GPS對時功能在電力自動化中的應(yīng)用

金湘力

(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院南京南瑞集團公司,江蘇南京 210061)

GPS對時功能在電力自動化中的應(yīng)用

金湘力

(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院南京南瑞集團公司,江蘇南京 210061)

闡述了授時時鐘在變電站自動化系統(tǒng)中,對自動化裝置授時的基本原理,提出了利用全球定位系統(tǒng)接收器與AT89C55單片機系統(tǒng)實現(xiàn)變電站授時時鐘的方案,給出了時鐘的軟、硬件設(shè)計,并詳細介紹了裝置內(nèi)部的全球定位系統(tǒng)秒脈沖 (PPS)信號的軟件防干擾措施及串口通信上的提前發(fā)送技術(shù)。

電站自動化;GPS;授時;防干擾

0 引 言

電力系統(tǒng)故障分析依靠兩個方面,一是故障錄波;二是時間基準。微機保護及錄波裝置的應(yīng)用已經(jīng)比較全面地記錄了故障信息,但時間基準的不統(tǒng)一給故障分析特別是故障綜合分析 (比如高壓線路高頻保護工作狀態(tài)分析)帶來了極大的不便,所以,提供標準時間的時鐘成為變電站乃至整個電力系統(tǒng)的迫切需要[1]。

全球定位系統(tǒng) (GPS)具有全天候、時間精度高等優(yōu)點,已經(jīng)在國防、航海、航空、探測等各領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。全球定位系統(tǒng)可以為各個變電站提供統(tǒng)一的時鐘,這為變電站及電力系統(tǒng)統(tǒng)一授時提供了基本的條件。農(nóng)網(wǎng)、城網(wǎng)的逐步完善,電力系統(tǒng)自動化程度的日益提高,數(shù)字通信的發(fā)展等都為電子系統(tǒng)統(tǒng)一授時的實現(xiàn)提供了可能。

1 授時原理簡介

1.1 授時原理

在變電站授時系統(tǒng)中,授時過程包括軟件授時和硬件對時兩個部分,如圖 1所示。授時過程具體為：時鐘通過串口向系統(tǒng)計算機發(fā)送時間信息,安裝在系統(tǒng)計算機上的接收軟件接收該數(shù)據(jù)并實時修改計算機的時間,系統(tǒng)計算機通過現(xiàn)場總線給各微機保護或其他自動化裝置發(fā)送時間信息,與此同時,時鐘向這些自動化裝置發(fā)送 PPS脈沖,當脈沖處于上升沿時,各裝置把系統(tǒng)計算機發(fā)送來的時間寫入時間芯片,更新自身時間,從而達到變電站整個系統(tǒng)的授時目的[2]。

圖1 授時框圖Fig.1 Com pare the time

當時鐘直接給自動化裝置授時,除了沒有系統(tǒng)計算機這一中間環(huán)節(jié)外,自動化裝置和時鐘工作情況與前者一樣。

1.2 時鐘工作時序

圖2 授時時序圖Fig.2 Compare the time sequence

授時時鐘的關(guān)鍵技術(shù)之一,就是在授時過程中,不損失時間精度。這跟時鐘的工作時序密切相關(guān)。本設(shè)計時鐘工作時序如圖 2所示。圖2中：t0是 GPS接收器發(fā)送等待時間;t1是GPS接收器發(fā)送 N時刻信息所用時間,亦即時鐘接收 N時刻信息所用時間;t2是時鐘計算、轉(zhuǎn)換N時刻信息所用時間;t3是時鐘發(fā)送 N時刻信息所用時間,即系統(tǒng)機接收 N時刻信息所用時間;t4是系統(tǒng)機利用 N-1時刻信息更新其系統(tǒng)時間所用的時間;t5是系統(tǒng)機發(fā)送 N-1時刻信息所用時間,即自動化裝置接收 N-1時刻信息所用時間;t6是自動化裝置利用 N-2時刻信息更新其自身時間所用時間。

因為 t6和 PPS的精度均為 μs級,所以,當不包括各自動化裝置對 PPS的確認延時,授時精度為μs級。授時過程中,時鐘和系統(tǒng)計算機發(fā)送的時間信息均為在接收到的時間信息的基礎(chǔ)上加了 1 s的補償,這樣,盡管發(fā)送和接收均占用時間,但接收方接收到的時間信息就是當時時刻的信息[3]。

2 時鐘的硬件設(shè)計

授時時鐘的硬件結(jié)構(gòu)如圖 3所示。

圖3 時鐘原理框圖Fig.3 C lock principle

設(shè)計中,全球定位系統(tǒng)接收器采用 Motorola Oncore GPS接收器,這是一種智能型 GPS傳感器,作為精度定位、導(dǎo)航及授時系統(tǒng)的部件,該接收器能通過一個反相 TTL串行接口提供自身位置、速度及時間信息,并輸出時間精度為1μs的PPS脈沖。它支持摩托羅拉二進制輸入輸出。NIE MA輸出和 RTC M輸入命令。輸出是連續(xù)式還是詢問式通過軟件命令實現(xiàn)。本時鐘采用摩托羅拉二進制輸入輸出,使用非常方便。

CPU采用 AT89C55芯片,它有20 K字節(jié)程序存儲器,3個 16位定時/計數(shù)器。應(yīng)用該芯片,滿足設(shè)計要求,無需外部程序存儲器。其 3個 16位定時/計數(shù)器可分別用于定時中斷、串行接收波特率發(fā)生器和串行發(fā)送波特率發(fā)生器,這樣,無需串口擴展,就解決了時鐘接收 GPS接收器數(shù)據(jù)波特率恒定,而輸出由用戶設(shè)定這種不一致的問題[4]。

為了滿足用戶的需要,用于軟件授時的串行接口設(shè)有 RS232,RS485/422格式,分別采用 MAX202和 MAX491芯片實現(xiàn)。本設(shè)計采用通信與系統(tǒng)雙電源,串行信號通過快速光耦隔離,這樣就使系統(tǒng)免受通信干擾的影響,提高了時鐘的運行穩(wěn)定性。

同時脈沖電路是以光電隔離的靜態(tài)空接點形式輸出的陣列,第 5路均采用達林頓光耦 TIL113,它具有較強的驅(qū)動能力,每個脈沖輸出根據(jù)要求還可以進行擴展,以滿足變電站給多個自動化裝置校時的需要。

時間顯示信息包括時、分、秒。顯示電路主要采用 2個 74HC273芯片和 6個數(shù)碼管來實現(xiàn)。一個 74HC273芯片作為各數(shù)碼管的段位驅(qū)動,另一個作為數(shù)碼管選擇驅(qū)動。數(shù)碼管的段位以軟件查表譯碼,2個依次操作時,先選通數(shù)碼管,再向該數(shù)碼管寫入對應(yīng)的 7段顯示碼,雖然每次只選通 1個數(shù)碼管,但因為每到 1 ms的定時中斷就刷新 1次,所以,時間信息顯示正常。

3 時鐘的軟件設(shè)計

3.1 程序

程序框圖如圖 4所示。

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flow

本設(shè)計中,GPS接收器以連續(xù)式輸出時間等信息。CPU首先向 GPS接收器發(fā)送@@EamC＜CR＞＜LF＞命令,其中,@@為同步符,Ea為讀取位置/狀態(tài)/數(shù)據(jù)輸出命令,m取 1表示連續(xù)每 1 s發(fā)送數(shù)據(jù),C為校驗和, ＜CR＞＜LF＞為幀尾符。通過該命令,CPU以后不用再發(fā)送命令,GPS接收器每秒鐘都會自動發(fā)送其位置、速度及時間信息[5]。

3.2 計數(shù)器/定時器應(yīng)用

定時器 0作為定時中斷,設(shè)置為1ms中斷一次,工作方式 0即 16位定時器方式;定時器 1作為發(fā)送波特率發(fā)生器,工作方式 2,根據(jù)用戶要求設(shè)定不同的波特率,設(shè)置時鐘向系統(tǒng)上位機或自動化裝置發(fā)送時間信息的串口波特率;定時器2作為接收波特率發(fā)生器,設(shè)置為 Motorola Oncore GPS接收器摩托羅拉二進制輸出格式所要求的波特率9 600 bit/s。接收和發(fā)送波特率設(shè)置的時間常數(shù)依據(jù)分別是：

式中：th1,rcap2h,rcap2l分別為定時器 1,2的時間常數(shù);smod為寄存器 PCON的最高位,置位smod可使波特率提高一倍。

3.3 串行通信的提前發(fā)送技術(shù)

本時鐘串行通信的 GPS接收器數(shù)據(jù)接收與發(fā)送系統(tǒng)時間信息分開,具體為之,以 AT89C55的RXD信號線接收 GPS接收器的數(shù)據(jù),以 TXD通過 TTL電平轉(zhuǎn)換為 RS232或 RS485/422電平,向系統(tǒng)上位機或各自動化裝置發(fā)送數(shù)據(jù),免去擴展串口的不便。

發(fā)送信息采用提前發(fā)送技術(shù),依據(jù)波特率不同和整個時間信息的字節(jié)數(shù),計算出發(fā)送數(shù)據(jù)所要求的時間,從而提前這段時間發(fā)送,使得到下一下 PPS上升沿,數(shù)據(jù)恰好發(fā)送完畢。這一技術(shù)的采用,滿足了未接入 PPS信號時,亦能給微機保護直接授時,并且達到毫秒級精度,對于變電站中原來沒有留有 PPS信號接入的自動化裝置,這一技術(shù)有利于實現(xiàn)變電站整個系統(tǒng)的統(tǒng)一對時。

3.4 PPS抗干擾技術(shù)

裝置通過串口向系統(tǒng)發(fā)送時間信息的起始時刻取決于 PPS,如果 GPS信號接收器的 PPS受到干擾,必然引起整個系統(tǒng)時間的錯誤。所以,為防止 GPS信號接收器的 PPS受干擾而給系統(tǒng)誤發(fā)信息,時鐘內(nèi)部設(shè)有軟件抗干擾措施。

軟件抗干擾功能是通過 PPS上升沿及此時定時中斷計數(shù)器的計數(shù)比較來實現(xiàn)的。PPS正常為1 s+1μs,其誤差可以忽略不計,可將 PPS作為外部中斷源,在其中斷處理程序中,查看定時中斷的中斷次數(shù) N和讀取定時器計數(shù) TH0,TL0,并重新裝載定時器定時常數(shù)和清定時中斷的中斷次數(shù)。在定時中斷處理程序里,每進入一次,中斷次數(shù) N加 1[6]。

如果 1PPS沒受到干擾,當進入外部中斷時,因為定時中斷為1ms中斷一次且計數(shù)方式是增計數(shù),所以,在實際編程中,定時中斷的中斷次數(shù) N和定時器計數(shù) TH0,TL0的關(guān)系有兩種情況：N=999且(TH0,TL0)≤時間常數(shù) +X。其中,X的大小由PPS精度、晶振精度來決定。如果判定受到干擾,則不向系統(tǒng)機或自動化裝置發(fā)送時間信息,各自動化裝置保留自身的時間,從而達到抗干擾的目的,否則,當偵測到數(shù)據(jù)同步,就發(fā)送時間信息。

3.5 同步問題

Motorola Oncore GPS接收器最多可同時跟蹤 8顆衛(wèi)星,通過得到狀態(tài)輸出信息,可知道實際跟蹤衛(wèi)星個數(shù)及每個衛(wèi)星接收通道狀態(tài),如果跟蹤到的衛(wèi)星個數(shù)大于等于 3,且其通道跟蹤模式為定位有效,此時才認為信息是同步的。時鐘每接收一幀數(shù)據(jù),就查詢相應(yīng)信息字節(jié),驗證同步后才轉(zhuǎn)換、發(fā)送時間信息[7]。

3.6 本地顯示的精度問題

時間顯示在時鐘的 1ms定時中斷中完成,每到定時中斷,就以顯示緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)來刷新數(shù)碼管的顯示數(shù)據(jù)。顯示緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)在串口發(fā)送完時間信息后就刷新,其誤差如前所述為1 ms。所以,等到定時中斷刷新顯示,其時間顯示誤差小于2ms。

4 結(jié) 論

該時鐘已研制成功,并在實踐中得到廣泛應(yīng)用,運行狀況良好。該時鐘除了配合變電站綜合自動化系統(tǒng)之外,亦可直接對各微機保護和其他自動化裝置進行授時,且當未接入 PPS信號時,由于本設(shè)計的提前發(fā)送技術(shù),可使得授時亦可達到 ms級精度。該時鐘原理先進,時間精度高,使用前景廣闊。

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Practice of Transformer Substation Au tomated System on GPSCom paring the Time Function

Jin Xiangli
(State Grid Electric Power Research Institute＆NARIGroupCorporation,Nanjing 210061,China)

This paper introduced the principle of GPSclock comparing the time in transformer substation automated system,brought forward a comparing the time projecton Global Positioning System receiver and a AT89C55 single chipsystem in transformer substation automated system,provided the design on both software and hardware,introduced the anti-jammingmeasurementof the pulses per second(PPS)in GPS and serial interface advance transmitting communication technique.

transformer substation automatization;GPS;comparing the time;anti-jamming

T M732

A

2010-01-05。

金湘力 (1977-),男,工程師,從事變電站綜合自動化裝置的數(shù)據(jù)傳輸研究,E-mail：lm39ms@126.com。

book=44,ebook=236