基于GPS的電力系統(tǒng)高精度同步時鐘

楊其嵐,萬 全

(1.五凌電力有限公司,湖南長沙 410004;2.湖南省電力公司試驗研究院,湖南長沙 410007)

當(dāng)前電力系統(tǒng)廣域保護、安全穩(wěn)定監(jiān)測、控制、同步通訊和遠動等領(lǐng)域已提出了不少基于高精度時鐘的測量、監(jiān)測與控制技術(shù)?，F(xiàn)有的同步時鐘技術(shù)絕大部分采用美國的 GPS時鐘或俄羅斯的GLONASS時鐘為基準(zhǔn),但并不保證時鐘的可靠性,也不對民用用戶承擔(dān)責(zé)任。同時 GPS及 GLONASS接收器接受到的時鐘也經(jīng)常因星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層誤差、對流層誤差、多徑誤差、跟蹤衛(wèi)星過少誤差和接收器本身誤差等產(chǎn)生一些誤差。目前國內(nèi)外研制了一些 GPS同步時鐘產(chǎn)品,但采用銫鐘或銣鐘對 GPS時鐘修正產(chǎn)生的高精度同步時鐘價格很高,運行環(huán)境要求苛刻,難以推廣;而一般電力系統(tǒng)運行的時鐘卻不能保證輸出時鐘的穩(wěn)定性,很難在一些對時鐘精度和穩(wěn)定性要求高的關(guān)系電力系統(tǒng)經(jīng)濟與穩(wěn)定運行的重要領(lǐng)域 (如電力系統(tǒng)繼電保護、在線監(jiān)控等領(lǐng)域)中得到實際應(yīng)用。本項目提出采用晶振信號同步 GPS信號產(chǎn)生高精度時鐘的一元二次回歸數(shù)學(xué)模型,研制時鐘發(fā)生裝置。該方法既消減了 GPS時鐘信號的隨機誤差,又消除了晶振時鐘信號的累計誤差,且易于實現(xiàn),有望成功應(yīng)用于電力系統(tǒng)繼電保護與控制。

1 晶振信號同步 GPS信號的方法

為產(chǎn)生高精度時鐘信號,采用計數(shù)器和比較器對高精度晶振進行分頻,產(chǎn)生晶振秒時鐘信號;晶振秒時鐘與 GPS秒時鐘進行相位比較,產(chǎn)生偏差序列,偏差包括 GPS時鐘的隨機漂移誤差和晶振的累計誤差;采用一元二次回歸分析模型對 2種誤差進行估計,分離出各自誤差;并對晶振累計誤差進行修正,可以構(gòu)造出一種簡便的高精度時鐘發(fā)生裝置。實現(xiàn)方案如圖 1所示,高精度時鐘 (修正后的秒時鐘)由計數(shù)器與比較器構(gòu)成的分頻電路產(chǎn)生,晶振秒時鐘的累計誤差由 CPU設(shè)置比較值進行修正,GPS秒時鐘誤差由鎖存器測量。比較值每秒設(shè)置 1次,本次將要設(shè)置的比較值由前 n次測量的 GPS秒時鐘誤差和前 n次設(shè)置的比較值歷史數(shù)據(jù)進行計算。

圖 1 高精度時鐘產(chǎn)生的原理圖

1.1 晶振信號同步 GPS信號的一元二次回歸模型

在目前的 GPS接收器中,GPS輸出秒時鐘與國際標(biāo)準(zhǔn)時間 (UCT)存在一定的隨機誤差 ε?？疾炷骋幻霑r間序列,第 x個秒時鐘的時間誤差 εx服從正態(tài)分布

不同質(zhì)量的 GPS接收器,σ數(shù)值大小不同,如 GARMIN GPS25/20為 1μS,而 MOTOROLA VP ONCORE則為 50nS。

由于高精度晶振的隨機誤差遠小于 GPS秒時鐘的隨機誤差 (如穩(wěn)定度為 10-9的晶振分頻產(chǎn)生的秒時鐘隨機誤差小于 1 nS),因此不考慮晶振秒時鐘的隨機誤差。根據(jù)文獻 〔2〕介紹,僅考慮晶振的頻率偏差及頻率的線性漂移,由晶振分頻產(chǎn)生秒時間序列的第 x個秒時鐘的時間誤差 μ(x)可表示為

式中 a為秒時間序列的初始誤差;b為考慮頻率偏差的誤差系數(shù);c為考慮頻率線性漂移的誤差系數(shù)。

由式 (1)和 (2)得晶振分頻秒時鐘 (簡稱晶振秒時鐘)與 GPS秒時鐘之間的偏差為

1.2 高精度時鐘的產(chǎn)生

(1)GPS接收器工作狀態(tài)的評估

GPS接收器的不正常工作狀態(tài)分為 2種,一種是由于跟蹤衛(wèi)星過少,導(dǎo)致隨機誤差增大;另一種是由于干擾,GPS故障產(chǎn)生的跳躍性誤差。

對于第一種誤差采用 GPS時鐘方差的估計值σ^2進行評價,建立評價不等式

式中 σs為 GPS接收器說明書中對應(yīng) 1σ的標(biāo)稱誤差;k1為可靠系數(shù),通常取 1.5～5。當(dāng)上式成立時,認為 GPS接收器工作不正常。

對于第二種誤差采用 GPS秒時鐘與修正后的秒時鐘的誤差序列 Φ進行評價。按正態(tài)分布分析理論,GPS接收器正常工作時落于 3σ^范圍外的概率僅約為 0.002 6。在樣本誤差序列 Φ中對大于3σs的數(shù)據(jù)個數(shù) Nb進行統(tǒng)計,建立評價不等式

式中 k2為可靠系數(shù),通常取 2～10。當(dāng)上式成立時,同樣認為 GPS接收器工作不正常。

(2)GPS接收器正常運行條件下高精度時鐘的產(chǎn)生

根據(jù)晶振秒時鐘誤差參數(shù)的估計值 a^,b^,^c,計算 (n+1)次晶振秒時鐘的累計誤差估計值

從而 (n+1)次晶振誤差的補償值為

對 μ^(n+1)四舍五入取整,記為:R〔μ^(n+1)〕,則有

從而由 CPU實時設(shè)置補償值來控制 CPLD產(chǎn)生修正后的高精度秒時鐘。

(3)GPS接收器不正常運行條件下高精度時鐘的產(chǎn)生

由于高精度恒溫晶振時鐘的穩(wěn)定度較高、誤差漂移小,在 GPS接收器不正常運行條件下,b^,^c恒定取 GPS接收器不正常運行以前的值,秒時間序列的初始誤差估計值 a^恒定取零,同樣按式(6)和 (8)計算產(chǎn)生修正晶振秒時鐘的比較值。

假設(shè)晶振的精度為 1 nS,晶振秒時鐘二階以上的誤差漂移小于 0.05nS,則在 GPS接收器中斷運行1h后,輸出的修正后的秒時鐘誤差小于180nS;考慮極端情況,在 GPS接收器中斷運行1 d后,輸出的修正后秒時鐘誤差小于 4 320 nS。通常 GPS接收器中斷運行 1 h,補償后輸出的時鐘能夠滿足一般控制領(lǐng)域的要求。

2 高精度同步時鐘的具體實現(xiàn)

根據(jù)上述原理,文中設(shè)計出了一種 GPS同步高精度時鐘,其原理如圖 2所示。GPS同步的高精度時鐘主要由 GPS接收器、CPLD,CPU,50MHz恒溫高精度晶振和串行接口等組成。

圖 2 高精度時鐘的硬件框圖

GPS接收器產(chǎn)生的 GPS秒脈沖信號鎖存計數(shù)結(jié)果,由 CPU記錄 GPS時鐘的隨機誤差。CPU根據(jù) GPS隨機誤差序列和整定值序列,計算 GPS秒時鐘與晶振秒時鐘的偏差序列,并對 GPS秒時鐘的方差 σ2、晶振秒時鐘序列與國際標(biāo)準(zhǔn)時間的初始誤差 a、反映晶振秒時鐘周期誤差的參數(shù) b及反映晶振秒時鐘周期誤差漂移的參數(shù) c進行最小二乘估計。由 GPS秒時鐘方差的估計值判斷 GPS接收器的工作狀況。然后,生成對晶振秒時鐘修正的比較值,通過調(diào)整比較值來消除晶振秒脈沖的累計偏差,使修正后的秒脈沖偏差小于 0.1μS。其具體工作過程如下:

(1)GPS接收器狀態(tài)的判斷

GPS接收器的狀態(tài)分為正常狀態(tài)和不正常狀態(tài)2種。在具體工作中由 CPU根據(jù)評價不等式 (4),(5)進行判斷:當(dāng)上述評價不等式中有 1個成立時,認為 GPS接收器工作不正常;否則,當(dāng) 2個評價不等式都不成立時,認為 GPS接收器工作正常。

(2)精確秒時鐘的產(chǎn)生

50 MHz恒溫高精度晶振產(chǎn)生 50 MHz時鐘信號,由 CPLD中的 26位計數(shù)器對秒時鐘計數(shù),并將計數(shù)結(jié)果發(fā)送給 CPU。當(dāng) CPU判斷出 GPS接收器的工作狀態(tài)后,如果接收器工作正常,由當(dāng)前估計的參數(shù)根據(jù)式 (8)計算晶振秒脈沖的補償值;如果接收器工作不正常,則由不正常工作以前估計的參數(shù)計算補償值。然后將補償值與秒時鐘計數(shù)值相結(jié)合產(chǎn)生修正值。最后由 CPLD根據(jù)修正值產(chǎn)生修正后的高精度秒時鐘。

3 MAX PLUSⅡ仿真及分析

CPLD采用 Altera公司的 EPM7128,仿真軟件為 MAX PLUSⅡ。在做仿真實驗時,由于計算機資源不足,無法進行秒級的仿真實驗,文中用頻率為 100 Hz的信號代替秒脈沖,其它信號仍按實際情況處理,仿真 50ms的時間。圖 3～6反映的是同一次仿真的 4個不同片斷。

圖 6 GPS失步后自產(chǎn)秒脈沖下降沿的仿真波形

從圖 3,4可以看出:GPS接收器工作正常時(CPUKZH端置 “0”),輸出端 (SECOND端)的波形滯后于輸入端 (PPS端)的波形,門時延為6.5ns。從圖 5和圖 6可以看出:GPS接收器工作不正常時 (CPUKZH端置 “1”),輸出端(SECOND端)的自產(chǎn)秒脈沖 (由晶振計數(shù)產(chǎn)生)在計數(shù)器計滿 07A120H(仿真時由固定值替代CPU發(fā)送的修正值)個數(shù)時置 “1”,在計數(shù)器計到 03D090H個數(shù)時置 “0”,門時延為 7.4ns。

上述仿真結(jié)果是在理想狀態(tài)下產(chǎn)生的,沒有考慮實際情況,裝置在實際工作中的誤差要比仿真值大許多。其誤差來源除去可由軟件校正的誤差外,還有 2個方面:a.晶振時鐘的上跳沿要滯后于秒時鐘的上跳沿 (不同步),其誤差最大可達 20ns;b.CPLD中的門延時及計數(shù)器清零、計數(shù)所需的延時,由仿真結(jié)果可以看出這 2項誤差之和不會超過1個計數(shù)周期,即 20 ns。

4 結(jié)束語

文中提出采用晶振信號同步 GPS信號產(chǎn)生高精度時鐘的一元二次回歸數(shù)學(xué)模型,對 GPS時鐘進行在線監(jiān)測和校正,減少 GPS時鐘隨機誤差和因衛(wèi)星失鎖等原因產(chǎn)生誤差的影響,通過對晶振時鐘計數(shù)比較值的在線調(diào)整,產(chǎn)生高精度時鐘。該方法既消減了 GPS時鐘信號的隨機誤差,又消除了晶振時鐘信號的累計誤差,且易于實現(xiàn),有望成功應(yīng)用于電力系統(tǒng)繼電保護與控制、故障測距、穩(wěn)定判斷與控制等領(lǐng)域。

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