CN102156404B - 自适应识别gps输入信号的对时方法 - Google Patents

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Abstract

本发明自适应识别GPS输入信号的对时方法，涉及利用GPS实现电力***继电保护及自动装置的精确对时的技术，其针对GPS对数信号进行判断，并且将该GPS对时信号统一为同步的PPS信号发出，实现多种类型GPS对时信号的自适应，一套设备可适应多种场合，适用性强，降低了设备投入；其利用装置中已有的FPGA实现该功能，在不增加任何硬件成本的前提下解决了变电站使用的GPS对时信息各不相同的问题；当IRIG-B信号与脉冲信号同时存在时，优选信息含量更多的IRIG-B信号作为基准进行相应PPS脉冲的输出，提高***的稳定性和精度；并且在GPS信号丢失情况下能够按照原有时钟进行PPS脉冲发送，确保***正常运行。

Description

自适应识别GPS输入信号的对时方法
技术领域
本发明涉及一种自适应识别GPS输入信号的对时方法。
背景技术
现代电力***中安装了各种自动化装置，如监控***的测控单元、RTU、故障录波器、微机保护装置、SCADA，等等。这些装置内部都有实时时钟，但是这些时钟都不可避免地会有误差，如果不及时校准，误差会累积起来，变得越来越大。而电力***中自动化信息传输、继电保护及自动装置都需要一个精确、统一的时钟。基于这个统一的时间基准，当电力***发生异常或故障时，基于统一时钟提供的波形才有参考价值，才能正确判断故障原因、各种保护及自动装置动作行为的先后顺序、以及故障的演变和发展过程。
目前，GPS在电力***中已获得广泛应用，GPS能够提供统一的时间基准。在各种继电保护自动化装置基本上都有时间同步信号接口，接收时间同步信号后实现内部实时时钟的时间同步。不同变电站提供的时间同步信号类型不尽相同，主要有以下几种：
(1)脉冲信号，包括分脉冲、秒脉冲，采用光电耦合接口，通常称为空接点输出，也有使用RS-422(485)接口的，这种形式通常称为差分接口；
(2)时间报文，包含时间信息和其他信息，目前没有统一的格式，一般采用RS-232串口传输；
(3)IRIG-B时钟码对时。IRIG-B为IRIG委员会的B标准，是专为时钟的传输指定的时钟码。
上述三种对时方法中，时间报文的方式对时精度较低，一般应用在变电站自动化***的后台计算机***；而脉冲对时编码信息较少，一般需与时间报文配合使用；IRIG-B时间编码是一种较优秀的时间编码格式，能提供较高的对时精度且包含了全部时间信息。
但是由于历史的原因，各个变电站使用的GPS对时信息各不相同，上面三种信息格式都可能存在，因此，继电保护和自动装置的生产厂家在设计和开发上必须兼顾这三种需求。有的采用硬件跳线的方式，根据现场接入的信号进行选择，使装置的处理器选择相应的信号处理模式；有的采用单片机解码，从IRIG-B中解出时间和脉冲信息，送给处理器处理。这些方式中，要么不能灵活适应现场的需求，容易出错而使继电保护和自动装置工作不正常，要么增加***的复杂度，增加成本。
发明内容
本发明针对上述问题，提出一种利用装置中已有的FPGA实现自适应识别GPS信号的对时方法，可以自动识别接入***的GPS时间同步信号类型，在有多个时钟源的情况下按照优先级进行选择，并且识别后定时输出与GPS信号同步的秒脉冲。
为了解决以上技术问题，本发明提供的自适应识别GPS输入信号的对时方法，依次包括如下步骤：
A、将GPS对时装置输出的GPS对时信号调理为FPGA能接受的信号，并送入FPGA进行处理；
B、FPGA接收到调理后的GPS对时信号后，判断该GPS对时信号是否稳定，如果稳定，则转至步骤C，否则判定接收到的GPS对时信号错误，以FPGA自身的时钟频率发送PPS脉冲给处理***，并转至步骤E；
C、判断GPS对时信号的类型是否为PPS信号、PPM信号或IRIG-B信号中的一种，如果是，则转至步骤D，否则接收到的GPS对时信号错误，以FPGA自身的时钟频率发送PPS脉冲给处理***，并转至步骤E；
D、若GPS对时信号为PPS信号，则由FPGA输出和该PPS信号同频、同相位的PPS脉冲给处理***；若GPS对时信号为PPM信号，则由FPGA输出和该PPM信号同相角频率为PPM信号频率六十倍的PPS脉冲给处理***；若GPS对时信号为IRIG-B信号时，则FPGA从IRIG-B信号的码流中解析出时间信息和PPS信号频率及相位信息，并由FPGA输出与该PPS信号同频、同相位的PPS脉冲以及解析出的当前时间信息给处理***；
E、处理***以FPGA送来的PPS脉冲信号为时间基准进行电力数据采样。
进一步的，本发明步骤D中，如果GPS对时信号中包含有IRIG-B信号时，则以IRIG-B信号为基准，进行相应PPS脉冲的输出。
更进一步的，所述步骤B中判断该GPS对时信号是否稳定的方法为，采用稳定的高频时钟作为计数用的参考时钟，对GPS对时信号的高电平时间tH、低电平时间tL，两次上升沿出现的时间间隔tP进行计数，如连续八次记录的tH、tL和tP值都稳定在1毫秒的范围内，则信号输入已经稳定，可作为步骤C判断GPS对时信号类型的依据，否则判定接收到的GPS对时信号错误。
本发明所述步骤C中，所述GPS对时信号的类型判断方法如下：
Ⅰ、如果GPS对时信号的脉冲宽度小于10ms，则判定该GPS对时信号为IRIG-B信号，否则转至步骤Ⅱ；
Ⅱ、如果GPS对时信号的脉冲周期为1s且脉冲宽度为200ms，则判定该GPS对时信号为PPS信号，否则转至步骤Ⅲ；
Ⅲ、如果GPS对时信号脉冲周期为1min且脉冲宽度小于200ms，则判定该GPS对时信号为PPM信号，否则判定接收到的GPS对时信号错误。
本发明能自适应多种GPS对时信号的类型进行对时处理，一套设备可适应多种场合，适用性强，降低了设备投入；其利用装置中已有的FPGA实现该功能，在不增加任何硬件成本的前提下解决了变电站使用的GPS对时信息各不相同的问题；当IRIG-B信号与脉冲信号同时存在时，优选信息含量更多的IRIG-B信号作为基准进行相应PPS脉冲的输出，提高***的稳定性和精度；并且在GPS信号丢失情况下能够按照原有时钟进行PPS脉冲发送，确保***正常运行。
本发明的有益效果是：采用本发明技术实现的GPS输入信号对时准确，输出的脉冲信号稳定，不受本地时钟源偏差的影响。并且具有实现方便，设置简单、适应性强的优点。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明对时***示意图。
图2为三种GPS对时信号特性示意图。
图3为本发明流程图。
图4为本发明判断流程图。
具体实施方式
下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。
如图1所示，为本发明***涉及硬件的示意图，GPS对时装置输出PPS或/和PPM或/和IRIG-B信号，并将其输入至FPGA，由于GPS对时装置输出电压在12V左右，超过FPGA所能接受的范围，因此该信号必须经过调理，使GPS对时信号调理为FPGA能够接受的TTL或LVTTL信号，FPGA对输入的对时信号进行处理后，向处理***发送PPS脉冲，以及相关对时信息及状态，便于处理***进行更准确的控制。
FPGA由于它的灵活性在电子装置中已得到越来越多的应用，且这种器件的可靠性也已得到实践的检验，因此，在继电保护和自动装置中越来越广泛地使用FPGA来完成一些通信和逻辑功能，减少MCU上的工作量，保证***的灵活性和功能的多样性。
如图2所示，PPS信号是一系列宽度为20～200ms，周期为1s的脉冲；PPM信号是一系列宽度为20～200ms，周期为1s的脉冲；IRIG-B码是每秒一帧的串行码，每帧的前60个码元能够表示包含年、月、日、时、分、秒的信息，所使用的码元只有3种，2ms脉宽的代表二进制的“0”，5ms的代表二进制的“1”，8ms的为位置识别标志。两个标志位相连的地方，第二个标志位的上升沿对准PPS信号的上升沿，即秒脉冲的上升沿，第二个标志位记为PR。
如图3所示，为本发明流程图，本发明自适应识别GPS输入信号的对时方法，依次包括如下步骤：
A、将GPS对时装置输出的GPS对时信号调理为FPGA能接受的信号，并送入FPGA进行处理；
B、FPGA接收到调理后的GPS对时信号后，判断该GPS对时信号是否稳定，如果稳定，则转至步骤C，否则判定接收到的GPS对时信号错误，以FPGA自身的时钟频率发送PPS脉冲给处理***，并转至步骤E；
本步骤中，判断GPS对时信号是否稳定的方法是：采用稳定的高频时钟作为计数用的参考时钟，对GPS对时信号的高电平时间tH、低电平时间tL，两次上升沿出现的时间间隔tP进行计数，如连续八次记录的tH、tL和tP值都稳定在1毫秒的范围内，则信号输入已经稳定，可作为步骤C判断GPS对时信号类型的依据，否则判定接收到的GPS对时信号错误；
C、判断GPS对时信号的类型是否为PPS信号、PPM信号或IRIG-B信号中的一种，如果是，则转至步骤D，否则接收到的GPS对时信号错误，以FPGA自身的时钟频率发送PPS脉冲给处理***，并转至步骤E；
本步骤中判断GPS对时信号的类型的方法包括如下步骤：
Ⅰ、如果GPS对时信号的脉冲宽度小于10ms，则判定该GPS对时信号为IRIG-B信号，否则转至步骤Ⅱ；
Ⅱ、如果GPS对时信号的脉冲周期为1s且脉冲宽度为200ms，则判定该GPS对时信号为PPS信号，否则转至步骤Ⅲ；
Ⅲ、如果GPS对时信号脉冲周期为1min且脉冲宽度小于200ms，则判定该GPS对时信号为PPM信号，否则判定接收到的GPS对时信号错误；
D、若GPS对时信号为PPS信号，则由FPGA输出和该PPS信号同频、同相位的PPS脉冲给处理***；若GPS对时信号为PPM信号，则由FPGA输出和该PPM信号同相角频率为PPM信号频率六十倍的PPS脉冲给处理***；若GPS对时信号为IRIG-B信号时，则FPGA从IRIG-B信号的码流中解析出时间信息和PPS信号频率及相位信息，并由FPGA输出与该PPS信号同频、同相位的PPS脉冲以及解析出的当前时间信息给处理***；本步骤中，FPGA输出的PPS脉冲的占空比为2∶8。
E、处理***以FPGA送来的PPS脉冲信号为时间基准进行电力数据采样。
在步骤D中，如果GPS对时信号中包含有IRIG-B信号时，则以IRIG-B信号为基准，进行相应PPS脉冲的输出。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.自适应识别GPS输入信号的对时方法，依次包括如下步骤：
A、将GPS对时装置输出的GPS对时信号调理为FPGA能接受的信号，并送入FPGA进行处理；
B、FPGA接收到调理后的GPS对时信号后，判断该GPS对时信号是否稳定，如果稳定，则转至步骤C，否则判定接收到的GPS对时信号错误，以FPGA自身的时钟频率发送PPS脉冲给处理***，并转至步骤E；
C、判断GPS对时信号的类型是否为PPS信号、PPM信号或IRIG-B信号中的一种，如果是，则转至步骤D，否则接收到的GPS对时信号错误，以FPGA自身的时钟频率发送PPS脉冲给处理***，并转至步骤E；
D、若GPS对时信号为PPS信号，则由FPGA输出和该PPS信号同频、同相位的PPS脉冲给处理***；若GPS对时信号为PPM信号，则由FPGA输出和该PPM信号同相角频率为PPM信号频率六十倍的PPS脉冲给处理***；若GPS对时信号为IRIG-B信号时，则FPGA从IRIG-B信号的码流中解析出时间信息和PPS信号频率及相位信息，并由FPGA输出与该PPS信号同频、同相位的PPS脉冲以及解析出的当前时间信息给处理***；
E、处理***以FPGA送来的PPS脉冲信号为时间基准进行电力数据采样。
2.根据权利要求1所示的自适应识别GPS输入信号的对时方法，其特征在于：所述步骤D中，如果GPS对时信号中包含有IRIG-B信号时，则以IRIG-B信号为基准，进行相应PPS脉冲的输出。
3.根据权利要求1所示的自适应识别GPS输入信号的对时方法，其特征在于：所述步骤B中判断该GPS对时信号是否稳定的方法为，采用稳定的高频时钟作为计数用的参考时钟，对GPS对时信号的高电平时间tH、低电平时间tL，两次上升沿出现的时间间隔tP进行计数，如连续八次记录的tH、tL和tP值都稳定在1毫秒的范围内，则信号输入已经稳定，可作为步骤C判断GPS对时信号类型的依据，否则判定接收到的GPS对时信号错误。
4.根据权利要求1所示的自适应识别GPS输入信号的对时方法，其特征在于：所述步骤C中，GPS对时信号的类型判断方法如下：
Ⅰ、如果GPS对时信号的脉冲宽度小于10ms，则判定该GPS对时信号为IRIG-B信号，否则转至步骤Ⅱ；
Ⅱ、如果GPS对时信号的脉冲周期为1s且脉冲宽度为200ms，则判定该GPS对时信号为PPS信号，否则转至步骤Ⅲ；
Ⅲ、如果GPS对时信号脉冲周期为1min且脉冲宽度小于200ms，则判定该GPS对时信号为PPM信号，否则判定接收到的GPS对时信号错误。
5.根据权利要求1所示的自适应识别GPS输入信号的对时方法，其特征在于：步骤D中，FPGA输出的PPS脉冲的占空比为2∶8。
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