一种基于北斗/gps的主动授时模块及电表主动授时方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于北斗/GPS的主动授时模块及电表主动授时方法，主动授时模块，包括主动授时单元以及载波单元/微功率无线单元，所述主动授时单元包括MCU处理器、电源电路、接口电路、北斗/GPS授时信号收发电路。电表主动授时方法是安装所述主动授时模块的电表基于统一的时钟源进行时钟校准，主动授时模块采取定时或响应命令的时钟校准方式主动或被动调整自身时钟并同步电表时钟，所述统一的时钟源为北斗/GPS发布的授时信号。本发明从根本上解决了用电系统设备时钟误差大的问题，对时困难等问题，且相较于现有的电表校准仪等设备，其成本低、可操作性强、准确度高、应用灵活，可大大减少现场设备的时钟故障率。
【专利说明】
-种基于北斗/GPS的主动授时模块及电表主动授时方法
技术领域
[0001] 本发明设及电力监控系统中对时钟要求较高的电器设备的时间精确度问题，具体 是开发一种基于北斗/GPS的主动授时模块，设备通过模块定时接收北斗/GPS授时信号实现 时钟自动校准的方法。
【背景技术】
[0002] 随着用电信息采集系统建设的逐步完善，安检、运检、交易中屯、等越来越多的业务 部口开始从采集系统中获取数据，用于系统运行分析、电力系统运行状态监测、事故发展过 程分析等。面对采集系统与各个系统间频繁的数据交互，电表本身时钟的准确度对其它系 统的影响也日益突出，不再仅仅的是为费率和结算提供依据，更是为整个系统运行分析、需 求侧管理提供准确性数据的保证。为全面、准确地监测电力系统运行状态、分析事故原因、 需要一个统一的时间信号源给系统内各种设备对时，W使运些设备的各种测量有一个统一 的时间标签。
[0003] 目前，采集系统的时钟同步，使用的方法是主站对采集终端对时，采集终端再定时 对电表进行对时的两级对时方法。但由于采集信道速率低、容量有限、时延不固定等因素导 致执行全面的定点时钟校准存在很大困难，另外由于技术条件限制，广播校时存在着不能 全覆盖、多级传播、自动计算时间损失等诸多问题。针对上述问题，结合现代北斗/GPS导航 系统可提供授时服务的特点，电表现场校准等校时装置应运而生，但此类设备需工作人员 深入现场调试、检测，而且若逐个校准电表等采集系统设备，工作量巨大，成本巨高。
[0004] 截至2015年6月末，现场运行的国网表已近3亿只，据统计，时钟误差在5分钟W上 的电表占比11.08%，在2小时W上的电表占比5.44%，在一周W上的电表占比0.8%。由于 数量巨大，而且更换不方便，急需找到一种简单方便、经济有效的方法解决电表时钟偏差问 题。
【发明内容】
[0005] 本发明为解决用电信息采集系统中电表等设备时间校准问题，从原有两级对时方 案中解放出来，提出开发一种基于北斗/GPS的主动授时模块及电表主动授时方法。
[0006] 技术方案:一种基于北斗/GPS的主动授时模块，它包括主动授时单元W及载波单 元/微功率无线单元，所述主动授时单元包括MCU处理器、电源电路、接口电路、北斗/GPS授 时信号收发电路，其中：
[0007] 所述北斗/GPS授时信号收发电路连接天线，用于接收北斗/GPS的授时信号（授时 码）；
[000引北斗/GPS授时信号收发电路发送信号至MCU处理器，进行卫星授时信号的处理；
[0009] 接口电路与MCU处理器连接，用于主动授时模块与所属电表进行通信；
[0010] 接口电路通过电源电路分别连接北斗/GPS授时信号收发电路、MCU处理器，电源电 路将接口电路的电压做LD0转换成供北斗/GPS授时信号收发电路、MCU处理器使用的电压， 用于能量供给。
[0011]优选的，所述接口电路与MCU处理器连接，用于主动授时模块与所属电表进行通 信，主动授时模块只向所属电表发送数据，不接收所属电表的数据。
[0012]优选的，北斗/GPS授时信号收发电路与MCU处理器之间、MCU处理器与所属电表之 间，均采用UART方式进行通信。
[0013] -种基于北斗/GPS的电表主动授时方法，主动授时模块安装在用电信息采集系统 中的电表上，安装所述主动授时模块的电表基于统一的时钟源进行时钟校准，主动授时模 块采取定时或响应命令的时钟校准方式主动或被动调整自身时钟并同步电表时钟，所述统 一的时钟源为北斗/GPS发布的授时信号。
[0014] 优选的，所述主动授时模块采取定时或响应命令的时钟校准方式校时，校时过程 设计容错处理，对北斗/GPS授时信号有效性进行判断，确保校时的准确性;电表通信串口繁 忙时，等待空闲处理，避免影响电表抄表的业务流程。
[0015] 优选的，有效性判断是:通过北斗/GPS授时信号报文的周期完整性检验及授时信 号自身有效性标记判断授时信号的有效性。
[0016] -种基于北斗/GPS的电表主动授时方法，主送授时模块的北斗/GPS授时信号收发 电路直接接收来自北斗/GPS发布的授时信号，利用MCU处理器解析处理成标准的645报文， 下发给电表，实现电表时钟自动修正。
[0017] 优选的，电表的表内MCU中内置时钟忍片RTC，在无法收到信号时，电表仍能利用表 内MCU的内置时钟忍片RTC继续进行正常走时。
[0018] 优选的，北斗/GPS授时信号收发电路通过UART方式将授时信号发送至MCU处理器， MCU处理器通过UART方式将标准的645报文下发给所属电表。
[0019] 优选的，授时流程为：
[0020] 1)北斗/GPS授时信号收发电路定时或响应命令接收来自北斗/GPS的授时信号；
[0021] 2)北斗/GPS授时信号收发电路将接收到的授时信号传输给MCU处理器处理成标准 时间；
[0022] 3)MCU处理器将标准时间通过接口电路W标准的645报文的形式下发给所属电表；
[0023] 4)电表根据收到标准的645报文，自动校正自身时钟；
[0024] 5)重复上述步骤1)~4)。
[0025] 更具体的，授时流程为：主动授时模块检测到用电采集系统中集中器或其它采集 设备通过载波单元/微功率无线单元发送过来的校时命令后，当前主动授时模块自动检测 是否接收到授时信号，若收到则将收到的授时信号传送给MCU处理器进行处理，授时信号通 过MCU处理器处理后，解析成标准的时间数据记为Timel，判断UART串口是否繁忙，若不繁忙 则读取电表当前时间记为Time2，Timel与Time2比较，若误差在5min钟W内，将Timel+At做 为校准时间组成标准的电表广播校时报文，通过UART下发给电表，一次性完成电表对时，其 中：At为传输和计算过程中产生的延时;若误差大于5min，则将Time化5min做为标准时间 组成标准的电表广播校时报文，通过UART下发给电表，电表时钟误差缩小5min，次日再发起 上述校时流程，再校正5min，逐步完成电表对时;若电表串口繁忙，则等待直到串口空闲下 来，再执行上述流程;假如主动授时模块没有检测到授时信号或判断授时信号为无效信号， 则自动丢弃校时命令等待下一轮校时。
[0026] 本发明的有益效果
[0027] 电表安装该主动授时模块后，可根据自身需要设置对时间隔，定时接收来自北斗/ GPS卫星的授时信息，所有接收该信号的电表都与北斗/GPS卫星发布的标准时间一致，保证 了全部电表的基准时钟的一致性。从根本上解决了用电系统设备时钟误差大的问题，对时 困难等问题，且相较于现有的电表校准仪等设备，其成本低、可操作性强、准确度高、应用灵 活，可大大减少现场设备的时钟故障率。
[00%]由于采用标准的645报文，现场电表都可W支持。所W对于已经在现场运行的电 表，通过更换通信模块即可解决现场时钟出现偏差的电表。既可W节省成本，又减少了施工 工作量，提高了客户满意度。
【附图说明】
[0029] 图1主动授时模块硬件结构图。
[0030] 图2主动授时模块引脚定义。
[0031 ]图3主动授时模块授时主流程图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：
[0033] 图1带有北斗/GPS授时接收的主动授时模块和传统的通信模块相比，增加了北斗/ GPS授时接收单元。该模块利用接收北斗/GPS授时信号技术对电表时钟进行校对。
[0034] 图2给出了主动授时模块与电表连接接口管脚定义，具体含义见下表1所述。
[0035] 表1主动授时模块引脚定义
[0036]
[0037] 本发明中硬件电路是在不破坏现有窄带、宽带载波通信模块全部功能基础上，新 增授时功能。如图1所示，在现有窄带、宽带载波通信模块的基础上，增加主动授时单元。主 动授时单元包括:GPS/北斗接收机、MCU、电源系统及接口电路。其中接口电路与载波模块的 接口电路复用，主动授时模块只向外发出数据，不接受来自表端的数据；电源系统将接口电 路的12V电压做LD0转换成可供GPS/北斗接收机及MCU使用的电压。GPS/北斗接收机与MCU之 间、MCU与电表均采用UART方式进行通信。
[0038] 本发明中主动授时模块软件处理流程主要如图3所示，具体描述为:主动授时模块 检测到用电采集系统中集中器或其它采集设备通过载波单元/微功率无线单元发送过来的 校时命令后，当前主动授时模块自动检测是否接收到授时信号，若收到则将收到的授时信 号传送给MCU处理器进行处理，授时信号通过MCU处理器处理后，解析成标准的时间数据记 为Timel，判断UART串口是否繁忙，若不繁忙则读取电表当前时间记为Time2，Timel与Time2 比较，若误差在5min钟W内，将Timel+At做为校准时间组成标准的电表广播校时报文，通 过UART下发给电表，一次性完成电表对时，其中：At为传输和计算过程中产生的延时;若误 差大于5min，则将Time化5min做为标准时间组成标准的电表广播校时报文，通过UART下发 给电表，电表时钟误差缩小5min，次日再发起上述校时流程，再校正5min，逐步完成电表对 时;若电表串口繁忙，则等待直到串口空闲下来，再执行上述流程;假如主动授时模块没有 检测到授时信号或判断授时信号为无效信号，则自动丢弃校时命令等待下一轮校时。
[0039] 本发明的优点在于，本发明中的广播校时，并不同于传统意义的广播校时，传统的 广播校时存在着不能全覆盖，多级传播、不能自动计算时间损失等问题。而且由于通信面 广、主站系统设计等各种因素、频繁的对采集终端进行授时会造成系统运行数据的絮乱。本 发明中的广播校时，完全解决了传统广播校时的上述问题，其广播校时命令由主动授时模 块根据接收的GPS/北斗授时信号直接生成，本发明中之所W采用标准的645广播校时帖，是 由于电表广泛采用ESAM加密技术，而广播校时命令不受此限制，实现了功能与成本兼顾。另 夕h由于主动授时模块可W设置校时间隔，因此主动授时模块既可直接响应来自采集系统 中其它设备的校时命令(被动响应），也可等设定校时间隔到，自动发起校时流程（主动发 起，如上所述），且模块本身安装在电表上，所W可在完全不影响电表其余功能和用电采集 系统正常工作的前提下，根据需要对电表校时，且无需工作人员携带如电表现场校准装置 等设备赶赴现场进行校时作业，大大提高了校时效率、降低了人力和设备成本，并从根本上 解决了电表计时精度问题。
[0040] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领 域的技术人员可W对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替 代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
[0041 ]本发明未设及技术均与现有技术相同，或可采用现有技术实现。
【主权项】
1. 一种基于北斗/GPS的主动授时模块，其特征在于它包括主动授时单元以及载波单 元/微功率无线单元，所述主动授时单元包括MCU处理器、电源电路、接口电路、北斗/GPS授 时信号收发电路，其中： 所述北斗/GPS授时信号收发电路连接天线，用于接收北斗/GPS的授时信号； 北斗/GPS授时信号收发电路发送信号至MCU处理器，进行卫星授时信号的处理； 接口电路与MCU处理器连接，用于主动授时模块与所属电表进行通信； 接口电路通过电源电路分别连接北斗/GPS授时信号收发电路、MCU处理器，电源电路将 接口电路的电压做LDO转换成供北斗/GPS授时信号收发电路、MCU处理器使用的电压，用于 能量供给。2. 根据权利要求1所述的一种基于北斗/GPS的主动授时模块，其特征在于所述接口电 路与MCU处理器连接，用于主动授时模块与所属电表进行通信，主动授时模块只向所属电表 发送数据，不接收所属电表的数据。3. 根据权利要求1所述的一种基于北斗/GPS的主动授时模块，其特征在于北斗/GPS授 时信号收发电路与MCU处理器之间、MCU处理器与所属电表之间，均采用UART方式进行通信。4. 一种基于北斗/GPS的电表主动授时方法，其特征在于主动授时模块安装在用电信息 采集系统中的电表上，安装所述主动授时模块的电表基于统一的时钟源进行时钟校准，主 动授时模块采取定时或响应命令的时钟校准方式主动或被动调整自身时钟并同步电表时 钟，所述统一的时钟源为北斗/GPS发布的授时信号。5. 根据权利要求4所述的一种基于北斗/GPS的电表主动授时方法，其特征在于所述主 动授时模块采取定时或响应命令的时钟校准方式校时，校时过程设计容错处理，对北斗/ GPS授时信号有效性进行判断，确保校时的准确性;电表通信串口繁忙时，等待空闲处理，避 免影响电表抄表的业务流程。6. 根据权利要求4所述的一种基于北斗/GPS的电表主动授时方法，其特征在于主送授 时模块的北斗/GPS授时信号收发电路直接接收来自北斗/GPS发布的授时信号，利用MCU处 理器解析处理成标准的645报文，下发给电表，实现电表时钟自动修正。7. 根据权利要求6所述的一种基于北斗/GPS的电表主动授时方法，其特征在于电表的 表内MCU中内置时钟芯片RTC，在无法收到信号时，电表仍能利用表内MCU的内置时钟芯片 RTC继续进行正常走时。8. 根据权利要求6所述的一种基于北斗/GPS的电表主动授时方法，其特征在于北斗/ GPS授时信号收发电路通过UART方式将授时信号发送至Μ⑶处理器，Μ⑶处理器通过UART方 式将标准的645报文下发给所属电表。9. 根据权利要求4所述的一种基于北斗/GPS的电表主动授时方法，其特征在于授时流 程为： 1) 北斗/GPS授时信号收发电路定时或响应命令接收来自北斗/GPS的授时信号； 2) 北斗/GPS授时信号收发电路将接收到的授时信号传输给MCU处理器处理成标准时 间； 3. MCU处理器将标准时间通过接口电路以标准的645报文的形式下发给所属电表； 4) 电表根据收到标准的645报文，自动校正自身时钟； 5) 重复上述步骤1)~4)。10.根据权利要求5所述的一种基于北斗/GPS的电表主动授时方法，其特征在于授时流 程为:主动授时模块检测到用电采集系统中集中器或其它采集设备通过载波单元/微功率 无线单元发送过来的校时命令后，当前主动授时模块自动检测是否接收到授时信号，若收 到则将收到的授时信号传送给Μ⑶处理器进行处理，授时信号通过Μ⑶处理器处理后，解析 成标准的时间数据记为Timel，判断UART串口是否繁忙，若不繁忙则读取电表当前时间记为 Time2，Timel与Time2比较，若误差在5min钟以内，将Timel+At做为校准时间组成标准的电 表广播校时报文，通过UART下发给电表，一次性完成电表对时，其中：At为传输和计算过程 中产生的延时；若误差大于5min，则将Time2+5min做为标准时间组成标准的电表广播校时 报文，通过UART下发给电表，电表时钟误差缩小5min，次日再发起上述校时流程，再校正 5min，逐步完成电表对时;若电表串口繁忙，则等待直到串口空闲下来，再执行上述流程;假 如主动授时模块没有检测到授时信号或判断授时信号为无效信号，则自动丢弃校时命令等 待下一轮校时。
【文档编号】G04R20/04GK105824233SQ201610383549
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年6月2日
【发明人】薛军, 巨汉基, 朱艳, 丁恒春, 袁瑞铭, 田海亭, 路鑫
【申请人】南京林洋电力科技有限公司, 江苏林洋能源股份有限公司, 国网冀北电力有限公司电力科学研究院, 华北电力科学研究院有限责任公司, 国家电网公司