CN207939521U - 一种面向数字化变电站调试的时钟同步装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种面向数字化变电站调试的时钟同步装置，包括输入端模块、FPGA主控模块和输出端模块，输入端模块接收NTP时钟同步报文、GPS同步报文，并生成时钟源信号，FPGA主控模块根据GPS同步报文和时钟源信号完成同步，对本地时间进行更新，根据NTP时钟同步报文进行NTP同步，生成IRIG‑B码同步报文、串行的时钟同步报文、硬脉冲同步信号进行同步。本发明基于FPGA实现，可以有效提高时钟系统的可靠性与精度。

Description

一种面向数字化变电站调试的时钟同步装置

技术领域

本实用新型属于数字化变电站技术领域，更为具体地讲，涉及一种面向数字化变电站调试的时钟同步装置。

背景技术

数字化变电站作为整个电力系统的能量枢纽，对国家电网安全可靠运行起着举足轻重的作用。随着国家电网的规模不断壮大、智能化和自动化程度越来越高，变电站的规模和结构也变得日益庞大和复杂。特别是近年来，新的理论、技术和智能电子设备不断涌入变电站的建设中，而这些智能电子设备的正常工作均需要一个精确可靠的参考时钟源，时钟同步装置对数字化变电站的调试显得尤其重要。

一个数字化变电站的时钟同步装置通常由电厂调度中心、主时钟装置、继电保护装置、本地控制单元(LCU)、配电装置、故障录波器、监控室、数据库服务器、工作站、通讯服务器、远程抄表系统等组成。其中主时钟装置一般通过GPS接收机获取时间源，数据库服务器、工作站、通讯服务器和远程抄表系统通常采用NTP(Network Time Protocol，网络时间协议)网络对时方式，本地控制单元(LCU)一般根据现场实际情况选择IRIG-B码(一种时间标准码)或者NTP网络对时方式。保护装置包括母线、线路、变压器等保护装置。通常采用硬脉冲对时的方式。然而采用硬脉冲对时的缺点就是传递的时间信息匮乏，现场工作人员需要手动设置时间，限制了系统的自动化和智能化程度。有些变电站由于当时技术水平的限制，时钟同步技术的精度没有达到要求，而没有把保护室内各装置与调度中心进行同步，从而造成保护、测控信号缺乏统一的时标，而影响工作人员分析、处理事件等工作。

在我国电力系统中，通常使用GPS作为同步时钟源，利用串口报文以及硬脉冲对时同步站控层的服务器，站内的本地控制单元和远程抄表系统等装置则通过NTP或者SNTP(Simple Network Time protocol，简单网络时间协议)网络对时方法进行同步。

2005年08月，在山东电网广域实时动态监测系统中，首先利用国产“北斗一号”卫星导航系统为PMU提供备用授时信号，采用北斗系统授时信号和GPS授时信号构成双备份授时方案，从而保证在非常时期电网的正常工作。由于该系统花费较高，而无法得到广泛应用。

随着电力系统的智能化、自动化程度越来越高，以及新兴技术和电子设备在电力系统得到广泛应用，硬脉冲、串口报文、传统NTP网络时钟协议等时钟同步技术已经很难满足新电子设备的对时钟精度要求，数字化变电站调试需要一种同步精度更高、可靠性更强的时钟同步装置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种面向数字化变电站调试的时钟同步装置，提高时钟系统的可靠性与精度。

为实现上述目的，本实用新型面向数字化变电站调试的时钟同步装置，包括输入端模块、FPGA主控模块和输出端模块，其中：

输入端模块包括NTP报文接收电路、GPS报文接收电路、晶振，其中NTP报文接收电路用于接收NTP时钟同步报文，发送给FPGA主控模块中的NTP报文解析模块；GPS报文接收电路用于接收外部GPS卫星的GPS同步报文，转发至FPGA主控模块中的GPS报文解析模块；晶振用于生成时钟源信号，发送给FPGA主控模块的本地时钟控制模块；

FPGA主控模块包括NTP报文解析模块，NTP报文过滤模块，时钟修正模块，GPS报文解析模块，本地时钟控制模块，NTP报文封装模块，IRIG-B码编码模块，串口报文封装模块，硬脉冲产生模块；其中：

NTP报文解析模块用于从NTP时钟同步报文中提取MAC目的地址、报文类型、UDP端口号和时间戳，发送给NTP报文过滤模块；

NTP报文过滤模块用于接收NTP时钟同步报文的MAC目的地址、报文类型、UDP端口号和时间戳，筛选出发送给本装置的NTP报文的信息并发送给时间修正模块；

时钟修正模块用于接收NTP时钟同步报文的信息，当收到的是NTP对时响应报文，则根据NTP对时响应报文对本地时钟进行修正，当收到的是NTP对时请求报文，直接将其发送给本地时间控制模块；

GPS报文解析模块用于接收GPS同步报文，解析得到GPS时间信息，发送给本地时间控制模块；

本地时间控制模块用于完成NTP对时请求报文或者NTP对时响应报文的编码工作，主时钟装置的本地时间控制模块根据从晶振接收到的时钟源信号与从GPS报文解析模块接收到的CPS时间信息进行同步，将CPS时间信息更新到本地时间，在接收到NTP对时请求报文后，标记请求报文的到达时间戳，然后再根据NTP的协议规则产生标准的NTP对时响应报文，发送给NTP报文封装模块；而从时钟装置的本地时间控制模块直接生成NTP对时请求报文，发送给NTP报文封装模块；

NTP报文封装模块用于从本地时间控制模块接收NTP对时请求报文或者NTP对时响应报文，封装得到NTP时钟同步报文后发送给输出端模块中的NTP报文发送电路；

IRIG-B码编码模块用于从本地时间控制模块中读取本地时间，生成IRIG-B码同步报文，发送给输出端的IRIG-B码发送电路；

串口报文封装模块用于从本地时间控制模块中读取本地时间，封装得到串行的时钟同步报文，发送给输出端模块的RS-232接口；

硬脉冲产生模块用于从本地时间控制模块中读取本地时间，生成硬脉冲同步信号，发送给输出端模块的SMA接口；

输出端包括NTP报文发送电路、IRIG-B码发送电路、RS-232接口和SMA接口，其中NTP报文发送电路用于发送NTP时钟同步报文，IRIG-B码发送电路用于发送IRIG-B码同步报文，RS-232接口用于发送串行的时钟同步报文，SMA接口用于发送硬脉冲同步信号。

本实用新型面向数字化变电站调试的时钟同步装置，包括输入端模块、FPGA主控模块和输出端模块，输入端模块接收NTP时钟同步报文、GPS同步报文，并生成时钟源信号，FPGA主控模块根据GPS同步报文和时钟源信号完成同步，对本地时间进行更新，根据NTP时钟同步报文进行NTP同步，生成IRIG-B码同步报文、串行的时钟同步报文、硬脉冲同步信号进行同步。本发明基于FPGA实现，可以有效提高时钟系统的可靠性与精度。

附图说明

图1是本实用新型面向数字化变电站调试的时钟同步装置的具体实施方式结构图；

图2是监控站层时钟同步的示意图；

图3是站内层时钟同步的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本实用新型。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本实用新型的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是本实用新型面向数字化变电站调试的时钟同步装置的具体实施方式结构图。在本实施例中，如图1所示，本实用新型面向数字化变电站调试的时钟同步装置分为三大部分：输入端模块1、FPGA主控模块2和输出端模块3，下面分别对各个部分的具体模块进行详细说明。

输入端包括NTP报文接收电路11、GPS报文接收电路12、晶振13，其中NTP报文接收电路11用于通过RJ-45接口接收NTP时钟同步报文，然后发送给FPGA主控模块2中的NTP报文解析模块21。GPS报文接收电路12用于接收外部GPS卫星的GPS同步报文，转发至FPGA主控模块2中的GPS报文解析模块24。晶振13用于生成时钟源信号，发送给FPGA主控模块的本地时钟控制模块25。

本实用新型中采用FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)作为主控模块，其功能包括GPS报文的解析并更新本地时间、硬件时间戳标记、NTP报文解析和封装、NTP算法处理和时钟修正、IRIG-B码编码、串口报文封装、硬脉冲产生。本实施例中选择了Cyclone II FPGA芯片系列芯片中的EP2C20Q240C8芯片作为FPGA主控模块2。

FPGA主控模块2包括NTP报文解析模块21，NTP报文过滤模块22，时钟修正模块23，GPS报文解析模块24，本地时钟控制模块25，NTP报文封装模块26，IRIG-B码编码模块27，串口报文封装模块28，硬脉冲产生模块29。

NTP报文解析模块21用于从NTP时钟同步报文中提取MAC目的地址、报文类型、UDP端口号和时间戳，发送给NTP报文过滤模块22。

NTP报文过滤模块22用于接收NTP时钟同步报文的MAC目的地址、报文类型、UDP端口号和时间戳，筛选出发送给本装置的NTP报文的信息并发送给时间修正模块23。

时钟修正模块23用于接收NTP时钟同步报文的信息，当收到的是NTP对时响应报文，则根据NTP对时响应报文对本地时钟进行修正，当收到的是NTP对时请求报文，直接将其发送给本地时间控制模块25。

GPS报文解析模块24用于接收GPS同步报文，解析得到GPS时间信息，发送给本地时间控制模块25。本实施例中GPS报文接收电路12和GPS报文解析模块24采用Lassen IQ GPS接收机，该接收机具有体积小(邮票体积大小)，功耗低，启动速度快(冷启动时间小于84秒)，秒脉冲的精度高达到50纳秒，支持NMEA0183协议等特点。由于GPZDA时间报文包含了丰富的时间和日期信息，因此本实施例的GPS报文接收电路12在进行GPS报文接收时仅输出GPZDA时间报文，数据传送速率为9600bps。GPS报文解析模块24包含了二个功能模块：GPS_serial模块和GPS_Get_Data模块，GPS_serial模块用于存储GPS时间报文数据，把串行的报文数据转换成8位二进制数。GPS_Get_Data模块用于判断接收的报文数据的报头是否为GPZDA，如果是则按照GPZDA数据格式对应存储到相应的寄存器中。

本地时间控制模块25用于完成NTP对时请求报文或者NTP对时响应报文的编码工作，主时钟装置的本地时间控制模块25根据从晶振13接收到的时钟源信号与从GPS报文解析模块24接收到的CPS时间信息进行同步，将CPS时间信息更新到本地时间，在接收到NTP对时请求报文后，标记请求报文的到达时间戳，然后再根据NTP的协议规则产生标准的NTP对时响应报文，发送给NTP报文封装模块27；而从时钟装置的本地时间控制模块25直接生成NTP对时请求报文，发送给NTP报文封装模块26。

NTP报文封装模块26用于从本地时间控制模块25接收NTP对时请求报文或者NTP对时响应报文，封装得到NTP时钟同步报文后发送给输出端模块3中的NTP报文发送电路31。NTP时钟同步报文的封装主要完成IP报头和MAC帧的校验。IP报头的校验均按照IEEE802.3协议规定的准则进行，先把IP数据报的头部校验和的数据清零，再把IP数据报头中的数据每二个字节进行取反，最后把取反的数值进行求和操作，即可得到校验值check_ip。MAC帧校验码的计算采用目前较为流行的CRC32校验码，并将校验计算的结果按照数据链路层的发送规则存储到CRC_FCS寄存器中，只有check_ip和CRC_FCS这二个校验值均正确时，才能把报文成功发送出去。

IRIG-B码编码模块27用于从本地时间控制模块25中读取本地时间，生成IRIG-B码同步报文，发送给输出端3的IRIG-B码发送电路32。IRIG-B码是一帧串行的二进制时间码，由三种不同脉宽信号组成。为了便于这三种不同脉冲信号的产生，本实施例中IRIG-B码编码模块27包含两个模块：fdiv_1ms_10ms功能模块和CODE_IRIG功能模块，fdiv_1ms_10ms功能模块用于产生周期为1ms和10ms的时钟信号clock_1ms和clock_10ms，CODE_IRIG功能模块用于对本地时间信息进行编码处理，产生符合IRIG-B码的协议规则的一串二进制时间码。两个功能模块的具体实现如下：

fdiv_1ms_10ms功能模块使用50MHZ的系统时钟，设计两个计数器cnt_500us和cnt_5ms。当检测到pps的上升沿时或者计数器计满25000次和250000次时，计数器清零，同时将时钟信号clock_1ms进行取反操作，从而产生周期为1ms和10ms的时钟信号。同理产生5ms的时钟信号。

CODE_IRIG功能模块CODE_IRIG功能模块的程序设计包含二个部分，第一部分是把原始的时、分、秒、日等时间信息的每一位二进制数转换成能表示相应脉宽的10位二进制数。第二部分是利用状态机把编码过后的一帧时间信息(共100个码元)按顺序发送出去。

对于IRIG-B码的同步而言，主时钟装置每秒发送一帧IRIG-B码信息，从时钟装置一旦检测到连续二个脉宽为8ms的码元时，则认为接收到新的一帧时间信息，并按照IRIG-B协议规则解析该时间信息，同时将本地纳秒计数器清零，并更新本地时间，从而完成主从时间装置的时间同步。

串口报文封装模块28用于从本地时间控制模块25中读取本地时间，封装得到串行的时钟同步报文，发送给输出端模块的RS-232接口33。

硬脉冲产生模块29用于从本地时间控制模块25中读取本地时间，生成硬脉冲同步信号，发送给输出端模块的SMA接口34。

输出端3包括NTP报文发送电路31、IRIG-B码发送电路32、RS-232接口33和SMA接口34，其中NTP报文发送电路31用于发送NTP时钟同步报文，IRIG-B码发送电路32用于发送IRIG-B码同步报文，RS-232接口33用于发送串行的时钟同步报文，SMA接口34用于发送硬脉冲同步信号。

对于数字化变电站而言，其时钟同步可以分为监控站层和站内层时钟同步。图2是监控站层时钟同步的示意图。如图2所示，调度中心与变电站之间采用GPS双备用的对时方式，当主时钟同步装置的GPS接收机出现故障或者搜索不到GPS卫星信号时，立即启用备用时钟同步装置进行同步。从而很好地保证了调度中心与变电站之间具有较高的同步精度。

图3是站内层时钟同步的示意图。如图3所示，本套时钟同步装置具有10路IRIG-B码输出和10路NTP网络报文输出。当变电站内设备比较多时，可以使用时间信号输出扩展箱把IRIG-B码的时间信息输送给被授时装置。本地控制单元、远程抄表系统以及运行管理信息系统等设备的NTP对时请求报文通过以太网交换机传送给主时钟装置(或者从时钟装置)。主时钟装置根据请求报文判断并发送响应报文，从而完成NTP网络授时。当主时钟装置的GPS接收机未能正常工作或者接收到的卫星信号不良时，立即切换到备用时钟装置，从而保证本套时钟同步系统正常运行。

尽管上面对本实用新型说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种面向数字化变电站调试的时钟同步装置，其特征在于，包括输入端模块、FPGA主控模块和输出端模块，其中：

输入端模块包括NTP报文接收电路、GPS报文接收电路、晶振，其中NTP报文接收电路用于接收NTP时钟同步报文，发送给FPGA主控模块中的NTP报文解析模块；GPS报文接收电路用于接收外部GPS卫星的GPS同步报文，转发至FPGA主控模块中的GPS报文解析模块；晶振用于生成时钟源信号，发送给FPGA主控模块的本地时钟控制模块；

FPGA主控模块包括NTP报文解析模块，NTP报文过滤模块，时钟修正模块，GPS报文解析模块，本地时钟控制模块，NTP报文封装模块，IRIG-B码编码模块，串口报文封装模块，硬脉冲产生模块；其中：

NTP报文解析模块用于从NTP时钟同步报文中提取MAC目的地址、报文类型、UDP端口号和时间戳，发送给NTP报文过滤模块；

NTP报文过滤模块用于接收NTP时钟同步报文的MAC目的地址、报文类型、UDP端口号和时间戳，筛选出发送给本装置的NTP报文的信息并发送给时间修正模块；

时钟修正模块用于接收NTP时钟同步报文的信息，从时钟装置的时钟修正模块接收的是NTP对时响应报文，根据NTP对时响应报文对本地时钟进行修正，主时钟装置的时钟修正模块接收的是NTP对时请求报文，直接将其发送给本地时间控制模块；

GPS报文解析模块用于接收GPS同步报文，解析得到GPS时间信息，发送给本地时间控制模块；

本地时间控制模块用于完成NTP对时请求报文或者NTP对时响应报文的编码工作，主时钟装置的本地时间控制模块根据从晶振接收到的时钟源信号与从GPS报文解析模块接收到的CPS时间信息进行同步，将CPS时间信息更新到本地时间，在接收到NTP对时请求报文后，标记请求报文的到达时间戳，然后再根据NTP的协议规则产生标准的NTP对时响应报文，发送给NTP报文封装模块；而从时钟装置的本地时间控制模块直接生成NTP对时请求报文，发送给NTP报文封装模块；

NTP报文封装模块用于从本地时间控制模块接收NTP对时请求报文或者NTP对时响应报文，封装得到NTP时钟同步报文后发送给输出端模块中的NTP报文发送电路；

IRIG-B码编码模块用于从本地时间控制模块中读取本地时间，生成IRIG-B码同步报文，发送给输出端的IRIG-B码发送电路；

串口报文封装模块用于从本地时间控制模块中读取本地时间，封装得到串行的时钟同步报文，发送给输出端模块的RS-232接口；

硬脉冲产生模块用于从本地时间控制模块中读取本地时间，生成硬脉冲同步信号，发送给输出端模块的SMA接口；

输出端包括NTP报文发送电路、IRIG-B码发送电路、RS-232接口和SMA接口，其中NTP报文发送电路用于发送NTP时钟同步报文，IRIG-B码发送电路用于发送IRIG-B码同步报文，RS-232接口用于发送串行的时钟同步报文，SMA接口用于发送硬脉冲同步信号。

2.根据权利要求1所述的面向数字化变电站调试的时钟同步装置，其特征在于，所述GPS报文解析模块包括GPS_serial模块和GPS_Get_Data模块，GPS_serial模块用于存储GPS时间报文数据，把串行的报文数据转换成8位二进制数；GPS_Get_Data模块用于筛选出报头为GPZDA的报文数据并按照GPZDA数据格式对应存储到相应的寄存器中。

3.根据权利要求1所述的面向数字化变电站调试的时钟同步装置，其特征在于，所述IRIG-B码编码模块包括fdiv_1ms_10ms功能模块和CODE_IRIG功能模块，fdiv_1ms_10ms功能模块用于产生周期为1ms和10ms的时钟信号clock_1ms和clock_10ms，CODE_IRIG功能模块用于对本地时间信息进行编码处理，产生符合IRIG-B码的协议规则的一串二进制时间码。