GPS同步范文

GPS同步范文（精选8篇）

GPS同步 第1篇

关键词：GPS位同步,弱信号,全球定位系统

1 引言

GPS L1 C/A码是Gold码, 序列长度为1023位, 基码速率为1.023 MHz, 伪码序列的重复周期为1ms;GPS的数据率为50 bit/s, 由20个周期的Gold码序列进行扩频得到, 连续20个的序列都调制同样数据, 没有进行类似于NH码的二级调制。码片捕获器实现了1ms重复周期内的Gold码序列同步, 但还是无法获得周期为20 ms的比特边界位置。为了得到伪距观测量和提高比特判决时的信噪比必须清楚地知道比特边界的位置, 本文所指的比特同步就是比特边界位置的检测。如果知道用户的大概位置以及精确的接收机时钟, 可以通过伪距估算得到比特边界的位置, 而这两个条件一般都很难满足, 所以本文采用统计信号处理的方法进行比特边界的检测。

在稳定的强信号的条件下, 用很简单的方法就可以实现可靠的GPS位同步, 但是实际情况复杂多样, 常见的有弱信号、信号不稳定和高动态这三种复杂情况, 此时获得位同步非常困难, 需要根据特定的情况构造针对性的算法。

2 典型位同步算法介绍

对于采用扩频调制的GPS L1信号, 积分上限为导航电文周期20 ms, 在电文数据位边缘未知的情况下, 弱信号的顺利跟踪需要通过位同步来避免环路积分时间跨越电文数据位边缘。比较常见的算法有两大类:第一类位同步方法是直方图法及其改进算法, B.Parkinson等提出的直方图法 (Histogram Met hod, HM) , 它通过统计相关器输出数据的符号变化来进行检测, 相关器的累加时间为C/A码周期1 ms, 共20个候选位边缘, 经过一段时间的统计, 如果某个候选位置的符号变化次数明显多于其他候选位置, 则认为该位置为数据位边缘。第二类是最大似然类方法, 2002年M1 Kokkonen和S1 Pietila提出了一种新的位同步方法KP法, 这种方法将每个候选位置之后的20个数据进行累加, 求包络得到相应的数据位能量, 再将数据位能量通过一段时间的累积, 获得对应20个位置中数据位能量最大的位置, 即数据位边缘位置。最大似然法通过计算所有可能的位边沿位置对应的数据能量的时间平均, 并选择最大值的位置作为位边沿, 它本质上与KP法一致.

与直方图法相比, 最大似然法没有对相关器的积分值量化, 因此在位同步速度和灵敏度方面都优于直方图法.直方图法和KP法都可以在非常低的载噪比情况下检测出位边缘来, 但它们必须工作在环路锁定情况下, 即没有载波相位和频率误差, 当载波频率偏差大于25Hz的时候, 经典的KP法无法进行正确的比特边界检测。直方图法只利用了调制数据跳变前后的2ms信息, 抗多普勒能力相对较强, 但位同步成功率相对较低, 只适合信噪比较强的情况。

直方图法和KP法实现起来资源消耗相对较少, 但是应用中各有缺陷, 为此不少学者提出了它们的改进算法, 比较典型的以下几种:为了解决大频偏下KP法无法进行正确位同步的问题, 许峰, 赵民建等人提出了一种基于相位差分的方法, 可以在大频偏下进行比特同步.该方法对每ms的I/Q累积值做鉴相运算, 根据调制数据变化时候载波相位会做180度跳变的规律, 采用直方图类似的方法来鉴别数据跳变边沿。为了适应极弱信号条件下, 噪声的存在使接收信号中相位变化异常剧烈, 由于传统相位锁定环 (Phase Locked Loop, PLL) 鉴相器的非线性因素, 环路易产生失锁现象的问题, 赵琳, 丁继成[4]等人提出了利用最优路径动态规划算法实现GPS位同步的方法。该方法利用提出采用平方根无迹卡尔曼滤波 (SRU KF) /位同步联合载波跟踪方法, 建立误差跟踪模型, 使SRU KF与位同步环节协调工作, 实现了在没有载波相位和频率误差等先验信息时较高的位边缘检测概率 (Edge Detection Rate, EDR) 和稳定的极弱信号跟踪。

上述方法都可以很好的解决位同步问题, 但在实现过程中直方图法和相位差分法需要强信号, KP法需要小频偏的条件, 最优路径动态规划算法利用的信息最多, 性能相对最好, 适应性最强, 但是实际实现起来消耗的资源较多, 功耗相对较大。

3 改进的位同步算法

上节介绍的方法有一个共同的缺点就是位同步时间固定, 无法实现强弱信号自适应 (即强信号快速位同步, 弱信号经过较长的时间也可以实现可靠的同步) , 该问题严重的影响到了这些算法的实用性。举例来说, 很多接收机要求开阔空间热启动定位时间为1秒, 而在接收弱信号的情况下, 位同步需要的大于1秒, 因此必须对这些算法改进使用。

本文的想法是根据噪声强度和I/Q累积值的情况, 对信号和噪声分别进行累积, 随着累积时间的变化设置智能动态浮动门限, 当信号累积值与噪声累积值的比值超过门限时候, 立刻判断位同步成功。这样, 当信噪比强的时候, 判决信噪比迅速超过浮动门限实现同步, 当信号弱的时候, 通过长时间的积累, 判决信噪比总会超过浮动门限, 也可以实现同步。根据GPS接收机的实际工作情况, 接收机在正常工作时候, 大动态下一般都在开阔空间, 信噪比较强, 信号弱的时候基本都是近似静态的情况如室内定位, 因此, 算法暂不考虑PLL失锁的情况。在这种情况下, 我们选择性能相对较好的最大似然法为基础构造以下自适应位同步算法:

设解调出来的1ms复数累积值为ai, i=0, 1, 2, , 实部代表信号, 虚部代表噪声。

对于常规的最大似然算法而言, n取一个固定的数, 然后取, 取到最大值的那个i就是需要找的同步边沿。

这里我们改进判决条件, 取dn=maxi (ci, n) , i=0, 1, 2, , 19, n∈N, in, n∈N, 为每个maxi (ci, n) , i=0, 1, 2, , 19, n∈N, 所对应的位置, 取dn+=ci+1, n, n∈N, dn-=ci-1, n, n∈N, 分别代表最大值左右的两个累积值, 这里dn, dn+, dn-都服从x2, n分布。

取en+=dn-dn+, en-=dn-dn-1, 若hn=max (en+, en-) ≥f1* (n+m) *σ2, 则累积到第-n步的时候, 判位同步成功, 此处m, f1>0为固定参数, 根据位同步的误检概率设定, σ2为1ms累积分量的均方值。

另外可以选定为位同步失锁检测参数, gn=max (ci, n-ci+1, n, ci, n-ci-1, n) , i∈N为位同步确定的跳变边沿, 若gnf2* (n+m) *σ2, 则认为之前判定位同步位置错误, 重新进行位同步检测。

以上算法属于最大似然算法的改进算法, 它最大限度的挖掘了基带I/Q累积值所能提供的信息, 其优点在于:

(1) 强信号可以实现很快实现位同步, 弱信号可以通过长时间积累实现位同步;

(2) 算法中含有位同步正确错误的检测算法, 可以在错误的位同步后若干时间内发现并且纠正位同步错误;

(3) 由于对现代处理器而言乘法和加法运行速度相当, 因此该算法的实现复杂度与基本的最大似然算法相当, 适合实际接收机的实现;

(4) 如果要硬件实现以降低复杂度, 可以把该算法移植到直方图算法上, 资源增加也不大, 性能相对基本算法也有一定的提高;

4 算法的仿真比较

图1-图3是针对上述算法的蒙特卡罗仿真结果, 图中, 红色线为信号累积值, 上边的蓝色线为入锁门限, 下边的蓝色线为失锁门限。图2是弱信号位同步的情况, 由图可知, 刚开始信号的累积值小于判决门限, 等累积了接近100次之后, 系统进入了同步状态, 之后信号的累积值逐渐远大于噪声门限, 本例中位同步时间为2s;图3为强信号的情况, 在大约10次累积之后, 同步即牢牢锁定, 之后信号累积远大于锁定门限和失锁门限, 本例中同步时间为200ms;图4代表的是无信号时候的同步情况, 刚开始虚假的信号累积与噪声门限接近, 之后信号累积越来越比判决门限小了, 这种情况持续下去, 同步无法实现。

以上仿真说明, 该算法的实用性比较好, 但是该算法依旧继承了最大似然法的缺点, 例如需要PLL同步之后才能可靠的工作。为了尽量的抵消频率误差的影响, 在信号强度相对大的应用场合, 可以把该方法改造到直方图算法中。

5 算法的最优化改进

上述算法的门限是对自变量n (累积次数) 进行了一阶线性估计得出的, 这在工程应用中使用已经足够了。如果要最大限度挖掘累积数据提供的信息, 可以进行最优化设计, 确定需要的概率下的门限数值, 这样, 算法的同步时间性能还会有一定的提高。

参考文献

[1]Parkinson B W, Spilker JJ.Global positioning system:theory and applications, VolI[M].Reston, VA:American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1996.

[2]Kokkonen M, Pietila S.A new bit synchronization method for a GPS receiver[C]/IEEE Position Locationand Navigation Symposium.2002:85-90.

[3]许峰, 赵民建, 沈雷, 李式巨, 一种基于相位差分的GPS比特同步方法[J].浙江大学学报 (工学版) , 2007, 41 (12) , 2031-2035.

GPS同步 第2篇

关键词：变电站;电力自动化;GPS时钟同步技术

中图分类号：TM76     文献标识码：A      文章编号：1006-8937（2014）35-0054-01

近年来，随着电力自动化程度不断提高，各种电力控制、测量、保护、记录等装置的正常运行对时钟基准的要求也越来越高，全球定位系统GPS时钟同步信号能全天候为用户提供高效、精准的时钟信息，GPS时钟同步技术具有准确性高、实用性强的特点，将GPS时钟同步技术应用在变电站电力自动化系统中，能实现变电站之间的准确对时，对变电站的稳定运行有十分重要的作用。

1  GPS时钟同步技术的优越性

由于变电站采用的计算机监控系统、自动化系统、电能计量装置、故障录波装置等来自不同的厂家，而各个厂家的时钟存在一定的差异，在对时精度上存在一定的偏差，导致在同一时间基准上变电站的各系统不能进行数据分析和对比，这可能会为事后故障分析判断留下很大的隐患。将GPS时钟同步技术应用在变电站中有明显的优势，它能让保证变电站各系统在统一的GPS时间基准下进行运行及事后故障分析处理。变电站自动化设备会根据GPS提供的精准时钟同步信号进行运行，当系统出现故障后，能极大的提高SOE时间准确性，提高故障诊断能力，极大地提高了电力系统的稳定性。

2  GPS时钟同步系统的概述及原理

2.1  GPS时钟同步系统概述

GPS时钟同步系统主要由电源、人机交互系统、卫星信号接收系统、CPU处理系统、输出系统等部分组成。GPS时钟同步系统是接收GPS卫星信号的是RS232接口，通过CPU中央处理单元对GPS卫星信号进行规约转换，转换成符合相关要求的时间信息，然后输出时间信息。

2.2  GPS时钟同步系统原理

GPS时钟同步系统主要有三种对时方式，分别是串行同步输出对时、脉冲同步输出对时、IRIG—B码输出对时。

串行同步输出对时是以串行数据流的方式将时间信息输出，串行同步输出对时方式比较复杂，在处理接收到的信息时，需要耗费一定的时间，这有可能对系统对时精度造成一定的影响，因此，串行同步输出对时主要用于添加时间标记。

脉冲同步输出对时是采用同步时钟，定期输出一个精确的脉冲，当装置接收到脉冲信息后，装置会自动进行对时，从而将装置存在的走时误差消除，脉冲同步输出方式不能直接提供时间信息，如果时间源出现错误，被授时装置就会错误走时。

IRIG—B码输出对时是以BCD码方式输出，每次输出都含有100个脉冲，输出的时间信息为s、min、h等，IRIG—B码输出对时是一种高精度、含有标准时间信息的对时方式。

3  GPS时钟同步技术在变电站电力系统中的应用

3.1  GPS时钟同步技术的应用

目前，GPS时钟同步系统支持编码对时、硬对时、网络NTP对时，变电站中很多装置都能接入GPS时钟同步系统中进行对时，如测控装置、自动化系统站控层设备、故障录波器、微机保护装置等。GPS时钟对时接口有RS232串口输出、RS485串口输出、秒脉冲1PPS输出、分脉冲1PPM输出、非调制IRIG—B输出等几种情况。为保证变电站电自动化系统能准确的运行，有很多装置需要接入GPS时钟同步系统中进行对时，加上装置的接口类型也不尽相同，因此，在实际应用中，经常会结合使用多种对时接口方式。下面以110 kV变电站改造为例，分析GPS时钟同步技术的应用。

将GPS时间同步系统屏安装在变电站高压室和保护室，然后配备具有接收、处理GPS卫星信号、提供标准同步时间信号等功能一个标准同步主时钟。当主时钟接收到GPS时间同步系统发出的基准信号时，会根据基准信号进行对时，当主时钟不能接收到GPS时间同步系统发出的基准信号后，会自动走时，并保持走时的精度，当时间基准恢复到正常状态后，主时钟会自动进行对时。该变电站改造后是用以太网的形式进行组网，部分设备只有RS232接口和RS485接口，而新安装的主变线路控制装置、高压室线路保护、#1主变保护、#2主变保护都是IRIC—B接口。在变电站改造中，采用IRIG—B码输出对时，选用RVVP两芯屏蔽通讯电缆，其中“+”用1表示，“-”用2表示，依次将各装置接入GPS时钟同步系统的IRIG—B输出接口;由于一些老设备没有IRIC—B接口，只有RS232接口，因此，将这些设备接入GPS时钟同步系统的RS232接口;110 kV变电站故障录波器没有IRIG—B码，分别将秒脉冲和分脉冲接入空接点，从而实现硬接点对时。

3.2  GPS时钟同步系统运行过程中的注意事项

为确保GPS时钟同步系统能安全稳定的运行，保证GPS时钟同步系统的功能、效率、精度都符合相关要求，必须做好GPS时钟同步系统的日常维护保养工作。工作人员要制定合理的检修计划，定期检查GPS时钟同步系统，在进行检查时，首先要检查显示面板上的天线信号，然后要对显示面板中锁定的卫星数量进行检查，该检查内容正常后，用显示面板上显示的时间对各个设备显示的时间进行可对时，从而确保参与对时系统的所有设备都处于正常工作状态。定期对GPS时钟同步系统进行检查，能有效地提高系统的运行可靠性。

GPS时钟同步系统在运行过程中还需要在GPS屏中安装监视装置，从而对GPS时钟同步系统的运行状态进行监控，发现电源消失、装置自检异常、IRIG—B信号异常等现象时，及时发出报警，让工作人员及时进行故障处理，从而保证GPS时钟同步系统的稳定运行。当GPS时钟同步系统处于正常运行状态时，电源指示处于正常状态，并且IPPS脉冲指示灯每隔一秒会闪烁一次，当IRIG—B信号消失报警时，说明没有收到正确的IRIG—B输入信号，这时需要对系统进行详细的检查。

4  结  语

GPS时钟同步系统能让变电站电力自动化在统一的时间基准中进行运行，这极大地提高了变电站的运行安全，因此，电力企业要根据实际情况，合理的运用GPS时钟同步系统，从而为变电站的稳定运行提供保障。

参考文献：

[1] 郭威.GPS时钟同步技术在变电站电力自动化中的应用[J].黑龙江科技信息，2014，（8）.

[2] 张丽伊.GPS卫星时钟同步系统在综自变电站中的应用[J].科技信息（科学教研），2008，（17）.

[3] 姬志民，宋博，任焕龙，等.GPS卫星时钟同步系统在电厂变电站中的应用[J].河北电力技术，2011，（6）.

[4] 吴培涛.基于GPS卫星时钟同步系统在变电站中的应用[J].科技创新与应用，2012，（30）.

GPS同步 第3篇

1 变电站GPS时间同步系统的结构

变电站GPS时间同步系统主要是由同步时钟的本体及时钟的扩展装置组成。同步时钟的本体也可以叫做主时钟, 时钟的扩展装置也可以叫做时钟。要根据实际状况进行时钟扩展装置的组合。在时间同步的系统中, 组合的形式多种多样, 根据不同用户对于设备的不同要求, 主时钟能够通过电网频率的测量、网络时间服务器等进行调配。

首先, 最简式的时间同步系统。这个系统主要通过一个主时钟、时间信号传输的介质、用户设备组合而成。顾名思义, 最简式的时间同步系统就是设备结构比较简单, 易于日常维护。但是缺点就是仅靠一个主时钟来接收一路的GPS卫星, 如果在主时钟接收不到传递的GPS信号后就可能影响内部晶振走时的精准确度。另外, 当主时钟出现某些故障时, 用户的设备中的时间信号就只能依靠自身的时间走时进行日常活动。因此最简式时间同步系统非常适用在地县调自动化系统和用户设备较少且低于110k V的变电站中。

其次, 主备式的时间同步系统。这个系统主要通过二个主时钟、时间信号传输的介质、用户设备组合而成。与最简式的时间同步系统相比, 主备式的时间同步系统补充了最简式的时间同步系统中的不足之处, 已经完全能够胜任网省调的自动化系统。

第三, 主从式的时间同步系统。这个系统主要通过一个主时钟、多个从时钟、时间信号的传输介质、用户设备组合而成。主从式的时间同步系统中, 每一个用户的设备只和与之相关的从时钟进行联系, 因此, 不会导致其他的设备同时发生时间失步的情况。但是, 同时不能保证如果主时钟接收不到GPS信号时或者主时钟出现某些故障的情况下不发生时间失步的状况。因此, 主从式的时间同步系统往往使用于设备比较分散但是距离比较远的环境中。

第四, 主备主从式的时间同步系统。这个系统主要通过二台主时钟、多个从时钟、时间信号传输的介质、用户设备组合而成。主备主从式的时间同步系统主要由两套GPS卫星的接收信号、两套的主时钟构成, 因此在一个主时钟可能接收不到的GPS信号、出现某些故障之后仍然可以自动通过另一个主时钟来接管。因此, 这种主备主从式的时间同步系统主要适用在330k V以上的二次设备分散式布置的变电站中。

2 变电站GPS时间同步系统的时间同步方式

变电站GPS时间同步系统的时间同步方式主要有三种:通信对时方式、脉冲对时方式、脉冲对时方式和串行通信方式相结合的方式。

首先, 通信对时方式中的时间报文主要由年、月、日、时、分、秒等组成, 也可以采用用户所指定的特殊内容。比如, 接收到的GPS卫星数、警报信号等等。通信对时方式主要容易受距离的限制, 因此造成时间的延时。但是通信式对时方式的GPS能够用通信报文把精准的时间发送到总控制的通信单元。而总控通信的单元可以通过现场的总线及串行总线, 以广播报文的方式把时间的信号传递到各个保护装置、测控装置及第三方的智能化设备中。如果采用软件对时, 则系统可以妹分钟发送一次对时报文。这样, 不但节省了专用的硬件设备, 而且不用单独敷设电缆, 大大降低了成本。但是, 这种对时方式的劣势在于对时总线的环节比较多, 容易出现对时拖延, 导致不同装置出现时间差。

其次, 脉冲对时方式, 这种方式主要通过秒脉冲信号与分脉冲信号构成。秒脉冲通过利用GPS进行时间同步的校准工作, 以此获得和UTC同步的时间精准度。这种方式的结构特点主要是通过GPS装置将过脉冲的扩展板与同步脉冲进行扩展并放大隔离后传送输出。再次通过通讯电缆和保护装置、测控装置以及第三方的智能化设备进行连接。

第三, 脉冲对时方式与串行通信的方式相结合。这种方式的结构特点比较明确:通过对当前变电站普遍采用的脉冲与串行通信进行组合, 通过软件对时, 对时系统可以每分钟就发送一次对时报文。对时装置能够获取时间报文中的年, 月, 日, 时, 分, 秒等信息。采用脉冲对时, 则可以保证秒、毫秒的精准度。这种对时方式的组合, 可以保证变电站的智能化设备时间同步。也是目前我国变电站中普遍采用的一种对时方式。

3 变电站GPS时间同步系统的技术应用

首先, 对于比较小型的变电站中, 各种保护及测量监控装置的自身一般不带有硬件时间的同步接口电路。因此也就需要通过总控单元来进行串口或网络方式保持时间同步。对于这种同步系统的应用, 变电站可以不用装GPS的接收设备, 主要通过调度主站的GPS时钟做为基准时间的来源。变电站的通信主机进行接收与解释调度主站传送的同步时间报文。变电站GPS时间同步系统技术应用在比较小型的变电站中, 要先同步自身的时间, 然后通过站内的网络传送报文。这样, 保持自动化装置的时间同步。虽然这种方式的应用对对时要求的精度不太高, 但由于非常节约资源减少了投资, 因此非常适和应用在小型的变电站中。

第二, 网络时间的同步和脉冲时间的同步相结合。在l10k V以上的变电站中比经常应用网络时间同步方式, 因为这种时间同步系统精度不太高。而脉冲时间的同步方式即使精准度比较高, 但是也不经常应用在变电站中, 因为脉冲时间同步方式不能完整的提供时间信息。所以, 为了能够最大限度的保证时间的精准与完整, 在110k V以上的变电站中, 我们应用网络时间同步与脉冲时间同步的组合形式。这样, 不仅仅综合利用了网络时间同步方式与脉冲时间同步方式两者的优势, 即对110k V以上的变电站设备进行了时间同步而且还提高了220k V以上等级的变电站的精确性和可靠性。所以, 这种应用模式是软硬相结合的时间同步方式。

第三, B码时间的同步应用。通过这种方式的时间同步保护、测量、监控主要智能化设备。当时间信号的输出单元中的B码传输出B码对时模块所接收到的时间同步信号, 并对各种设备进行时间同步。在这种状况下, 可以单独进行保护、测量、监控主要的智能化设备的时间同步。这种应用模式, 保证了时间同步的信号能够通过网络传送到保护、测控等装置。由于, 保护测控等设备也利用B码时间进行同步, 所以被授时的设备应该屏蔽掉网络时间的同步信号, 单独采用B码时间同步信号。这种变电站GPS时间同步系统对于装置不仅实现了时间同步, 而且精准度达到了最高。

结语

伴随我国国民经济的飞速发展, 我国电力系统对于时间统一的要求越来越严格。尤其对于那些超高压的变电站来说, 时间的同步结构、方式、精度非常重要, 对于时间同步系统的要求也越来越高。因此, 采用变电站中GPS时间同步系统可以使变电站更加数字化、智能化。从以上对于GPS变电站GPS时间同步系统的结构、时间同步方式及技术应用的论述来展示对时技术对于电力系统的重大作用。采用变电站中GPS时间同步系统不但是内部时间得以统一, 而且也实现了变电站无需人员值班的目标。在不断达到国家电网调度的经济安全运行的目标的同时, 更实现了变电站时间同步系统的应用更加简单、可靠。

摘要：随着我国科学技术的应用与发展, GPS技术已经应用在日常生活的方方面面。变电站中GPS时间同步系统的应用使变电站更加数字化、智能化。本文从变电站GPS时间同步系统的结构、时间同步的方式与技术应用等方面进行说明, 阐述变电站GPS时间同步系统在变电站中的具体应用。

关键词：变电站,GPS时间同步系统,技术应用

参考文献

[1]陈宏, 喻子易.变电站GPS授时方式与二次设备时间同步[J].湖北电力.2009 (01) .

GPS同步 第4篇

2009年02月20日, Broadcom公司正式对外展示了其扩展其领先的组合芯片系列, 推出高度集成的全球定位系统 (GPS) 、蓝牙 (Bluetooth) 和调频无线电 (FM Radio) 解决方案, 该解决方案在单芯片设计中提供定位服务 (LBS) 和先进的多媒体处理功能。与同类组合解决方案相比, 该款尖端的连接处理器极大地降低了主机和应用处理的工作量, 从而可在大众市场手机中获得更加广泛的应用。

Broadcom BCM2075组合芯片集成了4个无线单元 (蓝牙、GPS以及FM发射和接收) , 配以公司独特的InConcert协作共存技术, 这些无线单元可以同时工作, 并以最小的干扰提供极富吸引力的用户体验。

GPS同步 第5篇

随着电力自动化水平的提高, 电厂对时间同步系统的要求越来越迫切、时间同步的精度要求越来越高。统一时钟是保证电力系统安全运行, 提高运行水平的重要措施。国家电网公司、各大发电公司高度重视电力系统的时间同步系统地建设, 明确要求电力的生产运行系统、装置采用卫星时钟进行校时。采用基于卫星的时间同步系统, 是提高电厂生产和管理自动化水平、确保运行质量的关键。

电厂大多采用不同厂家的自动化装置、微机保护装置、计算机监控系统、DCS、MIS、及输煤、除灰、脱硫等控制装置。各系统大多采用各自独立的时钟, 各时钟之间存在较大的时间偏差, 因没有统一的时间基准, 不利于运行维护和数据分析。目前, 很多电厂采用传统的对时装置, 部分采用简单的GPS卫星授时;因技术手段落后、接口单一、授时精度低, 以及各对时装置分散、独立, 不利于使用、维护和管理等原因, 已不能满足电厂的生产和维护管理的需要。通过基于卫星的高精度基准, 建立统一的时间同步系统, 统一电厂DCS、MIS、自动化控制装置、微机保护装置, 以及输煤、除灰、脱硫等控制装置的系统时间, 可较好地满足运行监控和事故后故障分析的需要。

卫星授时具有授时精度高、覆盖范围广等特点, 在各行各业特别是电力行业广泛应用。因GPS受美国军方控制, 在战时和危机时可控制敌方使用, 而不影响自己及盟友的正常使用, 使我国电力系统面临严重的安全隐患。

“北斗一号”卫星导航定位授时系统是我国完全自主的、继美国GPS和俄罗斯GLONASS后的全球第3个卫星导航系统, 具有定位、精密授时、通信三大功能。北斗系统具有优异的授时体制, 单向授时精度优于100ns, 双向授时精度优于20ns, 授时性能优于GPS。

北斗/GPS卫星同步授时系统针对焦作电厂时间同步现状需求, 为提高电力时钟同步的精度和卫星系统的可靠性和可维护性, 时间同步系统基于我国完全自主的北斗卫星导航系统和美国GPS, 卫星基准源采用北斗和GPS卫星双系统互为备份, 同时接收北斗和GPS系统卫星信号, 提供高精度的脉冲信号、时间码信号、串行时间信息和网络授时服务, 能较好的满足焦作电厂时间同步系统高精度、高可靠性的需要。

1 原理简述

电力北斗/GPS时间同步系统采用我国自主的北斗及GPS双卫星系统互为备用授时机制, 同时接收北斗与GPS卫星发送的时间同步信号, 获得外部时间基准信号;利用本地恒温晶体钟的短稳特性及卫星授时信号的长稳特性, 输出高精度的时间同步信号, 脉冲信号授时精度优于100ns。

时间同步系统主要由卫星接收天线、北斗高精度授时接收板、GPS接收模块、时频标数据处理单元、各应用处理单元和接口模块、系统应用软件等组成, 主要原理如图1所示。

北斗接收单元主要由北斗天线、高频、中频数据处理、多普勒校正与秒脉冲合成等模块组成, 主要完成卫星信号的接收与放大、滤波、信号的下变频、解扩解调、时间信息合成输出等功能。采用天线一体化设计、高精度时频时间合成技术、北斗卫星轨道预测等技术。

GPS接收单元接收GPS卫星信号, 产生时间信息和时频标信号。与北斗接收单元互为备用。恒温高稳钟提供高精度频率信号。

时间处理单元是设备的重要组成部分。卫星信号正常时, 依据卫星接收模块根据提供的授时信息, 维持高精度的时间信息, 输出到应用接口单元产生时间同步信号等。卫星信号异常时, 利用恒温晶钟提供的频率信号, 在一定时间段内维持一个高精度的时间信号输出。在本单元中采用了高精度时间维护等技术。

为满足不同设备对各种时间同步信号的需求, IRIG_B码生成单元合成IRIG_B DC码和AC码时间同步信号;脉冲生成单元生成不同接口类型的1PPS、1PPM、1PPH时间同步信号;NTP网络授时单元通过网口利用NTP协议对外授时, 实现计算机网络高精确度对时;人机交互单元观测设备工作状态, 设置设备工作方式、外部时间基准信号、输出接口类型等;告警及检测单元对系统的异常情况进行告警提示, 监测时间同步信号的接口。

网络授时软件支持Windows、Linux、UNIX操作系统, 基于SNTP、TCP/IP协议, 安装于需授时的计算机终端上, 使计算机时钟与时间服务器保持同步, 适用于实现局域网/广域网的时间同步。软件用户定制性强、界面人性化, 可为用户提供服务器列表维护、授时时间段定制、报警定制等功能。

2 技术指标

北斗/GPS时间同步系统, 是针对电力系统基于卫星授时的高精度、高可靠性的综合时频应用系统, 采用北斗/GPS双卫星系统互为备用工作模式, 可完全替代GPS授时产品, 满足电力系统的电厂、变电站、自动化等领域的时间和时钟同步需要。系统采用模块化设计, 可较好地满足电力系统未来发展和系统扩容的需要。系统的设备主要技术指标包括:

(1) 脉冲输出端口特性:

脉冲端口:1PPS/1PPM/1PPH各2路;

脉冲校时精度:1PPS优于50ns, 1PPM/1PPH优于500ns;

(2) 串行报文输出端口特性:

串行端口:RS232/RS485, 波特率可设;

(3) IRIG-B码输出端口特性:

IRIG-B端口:AC码、DC码各2路;

IRIG-B校时精度:25us;

(4) NTP网口输出端口特性:

NTP网口:1路, RJ45;

网络授时精度:小型局域网:<10ms;广域网:10ms～100ms;

(5) 告警输出端口特性:

告警端口:2路, 空接点输出;

(6) 电源供电:

100～260V交直流两用;

额定功率:50W, 功耗小于15W;

(7) 工作环境:

环境温度:-5～+40℃;

相对湿度:10%～90%;

大气压力:85～110kPa。

3 应用情况

北斗/GPS时间同步系统是针对电力系统时间、频率统一的综合保障系统, 可广泛应用于电厂的各个不同的系统, 便于构造整个电厂统一的时钟平台。在焦作电厂的应用主要包括:

(1) DCS:

分散控制系统 (DCS) 是电厂自动化装置的重要组成部分, 而且设备分散, 往往电厂内有多套DCS系统, 需要高精度的统一时间。北斗/GPS时间同步系统通过提供标准的时频基准信号, 不同场所的DCS都统一到标准时间, 提供高精度的时间同步服务;

(2) MIS:

MIS主要有生产管理系统、OA系统、财务MIS, 各系统之间相互独立, 需要统一的时间基准。北斗/GPS时间同步系统可采用串口或网口对MIS的各计算机、交换机、路由器等设备进行时间同步;

(3) 调度自动化系统:

电厂调度自动化要求主站端与远方终端 (RTU) 的时间同步。利用北斗/GPS时间同步系统分别对主站和远端进行时间同步, 统一各部分系统时间, 进行科学的调度和管理;

(4) 故障录波器:

微机故障录波器记录各故障发生的时间, 是分析故障的主要设备。利用卫星授时技术为每台故障录波器进行时间同步, 从而使全系统故障录波器时间同步, 有利于对故障进行分析;

(5) 功角实时监测:

通过同时测量系统两端电压之间的相位差, 可监视两端运行电气相角, 以满足控制调节应用的需要;

(6) 能量管理系统:

利用时间同步系统, 满足对电力周波、工频时钟和共频钟差测量的需要;

(7) 电子时钟:

电子时钟可安置在大厅、集控室、会议室和其他需要显示时间的场合。

4 应用效果

北斗/GPS时间同步系统项目符合国家产业政策要求, 基于北斗或GPS卫星进行高精度授时, 作为提供综合、集成、接口丰富的高精度时频保障平台, 具有授时精度高、可靠性高、接口丰富、应用范围广等特点, 可较好地统一电力设备和系统时间;项目具有较好的经济效益和社会效益。

通过对电力设备 (系统) 统一授时, 为生产调度系统、计算机监控系统、MIS系统、故障录波器、用电负荷管理系统、电能量记费系统、功角测量装置、各种输煤PLC、除灰PLC、化水PLC、脱硫PLC、周波测量等提供高精度的时间基准, 为实时掌握电厂的生产运行状况、故障定位、决策分析, 提供科学的决策依据和管理手段。

本项目基于北斗和GPS双卫星系统, 北斗和GPS卫星授时互为备份;同时设备自身具有较好的保护机制, 极大地提高了设备工作的可靠性。采用我国完全自主的北斗一号卫星导航系统, 授时精度优于GPS, 可满足电力系统高精度授时的需要。可完全替代GPS授时产品, 消除GPS安全隐患, 较好地满足焦作电厂未来发展的需要。

5 成果推广后的效益分析

我国十分重视北斗卫星导航系统建设和应用推广工作, 国家出台了“卫星导航应用产业化专项”和“关于加速推进北斗卫星导航系统应用有关工作的通知”, 由国家标准化委员会和信息产业部将北斗授时作为时频应用系统列入国家法定技术标准, 将进一步推动我国北斗卫星授时的广泛应用, 具有较好的发展前景。

电力北斗/GPS时间同步系统采用双时间源系统设计, 具备较高的时间同步精度和可靠性, 可代替同类的GPS产品;可用于电厂、电力自动化、变电站等领域。北斗/GPS时间同步系统在电力系统的广泛应用可有效提高电厂发电系统的运行稳定性, 提高电力系统的故障分析能力, 提供现代化的科学管理依据。

项目符合国家相关政策, 技术先进, 授时精度和可靠性高, 可较好地满足电力时间同步领域未来发展的需要;可广泛应用于电力系统、通信、交通军队等领域。系统接口丰富、规范, 可完全替代电力行业中使用的GPS相关产品, 应用前景广阔, 具有较好的社会效益和经济效益。

摘要：北斗卫星导航授时系统是我国完全自主的、继美国GPS和俄罗斯GLONASS后的全球第3个卫星导航授时系统, 具有优异的授时体制, 授时性能优于GPS。北斗/GPS系统卫星基准源采用北斗和GPS卫星双系统互为备份, 同时接收北斗和GPS系统卫星信号, 提供高精度的脉冲信号、时间码信号、串行时间信息和网络授时服务, 较好地满足电力时间同步系统高精度、高可靠性的需要。

GPS同步 第6篇

1 GPS含义

GPS即全球定位系统 (Global Position System) , 具有高精度、全天候、全球覆盖、连续实时性, 接受设备小巧灵活, 携带方便并且价格低廉等诸多优点。GPS系统主要由空间部分、地面部分、接收部分组成。空间部分主要用来确定我们所要定位的三维坐标, 即, 经度, 纬度, 高度。地面部分主要起监视和控制作用, 并保持星历的精度。接收部分是接收GPS定位、导航和授时信息的设备。

2 GPS与电量采集

在电力系统中利用GPS进行交流电量同步采集主要包括基于时间标签的交流电量同步采集与基于绝对时间的交流电量同步采集两种方法。基于时间标签的交流电量同步采集法是利用GPS接收板发出的串口时间信息和同步秒脉冲, 在测量系统内建立整个测量系统的实时时钟, 使测量系统可以在任意时刻读出精度达到1μs的时间;在采样过程中, 由DSP对该采样点打上时间标签;在对采样数据的处理过程中, 采用过零点比较的方法, 即比较被测信号与参考电压过零点的时间差, 进而换算出它们的相角差来。而基于绝对时间的交流电量同步采集法用高稳定晶振构成震荡电路产生一个稳定的采样频率, 并通过DSP以及GPS发出的同步秒脉冲来控制这个采样频率, 使其在某个预先设定的时间开始发出启动采样, 以此来保证各个采样装置在同一时间开始采样。

在电力系统同步采样过程中主要使用GPS的同步授时功能。

系统原理

主要思路是固定频率采样。利用DSP以及GPS发出的同步秒脉冲来控制由高稳定晶振构成震荡电路产生一个稳定的采样频率采样频率, 和采样启动时间, 以此来保证各个采样装置在同一时间开始采样。而GPS的定位和首饰功能确保了所有的采样装置的同步性。利用下一个秒脉冲到来的时候, 再将秒脉冲与采样频率同步一次的方法消除晶振电路振荡频率的误差给采样频率带来的积累误差 (如图1) 。

系统硬件设计

采用8031单片机作为交流电量同步采集器的单片机控制单元心执行行数据存储器和I/O口扩展功能。GPS接收板发出秒脉冲时, AD转换芯片完成对正常运行的输电线路两端电压、电流的同步采样功能。键盘部分有四个按键, 可以通过按键来实现功能选择。

GN-80型接收板作为GPS接收设备。CPU系统具有读取GPS接收板的串口数据, 提取UTC标准时间信息的功能。

软件设计

主要包括DPS程序设计USB程序设计等。

1 DSP程序设计

DSP编程主要是为了实现初始化、管理板上的资源以及前端数字信号处理。系统上电复位后, 依次完成配置RAM块, 设置1/0模式、定时器模式及中断等自身的初始化后进人循环状态。 (如图2)

2 USB程序设计

USB程序主要用来实现总线驱动程序及编写的功能驱动程序对设备的控制, 实现并检测主机和设备间的数据传输。本系统中USB使用了控制传输和块传输数据传输方式。

USB设备驱动程序主要是通过调用微软的USBD.SYS来实现PC机与USB总线的数据交换。通过USB把主控制器与设备的总线接口, 系统软件与逻辑设备, 客户软件与一组接口连接起来, 组成设备的基本功能单位。

3 GPS信息接收程序

GPS同步 第7篇

关键词：电力系统,GPS,时钟设备,实时监测

0 引言

随着电网的持续快速发展、电网规模的不断扩大, 西电东送、南北互供、全国联网的格局正在形成。为保证电网安全、经济运行, 各种以计算机技术和通信技术为基础的自动化装置在电力系统得到广泛应用。这些装置的正常工作, 离不开统一时间的基准。电网故障情况日益复杂, 特别是涉及多个电网节点故障的事故后分析, 常常暴露出时钟设备时间不同步的问题, 为事故的全面、客观、准确分析造成困难, 甚至严重影响结果的正确性。为解决这一问题, 有必要开发建设电网自动化系统时钟设备同步实时监测系统。目前电力系统已完成调度数据网的建设, 并达到实用化的要求, 这为实现实时监测电网时钟同步提供了技术条件。

1 电网自动化系统时钟设备同步实时监测系统实现

时钟系统实时监测包括: (1) 时钟源及质量监测:卫星秒波动及秒差引出了多源的必要性; (2) 时钟装置本体监测:基于模块化设计的时钟系统各板卡的工作情况及有无故障等。

1.1 研究基础

利用守时晶体的短期稳定性即可侦测出卫星系统连续发送的PPS秒同步信号是否发生抖动或异常。初始状态, 控制逻辑设置“强制同步”信号, 强制秒计数器进入锁定状态。秒计数器锁定后门限比较器, 比较秒计数器中的计数值和门限设置值。例如, 门限值设置为1 ms, 则当计数器中的计数值在0±1 ms内时, 门限比较输出高电平, 控制“同步允许门”打开, 以允许参考PPS来同步秒计数器。

1.2 系统实现

电网自动化系统时钟设备同步实时监测系统是以多源卫星同步时钟系统为中心节点, 调度中心、2个35 k V变电所为监视节点的实验网, 开展基于IEEE1588 (PTP) 协议的时间同步网的研究与试验, 开发主站管理系统对试验网内各厂站时间差进行监视与补偿, 为全网时间同步网打下基础。时钟设备同步实时监测系统主要是通过对卫星系统授出时间的精度和波动情况进行监测和评估, 通过了解掌握卫星系统授出时间的时间质量和时间差以及变换规律等指标, 提供用户应用依据, 从而更有效地指导卫星时间的应用, 确保时间系统的稳定可靠。

1.2.1 监测系统整体结构

本监测系统由2套主时钟、多媒体操作终端、监控计算机等部分组成 (图1) 。 (1) 卫星时钟主钟:共2套多源卫星时钟主钟, 分别包含GPS接入模块和北斗接入模块, 每个接入模块自行对卫星的秒信号进行监测, 并统一由装置上的网络模块送出。时钟上还包括其他一些接口模块, 用于常规的授时功能。 (2) 多媒体操作终端:10″TFT真彩触摸液晶屏, 通过网络和卫星时钟主钟相连, 具备查看、存储监控状态, 查看秒质量曲线和历史异常事件, 参数设置, 维护时钟系统等功能, 与时钟一起组屏。 (3) 监控服务器:维护监控历史数据库, 配置客户端软件, 完成和多媒体终端类同的功能。同时配备其他附属处理软件, 实现更为专业的分析功能。

1.2.2 多源卫星同步时钟主控模块设计

主控模块负责接收卫星授时信号, 并向总线广播基准秒脉冲、时间报文等。在卫星信号正常时, 输入GPS将不停同步复位模块中的秒计数器, 并向总线输出PPS;当失去卫星信号时, 计数器输入将切换到由晶体输入计数。主控模块由此进入守时状态, 并持续向总线提供时间基准信号。

总线上共3个模块, 1个GPS, 1个北斗, 1个铷原子钟。铷原子钟为主授时模块, 由其输出时间。GPS和北斗模块分别自己侦测输入的PPS波动情况, 同时还会比较自己输出的PPS和总线的PPS之间的差, 知道这几个值之后几个模块分别将信息公布到总线, 然后由一个网络模块负责收集并输出。铷原子钟则通过收集GPS和北斗模块公布的和总线秒间的差来反映自身和各卫星系统间的偏差, 而后综合数据进行跟踪。

工作中关键问题的解决: (1) 改进前:硬件直接同步。将输出的参考PPS信号直接对计数器进行清零操作, 输出的参考PPS信号直接被送秒计数器的清零端, 如果输入的一个PPS其偏差在允许范围之外, 则该PPS会被逻辑门隔开;而当一个PPS其偏差在允许范围内, 则该PPS的波动则会被实际反映到输出端。为了提高输出的稳定性和系统性能, 设计时对此作了改进。 (2) 改进后:采用捕获值和匹配值的方式。该方式中计数器一直处于计数状态, 当输入PPS到来时, 触发输入捕获寄存器从秒计数器中捕获一个当时时刻的计数值, 并且该值可以被处理器随后取出。而在输出方面, 处理器在输出匹配寄存器中写入一个值, 当计数器的计数值与输出匹配寄存器的值匹配 (相等) 时会触发一个输出脉冲, 也即输出授时PPS。处理器通过提取输入捕获寄存器的值, 并与上次的捕获值比较, 求取当前秒的波动情况。经过滤波算法处理后, 决定输出匹配寄存器的值, 以调整输入与输出的同步关系。该方式可以很容易地通过软件介入方式控制同步过程, 比原先采用硬件同步方式的结构具有更高的可控性、更灵活的算法处理和更为安全稳定的输出时间质量 (小波动惰性靠近, 保证脉冲平稳输出) 等优点。

1.2.3 主站管理系统实现

该系统开发主要包括数据库结构的设计和应用程序功能模块的设计。对于前者要求建立起数据一致性和完整性强、数据安全性好的数据库, 对于后者则要求实现功能完备、易于使用、界面友好的实用程序模块。

本系统软件设计采用Delphi开发工具, 利用Delphi提供的面向对象的技术, 尤其是数据窗口这一能方便而简洁地操纵数据库的智能化对象, 在短时间内建立系统应用原型, 然后对原型系统进行需求迭代, 通过不断修正和改进, 最终实现操作方便、功能完善的监测系统。系统分为数据采集、数据储存、监测界面等模块, 监测界面模块提供即时工况、历史资料、历史事件等信息。

1.2.3. 1 数据查询模块

可查询数据主要包括卫星时钟工况、秒差状况、秒波动状况、锁星状态、锁星颗数、失步秒数、周波值等, 通过图表和曲线方式显示。

1.2.3. 2 数据处理模块

本部分主要是实现对时钟的秒差值、秒波动值、卫星锁定状况、时钟工况等信息在某一时间段内进行统计。本模块能显示在所选时间段内的时钟设备运行状况概览, 如锁定总秒数、失锁总秒数等, 可进行日、月、年的统计。

1.2.3. 3 数据库设计

(1) 数据库为oracle 9.0, 具有良好的可靠性、可扩性, 便于数据规模的不断扩充和数据之间形成的结构不断提高, 适应新应用程序的不断加入和旧应用程序的修改; (2) 标准化程度高, 符合标准SQL数据库语言的规范; (3) 简单灵活, 容易掌握使用, 支持Client/Server模式的应用; (4) 具有可靠的数据安全保密措施及故障恢复能力; (5) 使用开放式数据互连 (ODBC) 技术, 拥有支持该数据库管理系统的功能强大的第三方开发工具; (6) 提供对数据库表中数据的类型检查、规则限制、默认值管理等功能; (7) 支持关系型数据库管理系统。

2 系统应用及效果分析

通过监测系统的研究、应用, 达到了对各卫星系统授出时间的精度和秒波动、秒质量等进行监测和评估的目的;实现了对电网时钟设备的实时在线远方监测, 大大提高了对时钟设备的管理水平, 可及时发现现场时钟系统故障与异常并及时处理消缺。主站管理系统采集数据的存档、分析具有良好的人机界面。电网自动化系统时钟设备同步实时监测系统建成试运行以来, 运行稳定。监测系统根据采集到的误差信息发出告警, 根据需要切换应用时钟源并提供监测报告。系统的实现改变了以往因时间同步装置运行工况、时间同步精度无监测手段, 时钟失步时难以发现的现状。

3 结语

随着电网规模的扩大和自动化水平的提高, 电网调度实行分层多级管理, 调度管理中心远离现场。为保证电网安全和经济运行, 各种以计算机技术和通信技术为基础的自动化装置被广泛应用, 不仅变电站、发电厂和调度中心内部众多与时间有密切关系的自动化设备和数字化控制系统对统一、精确授时的依赖程度越来越高, 而且电网内对发生事件的记录, 如电网故障时刻的确认、事件记录和告警时间的准确统一等对时间精度的要求也越来越高。建设统一时间同步网, 既可实现全网各系统在统一时间基准下的运行监控, 也可通过各开关动作的先后顺序来分析事故的原因及发展过程。所以, 进一步研究时钟设备同步监测系统时钟精度监测标准及实现技术, 使其更全面、准确地反映卫星时钟系统对时精度及工作状态十分必要。

参考文献

[1]蒲利春.GPS在电力系统中的应用.攀枝花学院学报, 2004, 21 (5) :105～107

[2]陈炯聪, 赵永发.GPS技术在变电站中的应用.广东电力, 2006, 19 (7) :48～50

GPS同步 第8篇

目前,许多重要领域,如电力系统、通信系统、工业自动化系统等,都需要依赖同步时钟进行实时地调度和控制。这些应用对分布式系统内时钟的一致性和精确性要求不断提高。

目前,电力系统主要以GPS作为同步时钟,但由于不同种类和型号的电力自动化装置所要求的对时信号形式不尽相同,装置内部对于对时信号的处理方式和信号传输延时也不尽一致,这些因素给装置的时钟同步精度造成了影响[1]。特别是,随着大型互联电力系统规模的不断扩大,利用广域测量系统(WAMS)对互联电力系统进行有效的监测和调节,成为保障电力系统安全稳定运行的关键。而全局同步时钟是电力系统广域测量的必要前提,其对时钟同步的要求非常高。同步相量测量技术及以其为基础的广域测量系统已在电力系统的实时监测中得到了应用,相量测量要求对时精度达到1μs[2]。因此,研究满足电力系统对精度和可靠性要求的同步时钟非常重要。

针对在网络上实现高精度时钟同步这一问题,许多学者展开了大量研究,提出了许多有价值的解决方案[3,4,5]。2002年,出现了一种用于测量和自动化领域中的高精度网络时钟同步协议:IEEE-1588协议[6],该协议的主要原理是通过一个同步信号周期性地对网络中所有节点的时钟进行校正同步,可以使基于以太网的分布式系统达到精确同步。

本文基于GPS和IEEE-1588协议,利用FPGA实现了一种可靠性和精度较高、满足电力系统广域测量系统要求的时钟同步装置。该装置支持NMEA-0813标准解析GPS报文、IEEE-1588实现网络时钟同步和IRIG-B码的解析和编码;同时提供多种授时接口,其授时信号有秒脉冲、串口时间报文、IRIG_B码。该装置具有同步精度高(小于1μs)、可靠性好、适用面广的特点,可以满足电力系统中广域测量、线路行波故障测距等的要求。

1 基于GPS和IEEE-1588的时钟同步原理

GPS具有时间精度高,价格低等优点,将其作为同步时钟的公共时间基准具有突出的优越性。2008年又颁布了IEEE-1588的改进版本2.0,该版本进一步提高了精度,支持纳秒级别的同步精度[7]。该协议具有适用于采用多播技术的网络(以太网)和总线,占用网络带宽小,对系统资源要求低等优点。采用GPS和IEEE-1588协议相结合的同步原理可以满足电力系统广域测量对时钟同步的要求[8]。

基于GPS和IEEE-1588的同步原理如图1所示,分布式系统根据地理因素等分为若干子网,在子网内部选择一个节点作为主时钟,基于IEEE-1588协议,主时钟通过交换机对网络中所有从时钟进行同步,各子网之间的主时钟通过GPS实现同步。该方法减少了GPS模块的使用量,IEEE-1588协议极大地提高了网络内各节点的同步精度。同步网络中的智能电子设备(IED),如数字化变电站中的保护IED、PMU、电子式互感器的合并单元等,通过这种同步原理可以获得精确的同步时钟。

2 装置硬件设计

FPGA具有集成度高、稳定性好、设计周期短等优点,易集成到应用系统中,特别适用于复杂逻辑的设计。如图2所示,装置主要由FPGA、ARM9微处理器、高精度GPS接收器、网络控制器LAN91C111、网络驱动器LXT972A、RJ_45、恒温晶振、RS485、RS232、空接点等构成。

FPGA首先完成IRIG-B解码、GPS解析及预处理、控制1588同步过程的功能,并根据预置的优先级顺序,将优先级最高的同步信号作为同步源校正本地时钟;其次在MII处检测和标记同步报文,与ARM配合实现基于以太网的1588同步;最后提供IRIG-B码、PPS、时间报文授时信号。ARM9实现1588协议栈的高层(应用层、传输层和网络层)以及液晶显示等。数据链路层和物理层分别由LAN91C111和LXT972A实现。

2.1 GPS解析与预处理

根据NMEA-0813标准格式解析$GPZDA报文,其语法格式如下:

如图3所示,解析时、分、秒数据,对本地时钟对时,同时利用GPS_PPS脉冲将时钟的纳秒计数器清零。在使用GPS_PPS脉冲之前要进行预处理。首先判断GPS接收机锁星是否正常(大于3颗为正常),若发现锁星异常,则屏蔽GPS的秒脉冲,利用FPGA生成PPS脉冲[9];其次由于GPS秒脉冲在传递过程中可能受外部电磁干扰而夹杂着伪脉冲,需要进行抗干扰处理[10],干扰产生的伪PPS脉冲可能导致错误对时。

2.2 实现1588同步

设置LAN91C111相关寄存器可以禁用片内PHY收发器,通过MII接口与以太网收发器LXT972A相连,MII接口同时接入FPGA,从而检测和标记同步报文。MII总线以半字节方式双向传输数据。如图4所示,IEEE-1588协议规定同步报文到达或离开节点的标记时刻为在帧开始标志字节的最后一位的结束和MAC目的地址第一个字节的第一位到来之前。在主节点处标记Sync报文的离开时刻Tm1,在所有的从节点处标记该报文的到达时刻Ts1;从节点处标记Delay_req报文的离开时刻Ts2,在主节点处标记该报文的到达时刻Tm2。

检测报文的方法[11]是从帧开始标志结束后,将报文数据流中的MAC地址、报文类型和UDP端口号记录下来,并与已知的MAC地址、报文类型和UDP端口号比对,只有匹配才有可能是同步报文。

IEEE-1588的2.0版本有了较大的改进,如引入点对点延迟请求消息模式、透明时钟模型等。点对点延迟请求是一种新的专门用于测量两个端口间平均网路延迟时间的独立消息模式,这种模式可以测量同步域中任意两点之间的平均网路延迟时间,而且可以在任意时刻进行任意次的测量。作为边界时钟模型的替代方案,透明时钟模型的建立使得网络连接设备对PTP事件信息包的处理变得简单、易于实现,降低了PTP协议的实施难度。

2.3 B码的编码与解码

IRIG-B格式时间码(简称B码)为国际通用时间格式码,将脉冲对时的准时沿和串口报文对时的时间数据结合在一起,克服了不包含绝对时标信息的缺陷,得到了广泛的应用。具体编码格式见文献[12]。该装置B码的编码输出(1为IRIG-B码,2为GPS_PPS)如图5所示,可以看出IRIG_B码帧参考点PR的上升沿与GPS_PPS脉冲的上升沿对齐。

解码原理就是利用计数器1对输入信号的脉宽进行计数,根据计数值识别码元为0’或1’或标志位。具体方法是采用1 MHz时钟对码元脉宽计数,0’、1’、标志位对应的计数值分别为2 000、5 000、8 000。计数值连续出现两次8 000表示帧的开始,从而确定PR参考点。使用计数器2对100个码元计数,PR作为计数清零标志,根据计数值识别当前码元的位置。根据编码规则解析出相应码元表示的时间信息,如图6所示。

2.4 时钟计时方法和平滑修正方法

计时时钟的工作时钟CLK为100M,由外部恒温晶振经FPGA内部PLL倍频获得。32位reg_s和reg_ns寄存器分别存放计s和ns时间值。通过对CLK的上升沿计数,每计到10时,计数值清零同时reg_ns的值增加100。reg_ns计满109后reg_s的值加1,同时reg_ns清零。

为了避免时间出现跳跃或倒退现象,装置采用平滑修正方法,其流程如图7所示。

每周期的平滑修正是以en_offset信号的上升沿为起始,然后判断本地时钟的快慢状态。前面我们知道正常计时CLK的计数值为10。计时时钟处于慢情况时,将CLK的计数值改为1,即每一个CLK的上升沿时钟值增加100 ns,从而慢偏差便减少90ns。计时时钟处于快情况时,将CLK的计数值改为100,即每100个CLK周期时钟值增加100 ns,从而快偏差减少900 ns;当offset的值小于900时,将CLK的计数值再改为20,即每20个CLK周期时钟值增加100 ns,快偏差减少100 ns。平滑修正过程如图8所示。

3 测试结果

3.1 装置同步性能测试

GPS接收机主要指标如下:输出$GPZDA格式的报文,1PPS脉冲精度为50 ns,1 s更新一次数据。由于将解析后的GPS_PPS脉冲和时间数据直接对本地时钟进行对时,因此同步误差主要取决于GPS接收机的精度。装置输出的PPS与GPS_PPS误差不超过50 ns。以下主要说明1588的同步误差,如图9所示为时钟同步的测试平台。

将经过GPS对时的装置作为主时钟,另一台为从时钟,两者间经边界时钟相连。FPGA板产生100M的计时时钟,并锁存接收主从PPS上升沿的当前时间,最后将锁存的时间和来自主时钟的时间数据一起通过网络发送给PC机,PC机利用上层软件比较主从时钟PPS上升沿锁存的时间数据,绘制出如图10所示的主从时钟间同步误差曲线。

图10为大约3 h的测试结果,横坐标为主时钟时间(转化为秒),纵坐标为主从时钟PPS上升沿的误差。从曲线上可以看出,1588同步时主从时钟同步装置的同步误差稳定在500 ns以内,可以满足同步误差不超过1μs的精度要求。

IRIG_B码同步测试如下:装置分别通过约2 m(图11左)和10 m(图11右)的同轴电缆向被授时装置提供IRIG_B码同步信号,被授时装置同时接收来自高精度GPS授时模块提供的GPS_PPS信号。在被授时装置端通过示波器观测的信号如图11所示。

3.2 应用于PMU中进行同步相量测量

装置在PMU测量中的作用:一方面在PPS触发下驱动AD同时对三相电压、电流信号采样;另一方面为电网实时电压相量、电流相量、频率等参数信息打上全网统一时间标签,以观测各节点的同步状态。PMU测量平台如图12所示。

WDT-IIC为电力系统综合自动化试验台。两台PMU配有该时钟同步装置,它们之间通过1588进行同步,同时对DDZ-II中发电机输出的三相电压进行测量。比较两台PMU的相角测量值,可以得到如图13所示的两台PMU的相角测量差值。

其中横坐标为测量的统一时间标签,纵坐标为相角误差,单位为度。从曲线中我们可以看出相角误差不超过0.5°,满足了预期的精度要求。

4 结束语

本文基于GPS和IEEE-1588协议,利用FPGA实现了一种可靠性和精度较高的时钟同步装置。并设计了相应的实验对所设计的装置进行了测试。测试结果表明,可以满足电力系统广域测量系统对时钟同步的精度要求。该装置的同步精度还可以进一步提高,例如,在物理设备上使用IEEE-1588透明交换机、高精度温补晶振、高速网络等;在FPGA逻辑设计中使用晶振补偿法和Offset偏差滤波法等。

参考文献

[1]郜洪亮,刘遵义.基于GPS和FPGA的便携式高精度同步时钟的研制[J].电力系统保护与控制,2009,37(2):81-87.GAO Hong-liang,LIU Zun-yi.Development of a portable synchronous clock with high precision based on GPS and FPGA[J].Power System Protection and Control,2009,37(2):81-87.

[2]张信权,梁德胜,等.时钟同步技术及其在变电站中的应用[J].继电器,2008,36(9):69-71.ZHANG Xin-quan,LIANG De-sheng,et al.Time synchronization and its application in substation[J].Relay,2008,36(9):69-71.

[3]ZHANG Ming-hu,SHEN Sen-zu,SHI Jian,et al.Simple clock synchronization for distributed real-time systems[C].//2008IEEE International Conference on Industrial Technology,April21-24,2008,Chengdu:1-5.

[4]Han Jiho,Jeong Deog-Kyoon.Practical considerations in the design and implementation of time synchronization systems using IEEE-1588[J].IEEE Applications&Practice Magazine,2009,47(11):82-86.

[5]陈永标.IEEE-1588时间精确同步协议(PTP)在电力系统应用的可行性研究[D].上海:上海交通大学,2009.CHEN Yong-biao.Feasibility study upon the application of IEEE-1588precision time synchronization protocol(PTP)in electric power system[D].Shanghai:Shanghai Jiao Tong University,2009.

[6]IEEE.IEEE Std1588--2002IEEE standard for a precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems[S].New York:The Institute of Electrical and Electronics Engineers,Inc,2002.

[7]IEEE.IEEE Std1588--2008IEEE standard for a precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems[S].USA:IEEE Instrumentation and Measurement Society,2008.

[8]HUANG Qi,JING Shi,et al.Design and implementation of a power system sensor network for wide-area measurement[C].//2008International Symposium on Computer Science and Computational Technology,Dec20,Shanghai,2008:796-799.

[9]杨永标,杨晓渝,周捷.利用FPGA实现GPS失步下精确守时[J].电力自动化设备,2007,27(7):109-112.YANG Yong-biao,YANG Xiao-yu,ZHOU Jie.Realize accurate timing with FPGA during GPS synch failure[J].Electric Power Automation Equipment,2007,27(7):109-112.

[10]张鹏,王少荣,程时杰.电网状态监测系统GPS同步时钟的稳定性研究[J].继电器,2004,32(23):19-20.ZHANG Peng,WANG Shao-rong,CHENG Shi-jie.Stability study of GPS synchronous clock in the status monitoring system of power network[J].Relay,2004,32(23):19-20.

[11]魏丰,孙文杰.IEEE1588协议时钟同步报文的精确时间标记方法研究[J].仪器仪表学报,2009,30(1):163-169.WEI Feng,SUN Wen-jie.Precise time stamping method for IEEE1588clock synchronization message[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2009,30(1):163-169.