電力網gps/北鬥雙系統衛星同步時鐘系統的製作方法
2023-07-18 16:58:16 1
專利名稱:電力網gps/北鬥雙系統衛星同步時鐘系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電力時鐘，具體地說是涉及一種基於北鬥二代的電力時鐘系統。
背景技術：
我國電網建設投入長期不足，電網發展嚴重滯後於電源發展。近年來，電源建設和投產速度加快，加劇了電網滯後的矛盾。投入不足造成目前我國電網結構薄弱、電網卡脖子，部分設備陳舊、隱患多、抵禦自然災害能力差，嚴重製約電網安全穩定運行，我國電網大面積停電風險始終存在。最近幾年，國際上連續發生比較大的停電事故，而且發生在一些發達國家，比如加拿大、義大利、澳大利亞、莫斯科等。根據「十一五」國民經濟和社會發展綱要和國家能源發展戰略，以及對電力需求的預測，未來五年國家電網投資過萬億元，總規模將成倍增長。完成如此艱巨的投資和建設任務，離不開科技進步和自主創新。建成後的國家電網將是世界上電壓等級最高、規模最大、運行管理最複雜、能源資源配置能力最強的交直流混合電網，它的安全穩定運行更離不開科技進步和自主創新。就目前而言，電網統一的高精度地面時間同步系統中的核心設備同步時鐘一般採用GPS系統作為無線基準時間源，同時設備內部採用高穩晶振作為守時時鐘，因成本原因，設備很少採用銣鍾作為守時時鐘。
GPS授時系統是針對自動化系統中的計算機、控制裝置等進行校時的高科技產品，GPS授時產品它從GPS衛星上獲取標準的時間信號，將這些信息通過各種接口類型來傳輸給自動化系統中需要時間信息的設備(計算機、保護裝置、故障錄波器、事件順序記錄裝置、安全自動裝置、遠動RTU)，這樣就可以達到整個系統的時間同步。隨著計算機和網絡通信技術的飛速發展，變電站自動化系統數位化、網絡化的時代已經到來。這一方面為各控制和信息系統之間的數據交換、分析和應用提供了更好的平臺、另一方面對各種實時和歷史數據時間標籤的準確性也提出了更高的要求。使用價格並不昂貴的GPS時鐘來統一各種系統的時鐘，已是目前變電站設計中採用的標準做法。變電站保護裝置和測控裝置的主時鐘通過合適的GPS時鐘信號接口，得到標準的TOD (年月日時分秒)時間，然後按各自的時鐘同步機制，將系統內的從時鐘偏差限定在足夠小的範圍內，從而達到全廠的時鐘同步。全球定位系統(Global Positioning System, GPS)由一組美國國防部在1978年開始陸續發射的衛星所組成，共有24顆衛星運行在6個地心軌道平面內，根據時間和地點，地球上可見的衛星數量一直在4顆至11顆之間變化。GPS時鐘是一種接受GPS衛星發射的低功率無線電信號，通過計算得出GPS時間的接受裝置。為獲得準確的GPS時間，GPS時鐘必須先接受到至少4顆GPS衛星的信號，計算出自己所在的三維位置。在已經得出具體位置後，GPS時鐘只要接受到I顆GPS衛星信號就能保證時鐘的走時準確性。作為變電站的標準時鐘，對GPS時鐘的基本要求是:至少能同時跟蹤8顆衛星，有儘可能短的冷、熱啟動時間，配有後備電池，有高精度、可靈活配置的時鐘輸出信號。
目前，變電站用到的GPS時鐘輸出信號主要有以下三種類型:
1、1PPS/1PPM輸出:此格式時間信號每秒或每分時輸出一個脈衝。顯然，時鐘脈衝輸出不含具體時間信息。[0005]2、IRIG-B 輸出:IRIG(美國 the Inter-Range Instrumentation Group)共有 A、B、D、E、G、H幾種編碼標準(IRIG Standard 200-98)。其中在時鐘同步應用中使用最多的是IRIG-B編碼，有be電平偏移(DC碼)、IkHz正弦載波調幅(AC碼)等格式。IRIG-B信號每秒輸出一幀(Ifps)，每幀長為一秒。一幀共有100個碼元(IOOpps)，每個碼元寬10ms，由不同正脈衝寬度的碼元來代表二進位O、I和位置標誌位。
3、RS-232/RS-422/RS-485輸出:此時鐘輸出通過EIA標準串行接口發送一串以ASCII碼錶不的日期和時間報文,每秒輸出一次。時間報文中可插入奇偶校驗、時鐘狀態、診斷信息等。此輸出目前無標準格式。
眾所周知，GPS系統由美國軍方控制，其安全性得不到有效保障，一旦GPS系統被加擾或設備的GPS接收系統損壞，同步時鐘只能採用高穩晶振進行守時，其授時精度不能得到長期保障。由此造成電網時鐘不同步引起的各種故障。而更多的基準選擇基本可歸納為無線或有線兩類，而目前國內的情況是，無線有北鬥衛星、俄羅斯GL0NASS衛星、長波(L0RAN_C)，GL0NASS衛星為俄羅斯所有且系統老化、未能在民用推廣，長波也由於種種原因在民用也未能推廣；有線方面頻率同步已成熟，但遠距離的高精度時間同步尚待技術突破及驗證。
隨著GPS在電力行業日益廣泛的應用，GPS時間、頻率產品已深入到電力系統的各個角落，電力系統對GPS時間、頻率基準單一依賴的體制已經形成。GPS系統是由美國軍方控制運行的，美國軍方隨時可以對特定區域的信號進行控制，可對特定區域的信號實施加擾或關閉，使GPS接收系統性能大幅度降低或失靈，這對獨立依靠GPS信號設備的系統的安全性、可靠性留下了非常大的隱患。例如某年我國在東南沿海進行的軍事演習，美國對該區域的GPS信號進行幹擾，造成該區域使用GPS信號的設備無法正常工作，導航定位設備失效、時頻同步設備失效或降質、固定及移動通訊系統無法正常工作、電力調度設備時間發生紊亂、GIS無法正常工作等情況。
發明內容
本發明的目的是提供一種準確、安全、方便的無源北鬥二代電力時鐘系統。
為實現上述目的，本發明採用以下技術方案:
本發明中，北鬥GPS組合天線接收衛星信號，該衛星信號經過功分器後分為一路GPS信號和一路北鬥信號，其特徵在於:將得到的GPS信號、北鬥信號作為參考源信號，並將參考源信號和IRIG-B信號送入同步時鐘設備，同步時鐘設備中的定時模塊對參考源信號進行切換選擇，並對本振部分進行閉環控制，最後輸出電力時鐘信號。
所述的定時模塊包括參考源信號監測模塊，用於對參考源信號進行監測，同時利用信號處理單元的高速邏輯晶片完成對參考源信號的相位測量，將測量數據實時送給運算處理器，處理器根據測量數據完成參考源性能比對、參考源優選，完成各路參考源的切換，同時完成跟蹤、保持算法，通過壓控電路完成對本振的控制，形成定時閉環迴路，從而保證設備輸出信號的定時精度。
採用上述技術方案的本發明，採用無源北鬥授時技術、高精度相位測量技術、多路時鐘無損切換技術，完成實現了以北鬥、GPS雙衛星系統作為時間基準的同步時鐘，同步時鐘技術指標滿足電網聯調對時鐘技術參數要求。本發明解決了國內現有電網時間同步系統過度依賴GPS系統的技術現狀，提高了電網時間同步系統的安全性和可靠性。具體地說包含以下幾個優點:
(I)提高了電網時鐘基準的定時精度:現有GPS時鐘系統依賴於單GPS衛星系統，衛星種類單一，衛星接收情況依地理位置分布和時間變化而不同，GPS時鐘產品的時間信號輸出有較大的差異；GPS/北鬥雙系統電網高精度同步時鐘產品同時接收GPS/北鬥雙衛星系統的信號，且北鬥系統為地球同步衛星，可保證我國絕大部分區域的穩定接收，使GPS/北鬥雙系統同步時鐘產品的定時精度明顯提高。
(2)提高了電網時鐘的系統可靠性，消除了單GPS時鐘對電網同步時鐘系統的安全威脅。電網時鐘系統建立之初，依據當時的技術條件選擇了單GPS時間基準的方案，導致對美國的GPS衛星系統的絕對依賴，一旦GPS衛星系統出現對我國的區域屏蔽或區域加擾，我國電網時間同步將出現系統性故障，產生不可估計的影響；GPS/北鬥雙系統電網高精度同步時鐘產品配備有我國自主的北鬥衛星導航系統，即使GPS系統出現故障，能自動切換到北鬥授時狀態，完全擺脫對GPS系統的依賴。
(3)擴充了電網現有時鐘的輸出能力。GPS/北鬥雙系統電網高精度同步時鐘產品採用後插卡的方式，可任意配置同步脈衝、IRIG-B碼、串口報文、NTP網絡時間等輸出模塊，輸出最高達88路時間信號輸出。
圖1為本發明的結構圖。
圖2為本發明中同步時鐘設備的原理框圖。
圖3為本發明中定時模塊的原理框圖。
具體實施方式
如圖1所示，北鬥GPS組合天線接收衛星信號，該衛星信號經過功分器後分為一路GPS信號和一路北鬥信號，將得到的GPS信號、北鬥信號作為參考源信號，並將參考源信號和IRIG-B信號送入同步時鐘設備，同步時鐘設備中的定時模塊對參考源信號進行切換選擇，並對本振部分進行閉環控制，最後輸出電力時鐘信號。
如圖2所不，同步時鐘設備由人機接口、本振部分、定時部分、電源、輸出部分、輸入部分以及監控部分七大部分組成。
其中，電源輸入由電源卡完成，電源卡採用高性能AC/DC輸入電源模塊，電源兼容220VAC/DC輸入，經過電源模塊轉換成直流電源後供內部各模塊使用，電源卡配有開關，保險等，方便用戶維護。
輸入部分由參考源輸入卡完成，輸入部分完成對GPS、「北鬥」衛星信號、本地銣鍾I O MH Z信號或上遊傳輸的DCLS信號、原有單G P S輸入的IRIG-B / IPPS信號的接收及監測。同時將接收的數據進行處理，上報給監控部分。
定時模塊包括參考源信號監測模塊，用於對參考源信號進行監測，同時利用信號處理單元的高速邏輯晶片完成對參考源信號的相位測量，將測量數據實時送給運算處理器，處理器根據測量數據完成參考源性能比對、參考源優選，完成各路參考源的切換，同時完成跟蹤、保持算法，通過壓控電路完成對本振的控制，形成定時閉環迴路，從而保證設備輸出信號的定時精度。
本振模塊用於為系統提供本地IOMHz時鐘信號，模塊內可配置高性能銣振蕩器、恆溫晶體振蕩器或溫補晶體振蕩器。本振模塊是時鐘設備工作的基準，設備中各種時鐘信號的產生均由本振產生。當設備丟失所有外輸入參考源時，設備由本振時鐘進行守時。
本發明中輸出部分包括5種類型的輸出卡，包括直流IRIGB輸出卡、交流IRIGB輸出卡、脈衝輸出卡、報文輸出卡以及NTP信號輸出卡。其中，直流IRIGB信號由直流IRIGB輸出卡完成，直流IRIGB輸出卡接收來自定時卡的內部時鐘總線信號，得到系統時間基準及時刻信息，通過B碼產生單元，經由驅動及接口保護電路產生直流IRIGB信號。直流IRIGB卡可通過跳線輸出TTL/RS232/RS422接口的信號。脈衝輸出卡根據定時卡輸出的IPPS信號為基準，輸出1PPS/1PPM/1PPH信號。脈衝輸出卡可同時輸出8路脈衝信號，其中第1、2路作為TTL/空接點脈衝輸出，可通過跳線配置為TTL/空接點電平輸出，輸出信號類型可配置為1PPS/1PPM/1PPH。其餘6路可通過跳線配置輸出信號類型為1PPS/1PPM/1PPH，輸出電平為空接點方式。報文輸出卡通過串口報文的方式向終端用戶對時，其串口脈衝的第一個上升沿與定時卡產生的IPPS信號對齊。報文輸出卡支持2路報文信號的輸出。每一路可配置為RS232電平輸出或RS422電平輸出。報文卡可根據用戶需求支持多種協議輸出。周波測量卡採用設備內部高穩定度的IOMHz信號作為50Hz頻率的採樣信號，可以保證測量精度為0.001Hz，每秒輸出。測量輸出的頻率值由報文卡輸出。
人機接口包括4個指示燈，I塊高亮、寬溫、寬視角VFD顯示屏以及功能鍵盤。
監控部分由監控卡完成，監控卡採用高性能C P U單元，完成對設備各部分的監測，信號分發及人機接口功能。
監控板具有完善的監控管理功能，能實時收集各功能卡的工作狀態，一旦功能卡出現故障可由告警端子給出告警信息，同時能定位告警至各功能模塊並在VFD面板顯示，同時可存儲歷史告警信息。能通過鍵盤向系統下發設定的指示命令。
權利要求
1.電力網GPS/北鬥雙系統衛星同步時鐘系統，北鬥GPS組合天線接收衛星信號，該衛星信號經過功分器後分為一路GPS信號和一路北鬥信號，其特徵在於:將得到的GPS信號、北鬥信號作為參考源信號，並將參考源信號和IRIG-B信號送入同步時鐘設備，同步時鐘設備中的定時模塊對參考源信號進行切換選擇，並對本振部分進行閉環控制，最後輸出電力時鐘信號。
2.根據權利要求
1所述的電力網GPS/北鬥雙系統衛星同步時鐘系統，其特徵在於:所述的定時模塊包括參考源信號監測模塊，用於對參考源信號進行監測，同時利用信號處理單元的高速邏輯晶片完成對參考源信號的相位測量，將測量數據實時送給運算處理器，處理器根據測量數據完成參考源性能比對、參考源優選，完成各路參考源的切換，同時完成跟蹤、保持算法，通過壓控電路完成對本振的控制，形成定時閉環迴路，從而保證設備輸出信號的定時精度。
專利摘要
電力網GPS/北鬥雙系統衛星同步時鐘系統，北鬥GPS組合天線接收衛星信號，該衛星信號經過功分器後分為一路GPS信號和一路北鬥信號，將得到的GPS信號、北鬥信號作為參考源信號，並將參考源信號和IRIG-B信號送入同步時鐘設備，同步時鐘設備中的定時模塊對參考源信號進行切換選擇，並對本振部分進行閉環控制，最後輸出電力時鐘信號。採用上述技術方案的本發明，採用無源北鬥授時技術、高精度相位測量技術、多路時鐘無損切換技術，完成實現了以北鬥、GPS雙衛星系統作為時間基準的同步時鐘，同步時鐘技術指標滿足電網聯調對時鐘技術參數要求。本發明解決了國內現有電網時間同步系統過度依賴GPS系統的技術現狀，提高了電網時間同步系統的安全性和可靠性。
文檔編號G04R20/04GKCN103163780SQ201110414586
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月13日
發明者李國立, 郭志紅, 李新雷, 張歆豔, 王天民, 李保軍, 鄒啟群, 張小剛, 崔鳳慶, 王鑫 申請人:河南省電力公司安陽供電公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan