CN102064827B - 基于铷振荡器的标准频率与时间调整方法 - Google Patents
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Abstract
基于铷振荡器的标准频率与时间调整方法，铷原子振荡器被选为基准频率源后，FPGA对基准频率源进行倍频和分频工作，得到本地产生的秒脉冲信号。FPGA以外部输入的秒脉冲信号作为基准，对本征秒信号进行相差测量运算。测得的相差值被赋值给FPAG内部指定的寄存器，通过数据总线，传送给ARM。ARM计算本征秒信号和外部输入秒信号的相差随时间的变化值，根据差值计算出铷原子振荡器与外部标准频率的频差。ARM计算得到的频差值通过数据总线反馈给FPGA。FPGA依据收到的频差值，对铷原子振荡器进行调频操作，使铷原子振荡器的输出频率溯源同步到上级时间频率基准。本发明有益效果在于能提供高性能、高稳定和高精度的时间信号。
Description
技术领域
本发明涉及电力***中同步通信、同步相量测量、行波测距、广域动态监测与分析、电网稳定控制、故障录波等技术领域的高精度频率与时间源的组建技术。
背景技术
目前，高性能的标准频率源主要采样铯原子振荡器和铷原子振荡器，其中铯原子振荡器性能最优，但价格高昂且难以采购，铷原子振荡器性能低于铯原子振荡器。本产品通过设计恰当的算法、采用有效适用的技术，使其针对电力***的对高精度的频率和时间源的需求（准确度高、长期稳定性高、长期漂移小），获得接近铯原子振荡器的性能。本产品涉及到的算法与技术包括：多频率源的综合选择技术，高精度铷原子钟的驯服算法、UTC时间的接收技术、高精度时间信号的产生算法、自行钟秒相位的调整算法、秒信号相位大跳变处理技术等。
发明内容
发明目的
本发明的目的在于，将高精度的铷原子振荡器与高精度测频技术及时间同步技术有机结合在一起，使铷原子振荡器输出的频率信号与时间信号同时驯服同步于更高等级的时间频率基准（国家授时中心维护的中国UTC（NTSC）、电网自主时间中心时间、北斗卫星时间、GPS卫星时间等），提高频率与时间信号的长期稳定性和准确度，降低漂移。
技术方案
电力行业通用的频率标准为10MHz和2.048MHz频率信号，电力铷钟设备通过频率输入端口，接收来自上级时间中心的频率标准。
频率选择模块在有外部频率输入时，优先使用外部频率源，使电力铷钟设备输出的时间频率信号直接与上级时间中心同步。
外部频率输入中断时，电力铷钟设备依靠自身的铷原子振荡器，继续输出稳定的频率信号。
铷原子振荡器被选为基准频率源后，FPGA对基准频率源进行倍频和分频工作，得到本地产生的秒脉冲信号。FPGA以外部输入的秒脉冲信号作为基准，对本征秒信号进行相差测量运算。
测得的相差值被赋值给FPAG内部指定的寄存器，通过数据总线，传送给ARM。ARM计算本征秒信号和外部输入秒信号的相差随时间的变化值，根据差值计算出铷原子振荡器与外部标准频率的频差。
ARM计算得到的频差值通过数据总线反馈给FPGA。 FPGA依据收到的频差值，对铷原子振荡器进行调频操作，使铷原子振荡器的输出频率溯源同步到上级时间频率基准。
经过调频后的铷原子钟输出标准的秒脉冲信号，其中一路秒脉冲信号送给外部卫星比对设备或者溯源设备，计算得到时差报文值。FPGA解析时差报文得到要调整的相位差值，对输出秒信号进行调相操作，使本征秒信号的相位同步于标准秒信号。调频调相后的本征秒信号用于驱动本地自行钟模块，产生标准时间报文。
外部输入的时间报文用于对本地自行钟进行对时操作，使输出的时间报文同步于上级时间标准。自行钟产生的时间值赋给ARM，ARM控制面板显示屏显示输出时间报文的值。
有益效果
本发明的有益效果在于采取优先选择由外部输入、来自于更高级别时间频率基准信号的原则，在授时网络层分发经过多元比对（外部输入源与内部铷原子振荡器比对）后的频率与时间标准，为电力网络提供高性能、高稳定和高精度的时间信号。
附图说明
图1是电力铷钟设计方案；
图2是秒信号调相技术；
图3是时间报文的产生；
图4是双铷钟时间中心站实施方式。
具体实施方式
电力铷钟的设计方案如图1所示，根据实际需求，其需要实现的主要功能如下：
提供多种高精频率源的输入接口，接入外部标准时间源，跟踪高精度时间；
频率选择单元，电力铷钟共有外部10MHz、2.048MHz和内部铷原子钟10MHz三个频率源，优先选择外部频率源；
调频单元，依据铷原子振荡器自身的频率稳定特性，将本地频率与外部输入的更高等级的时间基准谐振；
时差报文接收单元，接收来自于比对设备的相差值，实时调整相位，使输出秒与标准秒同步；
相位测量单元，测量本征秒与外部输入的时间基准的秒之间的相差；
调相单元，接收来自于时差报文、网管和同步按键的相位调整；
秒信号相位大跳变处理单元，对由各种异常引起的秒相位跳变进行平滑处理；
面板按键单元，提供与外部时间基准同步的手工触发机制；
提供标准时间报文和秒信号输入接口，同步外部标准时间信号；
协调世界时UTC时间到北京时间的转换单元，完成不同时区的时间调整功能；
时间信号输出单元，输出高度准确、高稳定的。无跳变的时间信号；
管理信息串行接口单元，为统一网管***提供通信接口。
电力行业通用的频率标准为10MHz和2.048MHz频率信号，电力铷钟设备通过频率输入端口，接收来自上级时间中心的频率标准。频率选择模块在有外部频率输入时，优先使用外部频率源，使电力铷钟设备输出的时间频率信号直接与上级时间中心同步。外部频率输入中断时，电力铷钟设备依靠自身的铷原子振荡器，继续输出稳定的频率信号。铷原子振荡器被选为基准频率源后，FPGA对基准频率源进行倍频和分频工作，得到本地产生的秒脉冲信号。FPGA以外部输入的秒脉冲信号作为基准，对本征秒信号进行相差测量运算。测得的相差值被赋值给FPAG内部指定的寄存器，通过数据总线，传送给ARM。ARM计算本征秒信号和外部输入秒信号的相差随时间的变化值，根据差值计算出铷原子振荡器与外部标准频率的频差。ARM计算得到的频差值通过数据总线反馈给FPGA。 FPGA依据收到的频差值，对铷原子振荡器进行调频操作，使铷原子振荡器的输出频率溯源同步到上级时间频率基准。经过调频后的铷原子钟输出标准的秒脉冲信号，其中一路秒脉冲信号送给外部卫星比对设备或者溯源设备，计算得到时差报文值。FPGA解析时差报文得到要调整的相位差值，对输出秒信号进行调相操作，使本征秒信号的相位同步于标准秒信号。调频调相后的本征秒信号用于驱动本地自行钟模块，产生标准时间报文。外部输入的时间报文用于对本地自行钟进行对时操作，使输出的时间报文同步于上级时间标准。自行钟产生的时间值赋给ARM，ARM控制面板显示屏显示输出时间报文的值。
针对电力铷钟设备所要实现的功能，电力铷钟的发明内容主要归结为：
以优先级的高低，选择***频率源；
对铷原子钟频率的精确测量，对铷原子钟进行调频，使其频率驯服同步于更高等级的时间基准上；
基于频率源生成自行钟（秒信号和时间报文）；
时差报文、时间报文的接收；
依据时差报文值、网管值对输出秒相位进行调整；
秒信号调相大相位跳变处理；
通过网管手工对频率源、时间数据和相位参数的设置；
为整个时间中心站提供标准10MHz频率、标准秒信号和标准时间报文。
***的功能模块包括频率选择模块、调相模块、自行钟模块、调频模块、处理器接口模块、告警及状态量采集模块、面板显示设计模块和网管设计模块。***的电路主要由时间信号驱动电路、频率倍频器、铷原子钟、电池单元、现场可编程门阵列和微处理器组成。
各个模块功能如下：
频率选择模块：从外部输入10MHz频率源或铷原子钟10MHz频率源中选择一路作为***的工作时钟。上电后默认外部优先，若无外部则选择本地铷振荡器作为频率源，可通过网管软件进行选定频率源；
调相模块：解析来自于卫星比对设备的时差报文得到要调整的相位差值，对输出秒信号进行调相；支持网管程序手动设置调相值，对输出秒相位进行调相；支持或者直接按键手工同步外部输入秒信号；调相算法中对调相值进行限定，对由各种异常引起的秒相位跳变进行平滑处理，当调相值超过临界值的时候，取调相值的上限对秒信号进行调相，防止由于异常情况而引起的相位大跳变的产生。见附件图2。
自行钟模块：依据***时钟产生的本征秒信号自动运行的时钟，可以同步外部输入的时间报文，或者通过网管直接设置时间数据；***以自行钟时间数据为基准对外输出时间报文。见附件图三。
调频模块：***时钟信号由铷原子振荡器提供时，以外部输入秒信号为基准，测量本地秒与外部输入基准秒之间的周期差，根据基于铷原子振荡器稳定度曲线的调频算法，计算出调频值对铷原子振荡器调频；
处理器接口模块：负责FPGA和ARM之间传递数据，这些数据包括：调频值、时间数据、调相值、网管配置的状态参量；
告警及状态量采集模块：该模块主要采集各种输入端子、铷原子钟、电源、电池的状态量参数送给网管；
面板显示设计模块：通过LCD显示屏来显示设备时间信息。设备时间通过面板按键操作同步外部输入基准时间。
网管设计模块：网管部分的功能包括：远程控制、状态监测两部分。状态监测包括：各种外部端子采集量、电源电池告警量、铷原子钟状态、当前调频值以及当前频率源等。远程控制包括：时间报设置、相位调整、频率调整、频率源选择设置等。
铷原子钟调频算法
电力铷钟采用的铷原子钟可以通过串口进行复位、调频等操作。没有外部频率输入时，***时钟由铷原子钟提供，此时电路控制单元可以通过网管发送复位命令，使铷原子钟输出频率锁定在10MHz左右。以来自于GPS卫星铯原子钟的外部输入秒信号为基准，对铷原子钟输出频率进行测频计算，运用最小二乘法计算出频差值。调频算法根据获得的频差值，结合铷原子振荡器的频率稳定度曲线，计算出调频值。调频算法对调频数据进行过滤操作，舍去由于异常而引起的大调频数据。依据调频算法获得的调频值，发送调频命令，对铷原子钟进行调频，可以实现铷原子振荡器的输出频率溯源同步到更高级别的标准时间频率信号上，最终输出稳定的10MHz频率信号。
调频命令如下：
（1）FPGA根据RS232串口通信协议，以ASICII字符的形式，发送复位命令‘RST’，以“回车”键结束，即可实现复位；
（2）通过发送FRExxxxxxxx命令+回车可以实现调频功能；其中xxxxxxxx最高位是符号位：‘0’增大，‘1’减小。后7位数据为十进制调频值X，单位为毫赫兹。其计算公式为：
X= 
其中，
表示频差值。
铷原子钟在接受调频命令所需要的稳定时间见表一。
| 调频范围（Hz） | 时间（s）（参考值） |
| X*10-7 | X*5 |
| X*10-8 | X*0.5 |
| X*10-9 | X*0.05 |
表一、铷原子钟调频跟踪时间
本发明中，通过对多种时间源的分级选择处理，充分利用铷原子振荡器自身优异的频率稳定性，驯服同步到更高等级的时间频率基准（国家授时中心维护的中国UTC（NTSC）、电网自主时间中心时间、北斗卫星时间、GPS卫星时间等），为整个时间***主站提供稳定的频率(10MHz)基准、秒相位基准以及时间报基准。
鉴于智能电网的发展需求，电力铷钟作为时间中心站的实施方式如图4所示，通常采用双铷钟中心站的设计方案：配置两套电力铷钟作为频率基准，主备分频钟和分配放大设备。频率校准后的电力铷钟设备可以作为时间中心站的最高频率标准，通过光纤、以太网等传送介质组成的授时网络与PTP主钟、时钟扩展装置等设备组成电网时间统一***。双铷钟设备互为备份，提高了时间中心站的可靠性，通过这种方式也可以摆脱对GPS的过渡依赖。
Claims (1)
1.基于铷振荡器的标准频率与时间调整方法，其特征在于，包括以下步骤：
频率选择模块在有外部频率输入时，优先使用外部频率源，使电力铷钟设备输出的时间频率信号直接与上级时间中心同步；
外部频率输入中断时，电力铷钟设备依靠自身的铷原子振荡器，继续输出稳定的频率信号；
铷原子振荡器被选为基准频率源后，FPGA对基准频率源进行倍频和分频工作，得到本地产生的秒脉冲信号；FPGA以外部输入的秒脉冲信号作为基准，对本征秒信号进行相差测量运算；
测得的相差值被赋值给FPAG内部指定的寄存器，通过数据总线，传送给ARM；ARM计算本征秒信号和外部输入秒信号的相差随时间的变化值，根据差值计算出铷原子振荡器与外部标准频率的频差；
ARM计算得到的频差值通过数据总线反馈给FPGA； FPGA依据收到的频差值，对铷原子振荡器进行调频操作，使铷原子振荡器的输出频率溯源同步到上级时间频率基准；
经过调频后的铷原子钟输出标准的秒脉冲信号，其中一路秒脉冲信号送给外部卫星比对设备或者溯源设备，计算得到时差报文值；FPGA解析时差报文得到要调整的相位差值，对输出秒信号进行调相操作，使本征秒信号的相位同步于标准秒信号；调频调相后的本征秒信号用于驱动本地自行钟模块，产生标准时间报文；所述FPGA依据收到的频差值，对铷原子振荡器进行调频操作步骤，依据以下公式计算调频值X：
X= 
其中，表示频差值。
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