CN202631981U - 煤矿用全电网精确同步授时与校时装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种煤矿用全电网精确同步授时与校时装置，其包括有用于提供PPS秒脉冲信号并得到系统时间的井上的GPS授时服务器与位于井下各子监控站的多个得到该系统时间后进行自动校时以维持精确的内部工作时钟的同步数据采集控制器，各同步数据采集控制器分别与该GPS授时服务器通过光纤以太网进行交互通信，各同步数据采集控制器与与FPGA数据采集模块通信，该同步数据采集控制器并将该FPGA数据采集模块采集处理的结果通过以太网传送到总服务器，该总服务器与上位机交互通信，该同步数据采集控制器通过总服务器接收该上位机的控制命令并执行。本实用新型的可以实现井下各子监控站维持一个全网同步的精确内部工作时钟的效果。
Description
技术领域
本实用新型有关一种同步授时与校时装置，特别是指一种用于煤矿供电系统的防越级跳闸中，用来实现各装置间同步工作的煤矿用全电网精确同步授时与校时装置。
背景技术
煤矿供电系统的防越级跳闸中，要实现高压电网的防越级跳闸技术，需要采集全电网数据，并且要求实时同步处理，电网采集的数据要求在同一时刻进行采样，并用硬件加速器进行高速实时分析和计算，所以要求必须实现全网数据在精确的同一时刻点进行采样，这样取得的数据对用电分析才有意义，实现井下各子监控站的各装置间同步工作。而目前的高压电网的防越级跳闸技术中不能实现全电网数据的同步采集与实时同步处理。由于子监控站各模块与授时服务器之间距离较远（达10km以上），为了保证全网高精度的时钟同步与维持，一方面要尽量减小传输过程中的延迟，采用高速的光纤以太网，高速光纤以太网交换机等，将传输延迟控制在亚微秒量级；另一方面采取一定的动态调整算法与协议，对同步时钟信号进行补偿和周期性校准，保证各模块采样时间的精确同步性。
发明内容
有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种能在同一时刻采集全电网数据，并能实时同步处理的煤矿用全电网精确同步授时与校时装置。
为达到上述目的，本实用新型提供一种煤矿用全电网精确同步授时与校时装置，其包括有用于提供PPS秒脉冲信号并得到系统时间的井上的GPS授时服务器与位于井下各子监控站的多个得到该系统时间后进行自动校时以维持精确的内部工作时钟的同步数据采集控制器，各同步数据采集控制器分别与该GPS授时服务器通过光纤以太网进行交互通信，各同步数据采集控制器与与FPGA数据采集模块通信，该同步数据采集控制器并将该FPGA数据采集模块采集处理的结果通过以太网传送到总服务器，该总服务器与上位机交互通信，该同步数据采集控制器通过总服务器接收该上位机的控制命令并执行。
所述GPS授时服务器包括有对网络数据进行处理、实现时钟信号精确同步的井上本地处理模块、对所述GPS授时服务器的参数进行配置的井上管理配置模块、生成授时广播数据包，并将该数据包下发到各所述同步数据采集控制器上的井上网络处理模块及提供工作电源的井上电源管理模块，其中该井上管理配置模块、井上网络处理模块分别与该井上本地处理模块进行交互通信，该井上电源管理模块与该井上本地处理模块连接。
所述井上本地处理模块采用ARM Cortex内核处理器。
每一所述同步数据采集控制器包括有用于授时同步交互和数据采集交互的井下本地处理模块、对所述GPS授时服务器的参数进行配置的井下管理配置模块、实现数据的以太网的通信任务、并通过高速的以太网总线传输数据包的井下网络处理模块及提供工作电源的井下电源管理模块，该井下管理配置模块与井下网络处理模块分别与该井下本地处理模块交互通信，该井下电源管理模块与该井下本地处理模块连接。
所述井下本地处理模块采用双芯片架构，所述井下本地处理模块包括分别负责授时同步交互的ARM Cortex处理器与数据采集交互的ARM7处理器，两处理器之间配备高速总线接口交互通信，该ARM Cortex处理器与ARM7处理器均与所述井下管理配置模块及井下网络处理模块交互通信。
所述ARM Cortex处理器与所述井上网络处理模块进行交互，通过光纤以太网接收同步时钟信号。
所述ARM7处理器与所述FPGA数据采集模块进行交互，控制数据采样和处理的整个流程，同时所述ARM7处理器通过以太网与上层的所述总服务器进行通信。
所述光纤以太网的带宽为1000M。
本实用新型的GPS授时服务器的主要功能是通过GPS模块提供的精确PPS秒脉冲信号（精确到30ns），得到一个精确的系统时间，并将该时刻通过以太网发送到矿下的各子监控站，各子监控站的同步数据采集控制器得到该时刻后，通过协议进行自动时延校准，周期校时后，能维持一个全网同步的精确内部工作时钟。
附图说明
图1为本实用新型煤矿用全电网精确同步授时与校时装置的结构原理框图；
图2为本实用新型中的GPS授时服务器的结构原理框图；
图3为本实用新型中的同步数据采集控制器的结构原理框图。
具体实施方式
为便于对本实用新型的结构及达到的效果有进一步的了解，现配合附图并举较佳实施例详细说明如下。
如图1所示，本实用新型的煤矿用全电网精确同步授时与校时装置包括有井上的GPS授时服务器1与位于井下各子监控站的多个同步数据采集控制器2；GPS授时服务器1的主要功能是通过GPS模块提供的精确PPS（pulses per second，脉冲/秒）秒脉冲信号，得到一个精确的系统时间，并将该时刻通过以太网发送到矿下的各子监控站，各子监控站的同步数据采集控制器2得到该系统时间后，进行一次自动校时，以维持一个精确的内部工作时钟；各同步数据采集控制器2主要功能是分别与GPS授时服务器1交互，维持一个精确的同步时钟，同步数据采集控制器2与FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）数据采集模块3通信，控制数据采集和处理的过程，并将FPGA数据采集模块3采集处理的结果通过以太网传送到总服务器4，解析总服务器4下发的命令，并控制FPGA进行执行。
如图2所示，本实用新型中的GPS授时服务器1主要包括井上本地处理模块10、GPS授时模块11、井上管理配置模块12、井上网络处理模块13及井上电源管理模块14，其中GPS授时模块11、井上管理配置模块12、井上网络处理模块13分别与井上本地处理模块10进行交互通信，其中：
GPS授时模块11：在本实用新型中，高精度时钟源是实现整个系统的关键，采取从全球定位系统（GPS）中提取高精度时钟源的方式，作为整个系统的同步基准时钟，高精度的GPS授时模块通过高增益的专用授时蘑菇头天线，对空中的GPS信号进行解析，在信号较弱的环境下都能进行可靠的定位与授时，输出一个高精度的PPS秒脉冲信号（20ns RMS），以及相应的时间、位置信息，同时通过串口提供标准UTC（Universal Time Coordinated，通用协调时）时间信息，作为高精度GPS时间同步的基准；
井上管理配置模块12：通过该模块能对GPS授时服务器1的相关参数（如IP地址，端口号，传输协议等）进行配置，并可对远端的网络处理节点进行管理；
井上本地处理模块10：本地处理采用高性能ARM Cortex内核处理器，能实时的对网络数据进行处理，并对GPS时间信息进行解析，配合高精度的PPS秒脉冲信号，采用时钟同步补偿算法，实现时钟信号的精确同步；井上本地处理模块采用高性能的ARM Cortex内核处理器，提供了一个高性价比的平台，同时预留足够的运算量以备升级；
井上网络处理模块13：该模块实现数据的以太网的通信任务，能通过高速的以太网总线传输数据包。TCP/IP协议栈开销比较大，如采用软件实现，会占用很大的系统资源，因此为了保证GPS授时处理的实时性，系统设计过程中，采用专用芯片（如芯片W5300）对网络数据进行处理，生成授时广播数据包，并将数据包下发到各同步数据采集控制器2上；
井上电源管理模块14：其与井上本地处理模块10连接，为系统提供工作的电源，GPS授时模块11采用+5V供电，剩余部分采用3.3V供电。
如图3所示，本实用新型中的同步数据采集控制器2主要包括井下本地处理模块、井下管理配置模块21、井下网络处理模块22及井下电源管理模块23，其中：
井下本地处理模块：采用双芯片架构，包括ARM Cortex处理器与ARM7处理器，分别负责授时同步和数据采集交互，双芯片之间配备高速总线接口交互通信，提高双芯片的协同度，保证系统的实时性，其中ARM Cortex处理器与ARM7处理器均连接有交互通信的井下管理配置模块与井下网络处理模块；
井下管理配置模块21：通过该模块能对GPS授时服务器1的相关参数（如IP地址，端口号，传输协议等）进行配置，并可对远端的网络处理节点进行管理；
井下网络处理模块22：该模块实现数据的以太网的通信任务，能通过高速的以太网总线传输数据包。TCP/IP协议栈开销比较大，如采用软件实现，会占用较大的系统资源，因此为了保证GPS授时处理的实时性，系统设计过程中，采用专用的芯片（如芯片W5300）对于网络数据信息进行采集和处理；
井下电源管理模块23：其与井下本地处理模块连接，提供系统工作的电源，ARM Cortex处理器与ARM7处理器采用3.3V供电。
ARM Cortex处理器与GPS授时服务器的井上网络处理模块13进行交互，通过光纤以太网接收精确的同步时钟信号，然后对本地时钟进行周期性校准，完成系统的时钟同步工作；ARM7处理器一方面与FPGA数据采集模块3进行交互，控制数据采样和处理的整个流程，另一方面通过以太网与上层的总服务器4进行通信，将采样的数据传输到与总服务器4交互通信的上位机5，并从上位机5接收控制命令并执行。本实用新型中双核之间通过高速的通信接口交换数据，这种双核架构从硬件上提高系统处理的并行度，充分保证GPS授时的精度；且这种分布式处理方式降低了对每个芯片处理能力的需求，系统的硬件成本也随之降低。多芯片方案相当于把系统分为几个比较独立的模块，削弱了系统各功能之间的耦合度，降低了系统实现的难度，缩减了开发周期。
本实用新型为了防止GPS信号受外界环境影响而失效，对GPS授时采用热备份方案，当一路信号失效时，立即切换到另一路信号上进行同步授时。
要达到实时精确测量的目的，一是要在统一时间基准下进行同步测量，二是要有足够的精度。对于50Hz的工频量而言，1ms的同步误差即可产生18°的相位误差;要保证相位误差为1°，就必须要求同步精度不超过55μs。由此可见，若以GPS时间为基准对各电站所电压电流进行同步测量，则能完全满足要求。本实用新型的GPS授时模块授时精度可达到亚微秒级，即精度≤1μs。这一同步测量过程可通过基于GPS授时的同步采样技术和离散快速傅氏变换(FFT)算法来完成。
而GPS授时需要通过以太网实现，所以就必须使用1000M光纤以太网，光纤以太网速度快，传输延时及其微小；光电转换装置也是采用硬件进行光电转换，光电转换延时同样是亚微秒级。综上所述，本实用新型的GPS网络授时装置每个环节的传输转换延时相加的总延时在1μs以内。高精度的GPS网络对防越级跳闸系统的实现打下了坚实的基础。
本实用新型中的各模块为市售产品，在此不做赘述。
以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。
Claims (1)
1.一种煤矿用全电网精确同步授时与校时装置，其特征在于，其包括有用于提供PPS秒脉冲信号并得到系统时间的井上的GPS授时服务器与位于井下各子监控站的多个得到该系统时间后进行自动校时以维持精确的内部工作时钟的同步数据采集控制器，各同步数据采集控制器分别与该GPS授时服务器通过光纤以太网进行交互通信，各同步数据采集控制器与与FPGA数据采集模块通信，该同步数据采集控制器并将该FPGA数据采集模块采集处理的结果通过以太网传送到总服务器，该总服务器与上位机交互通信，该同步数据采集控制器通过总服务器接收该上位机的控制命令并执行。
2、如权利要求1所述的煤矿用全电网精确同步授时与校时装置，其特征在于，所述GPS授时服务器包括有对网络数据进行处理、实现时钟信号精确同步的井上本地处理模块、对所述GPS授时服务器的参数进行配置的井上管理配置模块、生成授时广播数据包，并将该数据包下发到各所述同步数据采集控制器上的井上网络处理模块及提供工作电源的井上电源管理模块，其中该井上管理配置模块、井上网络处理模块分别与该井上本地处理模块进行交互通信，该井上电源管理模块与该井上本地处理模块连接。
3、如权利要求2所述的煤矿用全电网精确同步授时与校时装置，其特征在于，所述井上本地处理模块采用ARM Cortex内核处理器。
4、如权利要求2所述的煤矿用全电网精确同步授时与校时装置，其特征在于，每一所述同步数据采集控制器包括有用于授时同步交互和数据采集交互的井下本地处理模块、对所述GPS授时服务器的参数进行配置的井下管理配置模块、实现数据的以太网的通信任务、并通过高速的以太网总线传输数据包的井下网络处理模块及提供工作电源的井下电源管理模块，该井下管理配置模块与井下网络处理模块分别与该井下本地处理模块交互通信，该井下电源管理模块与该井下本地处理模块连接。
5、如权利要求4所述的煤矿用全电网精确同步授时与校时装置，其特征在于，所述井下本地处理模块采用双芯片架构，所述井下本地处理模块包括分别负责授时同步交互的ARM Cortex处理器与数据采集交互的ARM7处理器，两处理器之间配备高速总线接口交互通信，该ARM Cortex处理器与ARM7处理器均与所述井下管理配置模块及井下网络处理模块交互通信。
6、如权利要求5所述的煤矿用全电网精确同步授时与校时装置，其特征在于，所述ARM Cortex处理器与所述井上网络处理模块进行交互，通过光纤以太网接收同步时钟信号。
7、如权利要求5所述的煤矿用全电网精确同步授时与校时装置，其特征在于，所述ARM7处理器与所述FPGA数据采集模块进行交互，控制数据采样和处理的整个流程，同时所述ARM7处理器通过以太网与上层的所述总服务器进行通信。
8、如权利要求1所述的煤矿用全电网精确同步授时与校时装置，其特征在于，所述光纤以太网的带宽为1000M。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Free format text: FORMER OWNER: WANG JINHONG WANG NIANBIN ZHANG BO HUO PENGZHU YAN LIJING Effective date: 20130506 Owner name: BEIJING MINE ENERGY TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: ZHANG ZUOLONG Effective date: 20130506 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 045000 YANGQUAN, SHAANXI PROVINCE TO: 100085 HAIDIAN, BEIJING |
|
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20130506 Address after: 100085 Beijing city Haidian District xi'erqi Street No. 12 Keyuan Ming building room 402 Patentee after: Beijing Kuangneng Technology Co., Ltd. Address before: 045000, Yangquan District, Shanxi Province, Yucai Road Dongshan District 4, Shanxi Yangquan Wanke Electrical Appliance Co., Ltd. Patentee before: Zhang Zuolong Patentee before: Wang Jinhong Patentee before: Wang Nianbin Patentee before: Zhang Bo Patentee before: Huo Pengzhu Patentee before: Yan Lijing |
|
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20121226 Termination date: 20130329 |