基于北斗II代/GPS的電力系統(tǒng)雙模時(shí)間同步時(shí)鐘的研制

童偉

(國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 100052)

0 引言

時(shí)間同步系統(tǒng)正在成為電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，通過硬件基礎(chǔ)和技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化和互動(dòng)化，未來智能電網(wǎng)技術(shù)的推廣和應(yīng)用，如廣域測(cè)量系統(tǒng)、智能化調(diào)度系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析系統(tǒng)等技術(shù)，電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、用電的智能化要求，對(duì)時(shí)間同步的要求會(huì)非常高［1-2］。

目前，電力系統(tǒng)中的同步時(shí)鐘系統(tǒng)的時(shí)間源主要來自于美國(guó)全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)提供的同步時(shí)間基準(zhǔn)［3-4］。美國(guó)已成功掌握了“局部屏蔽GPS信號(hào)”等技術(shù)，對(duì)國(guó)內(nèi)各種GPS應(yīng)用帶來了潛在的隱患。電網(wǎng)作為國(guó)家的重要基礎(chǔ)設(shè)施，GPS所提供的時(shí)鐘問題給國(guó)家的戰(zhàn)略安全帶來嚴(yán)重威脅。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Beidou navigation satellite system)是我國(guó)正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2004年4月，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)“北斗I代”區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式建成并投入使用，2012年12月27日，“北斗II代”系統(tǒng)開始向亞太大部分地區(qū)提供正式服務(wù)，預(yù)計(jì)在2020年前再發(fā)射30多顆衛(wèi)星，組成覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)下游研發(fā)和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)初步形成，如中國(guó)衛(wèi)星通信集團(tuán)、國(guó)騰電子等廠商已經(jīng)能夠獨(dú)立自主研發(fā)和生產(chǎn)北斗基礎(chǔ)產(chǎn)品和終端設(shè)備，提供基于北斗的各種服務(wù)。2013年4月20日，在蘆山地震發(fā)生后，北斗終端設(shè)備為抗震救災(zāi)提供了應(yīng)急導(dǎo)航定位保障，表明運(yùn)行半年的“北斗II代”系統(tǒng)完全能夠在特殊情況下獨(dú)立正常工作。

因此，有必要發(fā)展基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的電力系統(tǒng)時(shí)間同步時(shí)鐘，同時(shí)不排斥GPS，兩者互為備用。國(guó)家電網(wǎng)公司在“十二五”規(guī)劃中也提出了“無線同步技術(shù)和有線同步技術(shù)相結(jié)合的方式，無線時(shí)間同步信號(hào)主要依靠GPS及北斗衛(wèi)星授時(shí)，有線時(shí)間同步可利用時(shí)鐘同步網(wǎng)提供的基準(zhǔn)信號(hào)通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送”。

本文基于北斗II代/GPS雙模衛(wèi)星導(dǎo)航接收模塊、Cortex-M3架構(gòu)的ARM微處理芯片和復(fù)雜可編程邏輯器件(complex programmable logic device，CPLD)研制一套電力系統(tǒng)雙模時(shí)間同步時(shí)鐘。該時(shí)鐘能夠接收北斗II代/GPS雙模時(shí)間信息，同時(shí)可以接收IRIG-B等其他時(shí)間源互為備用。裝置使用1 U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，體積小、功能接口豐富，具備4種對(duì)時(shí)方式［5-6］:脈沖對(duì)時(shí)、串口報(bào)文對(duì)時(shí)、IRIG-B方式對(duì)時(shí)、網(wǎng)絡(luò)方式對(duì)時(shí)。輸出信號(hào)類型包括 RS232/485串行口、IRIG-B、脈沖以及網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議 NTP/精確時(shí)間協(xié)議 PTP［7］。

1 北斗II代/GPS雙模衛(wèi)星導(dǎo)航接收模塊

本文時(shí)間同步時(shí)鐘的主要時(shí)間源使用自行研制的一種北斗II代/GPS雙模衛(wèi)星導(dǎo)航接收模塊，該模塊支持北斗II代和GPS的單系統(tǒng)定位和雙系統(tǒng)聯(lián)合定位，采用杭州中科微電子擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的射頻接收芯片和基帶處理芯片。

北斗II代/GPS雙模衛(wèi)星導(dǎo)航接收模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，衛(wèi)星有用的信號(hào)和噪聲的混合信號(hào)經(jīng)天線單元進(jìn)入射頻接收芯片HZ1112BD，經(jīng)2次降頻、鎖相獲得低頻模擬信號(hào)，然后被還原成合適的數(shù)字信號(hào)經(jīng)串行外圍設(shè)備接口SPI(serial peripheral interface)輸出給基帶處理芯片ATGB02進(jìn)行處理。

圖1 雙模接收模塊結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure diagram of dual-mode receiver module

基帶處理芯片ATGB02通過相關(guān)運(yùn)算完成對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的解擴(kuò)和通過載波的相關(guān)運(yùn)算完成對(duì)衛(wèi)星信號(hào)載波多普勒頻移的搜索，進(jìn)而通過碼跟蹤環(huán)路和載波跟蹤環(huán)路對(duì)捕獲后的信號(hào)進(jìn)行跟蹤，通過對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的解碼，獲得同步于格林威治天文臺(tái)的同步時(shí)間以及模塊所在地的精確位置信息，最后以導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文協(xié)議NMEA 0183和秒脈沖(pulse per second，PPS)的形式進(jìn)行輸出，具體內(nèi)容可以通過算法靈活調(diào)整。雙模接收模塊的主要技術(shù)規(guī)范如表1所示。

表1 雙模接收模塊的主要技術(shù)規(guī)范Tab.1 The main specification of dual-mode receiving module

2 時(shí)間同步時(shí)鐘的整體設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)［5］，電力系統(tǒng)時(shí)間同步時(shí)鐘的組成應(yīng)由接收單元、時(shí)鐘單元和輸出單元3個(gè)部分組成，如圖2所示。

圖2 同步時(shí)鐘基本組成Fig.2 Basic structure of synchronization clock

2.1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

本文設(shè)計(jì)的時(shí)間同步時(shí)鐘系統(tǒng)包括主機(jī)和從機(jī)，主要時(shí)間源為上文中的雙模模塊輸出的無線時(shí)間源，同時(shí)接收有線時(shí)間源如串口報(bào)文、IRIG-B以及NTP/PTP［7］互為備用。采用先進(jìn)的鐘控算法，自動(dòng)選擇時(shí)間源，實(shí)現(xiàn)了不同時(shí)間源的無損切換。在外部時(shí)間源都不可用時(shí)，由系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘守時(shí)算法在一定時(shí)間內(nèi)提供高精度守時(shí)功能［8］，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Hardware structure diagram

2.2 接收單元

接收單元的主要任務(wù)是接收并對(duì)各種時(shí)間源進(jìn)行有效性和優(yōu)先級(jí)的判斷。以往的時(shí)鐘設(shè)計(jì)大多基于單片機(jī)系統(tǒng)，受單片機(jī)處理速度和外設(shè)的限制，可收發(fā)時(shí)間源單一，無法接收NTP/PTP等時(shí)間源。

本文設(shè)計(jì)的時(shí)鐘接收單元的主控芯片采用NXP公司基于 Cortex-M3架構(gòu)的 ARM芯片 LPC1768。Cortex-M3內(nèi)核是一種面向低成本、小管腳數(shù)目以及低功耗應(yīng)用，主頻高達(dá)100 M，內(nèi)置嵌套中斷控制的處理器內(nèi)核，自帶以太網(wǎng)功能模塊。

時(shí)鐘對(duì)每s的不同時(shí)間源主要接收和處理時(shí)刻都進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，其關(guān)系如圖4所示。

圖4 每s的不同時(shí)間源主要接收和處理時(shí)刻Fig.4 Key receiving and processing time of different time sources per second

可以看出，當(dāng)同時(shí)接入不同的時(shí)間源時(shí)，同一時(shí)刻往往有不同的數(shù)據(jù)需要收發(fā)和處理，同時(shí)需要保證不同時(shí)間信息的實(shí)時(shí)性要求。通過對(duì)Cortex-M3的嵌套中斷控制器進(jìn)行設(shè)置能夠滿足這些要求，其與內(nèi)核緊密耦合，延時(shí)非常低，共8個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)組域，并且可以對(duì)任何中斷源進(jìn)行優(yōu)先級(jí)設(shè)置。以NXP公司提供的開發(fā)代碼為例，將外部中斷1設(shè)置為最高優(yōu)先級(jí)的代碼如下:

首先需要設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)組域，這里設(shè)為4，有8個(gè)搶占優(yōu)先級(jí)，32個(gè)響應(yīng)優(yōu)先級(jí)。然后對(duì)優(yōu)先級(jí)變量ENIT1進(jìn)行編碼，級(jí)數(shù)越高數(shù)值越低，最后將其賦給中斷源外部中斷1。這樣在即使程序處理其他中斷時(shí)，只要滿足觸發(fā)外部中斷1的條件，程序?qū)⒘⒓刺D(zhuǎn)到外部中斷1的中斷服務(wù)函數(shù)，而且無法被打斷。

時(shí)間優(yōu)先級(jí)的選擇主要使用“位操作法”，例如同時(shí)接收到了串口報(bào)文和IRIG-B，代碼如下:

在接收到了串口報(bào)文后對(duì)標(biāo)志位Flag第1位進(jìn)行賦值，接收到了IRIG-B后對(duì)Flag第2位進(jìn)行賦值，以此類推，依據(jù)不同的時(shí)間源進(jìn)行不同位的賦值操作。在每s即將結(jié)束的時(shí)刻進(jìn)行時(shí)間源優(yōu)先級(jí)的判斷并處理為下1 s所需發(fā)送的時(shí)間信息，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，同時(shí)接收不同的時(shí)間源數(shù)據(jù)無丟失，時(shí)間源切換時(shí)無“斷秒”的情況。

2.3 時(shí)鐘單元

時(shí)鐘單元的主要任務(wù)是將時(shí)鐘引入跟蹤鎖定狀態(tài)，并在接收單元失去了所有的外部時(shí)間源后進(jìn)入守時(shí)保持狀態(tài)。讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS3231的時(shí)間信息，時(shí)鐘保持一定的時(shí)間準(zhǔn)確度，并輸出時(shí)間同步信號(hào)和脈沖信號(hào)。

脈沖守時(shí)主要基于頻率源的測(cè)頻原理，硬件主要由CPLD芯片和頻率源組成，CPLD芯片采用Altera公司的EPM570T100C5N，內(nèi)部集成了570個(gè)邏輯單元，最大可測(cè)頻率200 M。頻率源又稱頻標(biāo)，提供穩(wěn)定的頻率信號(hào)，作為時(shí)鐘單元外部時(shí)間源失效的情況下守時(shí)脈沖信號(hào)源。根據(jù)守時(shí)精度要求的不同，可以選用原子頻標(biāo)、高精度恒溫晶振或者普通的石英晶振。相應(yīng)的，守時(shí)精度越高，付出的代價(jià)越大。

測(cè)頻基本原理如圖5所示。設(shè)實(shí)際閘門時(shí)間為t，有源晶振的頻率為f，通過測(cè)量其方波周期數(shù)，可以換算出閘門開通的時(shí)間t=N/f?？梢钥闯?，這種方法產(chǎn)生的誤差來自3個(gè)方面:(1)CPLD自身的延遲時(shí)間，EPM570的頻率計(jì)數(shù)模塊最大延遲時(shí)間為5.4 ns;(2)頻率源的頻率，理論上越大越好;(3)頻率源本身的穩(wěn)定度，這是誤差產(chǎn)生的主要原因。本文根據(jù)實(shí)際需要，使用的普通有源晶振的穩(wěn)定度在5×10－5左右，為了減少誤差，利用DS3231產(chǎn)生的1 Hz的方波與雙模模塊的PPS信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，通過時(shí)間補(bǔ)償算法保證了在失去外部時(shí)間源的情況下守時(shí)脈沖輸出的準(zhǔn)確度［9-10］，可以保證ms等級(jí)下的守時(shí)精度。

圖5 測(cè)頻基本原理圖Fig.5 Basic principle of frequence measurement

2.4 輸出單元

輸出單元輸出各類時(shí)間同步信息、狀態(tài)和告警信號(hào)，其中RS232采用DB9公頭輸出，RS485和IRIGB采用端子形式的差分輸出，NTP/PTP采用RJ－45網(wǎng)口輸出，脈沖采用端子形式的無源輸出。

2.5 其他設(shè)計(jì)

輸出信號(hào)之間應(yīng)互相電氣隔離，時(shí)間同步時(shí)鐘的電源輸入和所有輸出不應(yīng)與裝置內(nèi)部弱電回路有電氣聯(lián)系。

在無外部時(shí)鐘源的情況下，時(shí)間同步時(shí)鐘可通過4個(gè)按鍵，手動(dòng)設(shè)置時(shí)間作為本地時(shí)鐘源來使用。

3 雙模時(shí)間同步時(shí)鐘的整體性能驗(yàn)證

驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的雙模時(shí)間同步時(shí)鐘的整體性能，包括脈沖、IRIG-B和串口報(bào)文的輸出精度、穩(wěn)定性以及守時(shí)等性能。

雙模衛(wèi)星導(dǎo)航接收模塊輸出的PPS和時(shí)鐘輸出PPS波形如圖6所示，兩者偏差小于30 ns。

IRIG-B的第1個(gè)碼元準(zhǔn)時(shí)沿發(fā)送波形如圖7所示，精確度優(yōu)于 1 μs。

IRIG-B的發(fā)送波形如圖8所示，可以看到每個(gè)碼元的長(zhǎng)度為10 ms，所表示時(shí)間為45 s。

串口報(bào)文發(fā)送的波形如圖9所示，起始位與PPS的上升沿偏差優(yōu)于5 ms，總共發(fā)送時(shí)間為20 ms左右。

圖6 輸入PPS和輸出PPS波形Fig.6 The waveform of input and output PPS

圖7 IRIG-B準(zhǔn)時(shí)沿發(fā)送波形Fig.7 The waveform of the first IRIG-B code transmit

圖8 IRIG-B發(fā)送波形Fig.8 The waveform of IRIG-B code transmit

圖9 串口報(bào)文發(fā)送波形Fig.9 The waveform of RS232/485 transmit

失去外部時(shí)間源1 min后，雙模衛(wèi)星導(dǎo)航接收模塊輸出的PPS和時(shí)鐘輸出PPS波形如圖10所示，二者偏差大約為1 μs。

圖10 1 min守時(shí)精確度Fig.10 The accuracy of 1 minute time-keep

4 結(jié)語

本文基于北斗II代/GPS雙模衛(wèi)星導(dǎo)航接收模塊，利用ARM豐富的外圍設(shè)備和CPLD輸出延時(shí)小的特點(diǎn)，根據(jù)電力系統(tǒng)時(shí)間同步系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范，研制了一種電力系統(tǒng)雙模時(shí)間同步時(shí)鐘，可以適應(yīng)電力系統(tǒng)時(shí)間同步系統(tǒng)基本式、主從式以及主備式［11］3種組網(wǎng)方式，并且實(shí)現(xiàn)了多種時(shí)間源的互為備用和戰(zhàn)時(shí)備用。其體積小、功耗小、工作穩(wěn)定，具有一定的實(shí)際使用價(jià)值。

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