CN105004917A - Gnss电表关键电路及其对数字电表端时间校准的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种GNSS电表关键电路，包括GNSS接收机，GNSS接收机接收GNSS时间信息帧的信息接收单元、从GNSS时间信息帧中提取出时间信息并得到1PPS定时信息的信息处理单元、输出电表工作所需的时间，在外部时间信息中断的情况下，供给电表计量的时间具有高保持功能的时间输出单元。本发明的一种GNSS电表关键电路，GNSS接收机***可以通过有线或无线的方式将时间信息传送给位于室内的数字电表，从而解决位于室内的数字电表无法获取GNSS时间的问题。

Description

GNSS电表关键电路及其对数字电表端时间校准的方法

技术领域

本发明涉及接收卫星收信号并从中提取出时间信息的GNSS接收机装置。

背景技术

电能是一个国家工业发展的动力和保障，高效、合理地使用电能具有非常重要的经济及战略意义。电表是实现电能计量的仪表，但传统的电表只是完成电能的简单计量和显示，不具备高精度分时段计量（即多费率）功能，有的***通过计算机管理网络实现多费率电表的功能，但由于时间基准问题，易产生矛盾，这些都是导致电能无法合理利用的关键因素。本发明就是要将普通数字电表和GNSS(Global Navigation Satellite System)接收机***结合起来，实现一种以GNSS时间为基准的具有高精度、分时段计价功能的数字电表。

一套非常精确的时间***是实现高精度分段计量电能的前提，而精准时间的获得依赖于先进的授时技术。目前，授时技术主要有以下几种，即：星基授时（卫星授时）、地基授时（长波授时、短波授时）及网络授时。星基授时通过GNSS向用户提供授时服务，GNSS包括：美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的“北斗***”以及建设中欧盟的GALILEO***。与地基授时和网络授时相比，星基授时更为灵活，能够全球、全天候地向覆盖区域提供授时服务，且授时精度更高，可达50纳秒，这些都是其它授时***所无法达到的。但在实际应用中，电表所在的室内往往很难甚至无法接收到卫星信号，从而也就无法获得GNSS时间。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种GNSS电表关键电路，GNSS接收机***可以通过有线或无线的方式将时间信息传送给位于室内的数字电表，从而解决位于室内的数字电表无法获取GNSS时间的问题。

本发明的技术解决方案是：GNSS电表关键电路，其特征在于：所述电路包括GNSS接收机，GNSS接收机接收GNSS时间信息帧的信息接收单元、从GNSS时间信息帧中提取出时间信息并得到1PPS（1Pulse Per Second）定时信息的信息处理单元、输出电表工作所需时间的时间输出单元（在外部时间信息中断的情况下，供给电表计量的时间具有高保持功能）。

上述GNSS接收机通过有线或者无线的传输方式将时间信息传送给位于室内的数字电表。

有线传输方式是电力线载波传输方式，是利用电力线作传输媒介的载波通信。电力线载波传输通过电力线载波通道实现，包括电力线载波机、线路阻波器、结合设备、耦合电容器（或电容式电压互感器）及高频电缆。结合设备经过耦合电容器与电力线的一相或多相导线耦合。无线传输方式是指：在GNSS接收机端用无线发送设备将接收到的时间信息发送出去，在无线信号覆盖的小区范围内，数字电表端用“无线接收设备”接收并获得时间信息。

基于GNSS电表关键电路对数字电表端时间校准的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）位于户外的GNSS授时型接收机接收GNSS卫星信号，并从接收到的信号中解算出标准时间信息，同时得到1PPS输出；

2）在1PPS的上升沿以无线或有线的方式发送标准时间信息帧，帧头标示了当前1PPS触发上升沿时间；

3）室内的数字电表端接收携带有标准时间信息及1PPS定时信息的有线或无线信号；

4）对接收到的数据信息进行解封装，进而得到标准时间信息，同时提取出1PPS定时信息；

5）通过得到的标准时间信息及1PPS定时信息对数字电表端的时间进行校准；

上述步骤5）之后还包括步骤6）在特定时间周期内，对数字电表端时间进行周期性地校准。

步骤2）中以有线方式串行发送的标准时间报文由23个字节组成，包括：1个字节的帧头、4个字节的GNSS时间状态标志、14个字节的GNSS时间信息（以ASCII码分别表示年、月、日、时、分、秒），2个字节的校验字节，2个字节的结束标志。

步骤2）中以无线方式发送的标准时间信息帧使用完整的8bit一个字节的数据进行传输，采用校验和保护，使用“消息类型”和“消息ID”两级的方式对消息进行分类；bit0代表字节中的最低有效位LSB，每个字节发送时，bit0最先发送；对于超过一个字节的域（消息长度域和净负荷域），遵循Big Endian规范。

标准时间信息帧包括：

帧头：由帧头1和帧头2两个字节组成；帧头1：一个字节固定数值0x43表示，表示ASCII码中“C”字符。帧头2：一个字节固定数值0x4D表示表示ASCII码中“M”字符；

消息头：由消息类和消息ID两个字节组成；消息类：消息类规定了标准时间信息消息的基本分类，一字节长度；ID：消息ID定义了具体标准时间信息消息的编号，一字节长度；

消息长度域：由两个字节组成；消息长度域计算的有效范围只包括消息的净负荷，不包含帧头、消息头、消息长度域和帧校验序列域；

净负荷域：消息内容，由16个字节组成（详见表3）；

帧校验序列域：由一个字节组成；帧校验范围包括消息头、消息长度域和净负荷域，不包含帧头；帧校验序列的生成多项式为：G(x)=x⁸+x⁵+x⁴+1；

帧校验码初始值设置为0xFF，输入数据无需取反；校验算法采用右移算法；输出校验数据无需取反；校验字节发送时，最低有效位bit0最先发送，与数据字节一致。

在卫星信号较好的室外安装一个GNSS接收机装置接收卫星信号并从中提取出时间信息，再以无线或有线的方式将时间信息传送给小区内的所有数字电表，从而解决位于室内的数字电表无法获取GNSS时间的问题。

附图说明

图1是本发明GNSS接收机通过有线方式的示意图；

图2是时间信息帧和秒脉冲准时沿的关系示意图；

图3是本发明GNSS接收机通过无线方式的示意图；

图4是1PPS上升沿和标准时间信息帧的关系示意图；

图5是标准时间信息帧的结构图；

具体实施方式

本发明基于GNSS接收机***的多费率数字电表的内部取而代之的是信息接收单元、信息处理单元和时间输出单元。信息接收单元：接收GNSS时间信息帧；信息处理单元：从GNSS时间信息帧中提取出时间信息并得到1PPS定时信息；时间输出单元：能够精确输出电表工作所需的时间，在外部时间信息中断的情况下，供给电表计量的时间具有高保持功能，内部采用时钟驯服技术，时间积累误差为300ms/月。

GNSS接收机***可以通过“有线”或“无线”的方式将时间信息传送给位于室内的数字电表。其中，有线传输方式是指“电力线载波传输”方式，其是利用电力线作传输媒介的载波通信，不需另外架设通信线路，电力线结构坚固作为通信媒介使用可靠性很高。电力线载波通道主要由电力线载波机、线路阻波器、结合设备、耦合电容器（或电容式电压互感器）及高频电缆组成。

结合设备经过耦合电容器与电力线的一相或多相导线耦合。“相地耦合”、“相相耦合”是最普遍的两种耦合方式。其中，相地耦合是指：结合设备经过耦合电容器在电力线的一相导线和地之间实现的耦合；相相耦合是指：结合设备经过耦合电容器在电力线的一相导线与另一相导线之间实现的耦合。

电力线载波通信中，电话和非电话信号复用或专用的电力线载波机有效传输频带分配的典型值如表1所示。

表1单向通路内有效传输频带典型值

交替复用方式中非电话信号的频率也可以位于电话信号频带内。

有线传输方式如图1所示：在小区变压器端将GNSS接收机1接收的时间信息以耦合的方式加载到电力线2上，并通过电力线2将其传送至电表端，电表端再通过电力线载波芯片3将时间信息解调出来，送给数字电表4。时间信息的电力线传输采用中华人名共和国电力行业标准DL/T-1100.1-2009进行。

有线传输过程中，时间报文发送时刻，每秒输出一帧，帧头为#，与秒脉冲（1PPS）的上升沿对齐（即：帧头标示了当前1PPS触发上升沿时间），偏差小于5ms，波形见图2，串行口标准时间报文格式见表2。

表2串行口标准时间报文格式

无线传输方式如图3所示，是指：在GNSS接收机1端用无线发送设备6将接收到的时间信息发送出去，在无线信号覆盖的小区范围内，数字电表端4用无线接收设备7接收并获得时间信息。

无线传输过程中，在1PPS的上升沿发送标准时间信息，帧头标示了当前1PPS触发上升沿时间，如图4所示：

标准时间信息帧使用完整的8bit一个字节的数据进行传输，采用校验和保护，使用“消息类型”和“消息ID”两级的方式对消息进行分类。bit0代表字节中的最低有效位（LSB），每个字节发送时，bit0最先发送。对于超过一个字节的域（消息长度域和净负荷域），需遵循Big Endian规范。

标准时间信息帧的结构如图5所示。

标准时间信息消息帧的解释如下：

帧头：由帧头1（SYNC CHAR1）和帧头2（SYNC CHAR2）两个字节组成。SYNC CHAR1:一个字节固定数值0x43表示，表示ASCII码中“C”字符。SYNC CHAR2:一个字节固定数值0x4D表示表示ASCII码中“M”字符。

消息头：由消息类（CLASS）和消息ID两个字节组成。CLASS：消息类规定了标准时间信息消息的基本分类，一字节长度。ID：消息ID定义了具体标准时间信息消息的编号，一字节长度。

消息长度域：由两个字节组成。消息长度域计算的有效范围只包括消息的净负荷（payload），不包含帧头、消息头、消息长度域和帧校验序列域。

净负荷域：消息内容，由16个字节组成，如表3所示。

帧校验序列（FCS）域：由一个字节组成。帧校验范围包括消息头、消息长度域和净负荷域，不包含帧头。帧校验序列的生成多项式为：G(x)=x⁸+x⁵+x⁴+1。

帧校验码初始值设置为0xFF，输入数据无需取反。校验算法采用右移算法。输出校验数据无需取反。校验字节发送时，最低有效位bit0最先发送，与数据字节一致。

表3净负荷域

基于GNSS接收机***对数字电表端时间校准的具体步骤如下：

（1）位于户外的GNSS授时型接收机接收GNSS卫星信号，并从接收到的信号中解算出“标准时间信息”，同时得到1PPS输出；

（2）在1PPS的上升沿以“无线”或“有线”的方式发送“标准时间信息帧”，帧头标示了当前1PPS触发上升沿时间；

（3）室内的数字电表端接收携带有标准时间信息及1PPS定时信息的有线或无线信号；

（4）对接收到的数据信息进行解封装，进而得到标准时间信息，同时提取出1PPS定时信息；

（5）借助得到的“标准时间信息”及“1PPS定时信息”对数字电表端的时间进行校准；

（6）在特定时间周期内，对数字电表端时间进行周期性地校准。

Claims (10)

1.GNSS电表关键电路，其特征在于：所述电路包括GNSS接收机，GNSS接收机接收GNSS时间信息帧的信息接收单元、从GNSS时间信息帧中提取出时间信息并得到1PPS定时信息的信息处理单元、输出电表工作所需的时间，在外部时间信息中断的情况下，供给电表计量的时间具有高保持功能的时间输出单元。

2.根据权利要求1所述的GNSS电表关键电路，其特征在于：所述GNSS接收机通过有线或者无线的传输方式将时间信息传送给位于室内的数字电表。

3.根据权利要求2所述的GNSS电表关键电路，其特征在于：有线传输方式是电力线载波传输方式，是利用电力线作传输媒介的载波通信。

4.根据权利要求3所述的GNSS电表关键电路，其特征在于：电力线载波传输通过电力线载波通道实现，包括电力线载波机、线路阻波器、结合设备、耦合电容器或电容式电压互感器及高频电缆。

5.根据权利要求4所述的GNSS电表关键电路，其特征在于：结合设备经过耦合电容器与电力线的一相或多相导线耦合。

6.基于GNSS电表关键电路对数字电表端时间校准的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）位于户外的GNSS授时型接收机接收GNSS卫星信号，并从接收到的信号中解算出标准时间信息，同时得到1PPS输出；

2）在1PPS的上升沿以无线或有线的方式发送标准时间信息帧，帧头标示了当前1PPS触发上升沿时间；

3）室内的数字电表端接收携带有标准时间信息及1PPS定时信息的有线或无线信号；

4）对接收到的数据信息进行解封装，进而得到标准时间信息，同时提取出1PPS定时信息；

5）通过得到的标准时间信息及1PPS定时信息对数字电表端的时间进行校准。

7.根据权利要求5所述的基于GNSS电表关键电路对数字电表端时间校准的方法，其特征在于：所述步骤5）之后还包括步骤6）在特定时间周期内，对数字电表端时间进行周期性地校准。

8.根据权利要求7所述的基于GNSS电表关键电路对数字电表端时间校准的方法，其特征在于：步骤2）中以有线方式串行发送的标准时间报文由23个字节组成，包括：1个字节的帧头、4个字节的GNSS时间状态标志、14个字节的GNSS时间信息（以ASCII码分别表示年、月、日、时、分、秒），2个字节的校验字节，2个字节的结束标志。

9.根据权利要求7所述的基于GNSS电表关键电路对数字电表端时间校准的方法，其特征在于：步骤2）中以无线方式发送的标准时间信息帧使用完整的8bit一个字节的数据进行传输，采用校验和保护，使用“消息类型”和“消息ID”两级的方式对消息进行分类；bit0代表字节中的最低有效位LSB，每个字节发送时，bit0最先发送；对于超过一个字节的域消息长度域和净负荷域，遵循BigEndian规范。

10.根据权利要求7所述的基于GNSS电表关键电路对数字电表端时间校准的方法，其特征在于：标准时间信息帧包括：

帧头：由帧头1和帧头2两个字节组成；帧头1:一个字节固定数值0x43表示，表示ASCII码中“C”字符。帧头2:一个字节固定数值0x4D表示表示ASCII码中“M”字符；

消息头：由消息类和消息ID两个字节组成；消息类：消息类规定了标准时间信息消息的基本分类，一字节长度；ID：消息ID定义了具体标准时间信息消息的编号，一字节长度；

消息长度域：由两个字节组成；消息长度域计算的有效范围只包括消息的净负荷，不包含帧头、消息头、消息长度域和帧校验序列域；

净负荷域：消息内容，由16个字节组成，包括：4个字节的GNSS时间信息状态标志，以8421BCD码表示的8个字节的GNSS时间信息以及4个字节的保留字节；

帧校验序列域：由一个字节组成；帧校验范围包括消息头、消息长度域和净负荷域，不包含帧头；帧校验序列的生成多项式为：G(x)=x⁸+x⁵+x⁴+1；

帧校验码初始值设置为0xFF，输入数据无需取反；校验算法采用右移算法；输出校验数据无需取反；校验字节发送时，最低有效位bit0最先发送，与数据字节一致。