自適應識別gps輸入信號的對時方法
2023-07-19 12:28:01 2
專利名稱：自適應識別gps輸入信號的對時方法
技術領域：
本發明涉及一種自適應識別GPS輸入信號的對時方法。
背景技術：
現代電力系統中安裝了各種自動化裝置，如監控系統的測控單元、RTU、故障錄波器、微機保護裝置、SCADA，等等。這些裝置內部都有實時時鐘，但是這些時鐘都不可避免地會有誤差，如果不及時校準，誤差會累積起來，變得越來越大。而電力系統中自動化信息傳輸、繼電保護及自動裝置都需要一個精確、統一的時鐘。基於這個統一的時間基準，當電力系統發生異常或故障時，基於統一時鐘提供的波形才有參考價值，才能正確判斷故障原因、 各種保護及自動裝置動作行為的先後順序、以及故障的演變和發展過程。目前，GPS在電力系統中已獲得廣泛應用，GPS能夠提供統一的時間基準。在各種繼電保護自動化裝置基本上都有時間同步信號接口，接收時間同步信號後實現內部實時時鐘的時間同步。不同變電站提供的時間同步信號類型不盡相同，主要有以下幾種(1)脈衝信號，包括分脈衝、秒脈衝，採用光電耦合接口，通常稱為空接點輸出，也有使用RS-422(480接口的，這種形式通常稱為差分接口 ；(2)時間報文，包含時間信息和其他信息，目前沒有統一的格式，一般採用RS-232 串口傳輸；(3) IRIG-B時鐘碼對時。^IG-B為^IG委員會的B標準，是專為時鐘的傳輸指定的時鐘碼。上述三種對時方法中，時間報文的方式對時精度較低，一般應用在變電站自動化系統的後臺計算機系統；而脈衝對時編碼信息較少，一般需與時間報文配合使用JRIG-B 時間編碼是一種較優秀的時間編碼格式，能提供較高的對時精度且包含了全部時間信息。但是由於歷史的原因，各個變電站使用的GPS對時信息各不相同，上面三種信息格式都可能存在，因此，繼電保護和自動裝置的生產廠家在設計和開發上必須兼顧這三種需求。有的採用硬體跳線的方式，根據現場接入的信號進行選擇，使裝置的處理器選擇相應的信號處理模式；有的採用單片機解碼，從^IG-B中解出時間和脈衝信息，送給處理器處理。這些方式中，要麼不能靈活適應現場的需求，容易出錯而使繼電保護和自動裝置工作不正常，要麼增加系統的複雜度，增加成本。
發明內容
本發明針對上述問題，提出一種利用裝置中已有的FPGA實現自適應識別GPS信號的對時方法，可以自動識別接入系統的GPS時間同步信號類型，在有多個時鐘源的情況下按照優先級進行選擇，並且識別後定時輸出與GPS信號同步的秒脈衝。為了解決以上技術問題，本發明提供的自適應識別GPS輸入信號的對時方法，依次包括如下步驟A、將GPS對時裝置輸出的GPS對時信號調理為FPGA能接受的信號，並送入FPGA進行處理；B、FPGA接收到調理後的GPS對時信號後，判斷該GPS對時信號是否穩定，如果穩定，則轉至步驟C，否則判定接收到的GPS對時信號錯誤，以FPGA自身的時鐘頻率發送PPS 脈衝給處理系統，並轉至步驟E ；C、判斷GPS對時信號的類型是否為PPS信號、PPM信號或^IG-B信號中的一種， 如果是，則轉至步驟D，否則接收到的GPS對時信號錯誤，以FPGA自身的時鐘頻率發送PPS 脈衝給處理系統，並轉至步驟E ；D、若GPS對時信號為PPS信號，則由FPGA輸出和該PPS信號同頻、同相位的PPS 脈衝給處理系統；若GPS對時信號為PPM信號，則由FPGA輸出和該PPM信號同相角頻率為 PPM信號頻率六十倍的PPS脈衝給處理系統；若GPS對時信號為^IG-B信號時，則FPGA從 IRIG-B信號的碼流中解析出時間信息和PPS信號頻率及相位信息，並由FPGA輸出與該PPS 信號同頻、同相位的PPS脈衝以及解析出的當前時間信息給處理系統；E、處理系統以FPGA送來的PPS脈衝信號為時間基準進行電力數據採樣。進一步的，本發明步驟D中，如果GPS對時信號中包含有^IG-B信號時，則以 IRIG-B信號為基準，進行相應PPS脈衝的輸出。更進一步的，所述步驟B中判斷該GPS對時信號是否穩定的方法為，採用穩定的高頻時鐘作為計數用的參考時鐘，對GPS對時信號的高電平時間tH、低電平時間、，兩次上升沿出現的時間間隔tP進行計數，如連續八次記錄的、、、和tP值都穩定在1毫秒的範圍內， 則信號輸入已經穩定，可作為步驟C判斷GPS對時信號類型的依據，否則判定接收到的GPS 對時信號錯誤。本發明所述步驟C中，所述GPS對時信號的類型判斷方法如下I、如果GPS對時信號的脈衝寬度小於10ms，則判定該GPS對時信號為^IG-B信號，否則轉至步驟II ；II、如果GPS對時信號的脈衝周期為Is且脈衝寬度為200ms，則判定該GPS對時信號為PPS信號，否則轉至步驟III ；III、如果GPS對時信號脈衝周期為IM且脈衝寬度小於200ms，則判定該GPS對時信號為PPM信號，否則判定接收到的GPS對時信號錯誤。本發明能自適應多種GPS對時信號的類型進行對時處理，一套設備可適應多種場合，適用性強，降低了設備投入；其利用裝置中已有的FPGA實現該功能，在不增加任何硬體成本的前提下解決了變電站使用的GPS對時信息各不相同的問題；當^IG-B信號與脈衝信號同時存在時，優選信息含量更多W^IG-B信號作為基準進行相應PPS脈衝的輸出，提高系統的穩定性和精度；並且在GPS信號丟失情況下能夠按照原有時鐘進行PPS脈衝發送，確保系統正常運行。本發明的有益效果是採用本發明技術實現的GPS輸入信號對時準確，輸出的脈衝信號穩定，不受本地時鐘源偏差的影響。並且具有實現方便，設置簡單、適應性強的優點。
下面結合附圖對本發明作進一步的說明。圖1為本發明對時系統示意圖。
圖2為三種GPS對時信號特性示意圖。圖3為本發明流程圖。圖4為本發明判斷流程圖。
具體實施例方式下面參照附圖並結合實施例對本發明作進一步詳細描述。但是本發明不限於所給出的例子。如圖1所示，為本發明系統涉及硬體的示意圖，GPS對時裝置輸出PPS或/和PPM 或/和^IG-B信號，並將其輸入至FPGA，由於GPS對時裝置輸出電壓在12V左右，超過FPGA 所能接受的範圍，因此該信號必須經過調理，使GPS對時信號調理為FPGA能夠接受的TTL 或LVTTL信號，FPGA對輸入的對時信號進行處理後，向處理系統發送PPS脈衝，以及相關對時信息及狀態，便於處理系統進行更準確的控制。FPGA由於它的靈活性在電子裝置中已得到越來越多的應用，且這種器件的可靠性也已得到實踐的檢驗，因此，在繼電保護和自動裝置中越來越廣泛地使用FPGA來完成一些通信和邏輯功能，減少MCU上的工作量，保證系統的靈活性和功能的多樣性。如圖2所示，PPS信號是一系列寬度為20 200ms，周期為Is的脈衝；PPM信號是一系列寬度為20 200ms，周期為Is的脈衝JRIG-B碼是每秒一幀的串行碼，每幀的前60 個碼元能夠表示包含年、月、日、時、分、秒的信息，所使用的碼元只有3種，2ms脈寬的代表二進位的「0」，5ms的代表二進位的「1」，8ms的為位置識別標誌。兩個標誌位相連的地方， 第二個標誌位的上升沿對準PPS信號的上升沿，即秒脈衝的上升沿，第二個標誌位記為Ρκ。如圖3所示，為本發明流程圖，本發明自適應識別GPS輸入信號的對時方法，依次包括如下步驟Α、將GPS對時裝置輸出的GPS對時信號調理為FPGA能接受的信號，並送入FPGA 進行處理；B、FPGA接收到調理後的GPS對時信號後，判斷該GPS對時信號是否穩定，如果穩定，則轉至步驟C，否則判定接收到的GPS對時信號錯誤，以FPGA自身的時鐘頻率發送PPS 脈衝給處理系統，並轉至步驟E ；本步驟中，判斷GPS對時信號是否穩定的方法是採用穩定的高頻時鐘作為計數用的參考時鐘，對GPS對時信號的高電平時間、、低電平時間、，兩次上升沿出現的時間間隔tP進行計數，如連續八次記錄的tH、、和tP值都穩定在1毫秒的範圍內，則信號輸入已經穩定，可作為步驟C判斷GPS對時信號類型的依據，否則判定接收到的GPS對時信號錯誤；C、判斷GPS對時信號的類型是否為PPS信號、PPM信號或^IG-B信號中的一種， 如果是，則轉至步驟D，否則接收到的GPS對時信號錯誤，以FPGA自身的時鐘頻率發送PPS 脈衝給處理系統，並轉至步驟E ；本步驟中判斷GPS對時信號的類型的方法包括如下步驟I、如果GPS對時信號的脈衝寬度小於10ms，則判定該GPS對時信號為^IG-B信號，否則轉至步驟II ；II、如果GPS對時信號的脈衝周期為Is且脈衝寬度為200ms，則判定該GPS對時信號為PPS信號，否則轉至步驟III ；
III、如果GPS對時信號脈衝周期為IM且脈衝寬度小於200ms，則判定該GPS對時信號為PPM信號，否則判定接收到的GPS對時信號錯誤；D、若GPS對時信號為PPS信號，則由FPGA輸出和該PPS信號同頻、同相位的PPS 脈衝給處理系統；若GPS對時信號為PPM信號，則由FPGA輸出和該PPM信號同相角頻率為 PPM信號頻率六十倍的PPS脈衝給處理系統；若GPS對時信號為^IG-B信號時，則FPGA從 IRIG-B信號的碼流中解析出時間信息和PPS信號頻率及相位信息，並由FPGA輸出與該PPS 信號同頻、同相位的PPS脈衝以及解析出的當前時間信息給處理系統；本步驟中，FPGA輸出的PPS脈衝的佔空比為2 8。E、處理系統以FPGA送來的PPS脈衝信號為時間基準進行電力數據採樣。在步驟D中，如果GPS對時信號中包含有^IG-B信號時，則以^IG-B信號為基準， 進行相應PPS脈衝的輸出。除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式。凡採用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明要求的保護範圍。
權利要求
1.自適應識別GPS輸入信號的對時方法，依次包括如下步驟A、將GPS對時裝置輸出的GPS對時信號調理為FPGA能接受的信號，並送入FPGA進行處理；B、FPGA接收到調理後的GPS對時信號後，判斷該GPS對時信號是否穩定，如果穩定，則轉至步驟C，否則判定接收到的GPS對時信號錯誤，以FPGA自身的時鐘頻率發送PPS脈衝給處理系統，並轉至步驟E ；C、判斷GPS對時信號的類型是否為PPS信號、PPM信號或^IG-B信號中的一種，如果是，則轉至步驟D，否則接收到的GPS對時信號錯誤，以FPGA自身的時鐘頻率發送PPS脈衝給處理系統，並轉至步驟E ；D、若GPS對時信號為PPS信號，則由FPGA輸出和該PPS信號同頻、同相位的PPS脈衝給處理系統；若GPS對時信號為PPM信號，則由FPGA輸出和該PPM信號同相角頻率為PPM信號頻率六十倍的PPS脈衝給處理系統；若GPS對時信號為^IG-B信號時，則FPGA從^IG-B 信號的碼流中解析出時間信息和PPS信號頻率及相位信息，並由FPGA輸出與該PPS信號同頻、同相位的PPS脈衝以及解析出的當前時間信息給處理系統；E、處理系統以FPGA送來的PPS脈衝信號為時間基準進行電力數據採樣。
2.根據權利要求1所示的自適應識別GPS輸入信號的對時方法，其特徵在於所述步驟D中，如果GPS對時信號中包含有^IG-B信號時，則以^IG-B信號為基準，進行相應PPS 脈衝的輸出。
3.根據權利要求1所示的自適應識別GPS輸入信號的對時方法，其特徵在於所述步驟B中判斷該GPS對時信號是否穩定的方法為，採用穩定的高頻時鐘作為計數用的參考時鐘，對GPS對時信號的高電平時間tH、低電平時間、，兩次上升沿出現的時間間隔tP進行計數，如連續八次記錄的tH、、和tP值都穩定在1毫秒的範圍內，則信號輸入已經穩定，可作為步驟C判斷GPS對時信號類型的依據，否則判定接收到的GPS對時信號錯誤。
4.根據權利要求1所示的自適應識別GPS輸入信號的對時方法，其特徵在於所述步驟C中，GPS對時信號的類型判斷方法如下I、如果GPS對時信號的脈衝寬度小於10ms，則判定該GPS對時信號為^IG-B信號，否則轉至步驟II ；II、如果GPS對時信號的脈衝周期為Is且脈衝寬度為200ms，則判定該GPS對時信號為 PPS信號，否則轉至步驟III ；III、如果GPS對時信號脈衝周期為IM且脈衝寬度小於200ms，則判定該GPS對時信號為PPM信號，否則判定接收到的GPS對時信號錯誤。
5.根據權利要求1所示的自適應識別GPS輸入信號的對時方法，其特徵在於步驟D 中，FPGA輸出的PPS脈衝的佔空比為2 8。
全文摘要
本發明自適應識別GPS輸入信號的對時方法，涉及利用GPS實現電力系統繼電保護及自動裝置的精確對時的技術，其針對GPS對數信號進行判斷，並且將該GPS對時信號統一為同步的PPS信號發出，實現多種類型GPS對時信號的自適應，一套設備可適應多種場合，適用性強，降低了設備投入；其利用裝置中已有的FPGA實現該功能，在不增加任何硬體成本的前提下解決了變電站使用的GPS對時信息各不相同的問題；當IRIG-B信號與脈衝信號同時存在時，優選信息含量更多的IRIG-B信號作為基準進行相應PPS脈衝的輸出，提高系統的穩定性和精度；並且在GPS信號丟失情況下能夠按照原有時鐘進行PPS脈衝發送，確保系統正常運行。
文檔編號G04G7/02GK102156404SQ201010590838
公開日2011年8月17日 申請日期2010年12月16日 優先權日2010年12月16日
發明者周華良, 夏雨, 姚吉文, 姜雷, 徐建松, 鄭玉平 申請人:國網電力科學研究院