CN214751363U - 一种基于数字锁相单元的载波同步时钟子模块及其系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于数字锁相单元的载波同步时钟子模块及其系统，该系统包括：通信模块、载波主机、主耦合器、从耦合器、载波从机、同步时钟模块；通信模块连通电力主站和载波主机；载波主机的输出端连接主耦合器；主耦合器的中压端子连接中压配电线，低压端子连接载波主机，接地端子接地连接；从耦合器的中压端子连接中压配电线，低压端子连接载波从机，接地端子接地连接；载波从机的输入端与从耦合器连接，输出端连接同步时钟模块；同步时钟模块的输出端与配电终端连接，同步时钟模块中设有数字锁相单元，用于生成同步的时钟信号。本方案利用数字锁相原理实现时钟同步，不再依赖GPS和北斗且克服了地域限制的问题。

Description

一种基于数字锁相单元的载波同步时钟子模块及其系统

技术领域

本实用新型属于同步控制技术领域，具体涉及一种基于数字锁相单元的载波同步时钟子模块及其系统。

背景技术

当前我国电力企业正在积极建设能源互联网，其中包括泛在电力物联网建设和坚强智能电网建设。坚强智能电网建设需要保证“电力流、信息流、业务流”的统一，其中，需要保证时间同步精度满足要求。

当前我国的时间同步装置大多数是通过GPS时钟提供授时信号，但在实际工程应用中GPS的同步精度并不可靠，易受自然环境和地理环境影响，太阳黑子运动以及GPS安装处地理位置等因素都可能使卫星同步信号出错和卫星失步。且GPS的系统掌控权被美国军方控制，当GPS卫星导航系统出现问题无法正常工作或者在时局紧张时期美方调整甚至切断GPS信号，将会对我国生产生活带来巨大的影响。我国自主研制的北斗卫星授时技术有效解决了我国电力系统对GPS的依赖性大的问题。但是与GPS同步方式相同，北斗系统仍存在授时的连续性、抗干扰性等因素影响对时精度的问题。

现有的授时装置以GPS/北斗为参考信号源，不同的变电站和中心站之间因地域位置不同、卫星接收机授时精度不同、授时装置器件老化和授时装置运行时间长短不一等因素，各变电站和中心站的授时装置输出的时间均存在一定的偏差，导致不同的变电站和中心站之间时间不一致，全网时间同步精度偏差较大，不利于电网的科学化管理和运营。此外，由于卫星信号无法覆盖地下以及海底，一定程度上限制了地下电缆以及海底电缆的故障定位技术的发展。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于数字锁相单元的载波同步时钟子模块及其系统，利用电力主站的数字信号对应的载波信息导入中压配电线路，并利用现有数字锁相单元的数字锁相原理实现时钟同步，一方面不再依赖GPS和北斗，克服了对应的技术缺陷；二方面，本实用新型依托电力主站的信号来实现同步，不论是地下电缆以及海底电缆均不受限，解决了地域限制的问题。，

一方面，本实用新型提供的一种基于数字锁相单元的载波同步时钟子模块，应用于配电终端支路上，包括：从耦合器、载波从机、同步时钟模块；

其中，所述从耦合器的中压端子连接中压配电线，低压端子连接所述载波从机，接地端子接地连接；所述从耦合器用于从中压配电线上的电力波形中提取出载波信号；

所述载波从机的输入端与所述从耦合器连接，输出端连接所述同步时钟模块；

所述同步时钟模块的输入端与所述载波从机连接，输出端与配电终端连接，所述同步时钟模块中设有数字锁相单元，用于生成同步的时钟信号；

其中，中压配电线上的电压波形是电力主站利用依次连接的通信模块、载波主机以及主耦合器导入载波信号至中压配电线上后，载波信号与电力波形叠加得到；所述通信模块连通电力主站与所述载波主机。

可选地，所述同步时钟模块内还设延迟校正单元，所述延迟校正单元与所述数字锁相单元连接，用于校正载波信号在电力线路传输过程中产生的传输延迟。

二方面，本实用新型提供的一种基于数字锁相单元的载波同步时钟子模块，应用于电力主站线路上，包括：通信模块、载波主机以及主耦合器；

其中，所述通信模块的输入端连接电力主站，输出端连接所述载波主机，用于将电力主站的数字信息传输至载波主机；

所述载波主机的输入端连接所述通信模块，输出端连接所述主耦合器，用于将所述数字信号转换为载波信号；

所述主耦合器的中压端子连接中压配电线，低压端子连接所述载波主机，接地端子接地连接，其中，所述主耦合器将载波信号导入至中压配电线上，使得所述载波信号叠加至电力波形上；

叠加载波信号的电力波形被配电终端支路上的从耦合器采集，并提取出载波信号；配电终端支路上设有依次连接的从耦合器、载波从机、同步时钟模块，所述同步时钟模块内设有数字锁相单元，用于生成同步的时钟信号，并传输给配电终端。

可选地，所述数字锁相单元包括脉冲发生电路、相位比较电路、分频系数控制电路、分频电路以及CPU接口电路；

其中，所述脉冲发生电路和所述分频电路均与所述相位比较电路连接，所述相位比较电路与所述分频系数控制电路连接；所述分频系数控制电路和所述CPU接口电路均与所述分频电路连接。

可选地，所述通信模块为光纤/无线通信模块，并安装在中压配电线路上任意一处有光纤/无线信号的节点上。

第三方面，本实用新型提供的一种基于数字锁相单元的载波同步时钟系统，包括：通信模块、载波主机、主耦合器、从耦合器、载波从机、同步时钟模块；

其中，所述通信模块、载波主机以及主耦合器设置在电力主站线路上；所述从耦合器、载波从机、同步时钟模块设置在配电终端支路上；

所述通信模块的输入端连接电力主站，输出端连接所述载波主机，用于将电力主站的数字信息传输至载波主机；

所述载波主机的输入端连接所述通信模块，输出端连接所述主耦合器，用于将所述数字信号转换为载波信号；

所述主耦合器的中压端子连接中压配电线，低压端子连接所述载波主机，接地端子接地连接，其中，所述主耦合器将载波信号导入至中压配电线上，使得所述载波信号叠加至电力波形上；

所述从耦合器的中压端子连接中压配电线，低压端子连接所述载波从机，接地端子接地连接；所述从耦合器用于从中压配电线上的电力波形中提取出载波信号；

所述载波从机的输入端与所述从耦合器连接，输出端连接所述同步时钟模块；

所述同步时钟模块的输入端与所述载波从机连接，输出端与配电终端连接，所述同步时钟模块中设有数字锁相单元，用于生成同步的时钟信号。

可选地，载波同步时钟系统还包括与所述通信模块连接的电力主站以及与所述同步时钟模块连接的配电终端。

有益效果

本实用新型所述的同步时钟，电力公司主站利用主载波机将需要传递的数字时钟信号调制为载波时钟信号，经主耦合器加载至中压配电线上进行传输；配电终端利用从耦合器自中压配电线上提取出载波时钟信号，经由从载波机解调为数字时钟信号，从而实现终端与主站之间的信息交互；进而利用同步时钟模块中的数字锁相单元保证载波时钟信号与晶振时钟信号的高精度同步，输出校正后的晶振时钟信号至配电终端，从而实现电力主站与配电终端的时钟同步。

附图说明

图1为本实用新型的系统框图；

图2为本实用新型载波机工作示意图；

图3为本实用新型耦合器接线图；

图4为本实用新型同步时钟模块流程图；

图5为相位比较示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1：

如图1所示，本实用新型提供的一种基于数字锁相单元的载波同步时钟系统，包括电力主站10、光纤/无线通信模块11、载波主机12、主耦合器13、从耦合器14、载波从机1/5、同步时钟模块16、配电终端17。

所述光纤/无线通信模块11，安装在中压配电线路上任意一处有光纤/无线信号的节点，其输入端连接电力主站10，输出端连接载波主机12，用于将主站平台发送的数字信息传输至载波主机；本实施例中通信模块选择为光纤/无线通信模块11，其他可行的实施例中，通信模块在满足连通电力主站10与载波主机12的基础上，可以选择其他类型的通信方式，本实用新型对此不进行具体的限定。

所述载波主机12，其输入端连接光纤/无线通信模块11，输出端连接主耦合器13，其工作原理如图2所示：包括高性能发送滤波器121以及信号发送电路122。在载波信号输出时，经过高性能发送滤波器，能够将数字模拟信号调制为高频载波信号，增强信号的信息携带能力，再经过发送电路输出。

所述主耦合器13，接线图如图3所示：其，中压端子直接通过高压线缆连接到中压配电线上，低压端子通过高频电缆连接到主载波机12，接地端子通过接地线接地，用于将载波信号叠加成电力波形。

对应的从耦合器14，中压端子直接通过高压线缆连接到中压配电线上，低压端子通过高频电缆连接到载波从机，接地端子通过接地线接地，用于从电力波形中提取出载波信号，同时阻止电力波形进入载波机。

所述载波从机15，安装在中压配电线路上同一条线路及其分支线路上的多个配电终端处，其输入端连接从耦合器，输出端连接同步时钟模块16，其工作原理如图2所示：从载波机15包括信号接收电路151以及高性能接收滤波器152，在载波信号接收时，经过信号接收电路151，再进入高性能接收滤波器152，能够将高频载波信号解调为数字模拟信号，增强信号接收性能。

所述同步时钟模块16，其输入端与载波从机14连接，输出端与配电终端连接17，用于校正载波时钟在电力线路传输过程中产生的传输延迟，将校正后的载波时钟与晶振时钟进行相位比较，以产生高精度的时钟信号，输入配电终端。如图4所示：同步时钟模块16包括延迟校正单元161以及数字锁相单元162。

所述延迟校正单元151的作用是校正载波信号在电力线路传输过程中产生的传输延迟：由载波从机输出的数字模拟信号输入延迟校正单元，按照式T＝t-l/v-Δt校正传输延迟，其中，t为接收到的时钟信号，l为载波信号传输长度，即电力主站与终端变电站(配电终端)之间电力线长度，v为载波信号传输速度，一般等于光速，Δt为设备附加延时，一般为经验值。T为校正后的载波时钟信号，作为主时钟输入数字锁相单元。？应当理解，延迟校正的上述公式为现有公式，并非本实用新型的改进内容。

数字锁相环的主要作用是实现输出与输入信号之间严格的相位同步，具体为校正后的载波时钟信号1PPS与恒温晶振时钟信号PPS的同步，如图4所示：数字锁相单元162又包括脉冲发生电路1621、相位比较电路1622、分频系数控制电路1623、分频电路1624(恒温晶振电路)以及CPU接口电路1625。

所述脉冲发生电路1621的作用是产生代表载波时钟相位的窄脉冲信号：1PPS是校正脉冲发生电路的输入信号(载波时钟信号)，当1PPS的上升沿到来时，校正脉冲发生电路产生一个窄脉冲脉冲u_b，其脉冲宽度远小于1PPS的周期，只出现在1PPS的起始时刻，即可以代表载波秒时钟的相位。

所述相位比较电路1622的作用是检测u_b与1PPS的相位关系：如果u_b出现在PPS的高电平部分，如图5中的第2s，说明PPS的相位超前于1PPS的相位；如果u_b出现在PPS的低电平部分，如图5中的第3s、第4s，说明PPS的相位滞后于1PPS的相位。

所述分频控制系数电路1623的作用是根据相位比较结果调整分频电路的分频系数：当不需进行相位调整时，分频电路的分频系数δ＝f_clk，f_clk为分频电路原有的固定频率；当PPS的相位超前于1PPS的相位，则由分频系数控制电路调整分频电路的分频系数为δ+1，这时分频电路输出的PPS周期加长、频率降低，下一个PPS的上升沿会延迟1个晶振周期出现，实现了滞后校正；PPS的相位滞后于1PPS的相位，则调整分频电路的分频系数为δ-1，这时分频电路输出的PPS周期变短、频率增大，下一个PPS的上升沿会提前1个晶振周期出现，实现了超前校正。

所述分频电路1624的作用是根据分频系数δ产生PPS信号，其工作原理为：利用计数器对高精度恒温晶振信号进行计数(计数器的初始值为1)，当计数值小于或等于定值时分频电路输出高电平；当计数值大于定值时分频电路输出低电平；当计数值等于分频系数时分频电路输出高电平，同时将计数器的计数值重新置1，并重新开始计数。

所述CPU接口电路1625的作用是控制数字锁相电路产生PPS信号：利用数字锁相原理进行调整的前提是PPS与1PPS之间相位偏差较小，在启动之初，CPU接口电路发出PPS闭锁信号，当CPU检测到1PPS到来时，解除闭锁信号，同时启动分频电路产生PPS，此时PPS时钟相位与1PPS的初始相位差非常小，可快速实现同步。

综上所述，数字锁相单元利用上述各个单元电路的配合，调节分频电路的分频系数，进而控制PPS信号，实现PPS信号与1PPS之间的同步。最终使得同步时钟模块将产生的时钟信号传送至配电终端，即修正后的PPS信号，即可实现配电网时钟高精度同步。需要说明的是，数字锁相单元的工作原理并非本实用新型的改进内容，具体可以参照“基于数字锁相原理的GPS高精度同步时钟产生新方法”的公开论文的记载。

实施例2：

参照实施例1的技术原理，本实施例请求保护一种基于数字锁相单元的载波同步时钟子模块，应用于配电终端支路上，包括从耦合器、载波从机、同步时钟模块。其中，从耦合器、载波从机、同步时钟模块的连接关系以及与电力终端线路上的连接关系请参照实施例1。

实施例3：

参照实施例1的技术原理，本实施例请求保护一种基于数字锁相单元的载波同步时钟子模块，应用于电力主站线路上，包括通信模块、载波主机以及主耦合器。其中，通信模块、载波主机以及主耦合器的连接关系以及与于配电终端支路上的连接关系请参照实施例1。

需要强调的是，本实用新型所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本实用新型宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于数字锁相单元的载波同步时钟子模块，应用于配电终端支路上，其特征在于：包括：从耦合器、载波从机、同步时钟模块；

其中，所述从耦合器的中压端子连接中压配电线，低压端子连接所述载波从机，接地端子接地连接；所述从耦合器用于从中压配电线上的电力波形中提取出载波信号；

所述载波从机的输入端与所述从耦合器连接，输出端连接所述同步时钟模块；

所述同步时钟模块的输入端与所述载波从机连接，输出端与配电终端连接，所述同步时钟模块中设有数字锁相单元，用于生成同步的时钟信号；

其中，中压配电线上的电压波形是电力主站利用依次连接的通信模块、载波主机以及主耦合器导入载波信号至中压配电线上后，载波信号与电力波形叠加得到；所述通信模块连通电力主站与所述载波主机。

2.根据权利要求1所述的载波同步时钟子模块，其特征在于：所述同步时钟模块内还设延迟校正单元，所述延迟校正单元与所述数字锁相单元连接，用于校正载波信号在电力线路传输过程中产生的传输延迟。

3.一种基于数字锁相单元的载波同步时钟子模块，应用于电力主站线路上，其特征在于：包括：通信模块、载波主机以及主耦合器；

其中，所述通信模块的输入端连接电力主站，输出端连接所述载波主机，用于将电力主站的数字信号传输至载波主机；

所述载波主机的输入端连接所述通信模块，输出端连接所述主耦合器，用于将所述数字信号转换为载波信号；

所述主耦合器的中压端子连接中压配电线，低压端子连接所述载波主机，接地端子接地连接，其中，所述主耦合器将载波信号导入至中压配电线上，使得所述载波信号叠加至电力波形上；

叠加载波信号的电力波形被配电终端支路上的从耦合器采集，并提取出载波信号；配电终端支路上设有依次连接的从耦合器、载波从机、同步时钟模块，所述同步时钟模块内设有数字锁相单元，用于生成同步的时钟信号，并传输给配电终端。

4.根据权利要求1-3任一项所述的载波同步时钟子模块，其特征在于：所述数字锁相单元包括脉冲发生电路、相位比较电路、分频系数控制电路、分频电路以及CPU接口电路；

其中，所述脉冲发生电路和所述分频电路均与所述相位比较电路连接，所述相位比较电路与所述分频系数控制电路连接；所述分频系数控制电路和所述CPU接口电路均与所述分频电路连接。

5.根据权利要求1-3任一项所述的载波同步时钟子模块，其特征在于：所述通信模块为光纤/无线通信模块，并安装在中压配电线路上任意一处有光纤/无线信号的节点上。

6.一种基于数字锁相单元的载波同步时钟系统，其特征在于：包括：通信模块、载波主机、主耦合器、从耦合器、载波从机、同步时钟模块；

其中，所述通信模块、载波主机以及主耦合器设置在电力主站线路上；所述从耦合器、载波从机、同步时钟模块设置在配电终端支路上；

所述通信模块的输入端连接电力主站，输出端连接所述载波主机，用于将电力主站的数字信号传输至载波主机；

所述载波主机的输入端连接所述通信模块，输出端连接所述主耦合器，用于将所述数字信号转换为载波信号；

所述主耦合器的中压端子连接中压配电线，低压端子连接所述载波主机，接地端子接地连接，其中，所述主耦合器将载波信号导入至中压配电线上，使得所述载波信号叠加至电力波形上；

所述从耦合器的中压端子连接中压配电线，低压端子连接所述载波从机，接地端子接地连接；所述从耦合器用于从中压配电线上的电力波形中提取出载波信号；

所述载波从机的输入端与所述从耦合器连接，输出端连接所述同步时钟模块；

所述同步时钟模块的输入端与所述载波从机连接，输出端与配电终端连接，所述同步时钟模块中设有数字锁相单元，用于生成同步的时钟信号。

7.根据权利要求6所述的载波同步时钟系统，其特征在于：还包括与所述通信模块连接的电力主站以及与所述同步时钟模块连接的配电终端。

Images