CN106411295B - 一种irig-b守时时钟漂移补偿方法及电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种IRIG‑B守时时钟漂移补偿方法及电路，方法包括如下步骤，步骤1，IRIG‑B时钟系统通过检测外部时钟源输入的1pps秒脉冲的上升沿使能内部计数器，在外部时钟源输入的1pps脉宽内完成对本地时钟源的计数；步骤2，将计数器的输出值和预设值之间做差得到当前计数偏差E0；步骤3，根据如下步骤判断当前计数偏差E0的有效性和取值；步骤4，根据当前的温度、频率和本地时钟源的批次信息，以及步骤3中当前计数偏差E0的取值，得到本地时钟源每秒的时钟漂移补偿TD，对本地时钟源的输出时钟进行补偿，达到系统守时精度要求。本发明提高了继电保护装置中IRIG‑B的授时精度，提高了继电保护装置的可靠性。

Description

一种IRIG-B守时时钟漂移补偿方法及电路
技术领域
本发明涉及继电保护技术领域，具体为一种IRIG-B守时时钟漂移补偿方法及电路。
背景技术
继电保护装置中的计时系统是继电保护装置的授时基准，计时系统是靠同步外部时钟源输入的秒脉冲(1pps)来形成本地时钟基准的。外部设备输入的秒脉冲分为光信号和电信号两种。输入的秒脉冲信号需要经过光电转化(若输入是光信号)、放大、整形、滤波等多种信号调理，最终输入计时系统。继电保护的计时系统是基于外部电路和CPU算法实现的，其时钟同步和守时精度是保证装置设计指标的重要环节，如何解决时钟漂移，提高授时精度一直是电力行业关注的重点。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种IRIG-B守时时钟漂移补偿方法及电路，提高了继电保护装置中IRIG-B的授时精度，提高了继电保护装置的可靠性。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种IRIG-B守时时钟漂移补偿方法，包括如下步骤，
步骤1，IRIG-B时钟系统通过检测外部时钟源输入的1pps秒脉冲的上升沿使能内部计数器，在外部时钟源输入的1pps脉宽内完成对本地时钟源的计数；
步骤2，将计数器的输出值和预设值之间做差得到当前计数偏差E0；
步骤3，根据如下步骤判断当前计数偏差E0的有效性和取值；
3.1根据IRIG-B信号质量的等级，通过判断IRIG-B时钟质量合格与否；
3.2如果检测到IRIG-B时钟质量不合格FAILURE，则复位下一秒补偿算法中的计数误差值为零，即：E＝0；
3.3如果检测到IRIG-B时钟质量合格VALID，进一步做如下判断；
a.根据IRIG-B时钟同步标志位SYNCH，判断上一秒1PPS是否有效；
b.根据IRIG-B时钟同步标志位SYNCH，判断当前秒1PPS是否有效，且当前计数偏差E0绝对值是否小于计数偏差设定的最大门限EMAX；
如果a和b两个条件同时满足则判定当前IRIG-B时钟质量有效VALID；则当前计数偏差E0有效，用当前计数偏差E0刷新下一秒的计数偏差值，即：E＝E0；
如果a和b两个条件不能同时满足，则IRIG-B时钟质量为其他值，则丢弃当前计数偏差E0，并保持前一周期的计数偏差，即：E＝E’；
步骤4，根据当前的温度、频率和本地时钟源的批次信息，以及步骤3中当前计数偏差E0的取值，通过如下公式得到本地时钟源每秒的时钟漂移补偿TD，对本地时钟源的输出时钟进行补偿，达到系统守时精度要求；
其中，TD(new)当前新计算的补偿值；TD(previous)上一时刻时间补偿值；GFILTER为平滑滤波器增益因子，E0为当前参与计算的计数偏差值，CS为本地时钟源频率，k0当前的频率、温度、批次的补偿值。
步骤2中计数器的输出值为多次计数值的平均值。
k0为常数值通过查表得到；k0＝t0·f0·p0；t0、f0、p0分别为温度、频率、批次的归一化补偿因子。
一种IRIG-B守时时钟漂移补偿电路，包括，
输入端连接外部时钟源的1pps检测模块，用于检测是否有外部时钟输入；
输入端连接本地时钟源的计数器，计数器的使能端连接1pps检测模块的输出端；
依次连接在计数器输出端的时钟漂移差值提取模块和IRIG-B时间质量判决模块；所述的时钟漂移差值提取模块用于将计数器的输出值和预设值之间做差得到计数偏差；所述的IRIG-B时间质量判决模块，用于判断计数偏差的有效性并输出对应的IRIG-B时间质量位；IRIG-B时间质量判决模块的时钟信号输出端和IRIG-B时间质量位输出端分别连接到计时系统CPU；
以及连接在IRIG-B时间质量判决模块的时钟输出端和时钟漂移差值提取模块之间的时钟漂移差值补偿模块；时钟漂移差值补偿模块用于根据当前的温度、频率和本地时钟源的批次信息，得到本地时钟源每秒的时钟漂移补偿，对本地时钟源的输出时钟进行补偿，达到系统守时精度要求。
IRIG-B时间质量判决模块的时钟输出端通过数据选择器连接到计时系统CPU，数据选择器的另一输入端连接1pps检测模块输出的外部时钟信号；
当存在外部时钟信号时，数据选择器选择外部时钟输入到时钟系统CPU；
当不存在外部时钟信号，且IRIG-B时间质量位满足时钟系统要求时，数据选择器选择经时钟漂移补偿的本地时钟输入到时钟系统CPU。
还包括逻辑控制单元，时钟系统CPU通过逻辑控制单元分别于1pps检测模块、计数器和时钟漂移差值补偿模块进行交互；
逻辑控制单元用于根据时钟系统CPU的信号和1pps检测模块的输出，使能计数器并选择计数器的工作模式为锁相环模式或守时模式，并设定守时模式下计数器的预设值，控制时钟漂移差值补偿模块进行时钟漂移补偿。
时钟漂移差值补偿模块与存储在时钟系统内的温度补偿表、频率补偿表和批次补偿表交互。
本地时钟源采用64MHz的恒温晶振。
外部时钟源包括IRIG-B授时设备和用于对输入的外部时钟进行转换和调理的光电转换模块和信号调理模块。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过硬件电路和FPGA算法配合，实时测量FPGA输出的系统时钟和外部设备输入的时钟基准之间的偏差，并通过置IRIG-B的时间质量位上报IRIG-B系统时钟时间质量，利用基于FPGA的补偿算法逐次逼近输入参考时钟基准，使系统时钟漂移收敛并趋近于输入时钟基准，把时钟漂移控制在系统指标允许范围内，最终解决的是时钟漂移问题。
本发明所述的电路，通过实时检测本地时钟与输入的IRIG-B基准时钟偏差并上报IRIG-B时钟质量，可以有效避免本地时钟与时钟基准漂移超限导致保护误判，保证电网的可靠运行，减少经济损失。
附图说明
图1为本发明实例中所述IRIG-B时钟漂移补偿电路的原理框图。
图2为本发明实例中所述IRIG-B时钟漂移补偿电路框图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提供了IRIG-B时钟漂移硬件补偿方法、电路规划及时钟基准同步检测，提高装置运行可靠性及可维护性。
本发明所述的电路原理，如图1所示，包括如下单元。
控制单元，包括计时系统CPU用于切换计数器工作模式、正常外部时钟授时和异常外部时钟丢失后的本地时钟授时；
计算单元，包括IRIG-B时间质量判决模块和和时钟漂移差值补偿模块，用于计算时钟偏移量、判决IRIG-B时间和完成补偿算法计算；
统计单元，包括时钟漂移差值提取模块，用于统计不同温度、频率、批次下对应的时钟偏移平均值；
管理单元，包括逻辑控制单元，用于不同的温度、频率、批次条件下的补偿算法控制。
具体的，如图2所示，本发明中本地时钟源采用64MHz的恒温晶振，外部时钟源采用IRIG-B授时设备通过包括光电转换和信号调理电路的外部时钟电路输入；
控制单元，包括计时系统的CPU，
计算单元，包括依次连接成环的时钟漂移差值提取模块、IRIG-B时间质量判决模块和时钟漂移差值补偿模块；时钟漂移差值补偿模块与存储在时钟系统内的温度补偿表、频率补偿表和批次补偿表交互；
统计单元，包括接收外部时钟源输入的1pps检测模块和接收本地时钟源输入的计数器；计数器输出端连接时钟漂移差值提取模块；
管理单元，包括逻辑控制单元；逻辑控制单元与1pps检测模块交互，并通过1pps检测模块连接计数器的使能端；逻辑控制单元连接计数器的模式选择端口；
IRIG-B时间质量判决模块的时钟输出端和1pps检测模块输出的外部时钟信号通过数据选择器连接到计时系统CPU。
本发明所述的方法，时钟系统通过检测外部时钟源输入的1pps秒脉冲的上升沿使能内部计数器，在1pps脉宽内完成计数，然后通过计数差值提取电路得到当前计数值与之前计数均指的差值，然后结合当前的温度、频率等输入条件，通过时钟漂移补偿电路实现时钟漂移补偿，以消除设备在运行过程中由于温度、频率条件变化引起的系统时钟漂移，达到系统守时精度要求。其中差值提取及时钟漂移的实现算法如下所示：
在补偿算法处理中增加下列参数定义：
CS为本地时钟源频率；
T0为计数器的输出值；
Tn为1PPS秒脉冲内的计数值，n为正整数；
T为计数器每秒内的计数预设值，初始默认值T＝106，运行过程中根据不同的温度、频率、批次会自行修正补偿。
T(average)16次计数值T0的算术平均值；t0为温度补偿归一化因子；f0为频率补偿归一化因子；p0为恒温晶振批次补偿归一化因子；
SYNCH为同步标志位；
VALID为IRIG-B时钟质量有效标志位；
FAILURE为IRIG-B时钟质量有无效标志位；
EMAX为每秒计数偏差最大误差容限，即为计数偏差设定的最大门限；假设：EMAX＝75(50ppm+冗余)；
TD为外部64MHz晶振时钟每秒内的时钟漂移；
GFILTER为平滑滤波器增益因子，设GFILTER＝16；
E0为当前参与计算的计数偏差值；
E为下一秒参与计算的计数偏差值；
E’为上一秒参与计算的计数偏差值；
k0＝t0·f0·p0，t0、f0、p0分别为温度、频率、批次的归一化补偿因子。
1)计数差值提取算法。
当前计数偏差E0是通过比较计数器输出值T0和预设值T之间的差来求得，如(1)式所示：
E0＝T0–T (1)
为了减小时钟抖动和提高时钟同步锁定速度，将16次计数值T1、T2、…、T16的算数平均值T(average)作为计数器的输出值T0。
T(average)＝(T1+T2+…+T16)/16 (2)
在得到E0后，需要判断E0的有效性和取值，判决流程如(3)式所示：
具体的，步骤如下。
1、IRIG-B信号质量分为多个等级，通过判断IRIG-B时钟质量合格与否，来决定计数偏差值的有效性；
2、如果检测到IRIG-B时钟质量不合格FAILURE，则复位下一秒补偿算法中的计数误差值为零，即：E＝0；
3、如果检测到IRIG-B时钟质量合格VALID，进一步做如下判断；判决条件如(4)式所示：
VALID:＝(SYNCH(1sec before)＝true&SYNCH(present)＝true&abs(E0)<EMAX) (4)
具体的，VALID的判决逻辑如下：
a.根据IRIG-B时钟同步标志位SYNCH，判断上一秒1PPS是否有效；
b.根据IRIG-B时钟同步标志位SYNCH，判断当前秒1PPS是否有效且当前计数偏差E0绝对值是否小于计数偏差设定的最大门限EMAX；
如果a和b两个条件同时满足则判定当前IRIG-B时钟质量有效VALID；则当前计数偏差E0有效，用当前计数偏差E0刷新下一秒的计数偏差值，即：E＝E0；
如果a和b两个条件不能同时满足，则IRIG-B时钟质量为其他值，则丢弃当前计数偏差E0，并保持前一周期的计数偏差，即：E＝E’；
2)时钟漂移补偿算法。
根据上述计算差值提取算法得到的当前计数偏差值E0的取值；进一步做计算时钟漂移TD(Time Drift)，TD的计算采用IIR滤波算法以保证得到的TD的可靠性和一致的时钟抖动，如(5)式所示：
TD0为开机初始值，定义为TD0＝0，开机后系统会根据实时的温度和频率变化修正TD(new)。
其中，TD(new)当前新计算的补偿值；TD(previous)上一时刻时间补偿值；GFILTER平滑滤波器增益因子，E0为当前参与计算的计数偏差值，CS为本地时钟源频率，k0当前的频率、温度、批次的补偿值，通过查表得到，为常熟值；k0＝t0·f0·p0，t0、f0、p0分别为温度、频率、批次的归一化补偿因子。

Claims (8)

1.一种IRIG-B守时时钟漂移补偿方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1，IRIG-B时钟系统通过检测外部时钟源输入的1pps秒脉冲的上升沿使能内部计数器，在外部时钟源输入的1pps脉宽内完成对本地时钟源的计数；
步骤2，将计数器的输出值和预设值之间做差得到当前计数偏差E0；
步骤3，根据如下步骤判断当前计数偏差E0的有效性和取值；
3.1根据IRIG-B信号质量的等级，通过判断IRIG-B时钟质量合格与否；
3.2如果检测到IRIG-B时钟质量不合格FAILURE，则复位下一秒补偿算法中的计数误差值为零，即：E＝0；
3.3如果检测到IRIG-B时钟质量合格VALID，进一步做如下判断；
a.根据IRIG-B时钟同步标志位SYNCH，判断上一秒1PPS是否有效；
b.根据IRIG-B时钟同步标志位SYNCH，判断当前秒1PPS是否有效，且当前计数偏差E0绝对值是否小于计数偏差设定的最大门限EMAX；
如果a和b两个条件同时满足则判定当前IRIG-B时钟质量有效VALID；则当前计数偏差E0有效，用当前计数偏差E0刷新下一秒的计数偏差值，即：E＝E0；
如果a和b两个条件不能同时满足，则IRIG-B时钟质量为有效VALID之外的其他值，则丢弃当前计数偏差E0，并保持前一周期的计数偏差，即：E＝E’；
步骤4，根据当前的温度、频率和本地时钟源的批次信息，以及步骤3中当前计数偏差E0的取值，通过如下公式得到本地时钟源每秒的时钟漂移补偿TD，对本地时钟源的输出时钟进行补偿，达到系统守时精度要求；
其中，TD(new)为当前新计算的补偿值；TD(previous)为上一时刻时间补偿值；GFILTER为平滑滤波器增益因子，E0为当前参与计算的计数偏差值，CS为本地时钟源频率，k0为当前的频率、温度、批次的补偿值。
2.根据权利要求1所述的一种IRIG-B守时时钟漂移补偿方法，其特征在于，步骤2中计数器的输出值为多次计数值的平均值；
k0为常数值通过查表得到；k0＝t0·f0·p0；t0、f0、p0分别为温度、频率、批次的归一化补偿因子。
3.一种IRIG-B守时时钟漂移补偿电路，其特征在于，包括，
输入端连接外部时钟源的1pps检测模块，用于检测是否有外部时钟输入；
输入端连接本地时钟源的计数器，计数器的使能端连接1pps检测模块的输出端；
依次连接在计数器输出端的时钟漂移差值提取模块和IRIG-B时间质量判决模块；所述的时钟漂移差值提取模块用于将计数器的输出值和预设值之间做差得到计数偏差；所述的IRIG-B时间质量判决模块，用于判断计数偏差的有效性并输出对应的IRIG-B时间质量位；IRIG-B时间质量判决模块的时钟信号输出端和IRIG-B时间质量位输出端分别连接到计时系统CPU；
以及连接在IRIG-B时间质量判决模块的时钟输出端和时钟漂移差值提取模块之间的时钟漂移差值补偿模块；时钟漂移差值补偿模块用于根据当前的温度、频率和本地时钟源的批次信息，得到本地时钟源每秒的时钟漂移补偿，对本地时钟源的输出时钟进行补偿，达到系统守时精度要求。
4.根据权利要求3所述的一种IRIG-B守时时钟漂移补偿电路，其特征在于，IRIG-B时间质量判决模块的时钟输出端通过数据选择器连接到计时系统CPU，数据选择器的另一输入端连接1pps检测模块输出的外部时钟信号；
当存在外部时钟信号时，数据选择器选择外部时钟输入到时钟系统CPU；
当不存在外部时钟信号，且IRIG-B时间质量位满足时钟系统要求时，数据选择器选择经时钟漂移补偿的本地时钟输入到时钟系统CPU。
5.根据权利要求3所述的一种IRIG-B守时时钟漂移补偿电路，其特征在于，还包括逻辑控制单元，时钟系统CPU通过逻辑控制单元分别于1pps检测模块、计数器和时钟漂移差值补偿模块进行交互；
逻辑控制单元用于根据时钟系统CPU的信号和1pps检测模块的输出，使能计数器并选择计数器的工作模式为锁相环模式或守时模式，并设定守时模式下计数器的预设值，控制时钟漂移差值补偿模块进行时钟漂移补偿。
6.根据权利要求3所述的一种IRIG-B守时时钟漂移补偿电路，其特征在于，时钟漂移差值补偿模块与存储在时钟系统内的温度补偿表、频率补偿表和批次补偿表交互。
7.根据权利要求3所述的一种IRIG-B守时时钟漂移补偿电路，其特征在于，本地时钟源采用64MHz的恒温晶振。
8.根据权利要求3所述的一种IRIG-B守时时钟漂移补偿电路，其特征在于，外部时钟源包括IRIG-B授时设备和用于对输入的外部时钟进行转换和调理的光电转换模块和信号调理模块。
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