，提高應用靈活性，擴展其測試方法滿足不同行業對IRIG-B時間信號的應用需求。

IRIG-B時間碼元的時間特性是建立對IRIG-B時間碼元傳輸質量分析和檢測的基本要素，通過建立智能可靠的檢測分析模型判斷IRIG-B時間信號在傳輸過程中的質量，利用信息標識符的智能化處理方法對信號進行實時信號傳輸質量檢測，解決了傳統隨機抽樣測試隨機性和片面性的問題。

3　檢測研究

檢測研究的目的是驗證檢測方法的正確性，對于通過驗證的有效性方法，權威檢測機構通過制定相關的標準化檢驗檢測規范進行推廣應用［13］。

傳統對IRIG-B傳輸信號進行檢測的方法要求通過示波器完成對IRIG-B信息時間特性的檢測，檢測內容包括對碼元寬度，碼元中高電平或者高幅值寬度等信息。傳統測試方法如圖7所示。

圖7　傳統測試方法Fig.7　Traditional test method

傳統測試方法完全是人為干預的測試方法，對于從示波器上得到的信號，需要通過示波器捕獲的數據信息對傳輸信號的時間特性進行分析和統計，才能確認波形中碼元的具體意義以及該碼元的傳輸正確性。雖然示波器在捕獲和分析波形特性上非常方便，但是具體應用過程中對于傳輸過程中不確定的問題，示波器在第一時間能否發現問題并告知問題，所有的測試都是在人為被動的方式下確認的，缺少對問題的智能化分析，不可能作為標準測試儀器進行信號傳輸質量的檢測，在毫秒級甚至微秒級就可能發生錯誤傳輸的條件下，人為判斷分析就變成了一種更加不可能完成的任務。

鑒于此，需要設計開發具有該檢測分析模型的時間測試儀器來代替示波器對信號傳輸質量進行檢測和分析，通過分析驗證方法的正確性。信號傳輸質量測試方法如圖8所示。

圖8　信號傳輸質量測試方法Fig.8　Signal transmission quality test method

時間測試儀器是信號傳輸質量測試方法中的核心設備，通過接入測試信號，可以簡單快速地在時間測試儀器上實現對信號傳輸質量的檢測。

時間測試儀器采用模塊化的設計方法，利用標準化的輸入輸出接口實現與被測設備信號的直接連接，通過人機操作接口管理檢測過程，通過顯示屏幕直觀顯示檢測過程中的所有實時分析數據信息。時間測試儀器的設計示意如圖9所示。

圖9　時間測試儀器設計示意Fig.9　Schematic of time test set design

高精準基準單元通過北斗全球定位系統GPS （global positioning system）衛星接收器獲取北斗衛星或者GPS衛星系統提供的時間數據信息來建立內部高精準的時間參考基準，確保數據分析的在時間層面的準確性。系統設計可采用多模衛星接收模塊，建立北斗衛星或者GPS衛星冗余工作的安全體系，提高時間測試儀器內部的可靠性。

IRIG-B輸入單元提供多種標準物理接口，可方便與直流IRIG-B信號或交流IRIG-B信號進行快速連接。作為時間測試儀器的輸入單元，提供標準化的接口可簡化操作，方便現場實際應用。時間測試儀器的目的就是評估輸入信號的正確性。

存儲單元是對實時分析數據進行歷史存儲的區域，通過對歷史數據信息的回放，提供離線數據分析的方法。對于問題位置可通過離線數據進行追溯和分析。

人機界面單元是人與時間測試儀器交互的唯一接口，簡單方便是人機界面單元設計的基本要求。人機界面單元通過配置管理模塊實現對信號傳輸質量檢測參數的設置，通過顯示管理管理模塊實現對數據信息的實時顯示。

核心處理單元是時間測試儀器設計結構中最重要的處理單元，內置的高穩定FPGA利用內部高精準時間基準對輸入單元的輸入信號進行捕獲，利用分析模塊對信號傳輸質量進行分析和統計，并將分析結果輸送到存儲單元進行存儲，同時驅動顯示單元顯示分析的實時數據信息。

通過上述功能模塊的協調配合可以實現對IRIG-B信號傳輸質量的檢測。利用時間測試儀器可以快速建立一個對IRIG-B信號傳輸質量進行檢測的實驗環境，通過接入正常信號或者錯誤信號來驗證檢測方法的正確性。

通常情況下，正確的信息按照標準信息標識符的定義顯示，錯誤的信息按照檢測信息標識符的定義顯示。通過IRIG-B模擬器交替產生一個有效時間信號和一個P碼元位置信息錯誤的無效時間信號，時間測試儀器不僅能完整地記錄了整個數據的傳輸過程，而且對于發生錯誤的信息可以準確地進行定位和標記。檢測結果如圖10和圖11所示。

圖10　有效時間信號Fig.10　Valid time signal

圖11　無效時間信號Fig.11　Invalid time signal

通過與傳統測試方法的對比，上述對信號的檢測和分析方法能更加直觀地顯示檢測結果，所有的檢測過程不需要人為干預，智能化的分析方法提高檢測的效率，對信息結果的分析定位更加準確。

4　結論

（1）通過對IRIG-B信號高精準的實時捕獲和分析提高檢測工作的效率，智能化的方法會自動識別所有被檢測時間信號的正確性。

（2）通過對檢測結果的可視化標識符定義方式，可以清晰地定位IRIG-B時間信號傳輸發生問題的位置，提高信號傳輸過程中錯誤信息的定位準確性。

（3）檢測研究結果驗證了方法的正確性和有效性。本方法適用于IRIG-B信號傳輸質量的檢測，在實際應用中具有較好的理論研究價值和實用價值。

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IRIG-B Element Transmission Quality Analysis Method

HUANG Mingyu1，ZHAO Xuyang2
（1.Ningxia Electric Power Research Institute，State Grid Ningxia Electric Power Company，Yinchuan 750002，China；2.Shanghai Digigrid Information Technology Co.，Ltd.，Shanghai 201206，China）

In order to solve the randamness and uncertainty related to the information such as element width，pluse width and amplitude of the inter-range instrumentation group B（IRIG-B）element in the process of transmission due to interference，an effective and high precision time reference by satellite and highly integrated management module is es?tablished to capture and analyze the real-time IRIG-B transmission signal.An optimized symbol memory method is ad?opted to realize the intelligent analysis of time signal transmission quality，detect the randamness and uncertainty effec?tively lems，and help the power system improve the inspection efficiency.At the same time，the feasibility and effective?ness of the proposed method is illustrated through the laboratory model.

time signal；code；decode；time synchronization；time test

TP2

A

1003-8930（2016）08-0117-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.08.020

2015-12-14；

2016-03-23

國網寧夏電力公司科技資助項目（5229DK140011）

黃鳴宇（1980—）男，碩士，高級工程師，研究方向為研究智能電網技術。Email：nxhmy@126.com

趙旭陽（1977—）男，本科，工程師，研究方向為IEC61850標準、時間同步技術及智能變電站精確時間測試技術。Email：robin.zhao@digigrid.com.cn