GPS时钟同步技术（精选8篇）
GPS时钟同步技术 篇1
0 引言
GPS即全球定位系统(Gl obal Pos i t i oni ng Sys t em)是美国从20世纪70年代开始研制,历时20年,耗资200亿美元,于1994年全面建成,具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统，具有高精度、全天候、全球覆盖、连续实时等诸多优点，已渗透到各应用领域，且已取得了明显的经济效益和社会效益。
在电力系统的许多领域，诸如时间顺序记录、继电保护、故障测距、相位测量、频率监视等等都需要有一个统一的、高精度的时间基准。利用GPS卫星信号进行对时是常用的方法之一。
本文研制了一种GPS同步时钟，它将提供高精度高稳定性的秒、分、时同步脉冲，并通过RS232口及RS484/422口输出标准北京时间、日期等信息。
1 硬件电路设计
GPS同步时钟包括GPS卫星信号接收模块、中心处理单元、RS232/485接口、同步脉冲信号发生电路、LED显示电路等几个部分，GPS同步时钟结构框图如图一所示。
采用单片机很容易解决GPS接收与解码问题，本装置采用AT89S51单片机来接收GPS时间信息并解码。GPS卫星信号接收模块的1PPS脉冲接入AT89S51的中断I NTO。当I NT0有中断产生时，AT89S51从GPS接收模块串口读取GPS信息。
1. l GPS卫星信号接收模块
本装置选用美国GARMI N公司的GPS15L/H模块作为卫星信号接收器，GPS15L/H模块为12通道的GPS接收机，也就是同时可以跟踪多达12颗GPS卫星，从而能够快速的定位。GARMI N的GPS接收机功耗非常小，数据更新率为每秒一次，GPS接收机OEM板中可以将卫星轨道参数、上次定位位置、时间和日期等数据保存在静态存储器，接收机内部有备用电池来为存储器供电。GPS15L/H模块为串口RS232输出，它的波特率可调，其输出为美国国家海洋电子协会制定的NMEA 0183通信标准格式，采用ASCI I码。根据需要我们在其输出中只选用$GPRMC语句，其格式可表示为：
具体内容是：语句标识头、世界时间、定位状态、纬度、纬度方位、经度、经度方位、地面速度、地面航向、日期、磁偏角、磁偏角方向、校验和及结束标记，在传输时连同各数据项之间的逗号也一同传输。由于每条语句都是以字符“$”开始，以ASCI I字符“回车”(0DH)和“换行”(0AH)结束，在程序中就可以此来判断语句的开始和结束。
1.2 中心处理单元
采用AT89S51作为系统的CPU。AT89S51是一个低功耗、高性能CMOS8位单片机，片内含4kByt es I SP(I n-syst empr ogr ammabl e)的可反复擦写1000次的Fl as h只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和I SPFl ash存储单元，可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Byt es Fl as h片内程序存储器，128 byt es的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口，5个中断优先级，2层中断嵌套，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗(WDT)电路，片内时钟振荡器。
1.3 同步脉冲信号发生电路
AT89S51的P3.5和P1.7是l PPM(1Pul s e Per Mi nut e)和l PPH(1 Pul se Per Hour)脉冲的选通信号输出端(为禁止发送1PPS脉冲，这两个控制端在平时均置高电平)。以产生1PPM脉冲为例：当由串行口0读人UTC时间信息，并判断其为某一分钟的59秒时刻之后，CPU将P3.5置低，从而在整分时刻发送一个脉冲。当再一次读人时间信息，并判断其为整分时刻时，重又将P3.5置高，以禁止发出脉冲。依次循环，即可得到精确的1PPM脉冲信号。采用同样的方法，也可以产生l PPH的脉冲信号。由于静态空节点方式控制端与信号通道隔离较好，耐压高，所以GPS同步时钟将同步脉冲信号作为一个开关量以静态空节点方式输出。
1.4 RS232/485接口
GPS同步时钟具有RS232与RS485两个通信接口，以满足不同的通信系统的要求。通过这两个接口，同步时钟可以输出每秒一次包括年、月、日、时、分、秒在内的完整UTC时间信息，也可以作为通信下位机在需要的时候为处于上位机的电网自动化装置提供准确的时间信息。
2 同步时钟的应用
2.1 故障测距
在输电线路发生故障的一瞬间，从故障点向线路两端会产生一个电压的瞬变，这就是通常所说的行波。当采用行波原理进行故障测距时，1μs的时间误差就会引起150m的测距误差。GPS同步时钟的出现，为研制双端行波测距原理的装置创造了条件，用行波传输到两端测得的时间差，可直接算出故障点到测量点之间的距离。假设线路全长为L，行波在线路中传播速度为V，故障后在线路S、R两端接收到故障初始行波浪涌的时间分别为TS、TR，可以计算出故障点到S、R端的距离为:
这种测距方法适用范围广，不受过渡电阻、系统参数、串补电容、线路不对称及互感器变换误差等因素的影响，简单易懂，测距精度高而稳定，无疑是对传统的故障测距技术的革命，目前已研制出检测输电线路故障距离的双端行波测距装置。
2.2 继电保护装置试验
目前，在我国220kV以上高电压网中，输电线路在正式投运以前，都必须对线路两侧的继电保护和通道设备装置进行联调实验。线路纵联保护安装在线路两端的电站里，为了达到在两侧同时加故障，真正模拟短路故障的目的，必须使两端的试验仪器实现同步，并且同步精度要达到10μs。采用GPS同步时钟实现系统时钟的统一和同步后，两端的继电保护试验装置可按预先约定的时间顺序启动，产生模拟线路故障的电压、电流信号，可以准确地检验纵联保护装置的动作行为，以及测量高频信号在通道的传输延迟，对线路高频保护装置进行校验。
2.3 发电机功角和母线电压相角的实时监测
测量电力系统各节点之间的电压相位关系，可以更好地了解电力系统的静态和动态行为，帮助调度人员进行合理的发电量及负荷调度，采取有针对性的稳定措施。如果系统的时钟统一，就能实现各电站输入信号的采样脉冲同步，易于测出电站间电压的相位关系。传统方法的对时误差较大，一般在毫秒量级，而1ms的时间误差对50Hz的系统来说就是18°的相角差，这样大的相角误差显然无法接受。使用GPS同步时钟对时，每台GPS同步时钟之间的时间误差为1μs，对应的电气角度差为0.018°，完全可满足电力工业监测控制应用的要求。
2.4 为电力系统自动化装置提供时间标记
电力系统内安装了各种微机自动化装置，如故障录波器、事件记录仪、微机继电保护及安全自动装置、远动及微机监控系统。当这些装置的时间用GPS同步时钟精确统一后，有助于分析电力系统故障与操作时各种装置动作情况及系统行为，确认事故的起因与发展过程，保证安全运行，提高运行水平。
2.5 频率监视
调度上经常通过比较电钟(也称工频钟)与标准时间的差异计算出系统频率误差积累情况。若标准时间不准，比较就无意义。用GPS同步时钟，这一问题将得以解决。
3 结束语
本文所讨论的基于AT89S51的GPS同步时钟已用于变电站自动化系统中。运行结果表明，该GPS同步时钟装置授时精度完全符合设计要求。此外还具体论述了GPS同步时钟在电力系统中的应用。相信GPS同步时钟的应用必将对电力系统的安全检测、稳定控制等带来革命性的变革,GPS技术的采用将大大促进和带动变电站自动化技术的发展和提高。
参考文献
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GPS时钟同步技术 篇2
前言
电网运行状态发生变化之后，只有快速获取到实时信息，才能保障事故处理的效率，即将变化的影响范围控制在规定的范围之内，以确保电网运行的经济性、稳定性、安全性。此外，快速获取实时信息也能为事后分析提供便利，即分析事故的发生、发展过程，以实现对灾难性事故的发生进行有效的防控。但上述行为的实现均应以统一的时间基准为基础。在变电站中，电能计量系统、功能测量装置、微机保护装置、安全自动装置、故障录波器、测控装置等均需配备统一的时钟授时。本文笔者结合实践经验，浅析时钟同步技术在变电站中的应用，以期为电力系统的监视控制、故障分析、运行管理提供技术支撑。
一、时钟同步源
时钟同步源包括无线电授时、卫星授时、网络授时三种。
（一）无线电授时。中国的BPC是经40～70kHz载波信号来传输标准时标。Loran-C是经地波来传输脉冲信号，但Loran-C本就具备100kHz的频率，因此易受电晕放电的干扰。OMEGA导航系统（10～14kHz）的作用距离较Loran-C更远，且对延时时间的预测精度可达2～5μs，但OMEGA具有接收器成本高的缺点。（二）卫星授时。卫星全球定位系统是以人造地球卫星为载体的无线电导航定位系统，具有全天候工作、全球覆盖及授时、定位、导航精度高的优点。中国的卫星全球定位系统为北斗导航卫星系统。（三）网络授时。网络时间协议NTP及简单网络时间协议SNTP是当前常用的国际互联网时间传输协议。NTP（隶属TCP/IP协议族）采用时间同步算法，对时精度为1～50ms;SNTP是NTP的简化版，对时精度<1ms，多在简单的网络中应用。IEC61850中要求的时间同步协议是SNTP，但IEEE1588才是变电站精确对时所需的时间同步协议。IEEE1588是用来使分布式网络内最精确的时钟与被授时时钟同步，且绝对兼容先前的以太网协议。IEEE1588具体定义的是精确时间协议PTP，即采用乒乓对时算法及在MAC层记录时间戳，以使分布式总线中的执行器、传感器及终端设备中的时钟实现亚微秒级同步，详见图1-1。
图1-1 IEEE1588协议对时过程
IEEE1588时钟同步过程分为偏移量测量与延迟量测量两部分。偏移量时差，式中，T1—Sync报文发生的精确时标;T2—时钟接收到Sync报文的时标;—网络延时的假定值（Sync报文由主时钟发出）。网络延时，式中， T3—时钟向主时钟发出Delay-Req报文的时标;T4—主时钟接收到Delay-Req报文的时标（Delay-Req报文由时钟发出）。综合上述两个函数式后，便可得到、。可见，从时钟便可修正得出与主时钟统一的时间标准。测试结果显示，IEEE1588可使时钟同步精度<±3μs，且若采取相应的补偿算法，可使此精度值更高。
二、时钟同步技术在变电站中的应用
变电站内常用的对时方案有脉冲对时（或称硬对时）、通信对时（或称软对时）、综合对时及编码对时四种，同时GPS时钟的精度、信号传播、IED对时处理方案与守时钟及IED对模拟量与开入量的处理方式均可能会产生误差。因此，在对时钟同步技术的应用进行研究时，务必要考虑到上述问题。依此研究背景，本章节就时钟同步技术在变电站中的应用进行研究。
（一）故障录波、故障定位及事故顺序记录 时钟同步技术的应用可使全网维持着统一的时间基准，如此通过对分散在变电站中的时间顺序记录、故障录波数据进行收集，便可在全网中重现事故的发生、发展过程及监视系统的实时运行状态。就时间顺序记录、故障录波来讲，对时精度应≥1ms。基于GPS同步时钟的电网故障定位系统对故障点的定位方法为：对故障反馈信号传至变电站的精确时间进行检测;对不同变电站站点的时差关系进行对比。从理论角度来讲，若能使对时精度≥1μs，则相应的测距精度便可≥300m。
（二）两个变电站之间的同步試验 在变电站线路两侧利用GPS同步时钟开展故障暂态同步试验，可实现对高频方向与距离保护装置、电流差动保护装置、相差保护装置特性进行准确检验。方向与距离保护采用的是就地信息，即线路两侧仅需完成逻辑信号的交换，因此对时精度仅需控制在几个ms之内;差动保护与相差保护要求对线路两侧的模拟量进行比较，因此对时精度应超过1ms。基于GPS同步时钟的电网故障定位系统亦可在全网内用来完成同步反事故演习。
（三）同步相量测量 当前，在电力系统的实时监测中，同步相量测量技术及基于同步相量测量技术的广域监测系统已被广泛应用。据调查结果表明，以GPS为同步时钟源的同步相量测量装置的应用最为广泛。研究表明，GPS的可用性与授时信息的精确度对同步向量测量的可靠性起着决定性的作用，因此相对精度应≥1μs。
（四）电子式互感器的同步采样 电子式互感器输出的数字信号是采样处理后的数字信号，因此各相电压与电流互感器的输出信号务必同步，以提高电子式互感器在继电保护与其他装置中的应用效果。例如，在母线保护装置中，所有呈间隔关系的电流采样信号均应保持同步，但在线路差动保护装置中，此类电流采样信号则应在两个变电站之间实现同步。若用于计量，则对时精度应≥1μs;若用于输电线路保护，则对时精度应≥4μs。
三、讨论
GPS时钟同步技术 篇3
笔者以中国石油兰州石化公司的350万t/a柴油加氢和配套5万Nm3制氢装置程控系统为例,介绍时钟同步网络拓扑的搭建,以及利用各系统特点实现与GPS时钟同步服务器时钟的同步设置方法。
1 GPS 时钟同步原理
世界上大多数国家采用的标准时间标度是基于地球自转的世界协调时( Universal Time Coordinated,UTC) 和基于地球公转的公历,UTC时间通过多种途径传播,如无线与GPS卫星导航系统、电话调制解调器及便携式计数器等。GPS卫星导航系统在每颗卫星上都安装有精密的原子钟,并由监测站经常进行校准。卫星发送导航信息的同时也发送精确的时间信息。GPS接收机接收此信息,并同步于自身时钟,获得准确的时间。因此, GPS接收机除了能准确定位之外,还可以产生精确的时间信息。目前自动化系统采用的时间标准就是UTC。
GPS网络时钟同步服务器又称网络时间协议 ( Network Time Protocol,NTP) 时间服务器。时间服务器是对自动化系统中的计算机及控制装置等进行校时的高科技产品。NTP是用于互联网中时间同步的标准互联网协议,也用于把计算机的时间同步到某些时间标准。NTP时间服务器从GPS卫星上获取UTC信号,并将这些信息通过各种类型的接口传输给自动化系统中需要时间信息的设备( 如计算机、保护装置、故障录波器、事件顺序记录装置、安全自动装置和远动RTU) ,这样就可以实现整个系统内的时间同步。
2 NTP 协议的对时方法
NTP协议的精确对时主要是在主 - 从工作方式下实现的。NTP算法首先根据服务器和客户端的往返报文来确定两地时钟的差值和报文在网络中的传输延迟。服务器与客户端的对时过程如图1所示。
图中,T1和T4是客户端时钟记录的发送和接收NTP报文的时间; T2和T3是服务器端时钟记录的接收和发送NTP报文的时间。假设服务器的时钟是准确的,服务器和客户端时钟的时间偏差是a,从客户端发送报文到服务器端的路径延迟是b1,从服务器发送报文到客户端的路径延迟是b2,路径延迟总和是b,那么可以列出3个方程:
假设从客户端到服务器的路径延迟和从服务器到客户端的路径延迟相等,即b1= b2= b /2,以上3个方程变成:
由式( 4) 、( 5) 可以求出服务器和客户端时钟的时间偏差为:
客户端与服务器端总的网络路径延迟为:
客户端与服务器之间的时间偏差和网络延迟如图2所示。客户端向网络时钟同步服务器发送同步请求,然后收到含有T1、T2、T3和T4时间戳的报文,并计算出时间偏差和网络路径延迟,调整自己的时间,以实现与标准时间的统一。
3 时钟同步方案的制定
中国石油兰州石化公司某350万t/a柴油加氢是一套柴油精制装置,它的原料之一是氢气,主要来自于5万Nm3/ h制氢装置。加氢装置与制氢装置共有两套Centum CS3000、两套Deltav SIS和一套CCS机组控制系统。
350万t / a柴油加氢项目采用了HY-N系列的GPS标准时钟同步时间服务器,该服务器提供了3个NTP网络RJ45接口: 网络接口NTP1默认网络地址为192. 168. 0. 254,网络接口NTP2默认网络地址为192. 168. 1. 254,网络接口NTP3默认网络地址为192. 168. 2. 254; 子网掩码均为255. 255. 255. 0。由此,搭建的程控系统时钟同步网络拓扑如图3所示。
4 系统时钟同步的实现
4. 1 Centum CS3000
Centum CS3000系统可以调整域内时间,在与V网连接的各站中,除过OS具有的OS时钟之外,还有V网平台保持的Vehicle时钟。程控系统内全部以Vehicles时间为标准。当系统启动时,域内最初启动的HIS站成为时间主站,时间主站发送时间同报信息,从站接收并调整时间,最终实现时间统一。
时间主站要从时钟同步服务器上获取标准时间,还需要在System View界面内进行相应的设置。该功能基于SNTP协议,Centum CS3000时钟同步组态设置界面如图4所示,FCS01和FCS02为两个控制站,HIS0161、HIS0162和HIS0163分别为3个操作站,HIS0164为工程师站。将各自域属性内的SNTP Server IP Address设置为时钟同步服务器相应NTP2端口的IP地址即可。
4. 2 SIS系统
Delta V系统的主时间源可以是系统中的任意一个工作站,当系统时间需要手动( 静态) 校对时,可以使用设置/同步网络时间( Set/Synchronize Network time) 工具中的Delta V System time对话框设置。如果系统时间来自于网络时间服务器,则不需要设置Delta V系统时间对话框。由于修改主时间源工作站的Windows操作系统时间等于间接修改了Delta V系统时间,因此可以将从网络时间服务器获取的数据直接作为Windows系统时间的设定值。
设置方法: 首先在ES工程师站上安装网络时间服务器的客户端软件Automachron. exe,该软件为一款绿色软件,直接拷贝即可。双击Automachron目录下的Automachron. exe文件,即开始运行。在屏幕下部的系统托盘中会出现图标,鼠标右键点击该图标,并选择“打开窗口…”, 进入如图5所示的客服端软件对话框。
在图5中,需要填入网络时钟服务器NTP1端口IP地址192. 168. 0. 254( 制氢) 及周期60s等相应选项。此时,网络时钟客户端设置完成,即可同步( 动态) 主时间源工作站的Windows系统时间。
其次还需要在Delta V系统中设置安装了同步软件的计算机为主时间源,SIS系统主站设置方法如图6所示。
打开Explorer,选中菜单树的Physical Network,鼠标右键点击Properties,在Physical Network Properties窗口中选中标签System Time,在Master Time Server中填写ES,即系统时间源为工程师站ES。确定完时间主站后,Delta V SIS便能与GPS时钟同步服务器进行时钟同步了。
4. 3 CCS 系统
350万t / a加氢装置机组选用的控制系统是CCS TS3000,该系统的时间同步源来自Centum CS3000系统,通过双方系统内部组态和程序的编写,实现网络时间的同步。
在DCS中编写了名为JZ_TIME( _SFCPB) 的功能模块实现DCS与CCS之间的时钟同步,当DCS系统的时间为1: 00: 00时,发送数字量通知TS3000系统,TS3000系统获取同步信息后同步本系统时钟为1: 00: 00,从而实现了网络时钟的同步。程序代码如下:
5 结束语
中国石油兰州石化公司的5万Nm3制氢和350万t / a柴油加氢装置从开车到现在已运行半年多,两套装置的系统时间始终与GPS网络时钟服务器时间保持一致并同步于UTC。实践证明, 在使用了GPS网络时钟同步系统后,SIS与DCS的事件记录和历史趋势记录能够精准匹配,在装置工况出现波动和设备出现异常时,经过时间同步的各项记录能够给故障分析提供可靠的依据, 不仅缩短了分析时间,而且降低了维护人员的劳动强度,在得出准确分析结果的同时,给装置的长周期运行打下了坚实基础。时间同步技术在制氢、加氢装置中的成功应用也为其他装置控制系统间的时钟同步提供了参考和借鉴。
摘要：简要介绍了GPS时钟同步原理和基于网络时间协议(NTP)的对时算法。分析了各系统时钟差异给工控系统带来的风险,并结合某350万t/a柴油加氢和配套5万Nm3制氢装置程控系统的构成特点,搭建其时钟同步网络拓扑图,详细说明利用各系统的特点来完成与GPS时钟同步服务器时钟的同步设置方法,实现了系统时间的统一。
GPS时钟同步技术 篇4
关键词：分布式同步测量系统,GPS同步时钟,载波电源
0 引言
中国电力系统大区域互联和负荷的不断增长,对电力系统参数的实时同步测量提出了更高的要求。目前电力系统的实时监测主要是基于远程终端单元(RTU)的数据采集与监控(SCADA)系统和基于相量测量单元(PMU)的广域测量系统(WAMS)[1,2,3,4,5]。SCADA系统中,不同地点间的RTU缺乏高精度时钟信号,难以用于全系统的动态特性分析,而PMU受制于技术和经济方面的原因,现在还难以在系统中全面配置。
文献[4]提出一种基于全球定位系统(GPS)和以太网时间同步技术的同步化RTU(又称为同步测量单元(SMU))的设计方法,为解决上述矛盾提供了一种可行方法。SMU引入GPS同步时钟,结构介于RTU与PMU之间,可以兼顾两者的优点。与PMU相比,SMU不提供故障侦测、录波以及大规模数据缓存等功能,结构简单,具有更好的经济性。
本文以SMU为基础构建了基于GPS同步时钟载波电源的分布式同步测量系统(DSMS),其主要特点是监控终端子站(变电站、电厂等)内的各SMU的工作电源和高精度同步时钟信号由一独立的被加载了GPS时钟信号的同步时钟载波电源模块统一提供。这一改进不但简化了SMU的结构(省去了电源模块和GPS接收器),降低了成本,而且可使终端子站内的DSMS布局更加紧凑、灵活、合理。
1 DSMS的结构与特点
本文提出的基于GPS同步时钟载波电源的DSMS结构原理如图1所示。
DSMS主要由GPS同步时钟载波电源模块、现场信息SMU以及连接二者的载波电源传输线3部分构成。其中:GPS同步时钟载波电源模块相对独立,实现GPS时钟信息与SMU工作电源的载波合成,并通过载波电源传输线传送给安装在监控终端子站(变电站、电厂等)范围内的各SMU;现场SMU通过内置的解调模块,从载波电源合成信号中解调出其运行所需的工作电源和高精度同步时钟信号,因此无需另配工作电源模块和GPS接收器,即可实现对全网相量的高精度同步测量。
显然,采用这种基于GPS同步时钟载波电源的DSMS结构,不但有效降低了现场SMU的硬件配置和成本(省去了工作电源模块和GPS接收器),而且可灵活地对终端子站监控范围内的SMU配置进行调整、扩展,从而使整个DSMS布局更加紧凑、合理。
2 GPS同步时钟载波电源模块
GPS同步时钟载波电源模块由直流电源、GPS同步时钟电路和载波调制电路3部分构成(见图1)。其中:GPS同步时钟电路产生高稳定、高精度(±1 μs)的GPS同步时钟信号(秒脉冲(1PPS)和协调世界时间(UTC)时钟信息);载波调制电路将GPS同步时钟信号调制成MHz级载波信号,并在直流电源出口处通过载波信号合成变压器加载到电源传输线路中送往现场SMU。载波电源传输线路需选用同轴电缆或带屏蔽网的双绞线,以减小高频载波信号对外辐射和避免外部信号对载波信号的干扰。
2.1 GPS同步时钟电路
稳定的高精度同步时钟是SMU功能实现的基础。GPS时钟信号具有极高的精度,但在轨道卫星进行实验或失锁等情况下,其可靠性与精度将不能得到保证,因此,必须考虑GPS时钟脉冲及其信息可靠性问题[4,6,7]。图2给出一种基于GPS接收器的同步时钟电路结构,由GPS接收器、守时钟电路和处理器等构成。其中处理器判断GPS接收器输出的信号是否有效(即轨道同步卫星是否失锁)输出UTC时钟信息,并选择守时钟电路的输出。轨道同步卫星未失锁时处理器输出UTC时钟信息,控制守时钟电路直接转发GPS接收器的1PPS信号并对其进行跟踪,否则守时钟电路输出锁定的同步1PPS信号,处理器修正输出UTC时钟信息。
守时钟电路的核心是高稳定度、高精度数字锁相环(PLL),可用高精度高稳定晶振和可编程逻辑芯片等构成[8]。它能在处理器控制下,在GPS接收器输出的1PPS信号有效时进行同步跟踪,无效时输出判断失效时锁定的同步1PPS信号,从而能够在有限时间段内确保GPS同步时钟电路输出的1PPS信号的同步精度在±1 μs范围内。
2.2 信号调制与解调电路
本文中1PPS和UTC信号均采用频移键控(FSK)调制。在满足1PPS信号(占空比为20%)和UTC时钟信号(波特率为9 600 bit/s)能够成功调制解调的同时,考虑到低频信号传输延迟较大,而高频信号传输时辐射较大且容易产生驻波,并避开通信频带减小对传输线路所经区域通信的干扰,本文中1PPS和UTC时钟信号分别采用1 MHz和0.1 MHz脉冲序列进行调制。下文以1PPS信号的调制、解调为例进行说明。调制、解调电路的结构如图3所示。
图3(a)调制器电路中,GPS接收器输出的1PPS信号经非门后,再与振荡源产生的1 MHz脉冲序列信号经与门后经T1管驱动载波信号合成变压器,使信号耦合到电源线路中。图3(b)中的解调器电路由调谐电路、高频放大、检波和信号还原4个环节组成。1PPS已调信号在调谐回路L1、C1中发生谐振,耦合变压器次级的高频信号由高频管T2放大和D1、C2检波,然后由单稳电路将信号还原为标准1PPS信号。
3 SMU核心处理电路
3.1 SMU核心处理电路的结构原理
SMU核心处理电路主要由A/D采样模块、同步采样控制模块、同步时标形成模块、信号处理模块、通信模块和10 kHz脉冲生成模块6部分组成,如图4所示。其中:A/D采样模块由信号调理电路和A/D转换器组成,负责信号调理和采样;同步时标形成模块产生基于GPS的同步采样时标,时标间隔也可根据需要自由设定;同步采样控制模块用于控制A/D的采样方式,并为CPU提供采样启动信号;信号处理模块由CPU和人机界面(MMI)2部分构成,CPU负责测量数据处理,MMI用于本地设置;通信模块主要是以太网接口,用于SMU与主站通信;由于GPS同步时钟载波电源中未载入GPS的10 kHz脉冲信号,在电路中设计了10 kHz脉冲生成模块,所产生的10 kHz脉冲每隔1 s与1PPS信号强制同步一次。
3.2 同步信号发生模块
目前的信号同步采样方式主要是定时间间隔采样和自适应采样。定时间间隔采样对硬件要求不高,且易于全局同步,但需采用软件方法跟踪信号频率的变化,大大增加了CPU的负担;自适应采样获得的采样数据可以直接处理,但需要比较复杂的电路跟踪被测信号的频率变化,增加了硬件成本。为适应2种采样方式的不同需要,本文采用现场可编程门阵列(FPGA)功能逻辑芯片设计2种采样方式以供选择,简化电路的同时加强了控制功能,如图5所示。
FPGA接收并准确识别10 kHz脉冲和1PPS信号[9],确认后给各路A/D转换器发送高精度的同步采样脉冲。为防止1PPS信号失效时,造成SMU的采样脉冲同步误差增大,CPU应提供1PPS信号软同步信号,若1PPS信号有误,CPU通过MMI告警,并启用软同步信号。为保证精确性,采样脉冲发送时刻要与1PPS信号上升沿严格同步。
2种同步采样模式的选择由CPU发出的采样脉冲控制:①10 kHz脉冲在FPGA中分频,产生定时间间隔采样脉冲。此时,需由CPU采用软件方式实现对系统频率的跟踪。②在电路内部设计了PLL,用于跟踪被测信号频率,生成自适应采样脉冲。uA,B,C为三相交流电压信号叠加,用以保证PLL正常工作[10]。
3.3 同步时标形成模块
IEEE Std 1344—1995(R2001)标准规定了3种可供选择的时标同步方式,即以离散傅里叶变换(DFT)数据窗的首、中或末点为时标同步采样点的时标同步方式[11]。本文设计中由于采样环节与同步时标产生环节互不干扰,可实现同步时标的自由设定。
同步时标形成模块由计数器B及单稳电路1,2等构成(见图4)。其工作原理如下[12]:1PPS信号经过单稳电路1形成“整秒同步时标”脉冲信号P1(负脉冲),送往CPU形成整秒同步时标中断;10 kHz信号经计数器B分频和单稳电路2形成周期为TDFT(设定的周期同步间隔,与1PPS信号周期间隔成整倍数关系,如20 ms)的“周期同步时标”脉冲信号P2(负脉冲),送往CPU形成周期同步时标中断,同时复归计数器B使其实现计数值重载并按TDFT周期重新开始计数。
UTC时钟信息直接经过RS-232串口送给CPU。由于UTC时钟信息大约提前1PPS信号40 ms开始发送并在1PPS信号出现之前发送完毕,因此CPU能够在响应整秒同步时标中断之前及时接收并处理完毕与之关联的UTC时钟信息,从而在响应整秒同步时标中断时准确标定整秒同步采样的时标信息。由于10 kHz脉冲与1PPS信号严格同步,且周期数据窗宽度TDFT与1PPS信号周期成整倍数关系,因此,微处理器在响应周期同步时标中断时同样能够准确标定周期同步采样的时标信息。
4 同步时钟载波电源的硬件实现
4.1 试验结果
本文所提出的GPS同步时钟载波电源已研发成功,并在30 m长的双绞线上成功进行了试验验证,其中直流电源采用+24 V的电源。图6给出了1PPS信号调制前、调制后及解调后的试验录波图。从图6中可以看出,1PPS信号解调后的波形与调制前保持了很好的一致性。
解调器中的LC谐振回路带宽窄(频率通带在[(f0-0.15) MHz,(f0+0.15) MHz]范围内),对调制后信号有较好的选通作用,有效抑制了两信号通道间的相互干扰。图7为谐振频率为1 MHz的解调器谐振回路的幅频特性(f0处信号幅值记为1)。
4.2 通信时延对相量同步测量的影响与修正
从图6(b)可以看出,终端SMU处解调后的1PPS信号较GPS发出的1PPS信号存在一定的时延Δti,该值与调制/解调器、电源载波线等硬件特性参数有关,硬件确定后基本不变,因此可在安装完成后通过试验测得。
试验表明,Δti一般不超过1 μs且主要影响同步相量的相角测量精度(对幅值测量精度影响甚微),因此必须对SMU测得的同步相量相角值进行修正。具体修正方法在文献[12]中有详细描述,不再赘述。
5 同步时钟载波电源的同步校核方案
由于同一监测终端子站内所有SMU的同步时钟信号由1个GPS同步时钟载波电源统一提供,所以校时只针对GPS同步时钟载波电源即可,简单方便。
本文采用软件校时方案,即在SCADA数据中心(或者指定的站点)设置以太网校时服务器,用于GPS同步时钟载波电源的时间校核;并在电源中提供利用以太网作为时间同步的软同步信号通道。以太网传输存在不确定的延迟误差。根据高精度校时协议(PTP)[13],主机先后向从机发送“时间同步开始”报文和“时间同步开始时刻”报文,从机记录2次接收报文的时刻和时间同步开始时刻,可测得网络传输延迟时间,以此提高从机时差的校核精度。
6 结语
尽管理论上WAMS完全可替代现有的SCADA系统,但在目前经济技术水平下这样做并不现实,在相当长的时间内只能是SCADA和WAMS这2种系统并存。基于GPS同步时钟载波电源的DSMS测量数据与WAMS数据具有相同的时间坐标,使得基于WAMS/SCADA混合量测的电网参数辨识与估计更加简单,具有极高的实用价值。
DSMS主要特点是监控终端子站(变电站、电厂等)内各SMU的工作电源和高精度同步时钟信号由一独立的被加载了GPS时钟信号的同步时钟载波电源模块统一提供;SMU提供2种同步采样模式供选择,同步时标可根据需要自由设定,与PMU相比自身结构更紧凑,应用更灵活,可与RTU一样广泛布置而不用考虑布点问题。如果能在SCADA系统的维护过程中,逐步用SMU替代原有的RTU,形成DSMS,将为电力系统状态估计、安全预警乃至广域控制保护等提供更精确可靠的数据支撑平台。
GPS时钟同步技术 篇5
目前,电力系统中的时间同步处于变电站内GPS统一的状态,由于GPS设备品牌不同,性能不统一,造成站内、站与站之间时间不统一。这些时间接收系统相互间不通用。无法互为备份,使得整个系统的可靠性无法保证。为了逐步实现全电网的同一时间,有必要在发电厂、变电站建立集中和统一的电力系统时间同步系统,而且该系统应能基于不同的授时源建立时间同步并互为热备用。
2 电力系统设备常用的对时方式
2.1 脉冲对时
也称硬对时,是利用脉冲的准时沿来校准被授时设备。常用的脉冲对时信号有1PPS和分脉冲(1PPM),有些情况下也会用时脉冲(1PPH)。其优点是授时精度高,使用被动点时,适应性强;缺点是只能校准到秒,其余数据需要人工预置。
2.2 串口报文对时
也称软对时,是利用一组时间数据按一定的格式通过串行通信接口发送给被授时装置,被授时装置利用这组数据预置其内部时钟。常用的串行通信接口为RS-232和RS-422/RS-485。其优点是数据全面,不需要人工预置;缺点是授时精度低,报文的格式需要授时和被授时装置双方约定。
2.3 时间编码方式对时
目前,很多场合采用以上2种方式的组合方式即串口+脉冲,从而可以充分利用两者的优点,克服两者的缺点。其采用国际通用时间格式码,将脉冲对时的准时沿和串口报文对时的那组时间数据结合在一起,构成一个脉冲串,来传输时间信息。被授时设备可以从这个脉冲串中解析出准时沿和一组时间数据。这就是目前常用的IRIG-B码,简称B码。其优点是数据全面，对时精度高,不需要人工预置;缺点是编码相对复杂。
2.4 网络方式对时
网络方式对时基于网络时间协议(NTP)、精确时间协议(PTP)。目前,简单网络时间协议(SNTP)应用较多。网络时钟传输的是以1900年1月1日0时0分0秒算起时间戳的用户数据协议(UDP)报文，用64位表示,前32位为秒,后32位为秒等分数。网络中报文往返时间是可以估算的,因而采用补偿算法可以达到精确对时的目的。网络授时方式可以为接入网络的任何系统提供对时,其中NTP授时精度可达到50ms,PTP授时精度可达到1μs,SNTP授时精度可达到1s。
3 2006C电网GPS-B码同步时钟对时系统
2006C电网GPS-B码同步时钟系统可为电力系统时间同步网提供的高精度、高可靠性同步设备。它采用高精度的卫星时间作为时间源，并采用先进的“时间驯服算法”完成卫星时间的长稳和晶振时间的短稳完美结合;同时设计了简便易用功能强大的人机界面、多种时间信号可选的接口插卡;并且具有远程或本地的监控的能力，提供完整的网络管理能力。
3.1 系统的主要特性
3.1.1 双同步时钟独立接受GPS卫星时间及外部基准时间主备用可选，实现基准信号互为备用。
3.1.2 电源冗余供电保证授时系统可靠性。
3.1.3 支持NTP SNMP网络协议，RJ接口，实现网络对时。
3.1.4 标准时间码传输可设定补偿传输延时、使其时标传输不受距离介质限制。
3.1.5输出信号多样化，可插卡式输出1PPS、1PPM、1PPH、符合IEEE1344或NASA36 IRIG-B码，DFC77,NTP(RCF1305),SNTP,ASCⅡ时间串口报文。
3.1.6 输出的每种信号(网络和报文除外)具有在线编程RS485或RS422、空接点、24V有源、TTL等多种电器接口形式选择的功能。
3.1.7 内置铷原子钟或高温恒温OCXO，并采用先进的驯服算法，输出高精度的本地授时时间。
3.2 系统框图
2006C电网GPS-B码同步时钟系统(见上图)可安装在变电站、电厂的任何一个保护室，由GPS主屏与扩展屏构成。主屏主要由同步钟、信息扩展装置、嵌入式计算机三大单元构成，扩展屏内一般只安装时间同步信号扩展装置，扩展屏里的扩展装置通过光缆与主屏的GPS同步钟互为通讯，接受时间主屏同步输出的IRIG-B码作为扩展屏输出基准信号，也可以接受其他外部基准时间，通过扩展装置处理输出本室所需各类型时间同步信号。
(1）同步钟
在2006C电网GPS-B码同步时钟系统中，设计配置了两台同步钟互为冗余备用。正常情况下，两台同步钟的时间信号接收单元独立接收GPS卫星发送的时间基准信号;当某一同步钟的时间信号接收单元发生故障时，该同步钟自动切换到另一台同步钟的时间信号接收单元接收时间基准信号，实现时间基准信号的互为备用。当GPS与外部时间基准都能同时正常接收时，优选GPS时间源，外部时间基准自动撤销。当GPS不能正常接收时，自动进入搜索接收外部时间基准，提取外部时间基准;当GPS与外部时间基准均不能正常时，由内部时钟授时，在内部高精度温度补偿晶振频率10-9量级上运行，使输出的时间同步信号仍能保持一定的准确度;当外部时间基准信号接收恢复时，自动切换到正常状态工作，切换时间小于0.5S，内部时钟被外部时间基准信号同步，如果系统掉电内置的日历时钟依然能保持时间尺度不丢失。
(2）扩展装置
信息扩展由输入输出冗余模块、脉冲扩展模块、B码扩展模块、报文信息扩展模块、网络模块等组成。其中输入冗余模块允许接收两台同步时钟信号互为冗余，扩展装置的模块类型及模块数量由需求配置。所有模块的输入输出信号都采用电气隔离技术，接口器件均使用抗雷击、抗ESD元器件，保证系统可靠性。同步钟与信息扩展装置之间采用光缆或电缆通信，因此可分布式布置在变电站、电厂的任意位置。
(3）嵌入式计算机
2006C电网GPS-B码同步时钟系统内置嵌入式计算机，主要应用于网络管理，实现本地或远程在线监控，由运行于WINDOWS操作系统的时间同步系统的后台监控远程管理软件实现。2006C电网GPS-B码同步时钟系统的嵌入式计算机通过网络与扩展装置通讯，在嵌入式计算机上运行时间同步系统的后台监控远程管理软件，可随时查询扩展装置输出的时间信号状况、参数，也可以在线更改各种事件信息的形式和电气性能。
4 结束语
2006C电网GPS-B码同步时钟系统采用多种时间基准信号冗余、电源冗余保证了授时系统运行可靠性;采用硬件实时并行处理时标保证了授时的准确性;采用了模块化输出接口保证了授时的灵活性;可按实际需求扩展为多路时间信息，强大方便的远程网络监控功能，基于WEB技术的管理软件使得其易于管理，对于跨区域联网的大电网非常适用，故本文推荐使用。
参考文献
[1]佚名,变电站GPS对时方案.
[2]韩富春,电力系统自动化技术[M].北京:中国水利水电出版社,2003.
GPS时钟同步技术 篇6
从过去到现在直至将来,在人类认识和征服海洋的过程中,总会发生各种各样的事故和灾难,包括飞机海上失事和潜艇水下失事等。此时,需要对失事飞机或潜艇进行快速而有效的搜救,因此对失事声信标进行快速而准确的定位则成为当务之急。
2 定位系统构成和同步需求
水下失事声信标快速定位系统主要由GPS卫星,声纳浮标,基站控制中心和水下失事声信标(即失事目标)构成,并通过水声通信链路,无线通信链路和GPS通信链路进行联系。定位系统工作模型如图1所示:在海面布放n个浮标,通过GPS接收机获取各浮标基元的精确位置信息,通过水声技术测量失事信标声信号到达浮标基元的时间,再将相关数据由无线通信链路传到基站控制中心,最后在控制中心通过相应的算法解算出失事声信标的位置[1]。
定位系统的系统工作周期为1s,由GPS的高精度时钟实现各个子系统的同步工作。包括对由基站与浮标构成的无线通信网络的同步,同步在Windows平台实现;对各个浮标上水声信号时间测量的基准时钟同步,同步在DSP平台实现。
3 GPS接收机的时钟同步
GPS系统是靠统一的GPS时间基准来维持系统运转,该时间基准是通过地面原子钟实现的。GPS卫星上安装有原子钟,通过地面监测站的连续跟踪观测,计算出卫星钟的钟差改正数,并通过星历实时播发,实现地面原子钟组GPS时间基准向GPS卫星的传递[2]。
GPS接收机一般采用石英晶振维持系统的时间,稳定性较差,所以在GPS定位中通常将接收机钟差作为未知数进行解算。当GPS接收机同时接收多个GPS信号,完成定位的同时,可以解算出当前的输出时间偏差,进而可以对接收机时钟进行修正,实现GPS时间基准向GPS接收机的传递。当多台GPS接收机同时完成定位和实现GPS时间基准向接收机的传递时,由于采用同一个时间基准,隐含的实现了不同接收机之间的时钟同步。
GPS时间基准传递如图2所示。
定位系统采用的是NovAtel公司的DL-4plus系列GPS接收机。接收机提供两个RS232串口,用于数据信息输出。输出格式如图3所示。
GPS接收机每隔一秒钟发送一次1PPS(秒脉冲)信号,信号脉宽1ms,GPS的时间位置信息相对于秒脉冲延时10ms左右。其中,1PPS信号的时间同步精度为50ns,完全可用于定位系统工作周期的时钟同步。
4 无线通信链路的同步实现
定位系统的无线通信链路是一点(基站)对多点(浮标基元)的星形网络结构,采用TDMA模式进行工作。TDMA模式的关键是设计严格的通信时隙图,如图4所示。
由图4可看出,TDMA通信时隙的实现主要包括两部分的内容:①各个通信时隙同步头之间的同步触发;②各个基站时隙和浮标时隙的定时分配。
其中,同步头是通过GPS的高精度时钟来触发的。GPS接收机每隔一秒由串口的RTS引脚发送一次1PPS信号,无线通信链路就是利用该1PPS去触发计算机产生中断,进而通过通信控制软件程序来完成各浮标通信时隙同步头的时钟同步。
通信控制的软件程序是在Windows平台上运行的。在Windows环境下,应用程序基于消息循环机制来运行,当CPU被一个进程占用时,消息队列中的其他消息会被挂起,得不到及时响应,会影响定时精度;而且Windows操作系统完全接管了各种硬件资源,屏蔽了应用程序对大部分硬件接口的访问(包括对串口中断的访问),这就使得在Windows下利用硬件编程实现精确定时变得困难。
定位系统是在VC环境下,通过Windows的串口通信函数来获取串口的GPS秒脉冲中断事件,通过Windows多媒体定时器来实现通信时隙的定时分配。由于软件程序是基于消息循环机制运行的,因此定时的精度不高。但在定位系统通信链路的通信能力远大于通信需求的情况下,此时通信链路对定时精度的要求不高,定时方案能够满足要求。
在VC++ 6.0环境下,利用串口通信常用方法有两种[3]:
(1)调用Windows API 函数;
(2)使用ActiveX 的MSComm 控件。
为了时钟同步的实现简便,采用方法2)进行串口通信。
通信控制软件程序的GPS时钟同步具体流程如图5所示:软件程序启动串口监视线程。当GPS接收机通过串口的RTS引脚发送1PPS信号时,监测到串口发生CommEvent通信事件。此时,程序检查CommEvent通信事件属性,若为CommEvCTS事件,则判断通信事件为GPS的1PPS同步触发。进而启动Windows计时器(采用Windows的多媒体定时器,定位精度1ms),进行各个基站时隙和浮标时隙的定时分配。
以上同步方法是在Windows平台下实现的,由于Windows消息响应的非实时性,同步精度比较差。但通信系统采用的MDS通信电台的通信速率较高,通信能力远大于通信需求,因此该时钟同步方法能满足通信的同步要求,且实现起来比较简便。
5 水声信号时间测量的同步
水下快速定位系统是通过测量水下失事声信标的水声信号到达不同浮标的时刻,计算信号到达任意两个浮标的距离差,实现水下双曲面交会定位。定位模型如图6所示。
定位模型基本数学方程为:
(xi-xs)2+(yi-ys)2+(zi-zs)2=c2(ti-ts)2i=1,2,……,M
其中(xi,yi,zi)和ti分别是第i个阵元的空间坐标和系统记录时延,(xs,ys,zs)为目标声源空间坐标,时间ts为信号发射时刻相对于接收机时钟的时间。
从定位系统的数学模型中可以看出,目标定位需测量水声信号到达各个浮标的时刻。而要完成时间测量,各个浮标需要一个共同而精确的时间参考基准。在本位系统中,该时间基准为GPS接收机同步时钟。
由定位系统的误差分析,水声信号时间测量的精度要求10ms。定位系统中,时间测量是在浮标DSP板上完成的。DSP板的硬件采用TI公司的TMSVC33芯片作为主控制器,外围电路包括:复位电路,DDRAM,SRAM,A/D,D/A,RS232串口等。浮标DSP板的硬件结构及其与其他部分的接口如图7所示:
DSP板上运行的软件是按照模块化设计方法用TMS320C3X汇编语言编写的。其中对时间测量包括两部分内容:①信号到达时GPS接收机的UTC时刻,通过串口由GPS接收机获得;②DSP的指令计数器数值,由DSP自身指令计数器计数获得。此时,需要将各个浮标DSP的计数器进行同步触发,使各个浮标的时间测量具有相同和精确的时间基准。该同步触发的时间基准信号为GPS的1PPS秒脉冲信号DSP下的GPS时钟同步方法如图8所示。
DSP开1PPS中断,当GPS接收机通过串口向DSP发送1PPS信号时,产生1PPS中断。此时,DSP程序转入1PPS中断子程序,启动DSP的指令计数器,开始计数,再读入GPS的UTC时刻作为本次1PPS触发的UTC基准。由此,实现各个浮标时间基准的时钟同步。
GPS接收机与DSP指令计数器的同步触发只需一次1PPS中断即可完成,但为防止指令计数器“溢出”和长时间的DSP时钟漂移产生时间偏差,定位系统每一小时用1PPS脉冲进行一次同步触发[4]。定位系统时间测量方法是在硬件层处理1PPS的同步中断,具有很高的实时性;同时,计数器采用DSP的指令计数器具有很高的精度(高达17ns)。因此,该时间测量的计算方法精度在ms级以内。
以上时间测量方法在很大程度上减少了硬件支持,实现了高精度的浮标时间测量,也保证了各个浮标之间时间测量的时钟同步。
6 结束语
GPS接收机在完成定位条件下钟差修正保证了GPS接收机之间的时钟同步,其输出的1PPS脉冲信号可达到纳秒级的精度。本文简介了GPS接收机的同步时钟在水下快速定位系统中的应用,并介绍了在Windows平台和DSP平台上的具体同步方法。
参考文献
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GPS时钟同步技术 篇7
基于GPS卫星时钟同步系统在变电站中的应用有着十分重要的作用。随着变电站自动化的发展, 为保证电网安全、经济、优质运行, 及时掌握实时信息, 分析各类事件特别是系统故障的发生、发展过程, 需要使用各种以计算机技术和通信技术为基础的变电站自动化装置 (如:故障录波器、微机继电保护装置、事件顺序记录装置、变电站计算机监控系统等) , 通过这些装置将其影响控制在一定范围内, 而这些装置的正常工作和作用的发挥, 均离不开统一的全网时间基准。同时, 数字化变电站的建设, 更需要同一间隔各个互感器之间、不同间隔之间, 甚至是不同变电站之间采取时钟同步以保持采样同步。
2 各种常用时钟同步
2.1 卫星时钟同步。
全球卫星定位系统是一种以人造地球卫星为载体的覆盖全球、全天候工作的无线电导航定位系统, 可以实现精确导航、定位和授时。目前世界上主要有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲空间局的GALILEO和中国的北斗卫星导航系统。
2.2 网络时钟同步。
网络时间协议NTP和简单网络时间协议SNTP是使用最普遍的国际互联网时间传输协议。NTP属于TCP/IP协议族, 可提供对时精度在1~50ms之间。而SNTP是NTP的一个简化版, 多数情况下, 其精度可以保持在1ms以内。
3 GPS卫星时钟同步系统的优点及其原理
3.1 GPS卫星时钟同步系统的优点
GPS是英文Global Positioning System (全球定位系统) 的简称。GPS起始于1958年美国军方的一个项目, 1964年投入使用。20世纪70年代, 美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务, 并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的, 经过20余年的研究实验, 耗资300亿美元, 到1994年, 全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。现有同步时钟的比较如表1所示。
在变电站中采用GPS卫星时钟同步系统有着明显的优势, 可以实现全站各系统在统一GPS时间基准下的运行监控和事故后的故障分析。变电站的各种自动化设备根据GPS提供的精确时钟同步信号, 统一变电站、调度中心的时间基准, 在电力系统发生故障后, 提高了SOE的时间准确性, 大大提高了电力系统的安全稳定性, 为分析故障的情况及断路器动作的先后顺序提供有力的证据, 为电网安全稳定监视和控制系统创造了良好的技术条件。
3.2 GPS卫星时钟同步系统的工作原理
GPS全球卫星导航定位系统由三部分构成: (1) 地面控制部分:由主控站、地面天线、监测站和通讯辅助系统组成; (2) 空间部分:由24颗卫星组成, 分布在6个道平面上; (3) 用户装置部分:主要由GPS接收机和卫星天线组成。GPS卫星时钟同步系统利用RS232接口接收GPS卫星传来的信号, 然后经主CPU中央处理单元的规约转换、当地时间转换及一套严密的误差校正, 变成满足各种要求的接口输出 (RS232/RS422RS485等) 和时间编码输出 (IRIG-B码, ASCII码等) , 输出的信号具有很高的长期稳定性。
3.3 GPS卫星时钟同步系统的输出
GPS卫星时钟同步系统的三种主要输出方式:脉冲同步、串行时间信息和IRIG-B码。
3.3.1 脉冲同步输出。
脉冲同步输出方式, 即同步时钟每隔一定的时间间隔输出一个精确的同步脉冲。被授时装置在接收到同步脉冲后进行对时, 消除装置内部时钟的走时误差。脉冲同步的缺点是无法直接提供时间信息, 被授时装置如果时间源出错, 会一直错误走下去。
3.3.2 串行同步输出。
串行同步输出方式, 是将时间信息以串行数据流的方式输出。各种被授时装置接收每秒一次的串行时间信息获得时间同步, 在未接收到广播对时令的这段时间内, 装置时钟存在自身走时误差问题, 使用串行方式在接收过程中, 信息处理耗费的时间会影响对时精度, 所以主要用于给事件加上时间标记, 如果要提高对时精度, 现场应用时还需要再给出秒对时脉冲信号。
3.3.3 IRIG-B码输出。
IRIG-B码输出方式, IRIG组织发布的用于各系统时间同步的时间码标准。脉冲对时和串行口对时各有优缺点, 前者精度高但是无法直接提供时间信息;而后者对时精度比较低, 尤其是多小室模式或者监控系统中有多个管理机、多个子系统的时候时间精度受串口通信时延的影响尤为突出。B码对时兼顾了两者的优点, 是一种精度很高并且又含有标准的时间信息的对时方式。按技术规范规定凡新投运的需授时变电站自动化系统间隔层设备, 原则上应采用IRIG-B码 (DC) 时钟同步信号。
4 GPS卫星时钟同步系统在变电站中的应用
变电站自动化装置内部都带有实时时钟, 其固有误差难以避免, 随着运行时间的增加, 积累误差越来越大, 会失去正确的时间计量作用。因此, 如何对变电站内的装置实现时间同步, 达到全网所有变电站内装置时间一致, 一直是电力系统急需解决的问题。使用GPS卫星时钟对其实现时间同步, 这为建立时间同步系统, 实现时间统一提供了基础。
变电站的GPS时钟同步系统由主时钟、时间信号传输通道、时间信号用户设备接口 (扩展装置) 组成, 其主要应用如下:
4.1 SOE事件顺序记录。
变电站在采用GPS卫星时钟同步系统之后, 全网所有变电站内的装置就可以采用统一的时间。在变电站发生事故后, 可以调用综自系统主站内的SOE事件顺序记录, 通过分析事故前后各个变电站的事故报文, 来定位事故发生的原因、起点及可能的原因。
4.2 PMU同步相量测量系统。
通过采用GPS卫星时钟同步系统, 可以使PMU同步相量测量系统在广域监测系统中实时记录数据量的变化。从而, 测量数据的准确性对基于PMU相量测量的应用的系统起着至关重要的作用。
4.3 ECT、EVT的同步采样。
自从智能变电站出现后, 采用ECT、EVT的光源电子式互感器所输出的数据量已经从以前的模拟量完全变成了装置可以直接应用的数字量, 因而, 各个ECT、EVT所输出的电流和电压量必须在时间上一致, 才能为其他装置提供可靠的数据采用和分析依据, GPS卫星时钟同步系统是其中不可或缺的一部分。
5 结束语
GPS时间同步系统对电力系统运行具有重要意义, 是电力系统实现现代化管理的必要手段, 该系统能够为不同安装地点的设备提供准确的时间参考, 对电力系统运行管理及事故分析和处理提供良好的技术支持。在近几年的变电站改造及新建工程中, 我们多座变电站实施了以上GPS对时方案, 统一了各种智能装置时间, 为变电站事故分析提供了可靠的数据, 取得了良好的效果。
摘要：本文介绍了现有的各种常用时钟同步系统、变电站用时钟同步方案, 以及GPS卫星时钟同步系统的优点及其原理, 着重介绍GPS时钟同步系统在变电站中的应用以及各种常用接入方式。同时, 就GPS卫星时钟同步系统的其他方面也进行了阐述。
关键词：GPS,时钟同步系统,对时,变电站
参考文献
[1]吴学伟, 伊晓东.GPS定位技术与应用[M].北京:科学出版社, 2010
[2]许国昌等.GPS理论、算法与应用 (第二版) [M].北京:清华大学出版社, 2011
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[4]马晓军.变电站GPS对时方案[J].农村电气化, 2007, 3 (11) :15-16
智能电网技术(7)时钟同步技术 篇8
1 IEEE 1588精密时钟授时原理
1.1 概述
IEC 61588定义了一个能够在测量和控制系统中实现高精度时钟同步的协议——PTP (IEEE 1588) 协议。2002年底发布的IEEE 1588是一个集成通信网络和在线修正计算的精密时钟授时协议, 该协议通过多播报文的形式向网络中各个节点授时, 所以尤其适合在以太网上使用, 能够达到亚微秒级的同步精度。2008年, IEEE重新修订了这个标准, IEEE 1588授时协议更进一步完善, 使其满足智能变电站IEC一61850通信网络授时精度的要求。
PTP系统是由同步时钟设备和网络设备组成的分布式授时系统, 同步时钟设备包括普通时钟、边界时钟和透明时钟;系统设备包括在网络中不参与时钟同步过程的路由器、交换机、计算机及其他设备。
普通时钟 (Ordinary Clock, OC) 。分为主时钟和从时钟, 其特性是只有1个PTP端口的时钟授时源或授时终端, 普通时钟授时应满足网络对称性原则, 通过“最佳主时钟算法”选取网络中精度最高、稳定性最好的节点作为系统主时钟, 从时钟同步主时钟后, 则作为下一个从时钟的主时钟, 进行全网时钟节点的精确同步。
边界时钟 (Boundary Clock, BC) 则实现了网络非对称性精确时钟同步要求, 是一个具有多个PTP端口的设备, 每个PTP端口可独立进行授时。对于空间距离较远的主从时钟同步系统, 为了降低线路延迟量, 引入了透明时钟设备 (Transparent Clock, TC) 。透明时钟在通信网络中相当于普通的网桥、中继器, 转发所有类型的报文, 透明时钟本身不参与同步过程, 也没有主从状态。
1.2 IEEE 1588授时算法分析
IEEE 1588的时钟同步过程通过两个步骤来实现:时钟偏移量测量和线路延迟量测量。假设传输延时线路是对称的, 主时钟的时间原点为M, 从时钟的时间原点为N, 时钟偏移量为Toff-delay, 线路延时量为Tdelay。
首先进行时钟偏移量测量, 主时钟周期性的向网络发送一个包含时间信息的信息包 (简称为Sync) , 同时在物理层记录好精确发送时间Ta1, 如图1 (a) 。在Tb1时刻从时钟收到Sync时间同步报文, 并且精确记录接收时间Tb1。然后主时钟通过Follow_up报文格式发送之前记录的精确时间信息Ta1, 从时钟接收Follow_up报文后, 计算从时钟与主时钟的时钟偏差为:
这样就完成了时钟偏移时差的测量, 其中, 在理想条件下, Toff-delay、Tdelay值是一个定值。
然后进行线路延时量的计算, 如图1 (b) 。从时钟在接收到Follow_up报文后在Tb2时刻发送一个延时请求信息包Delay_Req并记录精确发送时间Tb2, 主时钟收到Delay_Req报文后, 记录精确接收时间Ta2, 把精确时间Ta2标记在延时响应信息包Delay_Resp中并发送给从时钟, 从时钟接收到Delay_Resp后, 则网络延时误差为:
由式 (1) 和式 (2) 可得:
基于式 (3) 求出来Toff-delay和Tdelay, 对时钟偏移时差和线路延时误差进行精确时钟在线修正, 这样就完成了主从时钟的时间同步, 通过“最佳主时钟算法”计算出网络中最佳主时钟进行全网授时。当主时钟出现故障或者不稳定的情况下, 立即启动“最佳主时钟算法”计算出网络中其他节点中最稳定的时钟作为新的主时钟, 利用时钟偏移测量算法修正从时钟与主时钟的时钟偏差, 线路传输延时量测量算法修正线路延时误差, 通过光纤以太网连接各个时钟节点, 实现全网亚微秒级时钟精确同步。
2 传统时钟同步系统架构的不足
传统时钟同步系统是在各个变电站安装独立的GPS时钟进行授时, 其基本架构如图2所示。在变电站架设GPS作为时钟同步源, 然后通过电缆把GPS数据流分发到各个用时设备中进行授时。
随着智能变电站的发展, 传统时钟同步系统已经暴露出一定的局限性:
(1) GPS信号是通过无线电波传输的, 会受到不同程度的干扰, 特别在特殊情况下, 如战争则可能导致同步系统的完全崩溃, 产生严重的后果。
(2) 站内授时接口种类多, 信息编码形式不标准、不规范。在传统变电站时钟同步系统中, 常见的授时标准接口有1PPS和IRIG-B码 (简称B码) 2种。其存在组网不灵活, 需要进行点对点传输等问题。
(3) 因为各个变电站都是安装独立的GPS授时源, 如遇到GPS时钟丢星或者失锁等故障情况下, 各个变电站之间时钟很难保证时间上的统一。
(4) 传统时钟同步系统授时电缆和通信电缆非常多, 采集资源重复, 运行维护难度大。这些都会影响变电站生产运行的效率, 不利于电网安全运行水平的进一步提高。
(5) 与传统变电站相比, 智能变电站的结构体系存在巨大的差异。变电站智能化的发展趋势使得站内二次硬接线被串行通信线所取代, 它是各个设备之间交互信息的基础平台。保护测控设备的电流、电压等采样值输入也由模拟信号转变为数字信号输入, 这些变化对智能变电站的时钟同步系统提出了更严格的要求。
针对智能变电站一体化的通信网络和更高的同步精度要求, 采用IEEE 1588高精度授时技术将会在保持高精度授时的前提下, 简化并统一授时网络架构, 可应用性强。
3 智能变电站的时间同步建设方案
智能变电站实现了过程层、间隔层和站控层所有设备的数字化和智能化, 使得整个变电站内所有设备之间交互数据都是通过站内光纤以太网, PTP作为一种网络对时技术, 其所有功能或设备都会布置在变电站光纤以太网中, 不再单独组网。依托光纤以太网实现智能变电站时钟同步系统的构建, 能为全网提供高精度、高可靠性的时间同步。智能变电站站内授时基本框架如图3。
选择北斗时钟和GPS时钟组成双模授时作为智能变电站站内的时钟源, 即为系统中的根时钟节点, 提供精确、稳定的时间标准。站级监控中心作为PTP服务器, Boundary Clock 1 (边界时钟) 作为主时钟向全站授时, 变电站层设备, 间隔层IED及过程层智能组件设备、电子式互感器等都作为对时终端, 同时调度中心通过基于电力通信SDH链路传输的PTP时钟同步网络向各个智能变电站提供精确铯原子时钟进行监控与校正, 以此实现全网时间统一。
4 结语