CN101834599B - 一种分布式录波装置的同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步单元以及分布式录波装置的同步方法，可实现高精度同步，提高录波分析的准确性。其技术方案为：同步方法包括：(1)通过同步单元输出的秒脉冲和串口时间数据实现各个录波装置的时间同步；(2)通过同步单元输出的秒脉冲消除上电时的采样开始误差；(3)通过同步单元输出的采样脉冲实现录波装置的采样中断的同步；(4)通过同步单元输出的20毫秒脉冲实现录波装置的采样数据的时标精度。本发明应用于电力系统。

Description

一种分布式录波装置的同步方法

技术领域

本发明涉及一种同步单元以及分布式录波装置的同步方法。

背景技术

目前的分布式数字化录波装置面临三个方面的问题：(1)没有采用统一的校时信号对各个录波单元校时，导致各个录波单元系统时间误差过大；(2)没有采用统一的采样脉冲，导致采样相位差超过国家标准；(3)由于没有将GPS B码解码与自守时良好的结合在一起，导致有GPS信号时精度较高，而失去GPS信号时，系统时间和采样相位误差很大；(4)在接入IEC61850 9-2LE模拟量和GOOSE开关量时，时标误差大于3ms。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种同步单元，可实现高精度同步。

本发明的另一目的在于提供了一种分布式录波装置的同步方法，实现分布式录波器中各个录波单元的系统时间以及采样相位的高精度同步，从而提高录波分析的准确性。

本发明的技术方案为：本发明揭示了一种同步单元，包括：

GPS解码芯片，接收并解码GPS信号；

单片机，连接该GPS解码芯片，接收该GPS解码芯片输出的GPS信号、来自外部的工作控制信号和来自上位机的校时信号，采用GPS时钟作为校时信号，根据校时信号修改系统时间，一路向实时时钟自守时芯片输出对实时时钟守时的同步信号，另一路向外部输出串口时钟数据；

实时时钟自守时芯片，与该单片机双向连接，接收该单片机对实时时钟守时的同步信号，当该GPS解码芯片没有GPS信号输入时输出实时时钟信号至该单片机，以使该单片机采用该实时时钟作为校时信号；

温补晶振，连接该GPS解码芯片、该实时时钟自守时芯片、该单片机，为该GPS解码芯片、该实时时钟自守时芯片、该单片机提供工作频率；

可编程逻辑电路，连接该单片机，向外输出信号。

上述的同步单元，其中，该GPS解码芯片接收到的GPS信号的接口类型是TTL类型和RS485差分类型，单片机输出的串口时钟数据的接口类型是RS485串口类型，该单片机接收的工作控制信号的接口类型是TTL类型。

上述的同步单元，其中，该可编程逻辑电路输出的信号包括秒脉冲、毫秒脉冲、采样脉冲、20毫秒脉冲、分脉冲、工作信号、异常告警、录波启动信号、单元启动同步信号、复位信号。

上述的同步单元，其中，该工作信号和该异常告警的接口类型是TTL类型，该单元启动同步信号的接口类型是RS485差分/TTL类型，该秒脉冲、毫秒脉冲、采样脉冲、20毫秒脉冲、分脉冲、录波启动信号和复位信号的接口类型是RS485差分类型。

本发明还揭示了一种分布式录波装置的同步方法，利用如上所述的同步单元的输出信号实现对各个录波装置的采样同步，该方法进一步包括：

(1)通过同步单元输出的秒脉冲和串口时间数据实现各个录波装置的时间同步；

(2)通过同步单元输出的秒脉冲消除上电时的采样开始误差；

(3)通过同步单元输出的采样脉冲实现录波装置的采样中断的同步；

(4)通过同步单元输出的20毫秒脉冲实现录波装置的采样数据的时标精度。

上述的分布式录波装置的同步方法，其中，在步骤(1)中，该各个录波装置中的DSP电路板分别接入秒脉冲和串口时间数据，在DSP电路板中，每收到一个秒脉冲就接收一次串口时间数据，并根据该串口时间数据调整DSP电路板的系统时间，保证录波装置中采集单元在时间上的同步。

上述的分布式录波装置的同步方法，其中，在步骤(2)中，每个录波装置中的采集单元在上电后并不开始采样，待接收到同步单元发来的秒脉冲后才开始采样，以消除上电时的采样开始误差。

上述的分布式录波装置的同步方法，其中，在步骤(3)中，该各个录波装置每接收到一个采样脉冲，录波装置中的DSP电路板就读一次AD采样的值作为一个采样点并保存。

上述的分布式录波装置的同步方法，其中，在步骤(4)中，该各个录波装置将同步单元输出的20毫秒脉冲作为DSP电路板的时标中断并在该时标中断中打上DSP电路板上送主CPU的数据帧的时标。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明通过由GPS解码芯片、单片机、RTC自守时芯片、温补晶振、可编程逻辑电路构成的同步单元的各种输出脉冲，包括秒脉冲、毫秒脉冲、采样脉冲、20毫秒脉冲、分脉冲、工作信号、异常告警、录波启动信号、单元启动同步信号和复位信号，实现对分布式录波器中各个录波装置的采样同步，从而提高了录波分析的准确性。

附图说明

图1是本发明的同步单元的实施例的结构图。

图2是图1所示的同步单元的实施例的输出信号时序示意图。

图3是本发明的分布式录波装置的同步方法的实施例的流程图。

图4是录波装置的DSP电路板分别接入秒脉冲和串口时间数据的示意图。

图5是图1所示的同步单元的实施例输出的秒脉冲和串口时间数据的关系图。

图6是两个启动不同步的录波装置的采样单元的时序示意图。

图7是同步单元与各个录波装置的信号传递示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

同步单元的实施例

图1示出了本发明的同步单元的实施例的结构。本实施例的同步单元包括GPS解码芯片10、RTC自守时芯片11、单片机12、高精度温补晶振13、可编程逻辑电路(CPLD)14。高精度温补晶振13连接GPS解码芯片10、RTC(Real Time Clock，实时时钟)自守时芯片11和单片机12。GPS解码芯片10连接单片机12，单片机12连接可编辑逻辑电路14。RTC自守时芯片11双向连接单片机12。

高精度温补晶振13主要为GPS解码芯片10、单片机12、RTC自守时芯片11提供高精度工作频率。当GPS解码芯片10接入GPS信号时，单片机12处理GPS信号，并采用GPS时钟为校时信号，并同步RTC守时。当GPS解码芯片10没有GPS信号输入时，单片机12采用RTC自守时芯片11提供的RTC时钟信号为校时信号。上位机通过向单片机12输入校时信号，修改单片机12的系统时间。

同步单元可以接收的信号包括由GPS解码芯片10接收到的TTL类型和RS485差分类型的GPS信号，以及由单片机12接收到的TTL类型的工作控制信号。同步单元向外输出的信号包括由单片机12输出的RS485串口类型的串口时钟数据以及由可编程逻辑电路14输出的RS485差分类型的秒脉冲、毫秒脉冲、采样脉冲、20毫秒脉冲、分脉冲、录波启动信号、复位信号以及RS485差分/TTL类型的单元启动同步信号以及TTL类型的工作信号和异常告警。

图2示出了同步单元部分输出信号的时序关系，即分脉冲、秒脉冲、20毫秒脉冲、毫秒脉冲、采样脉冲的时序关系。

分布式录波装置的同步方法的实施例

通过大量的试验发现，每个录波单元上的DSP处理芯片所使用的晶振，本身存在着差异性，在环境温度发生变化时，其温度特性也存在差异。该晶振提供DSP芯片工作的脉冲，如果采样脉冲从这个晶振的脉冲分频得到，则各个录波采集板卡或单元的误差比较大，从而导致较大的相位差。换句话说，如果各个录波装置的采集单元均采用统一的采样脉冲，则可以保证各个采集部分的相位的一致性。本实施例所提供的同步方法就能使各个录波装置的采集单元采用统一的采样脉冲，从而保证各个采集部分的相位的一致性。

图3示出了本发明的分布式录波装置的同步方法的实施例的流程。请参见图3，本实施例的方法借助了上述的同步单元来完成对分布式录波装置的采样同步，下面对方法中的各个步骤进行详细的描述。

步骤S10：通过同步单元输出的秒脉冲和串口时间数据实现各个录波装置的时间同步。

请同时参见图4，录波装置中的DSP电路板通过GPIO端口接收秒脉冲信号，通过串口接收串口时间数据。而同步单元输出的秒脉冲和串口时间数据的关系请参见图5。从图5所示的时间关系中可以看出，在DSP电路板中，每收到一个秒脉冲，就从串口接收一次串口时间数据，该串口时间数据用于DSP电路板的系统时间，从而保证各个录波装置的各个采集单元的时间同步。

步骤S12：通过同步单元输出的秒脉冲消除上电时的采样开始误差。

当系统上电或复位时，各个采集单元的启动速度会有差异，虽然采用了统一的采样脉冲，仍然可能带来相位的较大误差。可能带来误差的时序如图6所示。从图6中看出，第二个采集单元比第一个采集单元延迟了一个采样周期，虽然都是采样的第一个点，但是在相位上却相差了78.125μs。采用同步单元的秒脉冲信号，并在采集单元的各个DSP电路板中做如下的控制：每个采集单元在上电后并不开始采样，而是等到接收到同步单元发来的秒脉冲才开始采样。同时参见图2所示的时序，可以看出秒脉冲和采样脉冲的上升沿是对齐的，从而保证在系统上电时刻采样的一致性。

步骤S14：通过同步单元输出的采样脉冲实现录波装置的采样中断的同步。

在保证了上述环境的同步后，各个采集单元只需要接收同步单元输出的78.125μs的采样脉冲，并将该采样脉冲作为DSP采样的ADC中断，即每收到一个这样的采样脉冲，DSP电路板读一次AD采样的值以作为一个采样点并保存。

步骤S16：通过同步单元输出的20毫秒脉冲实现录波装置的采样数据的时标精度。

举例来说，录波装置采样速率是12.8KHz，也就是说每个周波(20ms)采样256个点，每当DSP电路板采集256点，即组成一帧，上传到录波装置的主CPU板。为了提高传输效率，采用每256点传送一个绝对时标的帧格式，每帧的绝对时间相差20ms，因此只要接入同步单元的20毫秒脉冲作为DSP的时标中断并在该中断中打上上送主CPU的数据帧的时标。

采样上述的四个步骤之后，可以确保录波装置及其采样单元的采样一致性。同步单元以及各个录波装置的信号传送参见图7所示。

实现IEC61850 9-2LE模拟量与GOOSE开关量时标小于3毫秒的方法

在数字化录波器中，从合并器MU发来的IEC61850 9-2LE模拟量不带时标，而GOOSE开关量包含时标，如果没有高精度的时钟同步，将会使录波数据中的采样值和开关量的时标误差较大。使用上述实施例的同步单元，参考于上述方法实施例中的前两个步骤，保证各个CPU(ARM、DSP等)的工作、时间的同步性。同时将同步单元的毫秒脉冲送入ARM，并作为ARM的毫秒时钟。当ARM从以太网接收合并器MU的采样点满80/96/256(可设置)时，读取系统时间并读出毫秒时钟作为上送帧的时标。

上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现或使用本发明的，本领域普通技术人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (1)

1.一种分布式录波装置的同步方法，利用同步单元的输出信号实现对各个录波装置的采样同步，该同步单元包括GPS解码芯片、单片机、实时时钟自守时芯片、温补晶振以及可编程逻辑电路，其中该GPS解码芯片接收并解码GPS信号，该单片机连接该GPS解码芯片，接收该GPS解码芯片输出的GPS信号、来自外部的工作控制信号和来自上位机的校时信号，采用GPS时钟作为校时信号，根据校时信号修改系统时间，一路向实时时钟自守时芯片输出对实时时钟守时的同步信号，另一路向外部输出串口时钟数据，该实时时钟自守时芯片与该单片机双向连接，接收该单片机对实时时钟守时的同步信号，当该GPS解码芯片没有GPS信号输入时输出实时时钟信号至该单片机，以使该单片机采用该实时时钟作为校时信号，该温补晶振连接该GPS解码芯片、该实时时钟自守时芯片、该单片机，为该GPS解码芯片、该实时时钟自守时芯片、该单片机提供工作频率，该可编程逻辑电路连接该单片机，向外输出信号，该方法进一步包括：

(1)通过同步单元输出的秒脉冲和串口时间数据实现各个录波装置的时间同步，其中该各个录波装置中的DSP电路板分别接入秒脉冲和串口时间数据，在DSP电路板中，每收到一个秒脉冲就接收一次串口时间数据，并根据该串口时间数据调整DSP电路板的系统时间，保证录波装置中采集单元在时间上的同步；

(2)通过同步单元输出的秒脉冲消除上电时的采样开始误差，其中每个录波装置中的采集单元在上电后并不开始采样，待接收到同步单元发来的秒脉冲后才开始采样，以消除上电时的采样开始误差；

(3)通过同步单元输出的采样脉冲实现录波装置的采样中断的同步，其中该各个录波装置每接收到一个采样脉冲，录波装置中的DSP电路板就读一次AD采样的值作为一个采样点并保存；

(4)通过同步单元输出的20毫秒脉冲实现录波装置的采样数据的时标精度，其中该各个录波装置将同步单元输出的20毫秒脉冲作为DSP电路板的时标中断并在该时标中断中打上DSP电路板上送主CPU的数据帧的时标。

Images