CN101667010A - Gps同步时钟载波电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的GPS同步时钟载波电源包括同步时钟模块、调制模块、直流电源模块、用于传递高频调制同步时钟信号的载波电源传输线和N个解调模块，N为接入的同步测控装置总数。该GPS同步时钟载波电源通过调制模块，将基于GPS接收器的同步时钟模块输出的同步时钟信号(如1PPS秒脉冲、UTC时间信息)与直流电源调制成一种带同步时钟信息的载波电源，并通过载波电源传输线送往电力***监控终端子站内的各种同步测控装置，同步测控装置则通过解调模块，获得其工作所需的高精度同步时钟信号和直流电源。本发明不但可简化现场同步测控装置的结构(省去了电源模块和GPS接收器)、降低成本，而且可使终端子站内的同步测控***的布局更加紧凑、灵活、合理。
Description
技术领域
本发明涉及GPS同步时钟载波电源，适用于为电力***监控终端子站内的各种同步测控装置提供其工作所需的高精度同步时钟信号和直流电源。
背景技术
电力***是时间相关***，无论电压、电流、相角、功角变化都是基于时间轴的波形。近年来，超临界、超超临界机组相继并网运行，大区域电网互联，特高压输电技术得到发展。电网安全稳定运行对电力自动化设备提出了新的要求，尤其是时间同步问题，诸如继电保护装置、自动化装置、安全稳定控制***、能量管理***(EMS)和生产信息管理***等产生或应用的电力***相关信息，都将基于统一的时间基准。特别是事件顺序记录(SOE)、故障录波、实时数据采集等，是确保线路故障测距、相量和功角动态监测、机组和电网参数准确性实时校验，以及电网事故分析、提高稳定控制水平等的基础保障，对时间一致性的要求更高。未来数字电力技术的推广应用，对时间同步的要求会更高。
GPS因其授时精度高达±1μs而成为目前电力***中普遍应用的同步时钟源，并通过安装GPS接收器获得高精度同步时钟信号。如果电力***中的每个同步测控装置(设备)都单独配置GPS接收器，则不但导致电厂、变电站、调度中心大楼等楼顶天线林立，并造成空间和资源浪费，而且使同步测控***布局复杂化、扩展困难化。
所以，若能做到仅用一个GPS接收器即可实现为同一监控终端子站内的所有同步测控装置提供同步时钟信号，则可有效解决资源浪费现象，并能使终端子站内的同步测控***布局更加合理、紧凑。
发明内容
本发明的目的是提供一种GPS同步时钟载波电源，该GPS同步时钟载波电源可实现只需采用一个就能为电力***同一监控终端子站内的所有同步测控装置提供同步时钟信号和直流工作电源。
本发明的GPS同步时钟载波电源，包括同步时钟模块、调制模块、直流电源模块、用于传递高频调制同步时钟信号的载波电源传输线和N个解调模块，N为接入的同步测控装置总数；其中，
同步时钟模块包括：
-GPS接收器，接收来自轨道卫星的国际标准UTC时钟信息，输出全球同步的1PPS秒脉冲和UTC时钟信息同步时钟信号；
-守时钟电路，与GPS接收器的1PPS秒脉冲信号输出端及处理器相连，在GPS接收器输出的1PPS秒脉冲有效时直接输出1PPS秒脉冲信号并对其进行同步跟踪，无效时输出判断失效时锁定的同步1PPS秒脉冲；
-处理器，与GPS接收器的1PPS秒脉冲信号输出端和UTC时钟信息同步时钟信号输出端相连，输出GPS接收器的UTC时钟信息，并根据GPS接收器输出的1PPS秒脉冲判断GPS是否失锁，来控制守时钟电路的输出信号；
调制模块包括：
-调制器A和调制器B，调制器A的输入端接同步时钟模块的1PPS秒脉冲信号输出端，将1PPS秒脉冲信号调制成MHz级的调制时钟信号，调制器B的输入端接同步时钟模块的UTC时钟信息输出端，将UTC时钟信息调制成MHz级的调制时钟信号；
-载波信号合成变压器，为三绕组变压器，用于将调制器A和调制器B输出的调制时钟信号合成并加载到载波电源传输线上，变压器原边两个绕组分别与调制器A和调制器B的输出端相连，副边一个绕组串接在直流电源模块输出端和载波电源传输线之间。
-由磁环和第一电容构成的高频隔离器，磁环上有两个线圈匝数绕组，两个绕组的一对同名端分别和直流电源模块的两个电极相联接，两个绕组的另一对同名端经过第一电容旁路后，跨接在载波信号合成变压器副边和载波电源传输线之间，构成高频通道；
每个解调模块包括：
-解调器A和解调器B，解调器A和解调器B的输入端均并联在载波电源传输线上，解调器A解调出供给一个同步测控装置的1PPS秒脉冲信号，解调器B解调出供给一个同步测控装置的UTC时钟信息；
-由两个电感和第二电容构成高频阻波器，两个电感的首端分别与载波电源传输线的两条线路连接。两个电感的末端分别与第二电容的两端及一个同步测量装置的两个电源输入端相连。
本发明中所说的解调模块可以置于现场同步测控装置内，也可以置于同步测控装置外，独立成单元。
本发明的有益效果在于：
本发明的GPS同步时钟载波电源通过调制模块，将基于GPS接收器的同步时钟模块输出的同步时钟信号(如1PPS秒脉冲、UTC时间信息)与直流电源调制成一种带同步时钟信息的载波电源，并通过载波电源传输线送往电力***监控终端子站(变电站、电厂等)内的各种同步测控装置(如RTU、PMU、SMU等)，同步测控装置则通过解调模块，获得其工作所需的高精度同步时钟信号和直流电源。
采用本发明可使监控终端子站内各种同步测控装置的工作电源和高精度同步时钟信号由一独立的被加载了GPS时钟信号的同步时钟载波电源模块统一提供，简化了同步测控装置的结构(省去了电源模块和GPS接收器)，降低了成本，而且可使终端子站内的同步测控***布局更加紧凑、灵活、合理。
附图说明
图1是GPS同步时钟载波电源原理结构图；
图2是同步时钟模块原理结构图；
图3是调制器A和B的电路图；
图4是解调器A和B的电路图；
图5(a)是1PPS秒脉冲调制前、后及其解调后的波形，(b)为1PPS秒脉冲调制前、后及其解调后波形上升沿局部放大图。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本发明。
参照图1，GPS同步时钟载波电源，包括同步时钟模块1、调制模块2、直流电源模块3、用于传递高频调制同步时钟信号的载波电源传输线5和N个解调模块4，N为接入的同步测控装置总数；其中，
同步时钟模块1包括(见图2)：
-GPS接收器1.0，接收来自轨道卫星的国际标准UTC时钟信息，输出全球同步的1PPS秒脉冲和UTC时钟信息同步时钟信号；
-守时钟电路1.1，与GPS接收器1.0的1PPS秒脉冲信号输出端及处理器1.2相连，在GPS接收器输出的1PPS秒脉冲有效时直接输出1PPS秒脉冲信号并对其进行同步跟踪，无效时输出判断失效时锁定的同步1PPS秒脉冲；
这里，守时钟电路1.1可以由高精度晶振和可编程逻辑芯片构成。能够在有限时间段内确保输出同步1PPS脉冲的同步精度在±1μs范围内。
-处理器1.2，与GPS接收器1.0的1PPS秒脉冲信号输出端和UTC时钟信息同步时钟信号输出端相连，输出GPS接收器1.0的UTC时钟信息，并根据GPS接收器1.0的1PPS秒脉冲信号判断GPS是否失锁，来控制守时钟电路1.1的输出信号。
当GPS未失锁时，直接输出GPS接收器1.0的UTC时钟信息并控制守时钟电路1.1直接输出GPS接收器1.0的1PPS秒脉冲并对其进行跟踪；否则，修正输出GPS接收器1.0的UTC时钟信息并控制守时钟电路1.1输出锁定的同步1PPS秒脉冲。
调制模块2包括：
-调制器A和调制器B，调制器A的输入端接同步时钟模块的1PPS秒脉冲信号输出端，将1PPS秒脉冲信号调制成MHz级的调制时钟信号，调制器B的输入端接同步时钟模块的UTC时钟信息输出端，将UTC时钟信息调制成MHz级的调制时钟信号。
所说的调制器A和调制器B均如图3所示，包括非门Q1、与门Q2、三极管T1和振荡源发生器P；对输入的时钟信号进行FSK调制。
调制器A工作原理如下：同步时钟模块输出的1PPS秒脉冲经非门Q1反相后(GPS输出的1PPS秒脉冲信号低电平有效，若高电平有效则不反相)，再通过与门Q2与振荡源发生器P产生的1MHz脉冲序列信号相“与”，然后经高频功率三极管T1放大驱动后送往载波信号合成变压器2.2；(1PPS秒脉冲信号调制前、后的波形见图5(a)，上面一条曲线为输入的1PPS秒脉冲的方波信号，调制后形成中间一条曲线)。
调制器B的工作原理和调制器A完全一致，但是调制器B输入的是UTC时钟信息(是一个串行通讯码的脉冲序列)，且调制频率为0.1MHz，以便和1PPS秒脉冲的调制频率错开，保证两者同时工作。
-载波信号合成变压器2.2，为三绕组变压器，用于将调制器A和调制器B输出的调制时钟信号合成并加载到载波电源传输线上，变压器原边两个绕组分别与调制器A和调制器B的输出端相连，副边一个绕组串接在直流电源模块3输出端和载波电源传输线5之间。
-由磁环2.1和第一电容C1构成的高频隔离器，磁环2.1上有两个线圈匝数绕组，两个绕组的一对同名端分别和直流电源模块3的两个电极相联接，两个绕组的另一对同名端经过第一电容C1旁路后，跨接在载波信号合成变压器2.2副边和载波电源传输线5之间，构成高频通道；
磁环2.1起抗共模干扰作用，磁环2.1上的两个绕组采用同名端在同一侧的接法，对负载电路中的电流无抑制作用，但是对直流电源模块和各个负载之间的电位浮动具有抑制作用，即具有抗共模干扰作用，第一电容C1起滤波和高频旁路作用；第一电容C1对高频信号有低阻抗特性，用来滤除直流电源输出端的高频干扰，并为高频载波信号提供通道，磁环2.1和第一电容C1相配合，可保证载波电源输出免受干扰，提高工作可靠性。
直流电源模块3，提供同步测控装置所需的工作电源(+12V、+24V等，根据实际需要选择)，可由大容量电池或AC/DC转换电路构成。
每个解调模块4包括：
-解调器A和解调器B，解调器A和解调器B的输入端均并联在载波电源传输线上，解调器A解调出供给一个同步测控装置的1PPS秒脉冲信号，解调器B解调出供给一个同步测控装置的UTC时钟信息；
-由两个电感L11、L12和第二电容C2构成高频阻波器，两个电感L11、L12的首端分别与载波电源传输线5的两条线路连接，两个电感L11、L12的末端分别与第二电容C2的两端及一个同步测量装置的两个电源输入端相连。高频阻波器用于隔离载波电源传输线5和同步测控装置，确保载波信号能量不外泄。阻波器对直流电流不起作用，可为同步测控装置提供直流工作电源。
所说的解调器A和解调器B如图4所示，都由调谐电路、高频放大电路、检波电路和信号还原电路4部分组成。其中：
调谐电路由电容C5和高频信号变压器TL1的一次绕组构成，电容C5和信号变压器TL1的一次绕组并联，形成并联谐振电路。并联谐振电路与电容C4串联后并联到载波电源传输线5。谐振电路的工作点设置在解调器A和解调器B各自的频率工作点上。工作时，载波电源传输线5中含有两个频率的载波信号，解调器A和解调器B中的谐振电路分别在这两个载波频率上产生谐振，并通过高频信号变压器TL1的二次绕组耦合到高频放大电路的输入端。
高频放大电路由高频信号变压器TL1的二次绕组、高频晶体管T2、电容C6、电阻R2和高频扼流电感GZL构成。其中，电阻R2和高频扼流电感GZL提供直流静态工作点；电容C6在高频下可以提供信号通路；高频扼流电感GZL在高频下起高阻作用。高频信号由高频信号变压器TL1的二次侧输出到高频晶体管T2的基极，经过高频管晶体管T2放大后输出到检波电路。
检波电路由二极管D1、电阻R3、R4、电容C7、C8构成，二极管D1和电容C7构成半波充放电电路，电阻R3、R4为放电电阻，由高频放大电路输出的信号载波信号经过半波检波后，经过电容C8提供的高频通道输出到单稳触发器。
信号还原电路为一个单稳触发器，当电容C8输出信号维持高电平时，单稳电路输出为高电平，而当电容C8输出信号为低电平时，单稳电路输出信号维持一个固定时延后输出低电瓶，被还原成1PPS(UTC)同步时钟信号，输出到同步测控装置。
解调器A的1PPS秒脉冲波形见图5。图5(a)中给出了1PPS秒脉冲的调制结果波形，上面一条曲线为输入的1PPS秒脉冲方波信号，调制后形成中间一条曲线，解调后，得到下面一条曲线。由图5(b)的上升沿局部放大图可见，解调后的1PPS秒脉冲信号比调制前的标准信号的上升沿之间存在2μs左右的固定时间延迟，该延迟可以在同步测控装置内的相位修正算法中进行补偿。
载波电源传输线5，用于传递高频调制同步时钟信号。可以选用屏蔽性较好的同轴电缆或带屏蔽网的双绞线，以减小线路上高频信号对外辐射，降低对所经区域通信等设备的干扰，并有效避免外部信号对线路上载波信号的干扰。
Claims (3)
1.GPS同步时钟载波电源，其特征在于包括同步时钟模块(1)、调制模块(2)、直流电源模块(3)、用于传递高频调制同步时钟信号的载波电源传输线(5)和N个解调模块(4)，N为接入的同步测控装置总数；其中，
同步时钟模块(1)包括：
-GPS接收器(1.0)，接收来自轨道卫星的国际标准UTC时钟信息，输出全球同步的1PPS秒脉冲和UTC时钟信息同步时钟信号；
-守时钟电路(1.1)，与GPS接收器(1.0)的1PPS秒脉冲信号输出端及处理器(1.2)相连，在GPS接收器输出的1PPS秒脉冲有效时直接输出1PPS秒脉冲信号并对其进行同步跟踪，无效时输出判断失效时锁定的同步1PPS秒脉冲；
-处理器(1.2)，与GPS接收器(1.0)的1PPS秒脉冲信号输出端和UTC时钟信息同步时钟信号输出端相连，输出GPS接收器的UTC时钟信息，并根据GPS接收器(1.0)输出的1PPS秒脉冲判断GPS是否失锁，来控制守时钟电路(1.1)的输出信号；
调制模块(2)包括：
-调制器A和调制器B，调制器A的输入端接同步时钟模块的1PPS秒脉冲信号输出端，将1PPS秒脉冲信号调制成MHz级的调制时钟信号，调制器B的输入端接同步时钟模块的UTC时钟信息输出端，将UTC时钟信息调制成MHz级的调制时钟信号；
-载波信号合成变压器(2.2)，为三绕组变压器，用于将调制器A和调制器B输出的调制时钟信号合成并加载到载波电源传输线上，变压器原边两个绕组分别与调制器A和调制器B的输出端相连，副边一个绕组串接在直流电源模块(3)输出端和载波电源传输线(5)之间；
-由磁环(2.1)和第一电容(C1)构成的高频隔离器，磁环(2.1)上有两个线圈匝数绕组，两个绕组的一对同名端分别和直流电源模块(3)的两个电极相联接，两个绕组的另一对同名端经过第一电容(C1)旁路后，跨接在载波信号合成变压器(2.2)副边和载波电源传输线(5)之间，构成高频通道；
每个解调模块(4)包括：
-解调器A和解调器B，解调器A和解调器B的输入端均并联在载波电源传输线上，解调器A解调出供给一个同步测控装置的1PPS秒脉冲信号，解调器B解调出供给一个同步测控装置的UTC时钟信息；
-由两个电感(L11、L12)和第二电容(C2)构成高频阻波器，两个电感(L11、L12)的首端分别与载波电源传输线(5)的两条线路连接，两个电感(L11、L12)的末端分别与第二电容(C2)的两端及一个同步测量装置的两个电源输入端相连。
2.根据权利要求1所述的GPS同步时钟载波电源，其特征在于所说的守时钟电路(1.1)由晶振和可编程逻辑芯片构成。
3.根据权利要求1所述的GPS同步时钟载波电源，其特征在于所说的载波电源传输线(5)是同轴电缆或带屏蔽网的双绞线。
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