CN103163780A - 电力网gps/北斗双系统卫星同步时钟系统 - Google Patents

Abstract

电力网GPS/北斗双系统卫星同步时钟系统，北斗GPS组合天线接收卫星信号，该卫星信号经过功分器后分为一路GPS信号和一路北斗信号，将得到的GPS信号、北斗信号作为参考源信号，并将参考源信号和IRIG-B信号送入同步时钟设备，同步时钟设备中的定时模块对参考源信号进行切换选择，并对本振部分进行闭环控制，最后输出电力时钟信号。采用上述技术方案的本发明，采用无源北斗授时技术、高精度相位测量技术、多路时钟无损切换技术，完成实现了以北斗、GPS双卫星系统作为时间基准的同步时钟，同步时钟技术指标满足电网联调对时钟技术参数要求。本发明解决了国内现有电网时间同步系统过度依赖GPS系统的技术现状，提高了电网时间同步系统的安全性和可靠性。

Description

电力网GPS/北斗双系统卫星同步时钟系统

技术领域

本发明涉及一种电力时钟，具体地说是涉及一种基于北斗二代的电力时钟系统。

背景技术

我国电网建设投入长期不足，电网发展严重滞后于电源发展。近年来，电源建设和投产速度加快，加剧了电网滞后的矛盾。投入不足造成目前我国电网结构薄弱、电网卡脖子，部分设备陈旧、隐患多、抵御自然灾害能力差，严重制约电网安全稳定运行，我国电网大面积停电风险始终存在。最近几年，国际上连续发生比较大的停电事故，而且发生在一些发达国家，比如加拿大、意大利、澳大利亚、莫斯科等。根据“十一五”国民经济和社会发展纲要和国家能源发展战略，以及对电力需求的预测，未来五年国家电网投资过万亿元，总规模将成倍增长。完成如此艰巨的投资和建设任务，离不开科技进步和自主创新。建成后的国家电网将是世界上电压等级最高、规模最大、运行管理最复杂、能源资源配置能力最强的交直流混合电网，它的安全稳定运行更离不开科技进步和自主创新。就目前而言，电网统一的高精度地面时间同步系统中的核心设备同步时钟一般采用GPS系统作为无线基准时间源，同时设备内部采用高稳晶振作为守时时钟，因成本原因，设备很少采用铷钟作为守时时钟。

GPS授时系统是针对自动化系统中的计算机、控制装置等进行校时的高科技产品，GPS授时产品它从GPS卫星上获取标准的时间信号，将这些信息通过各种接口类型来传输给自动化系统中需要时间信息的设备（计算机、保护装置、故障录波器、事件顺序记录装置、安全自动装置、远动RTU），这样就可以达到整个系统的时间同步。随着计算机和网络通信技术的飞速发展，变电站自动化系统数字化、网络化的时代已经到来。这一方面为各控制和信息系统之间的数据交换、分析和应用提供了更好的平台、另一方面对各种实时和历史数据时间标签的准确性也提出了更高的要求。 使用价格并不昂贵的GPS时钟来统一各种系统的时钟，已是目前变电站设计中采用的标准做法。变电站保护装置和测控装置的主时钟通过合适的GPS时钟信号接口，得到标准的TOD(年月日时分秒)时间，然后按各自的时钟同步机制，将系统内的从时钟偏差限定在足够小的范围内，从而达到全厂的时钟同步。 全球定位系统(Global Positioning System，GPS)由一组美国国防部在1978年开始陆续发射的卫星所组成，共有24颗卫星运行在6个地心轨道平面内，根据时间和地点，地球上可见的卫星数量一直在4颗至11颗之间变化。 GPS时钟是一种接受GPS卫星发射的低功率无线电信号，通过计算得出GPS时间的接受装置。为获得准确的GPS时间，GPS时钟必须先接受到至少4颗GPS卫星的信号，计算出自己所在的三维位置。在已经得出具体位置后，GPS时钟只要接受到1颗GPS卫星信号就能保证时钟的走时准确性。 作为变电站的标准时钟，对GPS时钟的基本要求是：至少能同时跟踪8颗卫星，有尽可能短的冷、热启动时间，配有后备电池，有高精度、可灵活配置的时钟输出信号。

目前，变电站用到的GPS时钟输出信号主要有以下三种类型：

1、1PPS/1PPM输出：此格式时间信号每秒或每分时输出一个脉冲。显然，时钟脉冲输出不含具体时间信息。 

2、IRIG-B输出：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，有bc电平偏移(DC码)、1kHz正弦载波调幅(AC码)等格式。IRIG-B信号每秒输出一帧(1fps)，每帧长为一秒。一帧共有100个码元(100pps)，每个码元宽10ms，由不同正脉冲宽度的码元来代表二进制0、1和位置标志位。

3、RS-232/RS-422/RS-485输出：此时钟输出通过EIA标准串行接口发送一串以ASCII码表示的日期和时间报文，每秒输出一次。时间报文中可插入奇偶校验、时钟状态、诊断信息等。此输出目前无标准格式。

众所周知，GPS系统由美国军方控制，其安全性得不到有效保障，一旦GPS系统被加扰或设备的GPS接收系统损坏，同步时钟只能采用高稳晶振进行守时，其授时精度不能得到长期保障。由此造成电网时钟不同步引起的各种故障。而更多的基准选择基本可归纳为无线或有线两类，而目前国内的情况是，无线有北斗卫星、俄罗斯GLONASS卫星、长波（LORAN-C），GLONASS卫星为俄罗斯所有且系统老化、未能在民用推广，长波也由于种种原因在民用也未能推广；有线方面频率同步已成熟，但远距离的高精度时间同步尚待技术突破及验证。

随着GPS在电力行业日益广泛的应用，GPS时间、频率产品已深入到电力系统的各个角落，电力系统对GPS时间、频率基准单一依赖的体制已经形成。 GPS系统是由美国军方控制运行的，美国军方随时可以对特定区域的信号进行控制，可对特定区域的信号实施加扰或关闭，使GPS接收系统性能大幅度降低或失灵，这对独立依靠GPS信号设备的系统的安全性、可靠性留下了非常大的隐患。例如某年我国在东南沿海进行的军事演习，美国对该区域的GPS信号进行干扰，造成该区域使用GPS信号的设备无法正常工作，导航定位设备失效、时频同步设备失效或降质、固定及移动通讯系统无法正常工作、电力调度设备时间发生紊乱、GIS无法正常工作等情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种准确、安全、方便的无源北斗二代电力时钟系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明中，北斗GPS组合天线接收卫星信号，该卫星信号经过功分器后分为一路GPS信号和一路北斗信号，其特征在于：将得到的GPS信号、北斗信号作为参考源信号，并将参考源信号和IRIG-B信号送入同步时钟设备，同步时钟设备中的定时模块对参考源信号进行切换选择，并对本振部分进行闭环控制，最后输出电力时钟信号。

所述的定时模块包括参考源信号监测模块，用于对参考源信号进行监测，同时利用信号处理单元的高速逻辑芯片完成对参考源信号的相位测量，将测量数据实时送给运算处理器，处理器根据测量数据完成参考源性能比对、参考源优选，完成各路参考源的切换，同时完成跟踪、保持算法，通过压控电路完成对本振的控制，形成定时闭环回路，从而保证设备输出信号的定时精度。

采用上述技术方案的本发明，采用无源北斗授时技术、高精度相位测量技术、多路时钟无损切换技术，完成实现了以北斗、GPS双卫星系统作为时间基准的同步时钟，同步时钟技术指标满足电网联调对时钟技术参数要求。本发明解决了国内现有电网时间同步系统过度依赖GPS系统的技术现状，提高了电网时间同步系统的安全性和可靠性。具体地说包含以下几个优点：

（1）提高了电网时钟基准的定时精度：现有GPS时钟系统依赖于单GPS卫星系统，卫星种类单一，卫星接收情况依地理位置分布和时间变化而不同，GPS时钟产品的时间信号输出有较大的差异；GPS/北斗双系统电网高精度同步时钟产品同时接收GPS/北斗双卫星系统的信号，且北斗系统为地球同步卫星，可保证我国绝大部分区域的稳定接收，使GPS/北斗双系统同步时钟产品的定时精度明显提高。

（2）提高了电网时钟的系统可靠性，消除了单GPS时钟对电网同步时钟系统的安全威胁。电网时钟系统建立之初，依据当时的技术条件选择了单GPS时间基准的方案，导致对美国的GPS卫星系统的绝对依赖，一旦GPS卫星系统出现对我国的区域屏蔽或区域加扰，我国电网时间同步将出现系统性故障，产生不可估计的影响；GPS/北斗双系统电网高精度同步时钟产品配备有我国自主的北斗卫星导航系统，即使GPS系统出现故障，能自动切换到北斗授时状态，完全摆脱对GPS系统的依赖。

（3）扩充了电网现有时钟的输出能力。GPS/北斗双系统电网高精度同步时钟产品采用后插卡的方式，可任意配置同步脉冲、IRIG-B码、串口报文、NTP网络时间等输出模块，输出最高达88路时间信号输出。

附图说明

图1为本发明的结构图。

图2为本发明中同步时钟设备的原理框图。

图3为本发明中定时模块的原理框图。

具体实施方式

如图1所示，北斗GPS组合天线接收卫星信号，该卫星信号经过功分器后分为一路GPS信号和一路北斗信号，将得到的GPS信号、北斗信号作为参考源信号，并将参考源信号和IRIG-B信号送入同步时钟设备，同步时钟设备中的定时模块对参考源信号进行切换选择，并对本振部分进行闭环控制，最后输出电力时钟信号。

如图2所示，同步时钟设备由人机接口、本振部分、定时部分、电源、输出部分、输入部分以及监控部分七大部分组成。

其中，电源输入由电源卡完成，电源卡采用高性能AC/DC输入电源模块，电源兼容220VAC/DC输入，经过电源模块转换成直流电源后供内部各模块使用，电源卡配有开关，保险等，方便用户维护。

输入部分由参考源输入卡完成，输入部分完成对GPS、“北斗”卫星信号、本地铷钟１０ＭＨｚ信号或上游传输的DCLS信号、原有单ＧＰＳ输入的ＩＲＩＧ-Ｂ／１ＰＰＳ信号的接收及监测。同时将接收的数据进行处理，上报给监控部分。

定时模块包括参考源信号监测模块，用于对参考源信号进行监测，同时利用信号处理单元的高速逻辑芯片完成对参考源信号的相位测量，将测量数据实时送给运算处理器，处理器根据测量数据完成参考源性能比对、参考源优选，完成各路参考源的切换，同时完成跟踪、保持算法，通过压控电路完成对本振的控制，形成定时闭环回路，从而保证设备输出信号的定时精度。

本振模块用于为系统提供本地10MHz时钟信号，模块内可配置高性能铷振荡器、恒温晶体振荡器或温补晶体振荡器。本振模块是时钟设备工作的基准，设备中各种时钟信号的产生均由本振产生。当设备丢失所有外输入参考源时，设备由本振时钟进行守时。

本发明中输出部分包括5种类型的输出卡，包括直流IRIGB输出卡、交流IRIGB输出卡、脉冲输出卡、报文输出卡以及NTP信号输出卡。其中，直流IRIGB信号由直流IRIGB输出卡完成，直流IRIGB输出卡接收来自定时卡的内部时钟总线信号，得到系统时间基准及时刻信息，通过Ｂ码产生单元，经由驱动及接口保护电路产生直流IRIGB信号。直流IRIGB卡可通过跳线输出TTL/RS232/RS422接口的信号。脉冲输出卡根据定时卡输出的1PPS信号为基准，输出1PPS/1PPM/1PPH信号。脉冲输出卡可同时输出8路脉冲信号，其中第1、2路作为TTL/空接点脉冲输出，可通过跳线配置为TTL/空接点电平输出，输出信号类型可配置为1PPS/1PPM/1PPH。其余6路可通过跳线配置输出信号类型为1PPS/1PPM/1PPH，输出电平为空接点方式。报文输出卡通过串口报文的方式向终端用户对时，其串口脉冲的第一个上升沿与定时卡产生的1PPS信号对齐。报文输出卡支持2路报文信号的输出。每一路可配置为RS232电平输出或RS422电平输出。报文卡可根据用户需求支持多种协议输出。周波测量卡采用设备内部高稳定度的10MHz信号作为50Hz频率的采样信号，可以保证测量精度为0.001Hz，每秒输出。测量输出的频率值由报文卡输出。

人机接口包括4个指示灯，1块高亮、宽温、宽视角VFD显示屏以及功能键盘。

监控部分由监控卡完成，监控卡采用高性能ＣＰＵ单元，完成对设备各部分的监测，信号分发及人机接口功能。

监控板具有完善的监控管理功能，能实时收集各功能卡的工作状态，一旦功能卡出现故障可由告警端子给出告警信息，同时能定位告警至各功能模块并在VFD面板显示，同时可存储历史告警信息。能通过键盘向系统下发设定的指示命令。

Claims (2)

1.电力网GPS/北斗双系统卫星同步时钟系统，北斗GPS组合天线接收卫星信号，该卫星信号经过功分器后分为一路GPS信号和一路北斗信号，其特征在于：将得到的GPS信号、北斗信号作为参考源信号，并将参考源信号和IRIG-B信号送入同步时钟设备，同步时钟设备中的定时模块对参考源信号进行切换选择，并对本振部分进行闭环控制，最后输出电力时钟信号。

2.根据权利要求1所述的电力网GPS/北斗双系统卫星同步时钟系统，其特征在于：所述的定时模块包括参考源信号监测模块，用于对参考源信号进行监测，同时利用信号处理单元的高速逻辑芯片完成对参考源信号的相位测量，将测量数据实时送给运算处理器，处理器根据测量数据完成参考源性能比对、参考源优选，完成各路参考源的切换，同时完成跟踪、保持算法，通过压控电路完成对本振的控制，形成定时闭环回路，从而保证设备输出信号的定时精度。

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