CN101582690B - 电力系统卫星时钟装置的振荡器驯服系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力系统卫星时钟装置的振荡器驯服系统，包括对卫星授时接收机输出的1PPS作为基准与高稳晶振分频输出的1PPS进行鉴相的数字鉴相器，数字鉴相器与比例积分调节器连接，比例积分调节器输出的电压送至高稳晶振压控控制端，该压控控制端对输出频率进行微调，高稳晶振与分频器连接。本发明结构合理，可有效消除累积的相位误差，具有很好的跟踪性能的电力系统卫星时钟的振荡器驯服系统。由于采用了比例积分控制，高稳晶振输出的1PPS会逐步跟踪卫星的1PPS，如卫星的1PPS稳定，则最终的相位误差为零。当高稳晶振的1PPS锁定卫星的1PPS后，其频率也得到了校准。

Description

电力系统卫星时钟装置的振荡器驯服系统

技术领域：

本发明涉及一种电力系统卫星时钟的振荡器驯服系统。

背景技术：

电力系统覆盖范围广，自动化装置目前很普及，电能功率测量对时钟精度要求达到微秒级，行波测距和行波保护对时钟精度要求达到微秒级。电力系统各节点如发电厂、变电站都要求严格的时间同步。在各种时间同步技术中，卫星授时由于覆盖面广，精度高，相对成本较低的特点得到广泛的应用。然而卫星距离地面上万公里，信号传输易受干扰，为确保时钟的可靠。必须采用本地振荡器和卫星授时结合的方法，通常采用卫星接收机提供的1PPS来对本地振荡器进行驯服，得到一个长期和短期稳定度都较高的时钟。

在卫星授时与本地晶振结合的技术中，有文献提出先根据卫星的秒信号建立晶振的一元二次方程，对晶振进行实时修正，这种方法需要预先对晶振进行大量测试，由于生产上的差异，模型不具有广泛的可用性，如考虑到晶振本身的老化率，该模型将更为复杂；有文献采用单片机读入相差，建立了一个数字锁相环，根据锁相环的输出调整恒温晶振的调谐电压，但文献没有给出锁相环的详细设计；有文献提出利用相位差来获得频率差的方法，但没有提出相位补偿方案；有文献将卫星与短稳性能好的高稳晶振结合，构成数字锁相环，以锁定后的频率作为直接数字频率合成器的参考；该文献未能详细描述数字锁相环的设计和实现。在利用卫星授时接收机输出的1PPS时，诸多文献谈到了利用卡尔曼滤波来消除卫星的1PPS的抖动，也有文献指出，采用多次测量取平均的方法可有效降低卫星的1PPS随机抖动的影响。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种结构合理，可有效消除累积的相位误差，具有很好的跟踪性能的电力系统卫星时钟装置的振荡器驯服系统。

本发明的技术解决方案是：

一种电力系统卫星时钟装置的振荡器驯服系统，其特征是：包括对卫星授时接收机输出的1PPS作为基准与高稳晶振分频输出的1PPS进行鉴相的数字鉴相器，数字鉴相器与比例积分调节器连接，比例积分调节器输出的电压送至高稳晶振压控控制端，该压控控制端对输出频率进行微调，高稳晶振与分频器连接。

分频器输出端与时钟模块连接。

由于采用了比例积分控制，高稳晶振输出的1PPS会逐步跟踪卫星的1PPS，如卫星的1PPS稳定，则最终的相位误差为零。当高稳晶振的1PPS锁定卫星的1PPS后，其频率也得到了校准。

在比例积分调节器的设计时，比例系数主要控制跟踪的快速响应，比例系数越大，其跟踪越快，超调量越小；积分系数主要控制跟踪的稳态误差，但积分环节有所滞后。在卫星驯服高稳晶振系统中，开始时具有较大相差，需要快速跟踪；当高稳晶振稳定跟踪了卫星的1PPS后，需要克服卫星的1PPS的抖动，此时需要积分环节来实现。由于卫星的抖动误差是一个随机误差，通过多次取平均可抑制。而积分环节的累加自动实现了抑制抖动的作用。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一个实施例的结构组成图。

图2是本发明系统模型图。

图3是自适应参数调节图。

图4是仿真的输入信号波形图。

图5是Kp＝16，Ki＝1/16时仿真的输出响应波形图。

图6是Kp＝1.6，Ki＝0.625时仿真的输出响应波形图。

具体实施方式：

一种电力系统卫星时钟装置的振荡器驯服系统，包括对卫星授时接收机输出的1PPS作为基准与高稳晶振分频输出的1PPS进行鉴相的数字鉴相器1，数字鉴相器与比例积分调节器2连接，比例积分调节器输出的电压送至高稳晶振3压控控制端，该压控控制端对输出频率进行微调，高稳晶振与分频器4连接。分频器输出端与时钟模块5连接。图中还有频率合成器6、有效性判断模块7。

将图1简化为控制系统框图，则可得到图2。图中E(S)为得到的相位差，Kp为比例系数，Ki为积分系数。V(S)为比例积分器的输出量。对于压控的高稳晶振而言，输入的电压与输出的频率有一个比例关系，则可认为相当于比例环节，用K_F表示。F(S)则表示输出的频率，分频则相当于一个积分环节，输出的Y(S)表示相位。可见采用PI调节器`的卫星驯服高稳晶振系统是一个2阶系统。

根据框图求此2阶系统的传递函数，可得

$[X\left(S\right)-Y\left(S\right)]\·(K_p+\frac{K_i}{S})\·K_F\·\frac{1}{S}=Y\left(S\right)$

$G\left(S\right)=\frac{Y\left(S\right)}{X\left(S\right)}=\frac{K_P\·K_F\·S+K_F\·K_i}{S^2+K_P\·K_F\·S+K_F\·K_i}$

可见该传递函数是一个典型的2阶系统，具有两个极点和一个零点，分母可以表示为

S²+K_P·K_F·S+K_F·K_i＝S²+2ξω_n ²+ω_n ²

阻尼系数： $\mathrm{\ξ}=\frac{K_P}{2}\sqrt{\frac{K_F}{K_i}};$ 谐振频率 ${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{K_F\·K_i}$

最大超调量 $M_P=100e^{-\mathrm{\ξ\π}\sqrt{1-{\mathrm{\ξ}}^2}};$

当系统构建好后，K_F基本确定。由上式可见，Kp越大，则阻尼系数越大；Ki越大，则谐振频率越高，达到稳态值振荡次数增加。

卫星驯服高稳晶振的过程

由上分析可见，Kp与Ki的选取决定了系统的跟踪响应。卫星驯服高稳晶振的过程分为两步：

1、频率校准

在这个阶段，高稳晶振的分频秒开始跟踪卫星的1PPS；此时由于存在一定相位差，并且高稳晶振的控制电压端电压尚未建立，高稳晶振的频率还存在一定的偏差，在这个阶段，主要进行频率的校准，并逐步消除相位差。

2、频率锁定

当频率校准阶段完成后，高稳晶振的频率基本得到校准，与卫星的1PPS相差维持在一个较小的范围内，此时进入频率锁定阶段；在这个阶段，主要克服电路的不稳定导致控制电压的偏差和高稳晶振自身频率的漂移。在这个阶段，由于晶振的频率已得到校准，其输出的分频1PPS稳定度较高，而卫星的1PPS具有一定的抖动，因此需要降低卫星的1PPS抖动带来的影响。

通过分析卫星驯服高稳晶振的过程，可以看到，在频率校准阶段，需要快速的实现相位跟踪，并且避免较大的相位超调量，因此可以采用较大的Kp；在频率锁定阶段，需要避免卫星接收机秒的抖动，可采用较小的Kp；在频率锁定阶段，对频率的调整在一个小范围内进行，为避免相位的突变，频率的调整应缓慢进行，此时卫星的1PPS的控制应减弱，Ki也应减小。Kp，Ki的变化过程如图3所示。当频率校准阶段完成后，高稳晶振的控制电压值保持稳定，此时如改变比例积分系数，会导致控制电压变化；为防止控制电压值的突变，系数的改变逐步进行。因此在频率校准和频率锁定阶段，还有一个参数调整阶段。

自适应PI调节器的实现：自适应PI调节器的实现描述如下：

PI调节器为比例积分调节。数字鉴相器采用脉冲间隔计数来实现，在卫星的1PPS和分频1PPS之间用10M脉冲进行计数。数字鉴相器每秒送出一个脉冲间隔计数值，PI调节器为离散控制器，根据当前的计数值和以往的计数值，每秒计算出一个调节值，其调节器的计算如下式所示：

$v\left(n\right)=K_P\left(n\right)\·e\left(n\right)+K_i\left(n\right)\·\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}e\left(k\right)$

该调节值通过一个D/A转换器转换为模拟电压，施加在高稳晶振的控制电压输入端，实现对高稳晶振频率的微调作用。

设在第n＝n₀后系统进入参数调整状态，n₁后系统进入频率锁定，则

$K_p\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}{K}_{p1},n<n_0\\ K_{p1}-f_p\&CenterDot;(n-n_0),n_0<n<n_1\\ K_{p2},n>n_1\end{array}\right\}$

$K_p\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}{K}_{i1},n<n_0\\ K_{i1}-f_i\&CenterDot;(n-n_0),n_0<n<n_1\\ K_{i2},n>n_1\end{array}\right\}$

式中，K_p1，K_p2分别为调整前后的比例系数，f_p为比例系数的调整系数；K_f1，K_f2分别为调整前后的积分系数，f_i为积分系数的调整系数。在MATLAB里建立晶振驯服的模型，取Kp＝16，Ki＝1/16，通过计算系统的前向增益系数，可得K_F＝0.01953125。则系统模型为

$G\left(S\right)=\frac{0.304+0.0011875}{S^2+0.304S+0.0011875}$

在频率校准阶段，此时晶振频率存在一个偏差，晶振驯服的目的是纠正这个频率偏差，系统跟踪的过程相当于对阶跃信号的响应；在频率跟踪阶段，由于频率已基本稳定，该阶段目的是防止卫星秒突然跳动对输出频率造成大的波动，而对卫星秒的波动的响应则相当于对冲击信号的响应。因此构建如下输入信号x(t)：x(t)＝u(t-t₁)+δ(t-t₂)，t₁：阶跃信号施加时刻，t₂：冲激信号施加时刻。激励信号如图4所示，当Kp＝16，Ki＝0.0625时系统的响应如图5所示，当Kp＝1.6，Ki＝0.00625时系统响应如图6所示。可见较小的比例积分系数降低了脉冲抖动带来的影响。

Claims (2)

1.一种电力系统卫星时钟装置的振荡器驯服系统，其特征是：包括对卫星授时接收机输出的1PPS作为基准与高稳晶振分频输出的1PPS进行鉴相的数字鉴相器，数字鉴相器与比例积分调节器连接，比例积分调节器输出的电压送至高稳晶振压控控制端，该压控控制端对输出频率进行微调，高稳晶振与分频器连接；卫星驯服高稳晶振的过程分为两步：

(1)频率校准

在这个阶段，高稳晶振的分频秒开始跟踪卫星的1PPS；此时由于存在一定相位差，并且高稳晶振的控制电压端电压尚未建立，高稳晶振的频率还存在一定的偏差，在这个阶段，主要进行频率的校准，并逐步消除相位差；

(2)频率锁定

当频率校准阶段完成后，高稳晶振的频率基本得到校准，与卫星的1PPS相差维持在一个较小的范围内，此时进入频率锁定阶段；在这个阶段，主要克服电路的不稳定导致控制电压的偏差和高稳晶振自身频率的漂移，在这个阶段，由于晶振的频率已得到校准，其输出的分频1PPS稳定度较高，而卫星的1PPS具有一定的抖动，因此需要降低卫星的1PPS抖动带来的影响；

数字鉴相器采用脉冲间隔计数来实现，在卫星的1PPS和分频1PPS之间用10M脉冲进行计数；数字鉴相器每秒送出一个脉冲间隔计数值，PI调节器为离散控制器，根据当前的计数值和以往的计数值，每秒计算出一个调节值，其调节器的计算如下式所示：

$v\left(n\right)=K_P\left(n\right)\&CenterDot;e\left(n\right)+K_i\left(n\right)\&CenterDot;\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}e\left(k\right)$

该调节值通过一个D/A转换器转换为模拟电压，施加在高稳晶振的控制电压输入端，实现对高稳晶振频率的微调作用；

设在第n＝n₀后系统进入参数调整状态，n₁后系统进入频率锁定，则

$K_p\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}{K}_{p1},n<n_0\\ K_{p1}-f_p\&CenterDot;(n-n_0),n_0<n<n_1\\ K_{p2},n>n_1\end{array}\right\}$

$\mathrm{Ki}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}{K}_{i1},n<n_0\\ K_{i1}-f_i\&CenterDot;(n-n_0),n_0<n<n_1\\ K_{i2},n>n_1\end{array}\right\}$

式中，K_p1，K_p2分别为调整前后的比例系数，f_p为比例系数的调整系数；K_i1，K_i2分别为调整前后的积分系数，f_i为积分系数的调整系数；

在MATLAB里建立晶振驯服的模型，系统模型为

$G\left(S\right)=\frac{Y\left(S\right)}{X\left(S\right)}=\frac{K_P\&CenterDot;K_F\&CenterDot;S+K_F\&CenterDot;K_i}{S^2+K_P\&CenterDot;K_F\&CenterDot;S+K_F\&CenterDot;K_i}$

其中Kp＝16，Ki＝1/16，通过计算系统的前向增益系数，K_F＝0.01953125；

在频率校准阶段，此时晶振频率存在一个偏差，晶振驯服的目的是纠正这个频率偏差，系统跟踪的过程相当于对阶跃信号的响应；在频率跟踪阶段，由于频率已基本稳定，该阶段目的是防止卫星秒突然跳动对输出频率造成大的波动，而对卫星秒的波动的响应则相当于对冲击信号的响应，因此构建如下输入信号x(t)：x(t)＝u(t-t₁)+δ(t-t₂)，t₁：阶跃信号施加时刻，t₂：冲激信号施加时刻。

2.根据权利要求1所述的电力系统卫星时钟装置的振荡器驯服系统，其特征是：分频器输出端与时钟模块连接。

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