CN102520609A - 多功能电力系统时间同步校验仪 - Google Patents

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杨嘉湜
肖岚
路轶
温丽丽
刘晓川
许振山
李乐
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Abstract

本发明公开一种多功能电力系统时间同步校验仪，涉及工业自动化时间同步校验技术领域。包括ARM模块、FPGA模块、卫星时间接收模块、铷原子钟模块、时间信号输入/输出模块、交流电压输入/输出模块、高速A/D模块、通信模块、MMI模块、供电模块；其中卫星时间接收模块、铷原子钟模块、时间信号输入/输出模块、交流电压输入/输出模块、高速A/D模块分别与与FPGA模块相连；通信模块、MMI模块、供电模块分别与ARM模块相连；FPGA模块通过并行总线与ARM模块连接。解决了电力系统二次设备及同步时钟装置提供的各种类型时间信号的准确度和稳定度校验问题。轻巧便携，适用于各种测试校验环境。

Description

多功能电力系统时间同步校验仪
技术领域
本发明属工业自动化时间同步校验技术领域，尤其是应用在电力系统中二次设备的多功能时间同步校验仪器。
背景技术
统一时钟对电力系统在实时监控、在线计算、事故分析、统计归档等方面的重要性是不言而喻的，随着北斗、GPS卫星时钟应用的深入，使得全网统一时钟成为可能，目前全国各电力公司正致力于此项工作。要想达到真正意义上的全网统一时钟，有两个重要环节必须严格控制：一是提供时钟的设备例如GPS时钟装置，另一是应用时钟的设备，例如保护装置、故障录波装置、行波测距装置、向量测量装置等二次自动化设备。同步时钟装置提供的各种类型时钟信号的准确度和稳定度如何？各二次设备在时钟的使用过程中数据的时间标记有无偏差？例如事件顺序记录SOE等。目前电力系统的状况是二次设备种类繁多，有保护类设备、远动监控类、计量类、相量测量类、录波记录类、雷电测量类、电能质量类等，所需的时间信息和时间信号的接口类型也很多，需要设计一种涵盖现有电力系统所需的时间信息和时间信号的时间同步校验仪，同时轻巧便携、有备用电池、适用于各种现场测试、校验环境。现有的时间同步校验仪及类似产品，主要的不足在于只采用GPS时钟、接口类型有限、无交流电压（市电）的频率测量比对，无法做到用一台仪器完成对变电站、发电厂中各种二次设备的时间同步校验。需要一种符合电力系统需求的同步时间校验仪来解决这些问题。文献检索发现，与本发明最为接近的是中国专利申请号为200910051487.5的题目为“ 便携式事件顺序记录及时间同步校验仪”的专利申请。其主要内容是利用GPS接收模块、中央处理器处理测试高速开关量输入通道时间分辨率以及通道响应时间；但是，本发明与其在发明目的、技术解决方案上是有所不同的。
发明内容
本发明的目的是提供一种符合电力系统需求，涵盖现有电力系统所需时间信息和时间信号及其各类接口通道与协议种类的便携式多功能时间同步校验仪。
实现本发明上述目的所采用的技术方案是：一种多功能电力系统时间同步校验仪，包括ARM模块1、FPGA模块2、卫星时间接收模块3、4、铷原子钟模块5、时间信号输入/输出模块、交流电压输入/输出模块13、高速A/D模块14、通信模块18、19、触摸屏键盘模块20、供电模块15、16、17；所述卫星时间接收模块3、4包括北斗卫星接收模块4、GPS卫星接收模块3；所述时间信号输入/输出模块包括无源时间脉冲输入/输出模块6、有源时间脉冲输入/输出模块7、多模光纤输入/输出模块8、单模光纤输入/输出模块9、TTL信号输入/输出模块10、RS-485信号输入/输出模块11、交流B码输入/输出模块12；所述通信模块包括PTP/NTP/SNTP网络通信模块19、RS-232/422通信模块18；触摸屏键盘20模块包括触摸屏模块、键盘模块；供电模块包括工作电源模块、电池模块、直流电压源模块。
所述北斗卫星接收模块4、GPS卫星接收模块3、铷原子钟模块5、无源时间脉冲输入/输出模块6、有源时间脉冲输入/输出模块7、多模光纤输入/输出模块8、单模光纤输入/输出模块9、TTL信号输入/输出模块10、RS-485信号输入/输出模块11、交流B码输入/输出模块12、交流电压输入/输出模块13、高速A/D模块14均连接到FPGA模块2；所述PTP/NTP/SNTP网络通信模块19、RS-232/422通信模块18、触摸屏键盘模块20均连接到ARM模块1；所述FPGA模块2通过并行总线连接ARM模块1。
所述FPGA模块2通过可编程数字逻辑电路实现GPS、北斗时间信息和时间信号处理模块201、铷原子钟驯服模块202、内部时钟基准模块203、多路时钟补偿输出模块204、高速A/D采样及存储模块205、输入/输出通道与协议关联选择模块206、频率信号模块207、PPS脉冲模块208、PPM脉冲模块209、PPH脉冲模块210、IRIG-B(DC)模块211、IRIG-B(AC)模块212、DCF77模块213、交流电压频率模块214的模块功能。
所述输入/输出通道与协议关联选择模块206可根据被测试项目的设置自动地将输入/输出物理通道例如无源时间脉冲输入/输出模块6、有源时间脉冲输入/输出模块7、多模光纤输入/输出模块8、单模光纤输入/输出模块9、TTL信号输入/输出模块10、RS-485信号输入/输出模块11、交流B码输入/输出模块12、交流电压输入/输出模块13与信号协议如频率信号模块207、PPS脉冲模块208、PPM脉冲模块209、PPH脉冲模块210、IRIG-B(DC)模块211、IRIG-B(AC)模块212、DCF77模块213、交流电压频率模块214关联选择在一起。
所述频率信号模块207、PPS脉冲模块208、PPM脉冲模块209、PPH脉冲模块210、IRIG-B(DC)模块211、IRIG-B(AC)模块212、DCF77模块213、交流电压频率模块214均包括各自的输入信号解析和输出信号生成两部分，以确保时间信号和时间信息在本发明中传递及时、延时固定。
本发明多功能电力系统时间同步校验仪在其软件支持下可实现下列测试校验项目：
a、提供UTC标准时间；
b、提供标准的PPS、PPM、PPH、IRIG-B(DC)、IRIG-B(AC)、DCF77等时间信号和时间信息；
c、测试时钟设备的时间信号输出延时；
d、测试时钟设备的时间信号传递延时；
e、测试时钟设备时间补偿能力；
f、测试时钟设备的守时精度；
g、测试时钟设备的时间信号输出的稳定性；
h、测试开关量采集精度；
i、测试开关量采集去抖延时；
j、测试自动化装置的对时结果；
k、测试开出信号跳变时刻；
l、测试脉冲信号的脉宽、周期和频率；
m、测试不同信号、不同触发的时差；
n、测试信号的频差；
o、测试220V交流电压频率；
与现有技术比较，有显著的优点与积极效果。
附图说明
图1为本发明所述的多功能电力系统时间同步校验仪系统结构框图示意图。
图2为本发明所述的FPGA可编程数字逻辑电路框图示意图。
图3为本发明所述的校验仪工作过程实施例示意图。
具体实施方式
结合附图与实施例对本发明做进一步的说明。
参见图1、图2、图3，从图1可知多功能电力系统时间同步校验仪，包括ARM模块1、FPGA模块2、卫星时间接收模块3、4、铷原子钟模块5、时间信号输入/输出模块、交流电压输入/输出模块13、高速A/D模块14、通信模块18、19、触摸屏键盘模块20、供电模块15、16、17。其中ARM模块1采用的是TI AM3517 Cortex-A8芯片；FPGA模块2采用的是Xilinx XC3S1400AN芯片，铷原子钟模块5采用的是Symmetricom SA.33m。
SA.33M是小型化的铷振荡器，它们的大小和针脚设计与symmetricom公司的一些恒温晶振一致，以便于替代恒温晶振。具有原子振荡器的性能，体积小，功耗低的优点。信号输出：10 MHz方波信号，3.3V ACMOS电平，Vl<0.5V，Vh>2.7V(15pf负载)，上升/下降时间：<10ns，占空比：50%±10%；所述高速A/D模块14本实施例采用的是Analog Devices AD9288型号。
卫星时间接收模块3、4包括北斗卫星接收模块4、GPS卫星接收模块3；北斗卫星接收模块采用BD-6 S2型号，GPS卫星接收模块采用U_BLOX 6T型号；所述时间信号输入/输出模块包括无源时间脉冲输入/输出模块6、有源时间脉冲输入/输出模块7、多模光纤输入/输出模块8、单模光纤输入/输出模块9、TTL信号输入/输出模块10、RS-485信号输入/输出模块11、交流B码输入/输出模块12；所述通信模块包括PTP/NTP/SNTP网络通信模块19、RS-232/422通信模块18；触摸屏键盘20模块包括触摸屏模块、键盘模块；供电模块包括工作电源模块、电池模块、直流电压源模块；工作电源模块的电压110~220V 交直流自适应，电池模块电压是12V，直流电压源模块是5V~230V可调节输出。
北斗卫星接收模块4、GPS卫星接收模块3、铷原子钟模块5、无源时间脉冲输入/输出模块6、有源时间脉冲输入/输出模块7、多模光纤输入/输出模块8、单模光纤输入/输出模块9、TTL信号输入/输出模块10、RS-485信号输入/输出模块11、交流B码输入/输出模块12、交流电压输入/输出模块13、高速A/D模块14均连接到FPGA模块2；所述PTP/NTP/SNTP网络通信模块19、RS-232/422通信模块18、触摸屏键盘模块20均连接到ARM模块1；所述FPGA模块2通过并行总线连接ARM模块1。
图2示意了所述FPGA模块2通过可编程数字逻辑电路实现GPS、北斗时间信息和时间信号处理模块201、铷原子钟驯服模块202、内部时钟基准模块203、多路时钟补偿输出模块204、高速A/D采样及存储模块205、输入/输出通道与协议关联选择模块206、频率信号模块207、PPS脉冲模块208、PPM脉冲模块209、PPH脉冲模块210、IRIG-B(DC)模块211、IRIG-B(AC)模块212、DCF77模块213、交流电压频率模块214的模块功能。
所述频率信号模块207、PPS脉冲模块208、PPM脉冲模块209、PPH脉冲模块210、IRIG-B(DC)模块211、IRIG-B(AC)模块212、DCF77模块213、交流电压频率模块214均包括各自的输入信号解析和输出信号生成两部分。上述各模块均与输入/输出通道与协议关联选择模块藕合，例如输入/输出通道与协议关联选择模块206可根据被测试项目的设置自动地将输入/输出物理通道（无源时间脉冲输入/输出模块、有源时间脉冲输入/输出模块、多模光纤输入/输出模块、单模光纤输入/输出模块、TTL信号输入/输出模块、RS-485信号输入/输出模块、交流B码输入/输出模块、交流电压输入/输出模块）与信号协议（频率信号模块、PPS脉冲模块、PPM脉冲模块、PPH脉冲模块、IRIG-B(DC)模块、IRIG-B(AC)模块、DCF77模块、交流电压频率模块）关联选择在一起。以确保时间信号和时间信息在本发明中传递及时、延时固定。
GPS、北斗时间信息和时间信号处理模块利用GPS卫星时间接收模块、北斗卫星时间接收模块同时接收卫星时间，对各自秒沿时刻做高斯分布统计，可将提供的UTC时间精度从100ns提高到50ns。
铷原子钟驯服模块通过内部时钟基准模块提供的PPS，采用驯服算法使铷原子钟驯服模块提供给内部时钟基准模块的PPS和10MHz与其上升沿最大限度地重合。当全部外部时钟消失时，内部时钟基准模块能提供内部守时时间信息和时间信号。
多路时钟补偿输出模块204接收内部时钟基准模块203提供的内部标准时间信号，根据各路通道不同延时，输出各路不同补偿时间信号，保证各通道输入/输出入口处时间一致。
交流电压输入/输出模块能提供50～250V/40～60Hz标准正弦波输出电路和输入交流电压频率测量，2路高速8位A/D模块可以800MHz采样速率记录输入信号波形，用于观测、分析。
本发明达到的技术性能指标如下：
时间精度测试分辨率：0.2ns；
频标源驯服精度：1.1×10－11（1小时后）；
使用环境：工作温度-10℃～+50℃；
输出时间精度：PPS/PPM/PPH±15ns，IRIG-B(DC)±15ns，DCF77±15ns，IRIG-B(AC)±100ns；
时间信号测试精度：20ns；
时间基准与标准UTC误差：小于50ns。
2009年国家能源局发布的的电力行业标准《电力系统的时间同步系统 第一部分：技术规范》中，规定了时间信号应包含脉冲信号、IRIG-B码、串行口时间报文、网络时间报文等专用信号。IRIG-B是指IRIG (美国the Inter-Range Instrumentation Group)共有A、B、D、E、G、H几种编码标准(IRIG Standard 200-98)。其中在时钟同步应用中使用最多的是IRIG-B编码。
图3示意了本发明所述的校验仪工作过程实施例，以IRIG-B时间信号测试为例：按图3方式将时间信号从被测设备接入时间同步校验仪，输入接口类型可以是以下类型之一：
–TTL电平方式；
–空接点方式；
–RS-485/RS-422差分接口；
–光纤接口（单模、多模）。
测试内容包括：准时沿上升时间、准时沿误差、正脉宽、码元周期、稳定性测量、载波频率、幅值、调制比、输出阻抗（IRIG-B AC）；并可验证IRIG-B时间码信息正确性：包括本地时间信息、B码校验位、时区信息、时间质量信息、闰秒标识信息、SBS信息。

Claims (4)

1.一种多功能电力系统时间同步校验仪，其特征在于，包括ARM模块（1）、FPGA模块（2）、卫星时间接收模块（3、4）、铷原子钟模块（5）、时间信号输入/输出模块、交流电压输入/输出模块（13）、高速A/D模块（14）、通信模块（18、19）、触摸屏键盘模块（20）、供电模块（15、16、17）；所述卫星时间接收模块（3、4）包括北斗卫星接收模块（4）、GPS卫星接收模块（3）；所述时间信号输入/输出模块包括无源时间脉冲输入/输出模块（6）、有源时间脉冲输入/输出模块（7）、多模光纤输入/输出模块（8）、单模光纤输入/输出模块（9）、TTL信号输入/输出模块（10）、RS-485信号输入/输出模块（11）、交流B码输入/输出模块（12）；所述通信模块包括PTP/NTP/SNTP网络通信模块（19）、RS-232/422通信模块（18）；触摸屏键盘模块（20）包括触摸屏模块、键盘模块；供电模块包括工作电源模块（15）、电池模块（16）、直流电压源模块（17）；
所述北斗卫星接收模块（4）、GPS卫星接收模块（3）、铷原子钟模（5）、无源时间脉冲输入/输出模块（6）、有源时间脉冲输入/输出模块（7）、多模光纤输入/输出模块（8）、单模光纤输入/输出模块（9）、TTL信号输入/输出模块（10）、RS-485信号输入/输出模块（11）、交流B码输入/输出模块（1）、交流电压输入/输出模块（13）、高速A/D模块（14）均连接到FPGA模块（2）；所述PTP/NTP/SNTP网络通信模块（1）、RS-232/422通信模块（18）、触摸屏键盘模块（20）均连接到ARM模块(1)；所述FPGA模块(2)通过并行总线连接到ARM模块（1）。
2.根据权利要求1所述的多功能电力系统时间同步校验仪，其特征在于，所述FPGA模块（2）通过可编程数字逻辑电路实现GPS、北斗时间信息和时间信号处理模块（201）、铷原子钟驯服模块（202）、内部时钟基准模块（203）、多路时钟补偿输出模块（204）、高速A/D采样及存储模块（205）、输入/输出通道与协议关联选择模块（206）、频率信号模块（207）、PPS脉冲模块（208）、PPM脉冲模块（209）、PPH脉冲模块（210）、IRIG-B(DC)模块（211）、IRIG-B(AC)模块（212）、DCF77模块（213）、交流电压频率模块（214）的模块功能。
3.根据权利要求2所述的多功能电力系统时间同步校验仪，其特征在于：所述输入/输出通道与协议关联选择模块（206）可根据被测试项目的设置自动地将输入/输出物理通道（无源时间脉冲输入/输出模块、有源时间脉冲输入/输出模块、多模光纤输入/输出模块、单模光纤输入/输出模块、TTL信号输入/输出模块、RS-485信号输入/输出模块、交流B码输入/输出模块、交流电压输入/输出模块）与信号协议（频率信号模块、PPS脉冲模块、PPM脉冲模块、PPH脉冲模块、IRIG-B(DC)模块、IRIG-B(AC)模块、DCF77模块、交流电压频率模块）关联选择在一起。
4.根据权利要求2所述的多功能电力系统时间同步校验仪，其特征在于，所述频率信号模块（207）、PPS脉冲模块（208）、PPM脉冲模块（209）、PPH脉冲模块（210）、IRIG-B(DC)模块（211）、IRIG-B(AC)模块（212）、DCF77模块（213）、交流电压频率模块（214）均包括各自的输入信号解析和输出信号生成两部分。
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