CN105527833A - 一种北斗gps双模电力时间同步装置 - Google Patents

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陈仿杰
孟宪伟
王宇
李端超
黄少雄
王世臣
陈伟
史源
范兴民
廖芹
赵娟
郑志雄
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Abstract

本发明涉及一种电力的时间同步装置，特别涉及一种北斗GPS双模电力时间同步装置。本发明由北斗卫星接收模块、GPS卫星接收模块、输入模块、授时模块、显控模块、输出模块、电源模块以及公共底板组成，授时模块用于接收来自北斗卫星接收模块和GPS卫星接收模块的时间和状态信息或是来自输入模块的外部输入的时钟源，产生和维护本地的时间信息，并输出串行数据信息格式和脉冲模式的时间信息以及告警信息至输出模块，本发明替代了原有电力的GPS卫星时钟，为用户提供基于北斗兼容GPS的双备份接收机，满足了电力***授时用户的需求，具备准确性高、性能稳定的特点，满足电力***授时用户需求。

Description

一种北斗GPS双模电力时间同步装置
技术领域
本发明涉及一种电力的时间同步装置，特别涉及一种北斗GPS双模电力时间同步装置。
背景技术
随着自动化控制技术的不断发展，电力***自动化控制技术的应用也越来越广泛，由于电力***对装置动作一致性要求甚高，设备时间不同步不准确则可能引发巨大的安全隐患，因此，电力***时间同步十分重要。
高精度、稳定可靠的时钟源对国家电网正常工作十分重要的，普遍采用卫星授时的方法为电力***提供时间源，目前主要采用GPS作为电网内各电厂、变电站设备同步时钟源，然而GPS信号精度受美国军方控制，不能保证时刻提供准确可靠、性能稳定的卫星授时信号。随着我国北斗卫星导航***布网的我国自主知识产权的北斗卫星导航***已经完全具备了为我国的各行业提供精确授时的能力，在GPS授时的基础上引入北斗授时源并能够提供准确可靠、性能稳定的卫星授时信号十分必要。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术的不足，提供了一种北斗GPS双模电力时间同步装置，替代了原有电力的GPS卫星时钟，具备准确性高、性能稳定的特点，满足电力***授时用户需求。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术措施：
一种北斗GPS双模电力时间同步装置，本装置包括北斗卫星接收模块、GPS卫星接收模块、输入模块、授时模块、显控模块、输出模块、电源模块和公共底板，其中，
北斗卫星接收模块、GPS卫星接收模块，分别用于接收来自北斗RNSS导航卫星数据、GPS卫星数据并产生相应的时间信息和状态信息传输至授时模块的输入端；
输入模块，为外部输入的时钟源，所述输入模块的输出端连接授时模块的输入端；
授时模块，所述授时模块用于接收来自北斗卫星接收模块和/或GPS卫星接收模块的时间和状态信息或是来自输入模块的外部输入的时钟源，产生和维护本地的时间信息，并输出串行数据信息格式和脉冲模式的时间信息以及告警信息至输出模块，所述北斗卫星接收模块和GPS卫星接收模块的卫星时钟源质量良好或外部输入的时钟源有效时，输出驯服时间信息，卫星时钟源质量不满足授时模块需求而且外部输入的时钟源无效时，输出本地守时时间信息；
输出模块，用于接收来自授时模块的授时信息，输出模块转换并输出授时信息至电力***；
显控模块，所述显控模块与授时模块之间双向通信连接，所述显控模块还连接显示及按键组件来实现人机交互功能；
电源模块，所述电源模块***公共底板槽格中，所述电源模块的电压输出端分别与***公共底板槽格的北斗卫星接收模块、GPS卫星接收模块、输入模块、授时模块、输出模块、显控模块的电源端相连；
公共底板，所述公共底板固定在机箱地面，通过标准插件接口与电源模块、北斗卫星接收模块、GPS卫星接收模块、输入模块、授时模块、输出模块、显控模块相连。
优选的，所述授时模块可以同时接收来自北斗卫星接收模块和GPS卫星接收模块的卫星时钟源，实现北斗卫星和GPS卫星双***冗余备份，所述北斗卫星接收模块和GPS卫星接收模块作为主时钟使用；所述授时模块还可以接收外部输入的时钟源，作为扩展时钟应用；所述卫星时钟源和外部输入的时钟源均不可用时，由授时模块内部时钟控制算法提供时间信息。
优选的，所述外部输入的时钟源为IRIG-B码基准源或网络时钟信号，所述输出模块输出的授时信息包括串行报文、IREG-B码、脉冲信号、以及网络时间信号。
优选的，所述显控模块的CPU采用ARM9系列处理器，所述北斗卫星接收模块、GPS卫星接收模块、输入模块、授时模块、输出模块均采用ACTELSmartFusion2系列的FPGA芯片来设计，所述FPGA芯片内嵌ARMCortex-M3核。
进一步的，本装置采用热插拔设计，所述北斗卫星接收模块、GPS卫星接收模块、输入模块、授时模块、显控模块、输出模块、电源模块之间通过总线方式连接。
进一步的，所述北斗卫星接收模块和/或GPS卫星接收模块的卫星时钟源质量良好或外部输入的时钟源有效时，所述授时模块将启用时钟驯服模块，所述时钟驯服模块包括相位和频率测量单元、滤波处理和频率预测单元、DAC控制单元、本地晶振单元、分频单元、温度测量单元，其中，
相位和频率测量单元，用于接收来自北斗卫星接收模块和GPS卫星接收模块或输入模块的频率标准源1PPS以及分频频率1PPS，所述相位和频率测量单元的输出端连接滤波处理和频率预测单元的输入端；
滤波处理和频率预测单元，用于降低频率标准源1PPS的抖动和预测频率标准源1PPS的频率，并将所述频率标准源1PPS的预测值传送至DAC控制单元，滤波处理和频率预测单元的输入端还连接温度测量单元的输出端；
DAC控制单元，用于接收频率标准源1PPS的预测值，并产生本地频率1PPS，DAC控制单元输出本地频率1PPS至本地晶振单元的输入端；
本地晶振单元，用于将本地频率1PPS送入分频单元的输入端；
分频单元，将本地频率1PPS进行分频处理得到分频频率1PPS，分频单元的输出端输出分频频率1PPS至相位和频率测量单元的输入端，直至分频频率1PPS与频率标准源1PPS相同为止，所述分频单元输出分频频率1PPS至输出模块。
本发明的有益效果在于：
1)、本发明由北斗卫星接收模块、GPS卫星接收模块、输入模块、授时模块、显控模块、输出模块、电源模块以及公共底板组成，通过IRIG-B、1PPS、TOD、SNTP等方式提供授时服务，本发明替代了原有电力的GPS卫星时钟，为用户提供基于北斗兼容GPS的双备份接收机，满足了电力***授时用户的需求，具备准确性高、性能稳定的特点，满足电力***授时用户需求。
2)、所述外部输入的时钟源为IRIG-B码基准源或网络时钟信号，可以在卫星信号意外丢失情况下，由外部输入的时钟源提供时钟信号，本装置可以在北斗卫星信号和GPS卫星信号或外部输入的时钟源之间自动切换；当卫星时钟源质量不满足授时模块需求而且外部输入的时钟源无效时，由授时模块输出本地守时时间信息，使本发明具备更高的准确性和稳定性。
3)、所述滤波处理和频率预测单元可以削弱频率标准源1PPS由于温度变化等原因所产生的的频繁抖动，滤波处理和频率预测单元经过频率预测操作得到频率标准源1PPS的预测值并传送至DAC控制单元，保证了本装置输出的驯服时间信息更加准确可靠。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明的时钟驯服模块结构组成框图；
图3为本发明的工作原理图(恒温晶振模块带有驯服功能)；
图4为本发明的工作原理图(恒温晶振模块无有驯服功能)。
图中的附图标记含义如下：
10—输入模块20—授时模块
21—相位和频率测量单元22—滤波处理和频率预测单元
23—DAC控制单元24—本地晶振单元
25—分频单元30—显控模块
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本装置包括北斗卫星接收模块、GPS卫星接收模块、输入模块10、授时模块20、显控模块30、输出模块、电源模块、公共底板；所述北斗卫星接收模块、GPS卫星接收模块分别用于接收来自北斗RNSS导航卫星数据、GPS卫星数据并产生相应的时间信息和状态信息传输至授时模块20的输入端，所述输入模块10的输出端连接授时模块20的输入端，所述显控模块30与授时模块20之间双向通信连接，显控模块30还连接显示及按键组件来实现人机交互功能，所述电源模块的电压输出端分别与北斗卫星接收模块、GPS卫星接收模块的电源端相连，所述授时模块20的输出端连接输出模块的输入端。
如图2所示，所述北斗卫星接收模块和/或GPS卫星接收模块的卫星时钟源质量良好或外部输入的时钟源有效时，所述授时模块20将启用内部的时钟驯服模块，所述时钟驯服模块包括相位和频率测量单元21、滤波处理和频率预测单元22、DAC控制单元23、本地晶振单元24、分频单元25、温度测量单元26；所述相位和频率测量单元21用于接收来自北斗卫星接收模块和/或GPS卫星接收模块或输入模块10的频率标准源1PPS以及分频频率1PPS，所述相位和频率测量单元21的输出端连接滤波处理和频率预测单元22的输入端，所述滤波处理和频率预测单元22用于降低频率标准源1PPS的抖动和预测频率标准源1PPS的频率，并将所述频率标准源1PPS的预测值传送至DAC控制单元23，滤波处理和频率预测单元22的输入端还连接温度测量单元26的输出端，所述DAC控制单元23输出本地频率1PPS至本地晶振单元24的输入端，所述本地晶振单元24用于将本地频率1PPS送入分频单元25的输入端。所述分频单元25将本地频率1PPS进行分频处理得到分频频率1PPS，分频单元25的输出端输出分频频率1PPS至相位和频率测量单元21的输入端，直至分频频率1PPS与频率标准源1PPS相同为止，所述分频单元25输出分频频率1PPS至输出模块。
实施例一：如图3所示，本发明在硬件上采用双模双备份的设计，可以分别工作在双卫星模式、单北斗模式、单GPS模式，所述北斗卫星接收模块、GPS卫星接收模块分别用于接收来自北斗RNSS导航卫星数据、GPS卫星数据并产生相应的时间信息和状态信息传输至授时模块20的输入端，所述授时模块20由通用底板和带有驯服功能的恒温晶振模块组成，通用底板型号采用ActelsmartFusion2系列FPGAM2S010FGG484设计，带有驯服功能的恒温晶振模块型号为CM5503模块，将北斗卫星接收模块和GPS卫星接收模块的频率标准源1PPS送入FPGA逻辑单元中，串行报文送至FPGA的FIFO中缓存，并通过APB总线挂接接入内嵌的ARMCortex-M3核中，ARMCortex-M3核解析串行报文，识别北斗卫星接收模块和GPS卫星接收模块的卫星状态，并输出本地频率1PPS至所述FPGA逻辑单元，所述FPGA逻辑单元将优选的本地频率1PPS作为参考频率1PPS送入本地恒温晶振，最终本地恒温晶振输出驯服的频率1PPS。北斗卫星接收模块和GPS卫星接收模块在切换过程中的抖动在带有驯服功能的CM5503模块中得到平滑，所述参考频率1PPS脉冲抖动小于等于20ns时，短稳小于等于2E-11,驯服后锁定精度小于等于±1E-12，指标优于电力自动化设备授时需求。授时模块20输出串行数据信息格式和脉冲模式的时间信息以及告警信息至输出模块，通过输出模块转换并输出授时信息至电力***，所述授时模块同时连接显控模块30实现人机交互功能。
实施例二：如图4所示，本实施例的一种北斗GPS双模电力时间同步装置，与实施例一不同之处是，本实施例驯服功能通过常规锁相环和保持电路实现，所选晶振为不带有驯服电路的本地晶振单元24，ARMCortex-M3核将频率标准源1PPS与本地晶振单元24分频得到的分频频率1PPS送入相位和频率测量单元21中进行时间间隔测量，测量结果送入校正计算器中，校正计算器将测量结果乘以采样周期T并进行累计，得到累计时间误差CTE。为了弱化频率标准源1PPS的100ns/sec抖动影响，校正计算器随后将累计时间误差CTE除以一个系数K，这样操作可将频率标准源1PPS的抖动分量降至1ns/sec之内。所述校正计算器同时还保持时间误差的2000点移动平均值，所述校正计算器从MEAN_VAL减去弱化的CTE，产生校正信号X，也就是说，校正信号X＝MEAN_VAL-CTE/K，校正信号X构成DAC的正常输入。该实施例中，控制器负责监控卫星锁定状态，并根据卫星信号质量优劣，相应地选择正常或保持校正信号。然而，需要关注的是，如果北斗卫星接收模块和/或GPS卫星接收模块在自适应振荡器模型AOM尚未稳定下来之前失锁，控制器将选择平均信号，而不再是保持信号。相位和频率测量单元21、滤波处理和频率预测单元22、DAC控制单元23、本地晶振单元24、以及分频单元25构成数字PLL，反馈环路则用于消除OCXO相关的漂移，当***切换到保持工作模式时，参考频率1PPS和反馈环路不再起作用。因此，OCXO成为唯一的频率源，OCXO引起的任何漂移都会出现在输出信号中，OCXO本身不能满足***稳定性要求，***依靠自适应振荡器模型AOM来改善OCXO在保持操作期间的稳定性能。

Claims (6)

1.一种北斗GPS双模电力时间同步装置，其特征在于：本装置包括北斗卫星接收模块、GPS卫星接收模块、输入模块(10)、授时模块(20)、显控模块(30)、输出模块、电源模块和公共底板，其中，
北斗卫星接收模块、GPS卫星接收模块，分别用于接收来自北斗RNSS导航卫星数据、GPS卫星数据并产生相应的时间信息和状态信息传输至授时模块(20)的输入端；
输入模块(10)，为外部输入的时钟源，所述输入模块(10)的输出端连接授时模块(20)的输入端；
授时模块(20)，所述授时模块(20)用于接收来自北斗卫星接收模块和/或GPS卫星接收模块的时间和状态信息或是来自输入模块(10)的外部输入的时钟源，产生和维护本地的时间信息，并输出串行数据信息格式和脉冲模式的时间信息以及告警信息至输出模块，所述北斗卫星接收模块和GPS卫星接收模块的卫星时钟源质量良好或外部输入的时钟源有效时，输出驯服时间信息，卫星时钟源质量不满足授时模块(20)需求而且外部输入的时钟源无效时，输出本地守时时间信息；
输出模块，用于接收来自授时模块(20)的授时信息，输出模块转换并输出授时信息至电力***；
显控模块(30)，所述显控模块(30)与授时模块(20)之间双向通信连接，所述显控模块(30)还连接显示及按键组件来实现人机交互功能；
电源模块，所述电源模块***公共底板槽格中，所述电源模块的电压输出端分别与***公共底板槽格的北斗卫星接收模块、GPS卫星接收模块、输入模块(10)、授时模块(20)、输出模块、显控模块(30)的电源端相连；
公共底板，所述公共底板固定在机箱地面，通过标准插件接口与电源模块、北斗卫星接收模块、GPS卫星接收模块、输入模块(10)、授时模块(20)、输出模块、显控模块(30)相连。
2.如权利要求1所述的一种北斗GPS双模电力时间同步装置，其特征在于：所述授时模块(20)可以同时接收来自北斗卫星接收模块和GPS卫星接收模块的卫星时钟源，实现北斗卫星和GPS卫星双***冗余备份，所述北斗卫星接收模块和GPS卫星接收模块作为主时钟使用；所述授时模块(20)还可以接收外部输入的时钟源，作为扩展时钟应用；所述卫星时钟源和外部输入的时钟源均不可用时，由授时模块(20)内部时钟控制算法提供时间信息。
3.如权利要求1所述的一种北斗GPS双模电力时间同步装置，其特征在于：所述外部输入的时钟源为IRIG-B码基准源或网络时钟信号，所述输出模块输出的授时信息包括串行报文、IREG-B码、脉冲信号、以及网络时间信号。
4.如权利要求1所述的一种北斗GPS双模电力时间同步装置，其特征在于：所述显控模块(30)的CPU采用ARM9系列处理器，所述北斗卫星接收模块、GPS卫星接收模块、输入模块(10)、授时模块(20)、输出模块均采用ACTELSmartFusion2系列的FPGA芯片来设计，所述FPGA芯片内嵌ARMCortex-M3核。
5.如权利要求4所述的一种北斗GPS双模电力时间同步装置，其特征在于：本装置采用热插拔设计，所述北斗卫星接收模块、GPS卫星接收模块、输入模块(10)、授时模块(20)、显控模块(30)、输出模块、电源模块之间通过总线方式连接。
6.如权利要求2所述的一种北斗GPS双模电力时间同步装置，其特征在于：所述北斗卫星接收模块和/或GPS卫星接收模块的卫星时钟源质量良好或外部输入的时钟源有效时，所述授时模块(20)将启用时钟驯服模块，所述时钟驯服模块包括相位和频率测量单元(21)、滤波处理和频率预测单元(22)、DAC控制单元(23)、本地晶振单元(24)、分频单元(25)、温度测量单元(26)，其中，
相位和频率测量单元(21)，用于接收来自北斗卫星接收模块和GPS卫星接收模块或输入模块(10)的频率标准源1PPS以及分频频率1PPS，所述相位和频率测量单元(21)的输出端连接滤波处理和频率预测单元(22)的输入端；
滤波处理和频率预测单元(22)，用于降低频率标准源1PPS的抖动和预测频率标准源1PPS的频率，并将所述频率标准源1PPS的预测值传送至DAC控制单元(23)，滤波处理和频率预测单元(22)的输入端还连接温度测量单元(26)的输出端；
DAC控制单元(23)，用于接收频率标准源1PPS的预测值，并产生本地频率1PPS，DAC控制单元(23)输出本地频率1PPS至本地晶振单元(24)的输入端；
本地晶振单元(24)，用于将本地频率1PPS送入分频单元(25)的输入端；
分频单元(25)，将本地频率1PPS进行分频处理得到分频频率1PPS，分频单元(25)的输出端输出分频频率1PPS至相位和频率测量单元(21)的输入端，直至分频频率1PPS与频率标准源1PPS相同为止，所述分频单元(25)输出分频频率1PPS至输出模块。
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