电力系统卫星同步授时装置的制作方法

专利名称：电力系统卫星同步授时装置的制作方法
专利说明
一、技术领域本实用新型涉及一种运用于电力系统变电站综合自动化系统中的GPS卫星同步时钟，尤其是可以准确对该系统中的各微机型装置进行准确授时的时钟。
二背景技术：
在电力自动化系统中，对设备动作等事件的时间信息记录，主要是依靠系统中各个自动化装置中的时间信息模块，为了时间信息的准确无误，整个系统中必须使用相同的准确的时间，这就需要在系统内部有一个准确无误的时间信息源。
目前通常做法是利用串通信行接口RS232/RS485等将主站的时间信息一级级向下发送，从而达到对时的目的。这样的缺点有1、由于通讯的延时，在转送时间信息的过程中，会导致时间信息的失真。因此，传递的时间信息一般很难精确到ms以下。时间的分辨率和精度很难提高，这个问题在较大范围的电力系统中显得尤为突出。
2、由于系统中的时间信息均依赖于主站的时间，因此，主站的时间错误，将会导致整个系统的时间错误，这对提高电力系统自动化的可靠性很是不利。
3、有一些较为先进的自动化系统中采用了GPS授时的方法，但是由于使用通用的GPS授时装置，没有针对变电站综合自动化系统的特点进行开发，如仅提供秒脉冲和RS232/RS485等通信信道，导致电力系统新型自动化装置的应用受到局限，因而不能在系统中获得广泛的应用。
而随着人们对电力供配电质量要求的不断提高，对电力测量和电力控制的实时性和时间准确性也提出了更高的要求。就电力系统运行所要满足的一般应用如故障记录、故障诊断而言，同步精度要求1 ms之内，有些要求授时精度高达0.5us左右。因此，电力系统自动化装置对高精度的同步时钟的需求，是目前需要解决的主要问题。
三
发明内容
1、技术问题本实用新型的发明目的是提供一种能进一步提高变电站综合自动化系统中时间信息的分辩和准确度的电力系统卫星同步授时装置。
2、技术方案本实用新型的电力系统卫星同步授时装置，由通信部分和控制部分所组成，通信部分包括GPS OEM接收板、CAN通信信道、RS232/485通信信道，控制部分包括主控制CPU模块、程序存储模块、时间脉冲输出模块；其中主控制CPU模块分别与GPS OEM接收板、程序存储模块、时间脉冲输出模块、CAN通信信道、RS232/485通信信道相接，GPS OEM接收板的输出端接时间脉冲输出模块的输入出端，时间脉冲输出模块的输出端接脉冲信道，RS232/485通信信道与RS485通信信道相接，CAN通信信道与现场总线相接。
主控制CPU模块中的中央处理器的“RXDO、TXDO”端接GPS OEM接收板中的接口的“11、12”端；中央处理器的“P00-P07、P20-P24、PESN”端分别对应接程序存储模块中存储器的“01-08、A8-A12、OE”端；中央处理器的“P16、P17”端接时间脉冲输出模块中的与门电路，中央处理器的“P14”端接时间脉冲输出模块中的光电耦合隔离电路(U32)的“7”端；中央处理器的“P00-P07”端还接CAN通信信道中发射/接收芯片的“AD0-AD7”端；中央处理器的“RXD1、TXD1”端接RS232/485通信信道中通信芯片的“R01、T11”端。
3、有效效果1、利用GPS卫星信号作为时间源，不仅精度高，而且覆盖范围大，工作可靠。
2、装置将秒脉冲扩展成分脉冲和小时脉冲，方便了其在电力系统自动化系统中的应用。
3、装置集成了RS232/RS485/CAN多种通信接口，扩展了其在各种不同的电力自动化系统中的应用范围。
四

图1是本实用新型的总体结构框图。其中有GPS OEM接收板1、主控制CPU模块2、程序存储模块3、时间脉冲输出模块4、CAN通信信道5、RS232/485通信信道6、电源模块7。
图2是本实用新型GPS OEM接收板1的电原理图。
图3是本实用新型主控制CPU模块2的电原理图。
图4是本实用新型程序存储模块3的电原理图。
图5是本实用新型时间脉冲输出模块4的电原理图。
图6是本实用新型CAN通信信道5的电原理图。
图7是本实用新型RS232/485通信信道6的电原理图。
图8是本实用新型电源模块7的电原理图。
图9是本实用新型在变电站综合自动化系统中的应用例图。
五具体实施方式
GPS的同步时钟的硬件框图如图1所示。
电力系统卫星同步授时装置由通信部分和控制部分所组成，通信部分包括GPSOEM接收板1、CAN通信信道5、RS232/485通信信道6，控制部分包括主控制CPU模块2、程序存储模块3、时间脉冲输出模块4；其中主控制CPU模块2分别与GPS OEM接收板1、程序存储模块3、时间脉冲输出模块4、CAN通信信道5、RS232/485通信信道6相接，GPS OEM接收板1的输出端接时间脉冲输出模块4的输入出端，时间脉冲输出模块4的输出端接脉冲信道PIR，RS232/485通信信道6与RS485通信信道相接，CAN通信信道5与现场总线BUS相接。
主控制CPU模块2中的中央处理器U6的“RXDO、TXDO”端接GPS OEM接收板1中的接口J1的“11、12”端；中央处理器U6的“P00-P07、P20-P24、PESN”端分别对应接程序存储模块3中存储器U7的“01-08、A8-A12、0E”端；中央处理器U6的“P16、P17”端接时间脉冲输出模块4中的与门电路U4A、U4B，中央处理器U6的“P14”端接时间脉冲输出模块4中的光电耦合隔离电路(U32)的“7”端；中央处理器U6的“P00-P07”端还接CAN通信信道5中发射/接收芯片U12的“AD0-AD7”端；中央处理器U6的“RXD1、TXD1”端接RS232/485通信信道6中通信芯片U1的“R01、T11”端。
GPS OEM接收板模块主要负责对GPS卫星信号的采集和计算，从而输出时间信息和秒脉冲信号。本装置在国外厂家生产的GPS OEM板的基础上根据实际需要进行二次开发。采用加拿大马可尼SUPERSTAR OEM板。
该OEM板通过1PPS秒脉冲和2个标准的UART串行口和外部电路发生联系。
1PPS脉冲是每秒中输出的正脉冲信号，是标准的TTL逻辑电平，其上升沿与UTC国际标准时间的秒脉冲上升沿同步，其误差在正负1us之内。
2个UART串行口一个用做主通信口，可通过此串行口对GPS OEM板进行设置，也可从此串口读取国际标准时间、日期、所处方位等GPS信息。另一个串行口用于RTCM格式的差分数据的输出，当无差分信号或仅用于6PS授时，此串行口可不用。UART输出的导航数据有两种通讯数据格式马可尼公司自定义的CMC BINARY二进制格式和NMEA-0183的ASCII码通信格式。本装置使用后一种通信格式。NEMA-0183是美国海洋电子协会制定的一种标准数据通信格式。数据采用ANSI标准，以串行异步方式传输，为TTL电平，波特率可以在300bps到38400bps之间根据应用要求进行调整。数据结构为一位起始位、八位数据位、一位停止位，无奇偶校验位。数据代码为ASCII字符，输出这些数据包括经度、纬度、高度、速度、航向、时间、载波相位、自检结果等等几十种各种可选信息。本装置采用的输出导航数据格式代号为GPZDA，包括年、月、日和时、分、秒、毫秒等信息。
本装置中一方面通过将该模块输出的1PPS秒脉冲信号引入时间脉冲输出模块加以扩展，以形成分脉冲，时脉冲信号，另一方面通过主控制CPU模块和本模块的UART口之间的连接，使装置可以定时获取完整的时间信息。
图2是本装置中该模块和其他模块电路的接口电路原理图。
主控制CPU模块是本装置的控制核心，该模块负责读取由CMC SUPERSTAR OEM板发送的GPS数据信息，并且对这些信息进行一定的处理，从中获取ASCII码的UTC时间信息。还负责时间信息由ASCII码向数据量小，适于授时的BCD码格式转换的工作。为了使GPS卫星同步时钟能够满足不同的现场要求，中心处理单元除了以RS232标准向外发送每秒一次的串行时间信息，而且还以RS485、CAN两种串行通信接口标准发送信息。当然，根据实际需要，也可以按照某种通信规约在适当的时候或以适当的频率为电力系统设备或装置授时。此外，除了秒脉冲输出以外，GPS卫星同步时钟通过中心处理单元的软件判断，选通分脉冲、时脉冲的输出，从而扩展了同步时钟的对时脉冲输出，使系统的同步授时能够更加方便，灵活的实现。
装置采用DS80C320单片机作为电力系统GPS卫星同步授时装置的核心控制单元。DS80C320单片机是与80C31兼容的高速单片机，速度快、兼容性好。在本装置的研发中，其最大的特点是充分利用了DS80C320提供的两个全双工硬件串行通信口UART，一方面通过串行口为变电站综合自动化系统内部各子系统与上位机(监控主机)授时，另一方面通过串行口从GPS OEM板获取GPS信息.。大大简化了硬件的设计，从而提高了可靠性，节约了设计成本和生产成本。
图3是本装置中该模块的电路原理图。
程序存储模块实现软件程序的存储功能，配合CPU完成软件任务。硬件上利用74F373将CPU复用的数据线和地址线分开后，连接到程序存储器27C64上，软件程序烧写在该存储器中，CPU上电后自动开始执行程序指令，从而达到程序员预期的目的。
图4是本装置中该模块的电路原理图。
时间脉冲输出模块利用GPS OEM接收板模块输出的秒脉冲信号1PPS实现对分脉冲1PPM和小时脉冲1PPH的扩展和输出。秒脉冲信号分别接到两个与门上，以扩展成分脉冲和小时脉冲；与门的另一端各自接到CPU的IO口上作为对这两个门的控制信号。程序初始化中，屏蔽1PPM和1PPH脉冲的选通信号，禁止1PPM和1PPH脉冲的产生。在接收时间信息子程序中，将对接收缓冲区的时间信息进行判断，分别在每分钟的59秒时刻和每小时的59分59秒时刻产生1PPM和1PPH脉冲信号的选通信号，以允许发出1PPM或1PPH脉冲信号。而在整时或整分时刻，则重新禁止发出选通信号，以禁止发出1PPM或1PPH脉冲信号。这样在选通期间，秒脉冲可以从两个与门通过形成分脉冲和小时脉冲。从而实现对秒脉冲的扩展。
此外，为了提高装置的可靠性，输出信号通过光电藕合器隔离输出，为了实现光耦发射和接收两端电气完全隔离，器件两端的电源由DC/DC电源模块隔离。
图5是本装置中该模块的电路原理图。
CAN通信信道模块实现装置的现场总线CAN总线的通信接口。CAN(ControllerArea Network)总线是重要的现场总线之一，目前在变电站综合自动化系统中也有重要应用。因而在设计电力系统GPS卫星同步授时装置时，配置了CAN总线接口。采用PHILIPS公司生产的SJA1000作为CAN协议控制器，PCA82C250作为SJA1000与物理总线的接口。在时间整分或整时时刻，DS80C320可直接将标识符和数据通过地址/数据总线送入SJA1000的发送缓冲区，然后置位命令寄存器CMR中的发送请求位TR，启动CAN核心模块读取发送缓冲区中的数据，按CAN协议封装成一完整CAN信息帧，通过收发器发往总线。也可在电网自动化装置要求时响应外部中断，将单片机发送缓存中的GPS数据以CAN协议向外输出。
图6是本装置中该模块的电路原理图。
RS232/485通信信道模块实现装置的RS232通信接口和RS485总线的通信接口。RS232C采用的是单端驱动和单端接收电路，它的特点是传送每种信号只用一根信号线，而它们的地线是使用一根公用的信号地线。这种电路是传送信号的简单方法，因此得到了广泛应用，但是它也存在一些不足之处，表现在以下几个方面数据传输速率仅局限于20kbps；理论传输距离局限于15m；每个信号只有一根信号线；接收和发送仅有公共地线，易受噪声干扰；接口使用不平衡的发送器和接收器，可能在各信号成份间产生干扰。但是在对装置的调试和设置校对等应用中，RS232的使用方便等特点是我们仍旧保留了这种通讯方式。
RS485对RS232C的电路进行了改进，采用差分接收器和发送器，RS485为半双工；需要一对平衡差分信号线。RS485对于多站互连是非常方便的。在RS485互连中，某一时刻两个站中，只有一个站可以发送数据，而另一站只能接收数据，因此其发送电路必须由使能端加以控制。RS485用于多站互连可节约昂贵的信号线，同时可高速远距离传送。因此，目前在变电站综合自动化系统中，各测量单元、自动装置和保护单元中，常配有RS485总线接口，以便联网构成分布式系统。
对于以上两种通讯方式，本装置只需通过开关进行选择即可实现对上述两种方式的切换使用。
本装置使用的RS232发送/接收芯片是MAX232，MAX232是一种双组驱动器/接收器。片内含有一个电容性电平发生器以便在单电源+5V供电时提供EIA-TIA-232-E电平，每个接收器将EIA-TIA-232-E电平转化为5V TTL/CMOS电平。每个驱动器将5V TTL/CMOS电平转化为EIA-TIA-232-E电平。本装置还采用了MAXIM公司生产的RS485收发器芯片MAX485。它内部集成了接收器和发送器、DC/DC变换器，只需要在逻辑侧提供单一+5V电源就可以通过内部DC/DC变换器为接口两侧提供电源；通信方式为半双工，传输速率可达250KBPS，并设有传输速率限制电路，可以实现数据的无差错传输。
图7是本装置中该模块的电路原理图。
电源模块提供整个电路的工作电源，由于GPS接收模块对供电电源的稳定可靠性有特殊的要求，因此，外部稳压器提供的12V电压，通过两片7805进一步稳压后供给整个装置使用。
图8为本装置中该模块的电路原理图。
本实施例说明本装置在综合自动化系统中的应用。如图9所示。
GPS卫星同步授时装置主要由两个部分组成。
其一是CAN Bus通信授时，GPS卫星同步时钟每小时的半点时刻发布系统广播校时命令，综合自动化系统中的各种自动化装置接收到完整的时间信息后进行时、分一级的校时，这样即便是装置处于非正常走时的状态，仍然可以利用GPS时间信息对之进行校正。
其二也就是GPS脉冲校时，在每小时的整点时刻，当自动化装置接收到GPS卫星同步授时装置产生的1PPH脉冲信号时，对装置内部的时间信息进行校正。
此外，当被校时的自动化装置检测到故障或是动作事件已经发生时，则进入故障记录处理模块。首先记录下时、分、秒信息，而后自动化装置通过内部定时器开始毫秒级、微妙级计时，当GPS卫星同步授时装置下一1PPS脉冲到来时停止计时。利用故障发生时刻的时间，计时时间，以及1PPS秒脉冲到来的时刻就可以计算出准确的事件动作时间或故障发生时间。
相关的各监控保护装置将包括故障发生时刻在内的故障信息通过CAN Bus网络上传到变电站主计算机，即可进行进一步的分析和比较。
权利要求1.一种电力系统卫星同步授时装置，由通信部分和控制部分所组成，其特征在于通信部分包括GPS OEM接收板(1)、CAN通信信道(5)、RS232/485通信信道(6)，控制部分包括主控制CPU模块(2)、程序存储模块(3)、时间脉冲输出模块(4)；其中主控制CPU模块(2)分别与GPS OEM接收板(1)、程序存储模块(3)、时间脉冲输出模块(4)、CAN通信信道(5)、RS232/485通信信道(6)相接，GPS OEM接收板(1)的输出端接时间脉冲输出模块(4)的输入端，时间脉冲输出模块(4)的输出端接脉冲信道(PIR)，RS232/485通信信道(6)与RS485通信信道相接，CAN通信信道(5)与现场总线(BUS)相接。
2.根据权利要求1所述的电力系统卫星同步授时装置，其特征在于主控制CPU模块(2)中的中央处理器(U6)的“RXDO、TXDO”端接GPS OEM接收板(1)中的接口(J1)的“11、12”端；中央处理器(U6)的“P00-P07、P20-P24、PESN”端分别对应接程序存储模块(3)中存储器(U7)的“01-08、A8-A12、0E”端；中央处理器(U6)的“P16、P17”端接时间脉冲输出模块(4)中的与门电路(U4A、U4B)，中央处理器(U6)的“P14”端接时间脉冲输出模块(4)中的光电耦合隔离电路(U32)的“7”端；中央处理器(U6)的“P00-P07”端还接CAN通信信道(5)中发射/接收芯片(U12)的“AD0-AD7”端；中央处理器(U6)的“RXD1、TXD1”端接RS232/485通信信道(6)中通信芯片(U1)的“R01、T11”端。
专利摘要电力系统卫星同步授时装置涉及一种运用于电力系统变电站综合自动化系统中的GPS卫星同步时钟，尤其是可以准确对该系统中的各微机型装置进行准确授时的时钟。通信部分包括GPS OEM接收板1、CAN通信信道5、RS232/485通信信道6，控制部分包括主控制CPU模块2、程序存储模块3、时间脉冲输出模块4；其中主控制CPU模块2分别与GPS OEM接收板1、程序存储模块3、时间脉冲输出模块4、CAN通信信道5、RS232/485通信信道6相接，GPS OEM接收板1的输出端接时间脉冲输出模块4的输入端，时间脉冲输出模块4的输出端接脉冲信道PIR，RS232/485通信信道6与RS485通信信道相接，CAN通信信道5与现场总线BUS相接。
文档编号G04G7/02GK2629319SQ0322243
公开日2004年7月28日 申请日期2003年6月3日 优先权日2003年6月3日
发明者郑建勇, 秦申蓓, 宋明, 杜炎森, 刘浩 申请人:东南大学