CN113391544A

CN113391544A - 一种基于北斗gps的对时系统校验装置及方法

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Publication number: CN113391544A
Application number: CN202110512740.3A
Authority: CN
Inventors: 周开运; 童大中; 丁昊; 高泓; 韩磊; 吴卫春; 祝丽娟
Original assignee: Huzhou Power Supply Co of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Current assignee: Huzhou Power Supply Co of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Priority date: 2021-05-11
Filing date: 2021-05-11
Publication date: 2021-09-14

Abstract

本发明公开了一种基于北斗GPS的对时系统校验装置及方法，克服了现有技术的无同步时钟源设备导致的变电站对时系统故障消缺成功率低的问题，包括北斗GPS定位授时模块，B码接收、发送及光电转换模块，液晶显示模块，锂电池充电及升压供电模块，四个模块之间相互连接，本发明北斗GPS授时性能测试、对时输入信号校验测试、对时信号输出测试，计算授时成功率和校验成功率，本发明授时成功率达到100%，授时性能优秀，能够满足变电站授时性能要求；消缺成功率显著提高。

Description

一种基于北斗GPS的对时系统校验装置及方法

技术领域

本发明涉及电网技术领域，尤其是涉及一种基于北斗GPS的对时系统校验装置及方法。

背景技术

电网系统是时间相关的系统，对于电网的运行和事故系统性分析需要有断路器、保护装置动作，各种事件发生的时间序列，而提供时间序列的变电站对时系统是必不可少的。目前国网湖州供电公司管辖的135座变电站，其中220kV变电站22座，110kV变电站91座，35kV变电站22座，每座变电站均配置了变电站对时系统。

变电站对时系统非常重要，为故障录波器、继电保护装置、测控装置、后台监控系统等设备进行对时，使其基于统一的时间基准运行，以满足故障录波、实时数据采集时间一致性、时间顺序记录（SOE）等要求，才能对各类事件的过程和原因进行准确分析。

在智能变电站中，对变电站对时系统的要求对时精度小于1us，对时系统的重要性也愈加突出。当合并单元级联时，各个合并单元接收相同时间同步装置的对时信号，对时系统异常将造成合并单元同步异常告警的紧急缺陷。而对于线路纵联差动保护和母线差动保护来说，若某一个合并单元对时异常，甚至有可能导致保护误动作。目前，2019年9月至2020年2月期间，变电二次班处理变电站对时系统故障消缺情况，对时系统故障消缺成功率为22%，变电检修中心考虑到班组对于提高工作效率的要求，规定变电站对时系统故障消缺成功率不得低于60%。因没有专门的对时系统故障校验工具，出现“二次设备接收模块故障”、“同步时钟装置发送模块故障”和“对时通道回路故障”时，故障点难以定位，导致消缺不成功，占未成功消缺次数的比例为41.03%。

发明内容

本发明是为了克服现有技术的无同步时钟源设备导致的变电站对时系统故障消缺成功率低的问题，提供一种基于北斗GPS的对时系统校验装置及方法，授时成功率达到100%，授时性能优秀，满足变电站授时性能要求。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于北斗GPS的对时系统校验装置，包括北斗GPS定位授时模块，B码接收、发送及光电转换模块，液晶显示模块，锂电池充电及升压供电模块，四个模块之间相互连接。

作为优选，北斗GPS定位授时模块包括电阻R1、定位授时芯片U1、发光二极管LED、电阻R2、电阻R3、电阻R4、二极管D1、升压芯片U2、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电池BAT和插座P1，电源VCC3.3V 分别与电阻R1一端、二极管D1正极、电容C3一端、电容C3一端、定位授时芯片U1的VCC端和降压芯片U2输出端连接，电阻R1另一端与发光二极管LED正极连接，发光二极管LED负极与定位授时芯片U1的IPPS端连接，二极管D1负极与电阻R2一端连接，电阻R2一端分别与电池BAT正极和定位授时芯片U1的V_BCKP端连接，定位授时芯片U1的RXD端通过电阻R3与插座P1第二引脚连接，定位授时芯片U1的TXD端通过电阻R4与插座P1第三引脚连接，电源VCC分别与插座P1第五引脚、电容C2一端、降压芯片U2输入单和降压芯片U2使能端连接，电容C2另一端接地，降压芯片U2的BP端通过电容C5接地，电容C3另一端、电容C4另一端接地。

作为优选，所述B码接收、发送及光电转换模块包括用于输入B码和PPS码的码输入模块、用于生成B码和PPS码的码生成模块、B码输出模块和PPS码输出模块，还包括电阻R11和电阻R12；

所述码输入模块包括电阻R371、电阻R372、光耦B351、B码输入端IRIG_B和PPS码输入端PPS，电源VCC分别与电阻R371一端、电阻R372一端和光耦B351第八引脚连接，电阻R371另一端与光耦B351第一引脚连接，B码输入端IRIG_B与光耦B351第二引脚连接，电阻R371另一端与光耦B351第四引脚连接，PPS码输入端PPS与光耦B351第三引脚连接；

所述码生成模块包括数模转换器D306、电阻R300、电阻R301、电容C64、电容C65、运算放大器ADS601、电容C71、三极管Q301、电容C72、电阻R303、电阻R304、电阻R305、电容C73和变压器T300；电源VCC与数模转换器D306的VDD端连接，数模转换器的D306的输出端与电阻R300一端连接，电阻R300另一端分别与电阻R301一端和电容C64一端连接，电阻R301另一端分别与电容C65一端和运算放大器ADS601正向输入端连接，运算放大器ADS601反向输入端分别与运算放大器ADS601输出端和电容C71一端连接，电容C71另一端分别与三极管Q301基极、电阻R303一端和电阻R304一端连接，电阻R303另一端分别与电容C72一端和电源VDDA1连接，电阻C304另一端分别与电阻R305一端和电容C73一端连接，三极管Q301发射极分别与电阻R305另一端和电容C73另一端连接，三极管Q301集电极与变压器T300连接；

B码输出模块包括型号为MAX3085的芯片D350、电阻R201、B码正向输出端IRIG_B_OUT+和B码负向输出端IRIG_B_OUT-；

PPS码输出模块包括型号为MAX3085的芯片D351、电阻R202、PPS码正向输出端PPS_OUT+和PPS码负向输出端PPS_OUT-；

电源Vcc分别与电阻R11一端、电阻R12一端、芯片D350的RE端、芯片D350的DE端、芯片D351的RE端和芯片D351的DE端连接，芯片D350的TXD端分别与电阻R11另一端和光耦B351第七引脚连接，芯片D351的TXD端分别与电阻R12另一端和光耦B351的第六引脚连接，B码正向输出端IRIG_B_OUT+分别与电阻R201一端和芯片D350的485+端连接，电阻R201另一端分别与B码负向输出端IRIG_B_OUT-和芯片D350的485-端连接，PPS码正向输出端PPS_OUT+分别与电阻R202一端和芯片D351的485+端连接，电阻R202另一端分别与PPS码负向输出端PPS_OUT-和芯片D351的485-端连接。

作为优选，所述液晶显示模块采用2x16字符的1602LCD液晶面板。

作为优选，所述锂电池充电及升压供电模块基于5V电压，采用T4056芯片。

一种基于北斗GPS的对时系统校验方法，包括以下步骤：

S1、北斗GPS授时性能测试；

S2、对时输入信号校验测试；

S3、对时信号输出测试。

作为优选，所述S1包括以下内容：选择5个位置偏僻的变电站，在每个变电站继保室窗户外放置天线接收头，测试是否能成功接收北斗GPS授时信号及能锁定的北斗GPS卫星数量，每个变电站开机测试10次，在各个变电站均能搜索到足够多数量的卫星，接收授时信号，计算授时成功率。

作为优选，所述S2包括以下内容：分别将合格和不合格的光IRIG-B码、电IRIG-B码、PPS脉，冲对时信号输入至相应接口，每种对时信号测试10次，观察输入信号LED灯的状态是否正确，校验光IRIG-B码、电IRIG-B码、PPS脉冲对时信号，计算校验正确率。

作为优选，所述S3包括以下内容：分别发送光IRIG-B码、电IRIG-B码、PPS脉冲、SNTP网络报文4种格式的对时信号到相应的保护测控装置，验证是否能为各装置提供合格的对时信号，每种对时信号测试10次。

因此，本发明具有如下有益效果：

1.本发明授时成功率达到100%，授时性能优秀，能够满足变电站授时性能要求；

2.装置能够对输入的光IRIG-B码、电IRIG-B码、PPS脉冲对时信号进行校验，校验正确率100%，满足变电站各种对时方式下的对时信号校验要求；

3. 能够发送合格的光IRIG-B码、电IRIG-B码、PPS脉冲、SNTP网络报文4种格式的对时信号，可满足变电站各种对时方式下的对时输出信号需求；

4.消缺成功率从22%提升到75%。

附图说明

图1是本实施例的结构框图。

图2是本实施例北斗GPS定位授时模块的电路图。

图3是本实施例B码接收、发送及光电转换模块的电路图。

图4是本实施例的流程图。

图中：1、北斗GPS定位授时模块 2、B码接收、发送及光电转换模块 21、码输入模块 22、码生成模块 23、B码输出模块 24、PPS码输出模块 3、液晶显示模块 4、锂电池充电及升压供电模块。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

实施例：

本实施例提供了一种基于北斗GPS的对时系统校验装置，如图1包括相互连接的北斗定位授时模块1、B码接收、发送及光电转换模块2、液晶显示模块3和液晶显示模块4。

如图2所示，北斗GPS定位授时模块1包括电阻R1、定位授时芯片U1、发光二极管LED、电阻R2、电阻R3、电阻R4、二极管D1、升压芯片U2、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电池BAT和插座P1，电源VCC3.3V 分别与电阻R1一端、二极管D1正极、电容C3一端、电容C3一端、定位授时芯片U1的VCC端和降压芯片U2输出端连接，电阻R1另一端与发光二极管LED正极连接，发光二极管LED负极与定位授时芯片U1的IPPS端连接，二极管D1负极与电阻R2一端连接，电阻R2一端分别与电池BAT正极和定位授时芯片U1的V_BCKP端连接，定位授时芯片U1的RXD端通过电阻R3与插座P1第二引脚连接，定位授时芯片U1的TXD端通过电阻R4与插座P1第三引脚连接，电源VCC分别与插座P1第五引脚、电容C2一端、降压芯片U2输入单和降压芯片U2使能端连接，电容C2另一端接地，降压芯片U2的BP端通过电容C5接地，电容C3另一端、电容C4另一端接地。

如图3所示，B码接收、发送及光电转换模块2包括用于输入B码和PPS码的码输入模块21、用于生成B码和PPS码的码生成模块22、B码输出模块23和PPS码输出模块24，还包括电阻R11和电阻R12；

码接收模块接收北斗GPS双模卫星信号作为外部参考信号，使用外部时间频率信号对本模块进行时间频率同步，采用STM32F4单片机，完成时间信号的采集、解调和发生，产生IRIG-B码信号，1PPS同步脉冲信号。

通过几个模块之间的合作，装置已经具备B码信号的输入检测，输出测试功能。

液晶显示模块3主要用于时间的显示，可以很直观的看到当前时钟源采集到的时间，而在进行测试的时候，也可以显示此时装置输出的时间，便于查看被测试装置的对时是否与装置输出保持一致，可以判断现场的问题所在。因为不需要太多的信息显示，选用最简单的2x16字符的1602LCD液晶面板足够显示，面板将显示时间包含年月日时分秒和锁定到的卫星数。

时间和卫星数的获取，是通过GPS/北斗模块和B码解码采集而来，其中对时模块采用标准的NMEA-0183 协议，该协议采用ASCII 码来传递GPS 定位信息，处理CPU采集模块的报文进行液晶面板显示处理，液晶面板同时处理B码解码模块解析的时间。

锂电池充电及升压供电模块4基于5V电压定制，方便为内置电池模块进行整合处理。为了该设备方便现场使用，设计增加锂电池和充放电模块。

该模块采用10000mAh聚合物锂电池，具有体积小容量大内阻小等优点，为设备长时间工作提供强劲动力。

充电及升压供电模块采用成熟的T4056芯片方案，贴片工艺，具有如下功能：

1)锂电池充电；2)锂电池保护（短路、过压、欠压）；3)升压输出5v可选；4)配备通用DC5.5充电接口，直接DC5V输入给锂电池充电；5)两色LED指示充电状态，充满绿灯常亮，自动停止充电；6)UPS停电不间断供电功能：当电源有电时，直接由电源经由升压电路给负载供电，一旦电源断电，自动启动电池通路经由升压电路给负载供电，电源来电后，恢复由电源给负载供电同时也给电池充电。

该模块具备UPS功能，保证设备不会断电，不影响现场检修调试。成品图如下，体积小巧，方便集成。

如图4所示，本实施例还提供了一种基于北斗GPS的对时系统校验方法，包括以下步骤：

S1、北斗GPS授时性能测试；

S2、对时输入信号校验测试；

S3、对时信号输出测试。

本发明授时成功率达到100%，授时性能优秀，能够满足变电站授时性能要求；装置能够对输入的光IRIG-B码、电IRIG-B码、PPS脉冲对时信号进行校验，校验正确率100%，满足变电站各种对时方式下的对时信号校验要求；能够发送合格的光IRIG-B码、电IRIG-B码、PPS脉冲、SNTP网络报文4种格式的对时信号，可满足变电站各种对时方式下的对时输出信号需求；消缺成功率从22%提升到75%。

上述实施例对本发明的具体描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，本领域的技术工程师根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整均落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于北斗GPS的对时系统校验装置，其特征是，包括北斗GPS定位授时模块，B码接收、发送及光电转换模块，液晶显示模块，锂电池充电及升压供电模块，四个模块之间相互连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于北斗GPS的对时系统校验装置，其特征是，北斗GPS定位授时模块包括电阻R1、定位授时芯片U1、发光二极管LED、电阻R2、电阻R3、电阻R4、二极管D1、升压芯片U2、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电池BAT和插座P1，电源VCC3.3V 分别与电阻R1一端、二极管D1正极、电容C3一端、电容C3一端、定位授时芯片U1的VCC端和降压芯片U2输出端连接，电阻R1另一端与发光二极管LED正极连接，发光二极管LED负极与定位授时芯片U1的IPPS端连接，二极管D1负极与电阻R2一端连接，电阻R2一端分别与电池BAT正极和定位授时芯片U1的V_BCKP端连接，定位授时芯片U1的RXD端通过电阻R3与插座P1第二引脚连接，定位授时芯片U1的TXD端通过电阻R4与插座P1第三引脚连接，电源VCC分别与插座P1第五引脚、电容C2一端、降压芯片U2输入单和降压芯片U2使能端连接，电容C2另一端接地，降压芯片U2的BP端通过电容C5接地，电容C3另一端、电容C4另一端接地。

3.根据权利要求1所述的一种基于北斗GPS的对时系统校验装置，其特征是，所述B码接收、发送及光电转换模块包括用于输入B码和PPS码的码输入模块、用于生成B码和PPS码的码生成模块、B码输出模块和PPS码输出模块，还包括电阻R11和电阻R12；

4.根据权利要求1所述的一种基于北斗GPS的对时系统校验装置，其特征是，所述液晶显示模块采用2x16字符的1602LCD液晶面板。

5.根据权利要求1所述的一种基于北斗GPS的对时系统校验装置，其特征是，所述锂电池充电及升压供电模块基于5V电压，采用T4056芯片。

6.一种基于北斗GPS的对时系统校验方法，采用权利要求1-5任意一项所述的对时系统校验装置，其特征是，包括以下步骤：

S1、北斗GPS授时性能测试；

S2、对时输入信号校验测试；

S3、对时信号输出测试。

7.根据权利要求6所述的一种基于北斗GPS的对时系统校验方法，其特征是，所述S1包括以下内容：选择5个位置偏僻的变电站，在每个变电站继保室窗户外放置天线接收头，测试是否能成功接收北斗GPS授时信号及能锁定的北斗GPS卫星数量，每个变电站开机测试10次，在各个变电站均能搜索到足够多数量的卫星，接收授时信号，计算授时成功率。

8.根据权利要求6所述的一种基于北斗GPS的对时系统校验方法，其特征是，所述S2包括以下内容：分别将合格和不合格的光IRIG-B码、电IRIG-B码、PPS脉，冲对时信号输入至相应接口，每种对时信号测试10次，观察输入信号LED灯的状态是否正确，校验光IRIG-B码、电IRIG-B码、PPS脉冲对时信号，计算校验正确率。

9.根据权利要求6所述的一种基于北斗GPS的对时系统校验方法，其特征是，所述S3包括以下内容：分别发送光IRIG-B码、电IRIG-B码、PPS脉冲、SNTP网络报文4种格式的对时信号到相应的保护测控装置，验证是否能为各装置提供合格的对时信号，每种对时信号测试10次。