多时源寻优时间同步装置制造方法
【专利摘要】本发明是一种多时源寻优时间同步装置，包括至少两个结构相同的单元，每个单元中全球定位系统地面接收机（8）与计数器（7）连接，计数器（7）还连接该单元中的比较器（6）；高稳晶振（1）与每个单元内的计数器（9）之间直接连接或者通过锁相倍频器（2）连接；每个单元中比较器（6）分别接入多路选择器（4）的一个输入端；每个单元中的计数器（7）、比较器（6）和寄存器（5）分别与单片机（3）相连接；单片机（3）的输出端还与多路选择器（4）相连接。具有综合成本较低，算法适应性强，支持多路时钟源互备寻优，支持多种时差补偿策略，能实现高精度的守时，并且时间信号输出稳定可靠等特点。
【专利说明】多时源寻优时间同步装置
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种时间同步装置，具体涉及一种主要应用于电力系统及其自动化【技术领域】的多时源寻优时间同步装置。【背景技术】
[0003]在电力系统运行过程中，电网的运行状态瞬息万变，为保证电网安全和经济运行，各种以计算机技术和通信技术为基础的自动化装置被广泛应用，如调度自动化系统、故障录波装置、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、电能量计费系统、火电厂机组自动控制系统、雷电定位系统等，这些系统的正常运行都需要统一的时间基准支持。
[0004]全球定位系统GPS作为世界上使用范围最广的授时系统，在电力时间同步系统得到广泛应用。由于GPS系统由美国军方控制，而美国军方并不保证服务质量等等原因，以GPS为标准的时间同步系统存在着计较大的安全隐患。随着我国北斗导航定位系统的建设，彻底改变了 GPS作为时间同步系统唯一时钟源的局面，目前高等级变电站普遍采用GPS和北斗系统双时钟源的时间同步系统，在这样的双时源的系统中就要解决时源的选择性问题，目前通常的解决方案是比较两个时源的锁定情况，若一个锁定，一个失锁，则系统按锁定的时源运行；若两个时源都失锁，则系统守时运行；两个时源都锁定，则按默认的一个时源运行。
[0005]不管是GPS系统还是北斗系统，其地面接收机由于受星历误差、电离层误差、对流层误差、多径误差、接收机误差、跟踪卫星数过少等因素的影响，其直接输出的时间信号都含有一个呈正态分布的随机误差。以一个秒脉冲标准差为0.1 μ s的GPS接收机为例，其输出的秒脉冲信号在小时级的观察里也会观察到接近0.4 μ s的粗大误差，在卫星实验跳变的情况下，有试验更记录到IOms量级的时间跳变。在电力系统自动化领域，希望时间装置能提供时间精度优于I μ s，数字化变电站要保证I小时内守时误差小于I μ s，显然，直接使用全球定位系统地面接收机输出的时间信号难以满足要求。
[0006]随着数字化变电站的普及，数字化变电站对电力时间同步系统提出了新的更高要求。在数字化变电站中，合并单元提供的高精度的采样值是全站各项功能正常运行的保障，电子式互感器的采样同步精度是影响采样值精度的关键因素。为实现全站内不同合并单元采样脉冲的同步，数字化变电站中的合并单元普遍采用将采样脉冲与时间同步系统秒脉冲同步的技术方案，利用时间同步系统的秒脉冲保证合并单元采样的同步性。这样的系统对时间同步系统提出了新的更高的技术要求:由于合并单元采样脉冲同步于时间同步系统的秒脉冲，秒脉冲间隔的波动就会对合并单元采样脉冲的产生造成影响，特别是在时间同步系统由守时状态转入同步状态时，传统的时间同步系统对守时造成的误差一次性补偿完成，造成秒脉冲时间间隔的波动，对合并单元的稳定运行造成不利影响。[0007]目前主流的电力时间同步系统，普遍采用以单片机+ FPGA为核心的结构，通过对时源信号的分析计算，重建本地的时钟并输出对时信号，该过程对单片机有强烈的依赖性，当单片机复位或狗咬时，就会暂时停止时间信号的输出，影响时间同步系统运行的稳定性。
【发明内容】
[0008]本发明旨在提供一种多时源寻优时间同步装置，综合成本较低，算法适应性强，支持多路时钟源互备寻优，支持多种时差补偿策略，能实现高精度的守时，并且时间信号输出
稳定可靠。
[0009]为了解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案:
多时源寻优时间同步装置，其特征在于:该装置包括高稳晶振、单片机和多路选择器；还包括至少两个结构相同的单元，每个单元包括全球定位系统地面接收机、计数器、比较器和寄存器，每个单元中全球定位系统地面接收机的秒脉冲输出端与计数器的事件触发输入端连接，计数器的计数值输出端连接该单元中的比较器的输入端；高稳晶振的时钟输出端与每个单元内的计数器的时钟输入端之间直接连接或者通过锁相倍频器连接；每个单元中比较器的脉冲输出端分别接入多路选择器的一个输入端；每个单元中的计数器、比较器和寄存器分别与单片机相连接；单片机的输出端还与多路选择器的控制端相连接。
[0010]优选地，每个单元还包括状态机和加法器；状态机的输入端连接在比较器的输出端，比较器用于启动状态机的状态循环；状态机的一个输出端与加法器的控制端相连接用于启动加法器的运行；状态机的另一个输出端与比较器的写入控制端相连接；加法器的两个输入端分别与比较器和寄存器的输出端口连接，加法器用于将比较器的内置数值与寄存器数值相加；加法器的输出端口与比较器的数据输入端口连接；状态机的另一个输出端与比较器的写入控制端连接，用来控制将加法器的输出写入比较器。
[0011 ] 本发明的积极效果在于:
本发明中的装置能够对两个时源的标准差计算提供支持，从而可以让系统优选标准差小的时源并以此为基准，也就是支持时源寻优。
[0012]本发明的装置，可以对多种频率测量和误差补偿算法进行支持，从而使输出的时间信号标准差更小，并实现高精度的守时。
[0013]本发明提出的装置既支持误差一次性跳步时差补偿，还支持误差逐步补偿的线性追击修正技术(比如，每秒补偿0.2 μ S，直至误差清零)。
[0014]本发明提出的装置，虽然也使用了单片机，但系统对单片机复位有免疫性，单片机复位时，系统自动转入守时状态，维持一定精度下的守时输出，提高了系统运行的可靠性。
[0015]该装置综合成本较低，算法适应性强，可以支持多路时钟源互备寻优，支持多种时差补偿策略，能实现高精度的守时，并且时间信号的生成对单片机依赖性不强，时间信号输出稳定可靠。使用该设计方案，使用IOM恒温晶振锁相倍频至100MHz，配合精度50ns的GPS和北斗一代地面接收机，成功实现了秒脉冲精度好于0.1 μ s，守时精度好于I μ s/h的高可靠的数字化变电站时间同步装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明实施例一的结构和工作原理示意图。[0017]图2是本发明实施例二的结构和工作原理示意图。
[0018]其中锁相倍频器2还可以内置在FPGA中。
[0019]附图中，其中锁相倍频器2还可以内置在FPGA中。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和实施例进一步说明本发明。
[0021]实施例一
本实施例为本发明的基本结构。
[0022]如图1，包括高稳晶振1、单片机3和多路选择器4 ;还包括至少两个结构相同的单元，每个单元包括全球定位系统地面接收机8、计数器7、比较器6和寄存器5，每个单元中全球定位系统地面接收机8的秒脉冲输出端与计数器7的事件触发输入端连接，计数器7的计数值输出端连接该单元中的比较器6的输入端，与比较器6内置的数值进行比较，当数值相同时，比较器6输出脉冲信号至多路选择器4。高稳晶振I的时钟输出端与每个单元内的计数器9的时钟输入端之间直接连接或者通过锁相倍频器2连接。每个单元中的计数器
7、比较器6和寄存器5分别与单片机3相连接，单片机3读取每个单元内计数器7的计数值，单片机3还对计数器6设置比较值，单片机3还用于更改寄存器5的数值。单片机3的输出端还与多路选择器4的控制端相连接，单片机3控制多路选择器4的一路输入输出到输出端。
[0023]实施例二
本实施例为本发明的一种具体优化结构。如图2，在实施例一的基础上，每个单元还进一步地包括状态机10和加法器9。状态机10的输入端连接在比较器6的输出端，比较器6用于启动状态机10的状态循环；状态机10的一个输出端与加法器9的控制端相连接，用于启动加法器9的运行，状态机10的另一个输出端与比较器6的写入控制端连接，用来控制将加法器9的输出写入比较器6。
[0024]加法器9的两个输入端分别与比较器6和寄存器5的输出端口连接，用于将比较器6的内置数值与寄存器5数值相加，加法器9的输出端口与比较器6的数据输入端口连接，将加法器9的输出值更新到比较器6。
[0025]其中的全球定位系统地面接收机8可以是GPS地面接收机，也可以是北斗地面接收机，也可以是GL0NASS地面接收机，装置支持的地面接收机的数量受限于单片机3的运算能力和FPGA资源的大小，从原理上没有限制，上述两个实施例的附图中示例了分别接入GPS和北斗地面接收机的情况。
[0026]装置中的高稳晶振I为整个系统提供稳定的频率信号，在实际设计中，高稳晶振I一般采用恒温晶振。锁相倍频器2的作用是将恒温晶振I输出的频率信号的频率值提高，较高的频率值有利于提高计数器的时间分辨率，提高对恒温晶振频率测量的精度，减少输出秒脉冲信号的抖动。
[0027]从图图2可以看到，FPGA中含有逻辑功能组完全相同的几个功能组(即所述单元)，每个功能组包含一个计数器7，一个比较器6，一个寄存器5，一个加法器9，还有一个状态机10，其中的计数器7以锁相倍频器输出2的高频频率信号为时钟。FPGA还含有一个多路选择器4，通过该多路选择器4有选择性地将选定的功能组产生的时间信号输出。这样的系统结构特别适用于产生满足电力系统专用的时间同步信号。以下对该系统的功能和优点分几个方面阐述:
1.本发明的装置可以对多种时间恢复算法提供支持，可以实现多时源寻优并完成优选时间信号的输出。
[0028]全球定位系统地面接收机锁定后将输出的秒脉冲信号引入计数器中，计数器以锁相倍频器输出的高频频率信号为时钟，记录下每个秒脉冲对应的计数值，单片机将这些计数值读入后保存，形成一个计数值序列，该计数值序列既包含了恒温晶振当前的振荡频率的信息，也包含了全球定位系统地面接收机输出的秒脉冲随机误差分布的信息，以该计数值为基础，通过一定的算法，就可以高精度地计算出恒温晶体当前倍频后的频率Z，并可以完成对下一个秒脉冲对应的计数值的最佳估计X (每个时源对应一个)，同时还可以估算出每一个地面接收机输出的秒脉冲的标准差W (每个时源对应一个)。
[0029]单片机每秒对上述参数计算刷新一次，完成上述参数的计算后，对所有全球定位系统地面接收机输出的秒脉冲的标准差进行比较，选取其中标准差最小的一路，将该路时源对应的参数X写入对应的比较器，同时将多路选择器设置为对应该路选通。当计数器计数到X时，比较器将重建产生秒脉冲信号，该信号将通过多路选择器输出，作为装置最终输出的秒脉冲信号。
[0030]以上过程是有多路全球定位系统地面接收机同时锁定的情况，当由于某种原因，某一路接收机失锁，则该路自动退出寻优过程，单片机只对锁定的时源进行寻优，当只有一路地面接收机锁定时，系统将该路锁定的地面接收机作为时源。若所有的全球定位系统地面接收机都失锁，则装置进入守时状态。
[0031]2.本发明可以对高精度守时提供保证。
[0032]在装置有全球定位系统地面接收机锁定时，单片机持续计算恒温晶体倍频后的频率Z，估计下一个秒脉冲计数值X，并对时源进行寻优。当所有时源都失锁后，装置保持失锁前最后有效的时源为有效输出，维持该组的计数器继续累积计数，使用失锁前最后一次计算的频率Z进行装置的守时。
[0033]3.本发明可以保证单片机复位期间时钟输出信号的稳定性与连续性。
[0034]如图2所示，在本装置的每个功能组中都有一个状态机、一个寄存器和一个加法器，这3个模块可以保证装置在单片机意外复位时维持时钟信号的输出。方法为:装置中的单片机每次结算出新的频率值后都将其整数部分写入该路对应的寄存器中，在每个秒脉冲输出后，都会导致状态机指挥加法器将比较器和寄存器中的数据相加后将结果更新到比较器中，如果单片机工作正常，单片机随后会用自己计算生成下一秒秒脉冲的数值取代该值，保证装置走时的准确性。如果这时单片机死机，则写入比较器的数值将不会被更改，装置会使用该值生成下一秒的秒脉冲，在单片机重启动的这段时间里，状态机将指挥系统使用系统频率的整数值维持走时，直到单片机接管系统。
[0035]由于状态机指挥装置守时时只采用频率的整数部分，对于上述倍频后频率为IOOMHz左右的系统，截断小数后的造成的误差每秒不超过10ns，守时精度相当于36 μ s /h,已经好于电力系统行业标准守时精度55 μ s /h的要求,但远低于系统正常守时时I μ s /h的精度。考虑到装置正常运行时单片机复位是极小概率的事件而且复位时间通常为秒级，所以，通过该技术，可以保证装置在单片机复位期间走时误差在几十纳秒的量级，这个精度水平与多数全球定位系统地面接收机输出的时间信号的标准差在一个数量级了，可以说由此造成的误差几乎不可觉察。
[0036]4.本发明为时差校正提供了灵活的支持手段。
[0037]由于本装置输出的秒脉冲由计数器数值与比较器数值比对产生，可以灵活地支持多种策略的时差校正策略。这里仅以跳步补偿和线性追击补偿两种方法加以说明。
[0038]对于跳步补偿，假设装置由于守时运行导致系统时间与标准时间落后了 7.9μ S，当装置重新锁定后，装置会计算出生成对应标准时间的下一秒的最佳估计值，这时装置不管该估计值与前一个守时秒脉冲对应比较器数值的差异，直接使用该估计值来生成后续的秒脉冲信号，则系统就会一次性将装置由于守时而造成时钟误差补偿完毕，该方法补偿速度快，但是所有误差在一个秒间隔补偿完毕，会造成在补偿时刻该秒的时间间隔波动大，不适于在数字化变电站场合使用。
[0039]对于线性追击补偿，当装置锁定后，发现计算出的下一秒的最佳估计值与上一秒的差值过大时(比如阈值设为0.2 μ S)，这时，装置不是直接使用该估计值生成下一个秒脉冲，而是限制下一个秒脉冲估计值的变化范围，使每秒对误差的补偿不超过一个限值(比如
0.2μ S)，这样通过后续连续的误差补偿追击，使装置时钟逐步调整到与标准时间同步。该方法同步时间较长，但是输出的秒脉冲间隔比较均勻，有利于数字化变电站的稳定运行。
【权利要求】
1.多时源寻优时间同步装置，其特征在于:该装置包括高稳晶振(I)、单片机(3)和多路选择器(4);还包括至少两个结构相同的单元，每个单元包括全球定位系统地面接收机(8)、计数器(7)、比较器(6)和寄存器(5)，每个单元中全球定位系统地面接收机(8)的秒脉冲输出端与计数器(7)的事件触发输入端连接，计数器(7)的计数值输出端连接该单元中的比较器(6)的输入端；高稳晶振(I)的时钟输出端与每个单元内的计数器(9)的时钟输入端之间直接连接或者通过锁相倍频器(2)连接；每个单元中比较器(6)的脉冲输出端分别接入多路选择器(4)的一个输入端；每个单元中的计数器(7)、比较器(6)和寄存器(5)分别与单片机(3)相连接；单片机(3)的输出端还与多路选择器(4)的控制端相连接。
2.如权利要求1所述的多时源寻优时间同步装置，其特征在于:每个单元还包括状态机(10)和加法器(9);状态机(10)的输入端连接在比较器(6)的输出端，比较器(6)用于启动状态机(10)的状态循环；状态机(10)的一个输出端与加法器(9)的控制端相连接用于启动加法器(9)的运行；状态机(10)的另一个输出端与比较器(6)的写入控制端相连接；力口法器(9)的两个输入端分别与比较器(6)和寄存器(5)的输出端口连接，加法器(9)用于将比较器(6 )的内置数值与寄存器(5 )数值相加；加法器(9 )的输出端口与比较器(6 )的数据输入端口连接；状态机(10)的另一个输出端与比较器(6)的写入控制端连接，用来控制将加法器(9)的输出写入比较器(6)。
【文档编号】G04R20/02GK103457716SQ201310417013
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月13日 优先权日:2013年9月13日
【发明者】华志斌, 王建伟, 李勇, 尹航, 陈峰超 申请人:烟台东方英达康自动化技术有限公司