CN103970008B - 一种基于晶振误差补偿的守时方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统守时技术领域，具体公开了一种基于晶振误差补偿的守时方法，该方法包括以下步骤：实时测量晶振频率误差，计算误差周期，并确定晶振振荡存储时间k；校时源正常时顺序记录存储时间k内每一秒的晶振振荡次数并每过k分钟将该段时间内的计数结果存储下来；校时源失效时，调用最近k分钟内的每秒晶振振荡次数，从前往后复现，每计数完一个每秒晶振振荡次数，输出一个秒脉冲，复现完一遍后，再重复复现，直到校时源恢复。本发明的有益效果是充分利用晶振误差变化具有周期性的特性，解决了当校时源失效或者错误时电力系统或装置的守时问题，对晶振、存储及计算要求都不高，具备体积小、成本低的优点。

Description

一种基于晶振误差补偿的守时方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统守时方法，尤其涉及一种基于晶振误差补偿的守时方法。

背景技术

近年来，随着社会的发展，生活水平的提高，电力用户对电网供电的质量和可靠性在不断提高，但同时，电力系统规模也在不断扩大，电网的复杂性成倍的增加，对电网的监控和控制能力提出了更多的要求。电力系统是时间相关系统，如相角、电压、电流等都是基于时间轴的波形，在某些系统中还需要获取分布广泛、覆盖范围大的众多系统或硬件节点的各项参数及数据，这些数据需要同步采集或记录下准确的采集时间才具有分析价值，此时保证各系统或硬件节点的时钟同步就显得格外重要。

当前在电力系统中主要使用基于全球定位系统的高精度同步时钟信号进行校时，但在实际使用中，卫星信号的调整、天线受干扰及接收器的故障等，都会造成卫星失锁现象，进而导致校时源失效或者错误，但电力系统要求装置里面的时间必须在一定时间范围内维持一定的精度，为此必须通过本地守时完成时间精度的维持。相关测试标准对电力系统时间精度的保持都有相关指标，目前最常用的测试指标是室内实验时正常温度条件下，对时源错误或消失10min内，守时误差在±4us以内。电力设备中都带有晶振，通过对晶振频率的测量发现，受温度等因素的影响，实际测得的频率值会偏离标定值，通过大量数据测量，发现偏离的误差值按一定周期循环重复，因此，根据这个特点，可考虑利用晶振频率误差的周期性在校时源失效时提供脉冲信号，实现对校时源时钟信号的补偿。

发明内容

为解决上述电力系统中存在的守时问题，本发明参考晶振频率误差变化的周期性特点提供了一种基于晶振误差补偿的守时方法，以最小的代价提高电力系统的时间精确性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于晶振误差补偿的守时方法，该方法所用守时装置包括晶振计时模块和控制处理单元，该方法包括如下步骤：

1)实时测量晶振频率并根据频率误差变化规律判断误差循环周期，根据该周期确定晶振振荡存储时间k；受外界因素的影响，实际测得的频率存在一定误差，这些频率误差在短时间内呈现周期性的特点，因此，通过对应全球定位系统的高精度同步时钟信号对晶振频率误差进行记录，判断其变化周期，并以此作为时间基准存储晶振振荡次数，可在校时源失效时用来守时。

2)校时源正常时，晶振计时模块统计每秒晶振振荡次数，控制处理单元顺序记录k分钟内的每秒晶振振荡次数clk_n(n＝1，2，3，…，60k-2，60k-1，60k)，每过k分钟将该段时间记录的60k个每秒晶振振荡次数作为一组数据存储下来；晶振计时模块负责计数，计数的结果由控制处理单元存储，储存宽度为k分钟且存储值在校时源正常的情况下实时更新。

3)校时源失效时，控制处理单元调用最近存储的一组数据，即最近k分钟内的各每秒晶振振荡次数clk_n，从前往后顺序复现，晶振计时模块每计数完一个每秒晶振振荡次数clk_n就输出一个秒脉冲，复现完一遍输出60k个秒脉冲；

4)复现完一遍后，重复使用该组数据再一次从前往后复现，直至校时源恢复正常。由于存储晶振振荡次数时是在校时源正常时按照标准的同步时钟信号计时存储的，因此，根据这些数据确定的秒脉冲是准确的，可完成在校时源失效时对时钟信号的守时补偿。

步骤1)的具体步骤为：

1-1)对应着全球定位系统的高精度同步时钟信号对晶振每一时刻的频率进行测量，并对应晶振频率标准值，计算得出每一时刻的晶振频率误差；测量时刻以秒为单位，测量每秒内晶振振荡次数(即晶振频率)，每隔一秒记录一次测量结果，并与晶振频率标定值比较计算出对应的误差。

1-2)根据频率误差变化规律判断误差的变化周期T；经对大量测量结果的观察发现，频率误差每过一段时间又重复之前的变化规律，具有周期性的特性，因此可根据这个规律确定一个周期。

1-3)根据周期T确定晶振振荡存储时间k，k为周期T的整数倍。

优选的，所述的控制处理单元采用FPGA芯片，处理速度快，精度高，内部延时小。

本发明具有如下优点：

1、充分利用晶振误差变化呈周期性的特性，对几个周期的晶振误差进行记录，并在校时源脉冲消失后进行复现，有较好的守时效果。

2、对晶振要求不高，使用普通晶振即可实现高精度守时，体积小、成本低。

3、记录数据及计算方法都很简单，对存储及计算硬件要求不高，可在绝大多数需守时电力硬件设备中使用。

附图说明

图1是本发明所述守时方法流程图；

图2是本发明所述守时方法所用的守时装置结构图；

图3是实施例的晶振误差曲线图。

具体实施方式

一种基于晶振误差补偿的守时方法，该方法所用的守时装置如图2所示，包括晶振计时模块和控制处理单元。晶振计时模块与外部的GPS接收机连接，由其接收全球定位系统的高精度同步时钟信号后传输给晶振计时模块，晶振计时模块用于在校时源正常时按照接收的时钟信号记录每一秒中的晶振振荡次数，并将计数结果传输给控制处理单元。控制处理单元根据晶振计时模块给出的每秒晶振振荡次数计算晶振频率误差，并根据误差变化规律判断出误差变化周期，存储周期倍数内的各秒晶振振荡次数，在校时源失效时调用晶振振荡次数并输出给晶振计时模块，晶振计时模块每计数完一个每秒晶振振荡次数就输出一个秒脉冲。晶振计时模块和控制处理单元由一块FPGA芯片实现。基于上述装置，该方法包括如下步骤：

1)对应全球定位系统的高精度同步时钟信号测量每一时刻的晶振频率，即每秒的晶振振荡次数，结合晶振频率标定值，计算出频率误差，判断误差变化周期T，根据误差变化周期T确定晶振振荡存储时间k，k为周期T的整数倍。

2)校时源正常时，晶振计时模块统计每秒晶振振荡次数，控制处理单元顺序记录k分钟内的每秒晶振振荡次数clk_n(n＝1，2，3，…，60k-2，60k-1，60k)，每过k分钟将该段时间记录的60k个每秒晶振振荡次数作为一组数据存储下来；

3)校时源失效时，控制处理单元调用最近存储的一组数据，即最近k分钟内的各每秒晶振振荡次数clk_n，从前往后顺序复现，晶振计时模块每计数完一个每秒晶振振荡次数clk_n就输出一个秒脉冲，复现完一遍输出60k个秒脉冲；

4)复现完一遍后，重复使用该组数据再一次从前往后复现，直至校时源恢复正常。下面结合一具体实例来说明该方法的使用过程：

该实例中FPGA芯片使用Xilinx公司的SPARTAN系列FPGA，晶振为SiT1602AI，该晶振频率为25000000(25M)Hz，在FPGA内部对晶振信号做了四倍频处理，经测试，得到频率误差数据如下表所示，晶振频率标定值为100000000(100M)。

由此绘制的晶振误差曲线如图3所示，由图可以看出，去掉曲线中的数据突变点，数据在第217秒时，基本已完成一个周期，晶振误差曲线周期T确定为217秒，约3.6分钟，由此，确定晶振振荡存储时间k为3.6分钟，FPGA实时记录每秒晶振振荡次数，并每过3.6分钟存储一组数据，当校时源失效或错误时，调用FPGA内最近一次存储的数据组，从前往后复现，每计数完一个每秒晶振振荡次数就输出一个秒脉冲，复现完一遍后，即输出了3.6分钟的秒脉冲，重复，直至校时源恢复正常。最终经过试验，对校时源消失10min以内，守时误差最大为2.5us，满足有关测试指标。

Claims (3)

1.一种基于晶振误差补偿的守时方法，该方法所用守时装置包括晶振计时模块和控制处理单元，其特征在于包括如下步骤：

1)实时测量晶振频率并根据频率误差变化规律判断误差循环周期，根据该周期确定晶振振荡存储时间为k分钟；

2)校时源正常时，晶振计时模块统计每秒晶振振荡次数，控制处理单元顺序记录k分钟内的每秒晶振振荡次数clk_n(n＝1，2，3，…，60k-2，60k-1，60k)，每过k分钟将该段时间记录的60k个每秒晶振振荡次数作为一组数据存储下来；

3)校时源失效时，控制处理单元调用最近存储的一组数据，即最近k分钟内的各每秒晶振振荡次数clk_n，从前往后顺序复现，晶振计时模块每计数完一个每秒晶振振荡次数clk_n就输出一个秒脉冲，复现完一遍输出60k个秒脉冲；

4)复现完一遍后，重复使用该组数据再一次从前往后复现，直至校时源恢复正常。

2.根据权利要求1所述的基于晶振误差补偿的守时方法，其特征在于：步骤1)的具体步骤为：

1-1)对应着全球定位系统的高精度同步时钟信号对晶振每一时刻的频率进行测量，并对应晶振频率标准值，计算得出每一时刻的晶振频率误差；

1-2)根据频率误差变化规律判断误差的变化周期为T分钟；

1-3)根据时间长度为T分钟的误差的变化周期确定晶振振荡存储时间为k分钟,k为T的整数倍。

3.根据权利要求1或2所述的基于晶振误差补偿的守时方法，其特征在于：所述的控制处理单元采用FPGA芯片。