多時源尋優時間同步裝置製造方法
2023-04-23 19:58:46
多時源尋優時間同步裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型是一種多時源尋優時間同步裝置，包括至少兩個結構相同的單元，每個單元中全球定位系統地面接收機（8）與計數器（7）連接，計數器（7）還連接該單元中的比較器（6）；高穩晶振（1）與每個單元內的計數器（9）之間直接連接或者通過鎖相倍頻器（2）連接；每個單元中比較器（6）分別接入多路選擇器（4）的一個輸入端；每個單元中的計數器（7）、比較器（6）和寄存器（5）分別與單片機（3）相連接；單片機（3）的輸出端還與多路選擇器（4）相連接。具有綜合成本較低，算法適應性強，支持多路時鐘源互備尋優，支持多種時差補償策略，能實現高精度的守時，並且時間信號輸出穩定可靠等特點。
【專利說明】多時源尋優時間同步裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及ー種時間同步裝置，具體涉及ー種主要應用於電カ系統及其自動化【技術領域】的多時源尋優時間同步裝置。
【背景技術】
[0002]在電カ系統運行過程中，電網的運行狀態瞬息萬變，為保證電網安全和經濟運行，各種以計算機技術和通信技術為基礎的自動化裝置被廣泛應用，如調度自動化系統、故障錄波裝置、微機繼電保護裝置、事件順序記錄裝置、變電站計算機監控系統、電能量計費系統、火電廠機組自動控制系統、雷電定位系統等，這些系統的正常運行都需要統ー的時間基準支持。
[0003]全球定位系統GPS作為世界上使用範圍最廣的授時系統，在電カ時間同步系統得到廣泛應用。由於GPS系統由美國軍方控制，而美國軍方並不保證服務質量等等原因，以GPS為標準的時間同步系統存在著計較大的安全隱患。隨著我國北鬥導航定位系統的建設，徹底改變了 GPS作為時間同步系統唯一時鐘源的局面，目前高等級變電站普遍採用GPS和北鬥系統雙時鐘源的時間同步系統，在這樣的雙時源的系統中就要解決時源的選擇性問題，目前通常的解決方案是比較兩個時源的鎖定情況，若一個鎖定，一個失鎖，則系統按鎖定的時源運行；若兩個時源都失鎖，則系統守時運行；兩個時源都鎖定，則按默認的ー個時源運行。
[0004]不管是GPS系統還是北鬥系統，其地面接收機由於受星曆誤差、電離層誤差、對流層誤差、多徑誤差、接收機誤差、跟蹤衛星數過少等因素的影響，其直接輸出的時間信號都含有ー個呈正態分布的隨機誤差。以ー個秒脈衝標準差為0.1 ii S的GPS接收機為例，其輸出的秒脈衝信號在小時級的觀察裡也會觀察到接近0.4 y s的粗大誤差，在衛星實驗跳變的情況下，有試驗更記錄到IOms量級的時間跳變。在電カ系統自動化領域，希望時間裝置能提供時間精度優於I U S，數位化變電站要保證I小時內守時誤差小於I U S，顯然，直接使用全球定位系統地面接收機輸出的時間信號難以滿足要求。
[0005]隨著數位化變電站的普及，數位化變電站對電カ時間同步系統提出了新的更高要求。在數位化變電站中，合併單元提供的高精度的採樣值是全站各項功能正常運行的保障，電子式互感器的採樣同步精度是影響採樣值精度的關鍵因素。為實現全站內不同合併單元採樣脈衝的同步，數位化變電站中的合併單元普遍採用將採樣脈衝與時間同步系統秒脈衝同步的技術方案，利用時間同步系統的秒脈衝保證合併單元採樣的同步性。這樣的系統對時間同步系統提出了新的更高的技術要求:由於合併単元採樣脈衝同步於時間同步系統的秒脈衝，秒脈衝間隔的波動就會對合併単元採樣脈衝的產生造成影響，特別是在時間同步系統由守時狀態轉入同步狀態時，傳統的時間同步系統對守時造成的誤差一次性補償完成，造成秒脈衝時間間隔的波動，對合併単元的穩定運行造成不利影響。
[0006]目前主流的電カ時間同步系統，普遍採用以單片機+ FPGA為核心的結構，通過對時源信號的分析計算，重建本地的時鐘並輸出對時信號，該過程對單片機有強烈的依賴性，當單片機復位或狗咬時，就會暫時停止時間信號的輸出，影響時間同步系統運行的穩定性。實用新型內容
[0007]本實用新型g在提供一種多時源尋優時間同步裝置，綜合成本較低，算法適應性強，支持多路時鐘源互備尋優，支持多種時差補償策略，能實現高精度的守時，並且時間信號輸出穩定可靠。
[0008]為了解決上述技術問題，本實用新型採用了以下技術方案:
[0009]多時源尋優時間同步裝置，其特徵在於:該裝置包括高穩晶振、單片機和多路選擇器；還包括至少兩個結構相同的単元，每個單元包括全球定位系統地面接收機、計數器、t匕較器和寄存器，每個單元中全球定位系統地面接收機的秒脈衝輸出端與計數器的事件觸發輸入端連接，計數器的計數值輸出端連接該単元中的比較器的輸入端；高穩晶振的時鐘輸出端與每個單元內的計數器的時鐘輸入端之間直接連接或者通過鎖相倍頻器連接；每個單元中比較器的脈衝輸出端分別接入多路選擇器的一個輸入端；每個單元中的計數器、比較器和寄存器分別與單片機相連接；單片機的輸出端還與多路選擇器的控制端相連接。
[0010]優選地，每個單元還包括狀態機和加法器；狀態機的輸入端連接在比較器的輸出端，比較器用於啟動狀態機的狀態循環；狀態機的ー個輸出端與加法器的控制端相連接用於啟動加法器的運行；狀態機的另ー個輸出端與比較器的寫入控制端相連接；加法器的兩個輸入端分別與比較器和寄存器的輸出端ロ連接，加法器用於將比較器的內置數值與寄存器數值相加；加法器的輸出端ロ與比較器的數據輸入端ロ連接；狀態機的另ー個輸出端與比較器的寫入控制端連接，用來控制將加法器的輸出寫入比較器。
[0011]本實用新型的積極效果在於:
[0012]本實用新型中的裝置能夠對兩個時源的標準差計算提供支持，從而可以讓系統優選標準差小的時源並以此為基準，也就是支持時源尋優。
[0013]本實用新型的裝置，可以對多種頻率測量和誤差補償算法進行支持，從而使輸出的時間信號標準差更小，並實現高精度的守吋。
[0014]本實用新型提出的裝置既支持誤差一次性跳步時差補償，還支持誤差逐步補償的線性追擊修正技術(比如，毎秒補償0.2 y S，直至誤差清零)。
[0015]本實用新型提出的裝置，雖然也使用了單片機，但系統對單片機復位有免疫性，單片機復位吋，系統自動轉入守時狀態，維持一定精度下的守時輸出，提高了系統運行的可靠性。
[0016]該裝置綜合成本較低，算法適應性強，可以支持多路時鐘源互備尋優，支持多種時差補償策略，能實現高精度的守吋，並且時間信號的生成對單片機依賴性不強，時間信號輸出穩定可靠。使用該設計方案，使用IOM恆溫晶振鎖相倍頻至100MHz，配合精度50ns的GPS和北鬥一代地面接收機，成功實現了秒脈衝精度好於0.1 u S，守時精度好於I U s/h的高可靠的數位化變電站時間同步裝置。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本實用新型實施例一的結構和工作原理示意圖。
[0018]圖2是本實用新型實施例ニ的結構和工作原理示意圖。[0019]其中鎖相倍頻器2還可以內置在FPGA中。
[0020]附圖中，其中鎖相倍頻器2還可以內置在FPGA中。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和實施例進ー步說明本實用新型。
[0022]實施例一
[0023]本實施例為本實用新型的基本結構。
[0024]如圖1，包括高穩晶振1、單片機3和多路選擇器4 ;還包括至少兩個結構相同的單元，每個單元包括全球定位系統地面接收機8、計數器7、比較器6和寄存器5，每個單元中全球定位系統地面接收機8的秒脈衝輸出端與計數器7的事件觸發輸入端連接，計數器7的計數值輸出端連接該単元中的比較器6的輸入端，與比較器6內置的數值進行比較，當數值相同時，比較器6輸出脈衝信號至多路選擇器4。高穩晶振I的時鐘輸出端與每個單元內的計數器9的時鐘輸入端之間直接連接或者通過鎖相倍頻器2連接。每個單元中的計數器
7、比較器6和寄存器5分別與單片機3相連接，單片機3讀取每個單元內計數器7的計數值，單片機3還對計數器6設置比較值，單片機3還用於更改寄存器5的數值。單片機3的輸出端還與多路選擇器4的控制端相連接，單片機3控制多路選擇器4的一路輸入輸出到輸出端。
[0025]實施例ニ
[0026]本實施例為本實用新型的ー種具體優化結構。如圖2，在實施例一的基礎上，每個單元還進ー步地包括狀態機10和加法器9。狀態機10的輸入端連接在比較器6的輸出端，比較器6用於啟動狀態機10的狀態循環；狀態機10的ー個輸出端與加法器9的控制端相連接，用於啟動加法器9的運行，狀態機10的另ー個輸出端與比較器6的寫入控制端連接，用來控制將加法器9的輸出寫入比較器6。
[0027]加法器9的兩個輸入端分別與比較器6和寄存器5的輸出端ロ連接，用於將比較器6的內置數值與寄存器5數值相加，加法器9的輸出端ロ與比較器6的數據輸入端ロ連接，將加法器9的輸出值更新到比較器6。
[0028]其中的全球定位系統地面接收機8可以是GPS地面接收機，也可以是北鬥地面接收機，也可以是GL0NASS地面接收機，裝置支持的地面接收機的數量受限於單片機3的運算能力和FPGA資源的大小，從原理上沒有限制，上述兩個實施例的附圖中示例了分別接入GPS和北鬥地面接收機的情況。
[0029]裝置中的高穩晶振I為整個系統提供穩定的頻率信號，在實際設計中，高穩晶振I一般採用恆溫晶振。鎖相倍頻器2的作用是將恆溫晶振I輸出的頻率信號的頻率值提高，較高的頻率值有利於提高計數器的時間解析度，提高對恆溫晶振頻率測量的精度，減少輸出秒脈衝信號的抖動。
[0030]從圖圖2可以看到，FPGA中含有邏輯功能組完全相同的幾個功能組(即所述單元)，每個功能組包含一個計數器7，一個比較器6，一個寄存器5，ー個加法器9，還有ー個狀態機10，其中的計數器7以鎖相倍頻器輸出2的高頻頻率信號為時鐘。FPGA還含有一個多路選擇器4，通過該多路選擇器4有選擇性地將選定的功能組產生的時間信號輸出。這樣的系統結構特別適用於產生滿足電力系統專用的時間同步信號。以下對該系統的功能和優點分幾個方面闡述:
[0031]1.本實用新型的裝置可以對多種時間恢復算法提供支持，可以實現多時源尋優並完成優選時間信號的輸出。
[0032]全球定位系統地面接收機鎖定後將輸出的秒脈衝信號引入計數器中，計數器以鎖相倍頻器輸出的高頻頻率信號為時鐘，記錄下每個秒脈衝對應的計數值，單片機將這些計數值讀入後保存，形成ー個計數值序列，該計數值序列既包含了恆溫晶振當前的振蕩頻率的信息，也包含了全球定位系統地面接收機輸出的秒脈衝隨機誤差分布的信息，以該計數值為基礎，通過一定的算法，就可以高精度地計算出恆溫晶體當前倍頻後的頻率Z，並可以完成對下ー個秒脈衝對應的計數值的最佳估計X (每個時源對應ー個)，同時還可以估算出每ー個地面接收機輸出的秒脈衝的標準差W (每個時源對應ー個)。
[0033]單片機每秒對上述參數計算刷新一次，完成上述參數的計算後，對所有全球定位系統地面接收機輸出的秒脈衝的標準差進行比較，選取其中標準差最小的一路，將該路時源對應的參數X寫入對應的比較器，同時將多路選擇器設置為對應該路選通。當計數器計數到X吋，比較器將重建產生秒脈衝信號，該信號將通過多路選擇器輸出，作為裝置最終輸出的秒脈衝信號。
[0034]以上過程是有多路全球定位系統地面接收機同時鎖定的情況，當由於某種原因，某一路接收機失鎖，則該路自動退出尋優過程，單片機只對鎖定的時源進行尋優，當只有一路地面接收機鎖定時，系統將該路鎖定的地面接收機作為時源。若所有的全球定位系統地面接收機都失鎖，則裝置進入守時狀態。
[0035]2.本實用新型可以對高精度守時提供保證。
[0036]在裝置有全球定位系統地面接收機鎖定時，單片機持續計算恆溫晶體倍頻後的頻率Z，估計下ー個秒脈衝計數值X，並對時源進行尋優。當所有時源都失鎖後，裝置保持失鎖前最後有效的時源為有效輸出，維持該組的計數器繼續累積計數，使用失鎖前最後一次計算的頻率Z進行裝置的守吋。
[0037]3.本實用新型可以保證單片機復位期間時鐘輸出信號的穩定性與連續性。
[0038]如圖2所示，在本裝置的每個功能組中都有一個狀態機、一個寄存器和ー個加法器，這3個模塊可以保證裝置在單片機意外復位時維持時鐘信號的輸出。方法為:裝置中的單片機每次結算出新的頻率值後都將其整數部分寫入該路對應的寄存器中，在每個秒脈衝輸出後，都會導致狀態機指揮加法器將比較器和寄存器中的數據相加後將結果更新到比較器中，如果單片機工作正常，單片機隨後會用自己計算生成下一秒秒脈衝的數值取代該值，保證裝置走時的準確性。如果這時單片機死機，則寫入比較器的數值將不會被更改，裝置會使用該值生成下一秒的秒脈衝，在單片機重啟動的這段時間裡，狀態機將指揮系統使用系統頻率的整數值維持走時，直到單片機接管系統。
[0039]由於狀態機指揮裝置守時時只採用頻率的整數部分，對於上述倍頻後頻率為IOOMHz左右的系統，截斷小數後的造成的誤差每秒不超過10ns，守時精度相當於36 y s /h,已經好於電カ系統行業標準守時精度55 ii s /h的要求,但遠低於系統正常守時時I ii s /h的精度。考慮到裝置正常運行時單片機復位是極小概率的事件而且復位時間通常為秒級，所以，通過該技術，可以保證裝置在單片機復位期間走時誤差在幾十納秒的量級，這個精度水平與多數全球定位系統地面接收機輸出的時間信號的標準差在ー個數量級了，可以說由此造成的誤差幾乎不可覺察。
[0040]4.本實用新型為時差校正提供了靈活的支持手段。
[0041]由於本裝置輸出的秒脈衝由計數器數值與比較器數值比對產生，可以靈活地支持多種策略的時差校正策略。這裡僅以跳步補償和線性追擊補償兩種方法加以說明。
[0042]對於跳步補償，假設裝置由於守時運行導致系統時間與標準時間落後了 7.9U S，當裝置重新鎖定後，裝置會計算出生成對應標準時間的下一秒的最佳估計值，這時裝置不管該估計值與前一個守時秒脈衝對應比較器數值的差異，直接使用該估計值來生成後續的秒脈衝信號，則系統就會一次性將裝置由於守時而造成時鐘誤差補償完畢，該方法補償速度快，但是所有誤差在ー個秒間隔補償完畢，會造成在補償時刻該秒的時間間隔波動大，不適於在數位化變電站場合使用。
[0043]對於線性追擊補償，當裝置鎖定後，發現計算出的下一秒的最佳估計值與上一秒的差值過大時(比如閾值設為0.2 y S)，這時，裝置不是直接使用該估計值生成下一個秒脈衝，而是限制下一個秒脈衝估計值的變化範圍，使毎秒對誤差的補償不超過ー個限值(比如
0.S)，這樣通過後續連續的誤差補償追擊，使裝置時鐘逐步調整到與標準時間同歩。該方法同步時間較長，但是輸出的秒脈衝間隔比較均勻，有利於數位化變電站的穩定運行。
【權利要求】
1.多時源尋優時間同步裝置，其特徵在於:該裝置包括高穩晶振(I)、單片機(3)和多路選擇器(4);還包括至少兩個結構相同的単元，每個單元包括全球定位系統地面接收機(8)、計數器(7)、比較器(6)和寄存器(5)，每個單元中全球定位系統地面接收機(8)的秒脈衝輸出端與計數器(7)的事件觸發輸入端連接，計數器(7)的計數值輸出端連接該単元中的比較器(6)的輸入端；高穩晶振(I)的時鐘輸出端與每個單元內的計數器(9)的時鐘輸入端之間直接連接或者通過鎖相倍頻器(2)連接；每個單元中比較器(6)的脈衝輸出端分別接入多路選擇器(4)的一個輸入端；每個單元中的計數器(7)、比較器(6)和寄存器(5)分別與單片機(3)相連接；單片機(3)的輸出端還與多路選擇器(4)的控制端相連接。
2.如權利要求1所述的多時源尋優時間同步裝置，其特徵在於:每個單元還包括狀態機(10)和加法器(9);狀態機(10)的輸入端連接在比較器(6)的輸出端，比較器(6)用於啟動狀態機(10)的狀態循環；狀態機(10)的ー個輸出端與加法器(9)的控制端相連接用於啟動加法器(9)的運行；狀態機(10)的另ー個輸出端與比較器(6)的寫入控制端相連接；カロ法器(9)的兩個輸入端分別與比較器(6)和寄存器(5)的輸出端ロ連接，加法器(9)用於將比較器(6)的內置數值與寄存器(5)數值相加；加法器(9)的輸出端ロ與比較器(6)的數據輸入端ロ連接；狀態機(10)的另ー個輸出端與比較器(6)的寫入控制端連接，用來控制將加法器(9)的輸出寫入比較器(6)。
【文檔編號】H04L7/00GK203416271SQ201320568773
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年9月13日 優先權日:2013年9月13日
【發明者】華志斌, 王建偉, 李勇, 尹航, 陳峰超 申請人:煙臺東方英達康自動化技術有限公司