多功能電力系統時間同步校驗儀的製作方法

2023-09-18 17:28:50 2

專利名稱：多功能電力系統時間同步校驗儀的製作方法
技術領域：
[0001]本實用新型屬工業自動化時間同步校驗技術領域，尤其是應用在電力系統中二次設備的多功能時間同步校驗儀器。
背景技術：
統一時鐘對電力系統在實時監控、在線計算、事故分析、統計歸檔等方面的重要性是不言而喻的，隨著北鬥、GPS衛星時鐘應用的深入，使得全網統一時鐘成為可能，目前全國各電力公司正致力於此項工作。要想達到真正意義上的全網統一時鐘，有兩個重要環節必須嚴格控制一是提供時鐘的設備例如GPS時鐘裝置，另一是應用時鐘的設備，例如保護裝置、故障錄波裝置、行波測距裝置、向量測量裝置等二次自動化設備。同步時鐘裝置提供的各種類型時鐘信號的準確度和穩定度如何？各二次設備在時鐘的使用過程中數據的時間標記有無偏差？例如事件順序記錄SOE等。目前電力系統的狀況是二次設備種類繁多，有保護類設備、遠動監控類、計量類、相量測量類、錄波記錄類、雷電測量類、電能質量類等，所需的時間信息和時間信號的接口類型也很多，需要設計一種涵蓋現有電力系統所需的時間信息和時間信號的時間同步校驗儀，同時輕巧便攜、有備用電池、適用於各種現場測試、校驗環境。現有的時間同步校驗儀及類似產品，主要的不足在於只採用GPS時鐘、接口類型有限、無交流電壓(市電)的頻率測量比對，無法做到用一臺儀器完成對變電站、發電廠中各種二次設備的時間同步校驗。需要一種符合電力系統需求的同步時間校驗儀來解決這些問題。文獻檢索發現，與本實用新型最為接近的是中國專利申請號為200910051487. 5的題目為「可攜式事件順序記錄及時間同步校驗儀」的專利申請。其主要內容是利用GPS接收模塊、中央處理器處理測試高速開關量輸入通道時間解析度以及通道響應時間；但是，本實用新型與其在實用新型目的、技術解決方案上是有所不同的。

實用新型內容本實用新型的目的是提供一種符合電力系統需求，涵蓋現有電力系統所需時間信息和時間信號及其各類接口通道與協議種類的可攜式多功能時間同步校驗儀。實現本實用新型上述目的所採用的技術方案是多功能電力系統時間同步校驗儀，包括ARM模塊I、FPGA模塊2、衛星時間接收模塊3、4、銣原子鐘模塊5、時間信號輸入/輸出模塊、交流電壓輸入/輸出模塊13、高速A/D模塊14、通信模塊18、19、觸控螢幕、鍵盤模塊20、供電模塊15、16、17 ;所述衛星時間接收模塊3、4包括北鬥衛星接收模塊4、GPS衛星接收模塊3 ;所述時間信號輸入/輸出模塊包括無源時間脈衝輸入/輸出模塊6、有源時間脈衝輸入/輸出模塊7、多模光纖輸入/輸出模塊8、單模光纖輸入/輸出模塊9、TTL信號輸入/輸出模塊10、RS-485信號輸入/輸出模塊11、交流B碼輸入/輸出模塊12 ;所述通信模塊包括PTP/NTP/SNTP網絡通信模塊19、RS-232/422通信模塊18 ;觸控螢幕、鍵盤模塊20包括觸控螢幕模塊、鍵盤模塊；供電模塊包括工作電源模塊、電池模塊、直流電壓源模塊。所述北鬥衛星接收模塊4、GPS衛星接收模塊3、銣原子鐘模塊5、無源時間脈衝輸A /輸出模塊6、有源時間脈衝輸入/輸出模塊7、多模光纖輸入/輸出模塊8、單模光纖輸A /輸出模塊9、TTL信號輸入/輸出模塊10、RS-485信號輸入/輸出模塊11、交流B碼輸A /輸出模塊12、交流電壓輸入/輸出模塊13、高速A/D模塊14均連接到FPGA模塊2 ;所述PTP/NTP/SNTP網絡通信模塊19、RS-232/422通信模塊18、觸控螢幕、鍵盤模塊20均連接到ARM模塊I ;所述FPGA模塊2通過並行總線連接ARM模塊I。所述FPGA模塊2通過可編程數字邏輯電路實現GPS、北鬥時間信息和時間信號處理模塊201、銣原子鐘馴服模塊202、內部時鐘基準模塊203、多路時鐘補償輸出模塊204、高速A/D採樣及存儲模塊205、輸入/輸出通道與協議關聯選擇模塊206、頻率信號模塊207、PPS脈衝模塊208、PPM脈衝模塊209、PPH脈衝模塊210、IRIG-B-DC模塊211、IRIG-B-AC模塊212、DCF77模塊213、交流電壓頻率模塊214的模塊功能。所述輸入/輸出通道與協議關聯選擇模塊206可根據被測試項目的設置自動地將輸入/輸出物理通道例如無源時間脈衝輸入/輸出模塊6、有源時間脈衝輸入/輸出模塊
7、多模光纖輸入/輸出模塊8、單模光纖輸入/輸出模塊9、TTL信號輸入/輸出模塊10、RS-485信號輸入/輸出模塊11、交流B碼輸入/輸出模塊12、交流電壓輸入/輸出模塊13與信號協議如頻率信號模塊207、PPS脈衝模塊208、PPM脈衝模塊209、PPH脈衝模塊210、IRIG-B-DC模塊211、IRIG-B-AC模塊212、DCF77模塊213、交流電壓頻率模塊214關聯選擇在一起。所述頻率信號模塊207、PPS脈衝模塊208、PPM脈衝模塊209、PPH脈衝模塊210、IRIG-B-DC模塊211、IRIG-B-AC模塊212、DCF77模塊213、交流電壓頻率模塊214均包括各自的輸入信號解析和輸出信號生成兩部分，以確保時間信號和時間信息在本實用新型中傳遞及時、延時固定。本實用新型多功能電力系統時間同步校驗儀在其軟體支持下可實現下列測試校驗項目a)提供UTC標準時間；b)提供標準的 PPS、PPM、PPH、IRIG-B-DC、IRIG-B-AC、DCF77 等時間信號和時間信息；c)測試時鐘設備的時間信號輸出延時；d)測試時鐘設備的時間信號傳遞延時；e)測試時鐘設備時間補償能力；f)測試時鐘設備的守時精度；g)測試時鐘設備的時間信號輸出的穩定性；h)測試開關量採集精度；i)測試開關量採集去抖延時；j)測試自動化裝置的對時結果；k)測試開出信號跳變時刻；I)測試脈衝信號的脈寬、周期和頻率；m)測試不同信號、不同觸發的時差；n)測試信號的頻差；0)測試220V交流電壓頻率；[0025]與現有技術比較，有顯著的優點與積極效果。

圖I為本實用新型所述的多功能電力系統時間同步校驗儀系統結構框圖示意圖。圖2為本 實用新型的所述的FPGA可編程數字邏輯電路框圖示意圖。圖3為本實用新型所述的校驗儀工作過程實施例示意圖。
具體實施方式
結合附圖與實施例對本實用新型做進一步的說明。參見圖I、圖2、圖3，從圖I可知多功能電力系統時間同步校驗儀，包括ARM模塊I、FPGA模塊2、衛星時間接收模塊3、4、銣原子鐘模塊5、時間信號輸入/輸出模塊、交流電壓輸入/輸出模塊13、高速A/D模塊14、通信模塊18、19、觸控螢幕、鍵盤模塊20、供電模塊15、16、17。其中ARM模塊I採用的是TI AM3517 Cortex_A8晶片；FPGA模塊2採用的是XilinxXC3S1400AN晶片，銣原子鐘模塊5採用的是Symmetricom SA. 33m。SA. 33M是小型化的銣振蕩器,它們的大小和針腳設計與sy_etricom公司的一些恆溫晶振一致，以便於替代恆溫晶振。具有原子振蕩器的性能，體積小，功耗低的優點。信號輸出10 MHz方波信號，3. 3V ACMOS電平，VKO. 5V，Vh>2. 7V15pf負載，上升/下降時間<10ns,佔空比50%± 10%;所述高速A/D模塊14本實施例採用的是Analog DevicesAD9288 型號。衛星時間接收模塊3、4包括北鬥衛星接收模塊4、GPS衛星接收模塊3 ;北鬥衛星接收模塊採用BD-6 S2型號，GPS衛星接收模塊採用U_BL0X 6T型號；所述時間信號輸入/輸出模塊包括無源時間脈衝輸入/輸出模塊6、有源時間脈衝輸入/輸出模塊7、多模光纖輸入/輸出模塊8、單模光纖輸入/輸出模塊9、TTL信號輸入/輸出模塊10、RS-485信號輸入/輸出模塊11、交流B碼輸入/輸出模塊12 ;所述通信模塊包括PTP/NTP/SNTP網絡通信模塊19、RS-232/422通信模塊18 ;觸控螢幕、鍵盤模塊20包括觸控螢幕模塊、鍵盤模塊；供電模塊包括工作電源模塊、電池模塊、直流電壓源模塊；工作電源模塊的電壓11(T220V交直流自適應，電池模塊電壓是12V，直流電壓源模塊是5V 230V可調節輸出。北鬥衛星接收模塊4、GPS衛星接收模塊3、銣原子鐘模塊5、無源時間脈衝輸入/輸出模塊6、有源時間脈衝輸入/輸出模塊7、多模光纖輸入/輸出模塊8、單模光纖輸入/輸出模塊9、TTL信號輸入/輸出模塊10、RS-485信號輸入/輸出模塊11、交流B碼輸入/輸出模塊12、交流電壓輸入/輸出模塊13、高速A/D模塊14均連接到FPGA模塊2 ;所述PTP/NTP/SNTP網絡通信模塊19、RS-232/422通信模塊18、觸控螢幕、鍵盤模塊20均連接到ARM模塊I ;所述FPGA模塊2通過並行總線連接ARM模塊I。圖2示意了所述FPGA模塊2通過可編程數字邏輯電路實現GPS、北鬥時間信息和時間信號處理模塊201、銣原子鐘馴服模塊202、內部時鐘基準模塊203、多路時鐘補償輸出模塊204、高速A/D採樣及存儲模塊205、輸入/輸出通道與協議關聯選擇模塊206、頻率信號模塊207、PPS脈衝模塊208、PPM脈衝模塊209、PPH脈衝模塊210、IRIG-B-DC模塊211、IRIG-B-AC模塊212、DCF77模塊213、交流電壓頻率模塊214的模塊功能。所述頻率信號模塊207、PPS脈衝模塊208、PPM脈衝模塊209、PPH脈衝模塊210、IRIG-B-DC模塊211、IRIG-B-AC模塊212、DCF77模塊213、交流電壓頻率模塊214均包括各自的輸入信號解析和輸出信號生成兩部分。上述各模塊均與輸入/輸出通道與協議關聯選擇模塊藕合，例如輸入/輸出通道與協議關聯選擇模塊206可根據被測試項目的設置自動地將輸入/輸出物理通道無源時間脈衝輸入/輸出模塊、有源時間脈衝輸入/輸出模塊、多模光纖輸入/輸出模塊、單模光纖輸入/輸出模塊、TTL信號輸入/輸出模塊、RS-485信號輸入/輸出模塊、交流B碼輸入/輸出模塊、交流電壓輸入/輸出模塊與信號協議頻率信號模塊、PPS脈衝模塊、PPM脈衝模塊、PPH脈衝模塊、IRIG-B-DC模塊、IRIG-B-AC模塊、DCF77模塊、交流電壓頻率模塊關聯選擇在一起。以確保時間信號和時間信息在本實用新型中傳遞及時、延時固定。GPS、北鬥時間信息和時間信號處理模塊利用GPS衛星時間接收模塊、北鬥衛星時間接收模塊同時接收衛星時間，對各自秒沿時刻做高斯分布統計，可將提供的UTC時間精度從IOOns提高到50ns。銣原子鐘馴服模塊通過內部時鐘基準模塊提供的PPS，採用馴服算法使銣原子鐘馴服模塊提供給內部時鐘基準模塊的PPS和IOMHz與其上升沿最大限度地重合。當全部外部時鐘消失時，內部時鐘基準模塊能提供內部守時時間信息和時間信號。多路時鐘補償輸出模塊204接收內部時鐘基準模塊203提供的內部標準時間信號，根據各路通道不同延時，輸出各路不同補償時間信號，保證各通道輸入/輸出入口處時間一致。交流電壓輸入/輸出模塊能提供50 250V/40 60Hz標準正弦波輸出電路和輸入交流電壓頻率測量，2路高速8位A/D模塊可以800MHz採樣速率記錄輸入信號波形，用於觀測、分析。本實用新型達到的技術性能指標如下時間精度測試解析度0. 2ns ；頻標源馴服精度1. 1X10 —11I小時後；使用環境工作溫度-10°C +50°C ；輸出時間精度PPS/PPM/PPH±15ns，IRIG-B-DC± 15ns，DCF77± 15ns，IRIG-B-AC±100ns ；時間信號測試精度20ns ；時間基準與標準UTC誤差小於50ns。2009年國家能源局發布的的電力行業標準《電力系統的時間同步系統第一部分技術規範》中，規定了時間信號應包含脈衝信號、IRIG-B碼、串行口時間報文、網絡時間報文等專用信號。IRIG-B 是指 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。圖3示意了本實用新型所述的校驗儀工作過程實施例，以IRIG-B時間信號測試為例按圖3方式將時間信號從被測設備接入時間同步校驗儀，輸入接口類型可以是以下類型之一- TTL電平方式；-空接點方式；[0051 ] - RS-485/RS-42 2 差分接口 ；-光纖接口(單模、多模)。測試內容包括準時沿上升時間、準時沿誤差、正脈寬、碼元周期、穩定性測量、載波頻率、幅值、調製比、輸出阻抗IRIG-B-AC ;並可驗證IRIG-B時間碼信息正確性包括本地時間信息、B碼校驗位、時區信息、時間質量信息、閏秒標識信息、SBS信息。
權利要求1.一種多功能電カ系統時間同步校驗儀，其特徵在於，包括ARM模塊(I)、FPGA模塊(2)、衛星時間接收模塊(3、4)、銣原子鐘模塊(5)、時間信號輸入/輸出模塊、交流電壓輸入/輸出模塊(13 )、高速A/D模塊(14 )、通信模塊(18、19 )、觸控螢幕、鍵盤模塊(20 )、供電模塊(15、16、17);所述衛星時間接收模塊(3、4)包括北鬥衛星接收模塊(4)、GPS衛星接收模塊(3);所述時間信號輸入/輸出模塊包括無源時間脈衝輸入/輸出模塊(6)、有源時間脈衝輸入/輸出模塊(7)、多模光纖輸入/輸出模塊(8)、單模光纖輸入/輸出模塊(9)、TTL信號輸入/輸出模塊(10)、RS-485信號輸入/輸出模塊(11)、交流B碼輸入/輸出模塊(12);所述通信模塊包括PTP/NTP/SNTP網絡通信模塊(19)、RS-232/422通信模塊(18);觸控螢幕、鍵盤模塊(20)包括觸控螢幕模塊、鍵盤模塊；供電模塊包括工作電源模塊(15)、電池模塊(16)、直流電壓源模塊(17)； 所述北鬥衛星接收模塊(4)、GPS衛星接收模塊(3)、銣原子鐘模(5)、無源時間脈衝輸入/輸出模塊(6)、有源時間脈衝輸入/輸出模塊(7)、多模光纖輸入/輸出模塊(8)、單模光纖輸入/輸出模塊(9)、TTL信號輸入/輸出模塊(10)、RS-485信號輸入/輸出模塊(11)、交流B碼輸入/輸出模塊(12 )、交流電壓輸入/輸出模塊(13 )、高速A/D模塊(14 )均連接到FPGA模塊(2);所述PTP/NTP/SNTP網絡通信模塊(19)、RS-232/422通信模塊(18)、觸控螢幕、鍵盤模塊(20)均連接到ARM模塊(I);所述FPGA模塊(2)通過並行總線連接到ARM模塊(I)。
2.根據權利要求I所述的多功能電カ系統時間同步校驗儀，其特徵在於，所述FPGA模塊(2)通過可編程數字邏輯電路實現GPS、北鬥時間信息和時間信號處理模塊(201)、銣原子鐘馴服模塊(202)、內部時鐘基準模塊(203)、多路時鐘補償輸出模塊(204)、高速A/D採樣及存儲模塊(205)、輸入/輸出通道與協議關聯選擇模塊(206)、頻率信號模塊(207)、PPS脈衝模塊(208)、PPM脈衝模塊(209)、PPH脈衝模塊(210)、IRIG-B-DC模塊(211)、IRIG-B-AC模塊(212)、DCF77模塊(213 )、交流電壓頻率模塊(214)的模塊功能。
3.根據權利要求2所述的多功能電カ系統時間同步校驗儀，其特徵在於所述輸入/輸出通道與協議關聯選擇模塊(206)可根據被測試項目的設置自動地將輸入/輸出物理通道無源時間脈衝輸入/輸出模塊、有源時間脈衝輸入/輸出模塊、多模光纖輸入/輸出模塊、單模光纖輸入/輸出模塊、TTL信號輸入/輸出模塊、RS-485信號輸入/輸出模塊、交流B碼輸入/輸出模塊、交流電壓輸入/輸出模塊與信號協議頻率信號模塊、PPS脈衝模塊、PPM脈衝模塊、PPH脈衝模塊、IRIG-B-DC模塊、IRIG-B-AC模塊、DCF77模塊、交流電壓頻率模塊關聯選擇在一起。
4.根據權利要求2所述的多功能電カ系統時間同步校驗儀，其特徵在於，所述頻率信號模塊(207 )、PPS脈衝模塊(208 )、PPM脈衝模塊(209 )、PPH脈衝模塊(210)、IRIG-B-DC模塊(211)、IRIG-B-AC模塊(212)、DCF77模塊(213)、交流電壓頻率模塊(214)均包括各自的輸入信號解析和輸出信號生成兩部分。
專利摘要本實用新型公開一種多功能電力系統時間同步校驗儀，涉及工業自動化時間同步校驗技術領域。包括ARM模塊、FPGA模塊、衛星時間接收模塊、銣原子鐘模塊、時間信號輸入/輸出模塊、交流電壓輸入/輸出模塊、高速A/D模塊、通信模塊、MMI模塊、供電模塊；其中衛星時間接收模塊、銣原子鐘模塊、時間信號輸入/輸出模塊、交流電壓輸入/輸出模塊、高速A/D模塊分別與與FPGA模塊相連；通信模塊、MMI模塊、供電模塊分別與ARM模塊相連；FPGA模塊通過並行總線與ARM模塊連接。解決了電力系統二次設備及同步時鐘裝置提供的各種類型時間信號的準確度和穩定度校驗問題。輕巧便攜，適用於各種測試校驗環境。
文檔編號G04G5/00GK202421768SQ20112052849
公開日2012年9月5日 申請日期2011年12月16日 優先權日2011年12月16日
發明者劉曉川, 李樂, 楊嘉湜, 溫麗麗, 肖嵐, 苟驍毅, 許振山, 路軼 申請人:四川省電力公司通信自動化中心