基于北斗II代/GPS的電力系統雙模時間同步時鐘的研制

童偉

(國網北京經濟技術研究院，北京市 100052)

0 引言

時間同步系統正在成為電力系統穩定運行的關鍵因素。隨著智能電網建設的不斷推進，通過硬件基礎和技術手段實現智能電網的信息化、數字化、自動化和互動化，未來智能電網技術的推廣和應用，如廣域測量系統、智能化調度系統以及實時監測和分析系統等技術，電力系統發、輸、配、用電的智能化要求，對時間同步的要求會非常高［1-2］。

目前，電力系統中的同步時鐘系統的時間源主要來自于美國全球定位系統(global positioning system，GPS)提供的同步時間基準［3-4］。美國已成功掌握了“局部屏蔽GPS信號”等技術，對國內各種GPS應用帶來了潛在的隱患。電網作為國家的重要基礎設施，GPS所提供的時鐘問題給國家的戰略安全帶來嚴重威脅。

北斗衛星導航系統(Beidou navigation satellite system)是我國正在實施的自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統。2004年4月，北斗衛星導航試驗系統“北斗I代”區域衛星導航系統正式建成并投入使用，2012年12月27日，“北斗II代”系統開始向亞太大部分地區提供正式服務，預計在2020年前再發射30多顆衛星，組成覆蓋全球的衛星導航系統。隨著北斗衛星導航系統的發展，目前國內下游研發和應用產業鏈已經初步形成，如中國衛星通信集團、國騰電子等廠商已經能夠獨立自主研發和生產北斗基礎產品和終端設備，提供基于北斗的各種服務。2013年4月20日，在蘆山地震發生后，北斗終端設備為抗震救災提供了應急導航定位保障，表明運行半年的“北斗II代”系統完全能夠在特殊情況下獨立正常工作。

因此，有必要發展基于北斗衛星導航系統的電力系統時間同步時鐘，同時不排斥GPS，兩者互為備用。國家電網公司在“十二五”規劃中也提出了“無線同步技術和有線同步技術相結合的方式，無線時間同步信號主要依靠GPS及北斗衛星授時，有線時間同步可利用時鐘同步網提供的基準信號通過數據網絡進行傳送”。

本文基于北斗II代/GPS雙模衛星導航接收模塊、Cortex-M3架構的ARM微處理芯片和復雜可編程邏輯器件(complex programmable logic device，CPLD)研制一套電力系統雙模時間同步時鐘。該時鐘能夠接收北斗II代/GPS雙模時間信息，同時可以接收IRIG-B等其他時間源互為備用。裝置使用1 U標準機箱，體積小、功能接口豐富，具備4種對時方式［5-6］:脈沖對時、串口報文對時、IRIG-B方式對時、網絡方式對時。輸出信號類型包括 RS232/485串行口、IRIG-B、脈沖以及網絡時間協議 NTP/精確時間協議 PTP［7］。

1 北斗II代/GPS雙模衛星導航接收模塊

本文時間同步時鐘的主要時間源使用自行研制的一種北斗II代/GPS雙模衛星導航接收模塊，該模塊支持北斗II代和GPS的單系統定位和雙系統聯合定位，采用杭州中科微電子擁有自主知識產權的射頻接收芯片和基帶處理芯片。

北斗II代/GPS雙模衛星導航接收模塊結構框圖如圖1所示，衛星有用的信號和噪聲的混合信號經天線單元進入射頻接收芯片HZ1112BD，經2次降頻、鎖相獲得低頻模擬信號，然后被還原成合適的數字信號經串行外圍設備接口SPI(serial peripheral interface)輸出給基帶處理芯片ATGB02進行處理。

圖1 雙模接收模塊結構Fig.1 The structure diagram of dual-mode receiver module

基帶處理芯片ATGB02通過相關運算完成對衛星信號的解擴和通過載波的相關運算完成對衛星信號載波多普勒頻移的搜索，進而通過碼跟蹤環路和載波跟蹤環路對捕獲后的信號進行跟蹤，通過對衛星信號的解碼，獲得同步于格林威治天文臺的同步時間以及模塊所在地的精確位置信息，最后以導航設備統一標準報文協議NMEA 0183和秒脈沖(pulse per second，PPS)的形式進行輸出，具體內容可以通過算法靈活調整。雙模接收模塊的主要技術規范如表1所示。

表1 雙模接收模塊的主要技術規范Tab.1 The main specification of dual-mode receiving module

2 時間同步時鐘的整體設計

根據文獻［5］，電力系統時間同步時鐘的組成應由接收單元、時鐘單元和輸出單元3個部分組成，如圖2所示。

圖2 同步時鐘基本組成Fig.2 Basic structure of synchronization clock

2.1 硬件結構框圖

本文設計的時間同步時鐘系統包括主機和從機，主要時間源為上文中的雙模模塊輸出的無線時間源，同時接收有線時間源如串口報文、IRIG-B以及NTP/PTP［7］互為備用。采用先進的鐘控算法，自動選擇時間源，實現了不同時間源的無損切換。在外部時間源都不可用時，由系統內部時鐘守時算法在一定時間內提供高精度守時功能［8］，硬件結構如圖3所示。

圖3 硬件結構框圖Fig.3 Hardware structure diagram

2.2 接收單元

接收單元的主要任務是接收并對各種時間源進行有效性和優先級的判斷。以往的時鐘設計大多基于單片機系統，受單片機處理速度和外設的限制，可收發時間源單一，無法接收NTP/PTP等時間源。

本文設計的時鐘接收單元的主控芯片采用NXP公司基于 Cortex-M3架構的 ARM芯片 LPC1768。Cortex-M3內核是一種面向低成本、小管腳數目以及低功耗應用，主頻高達100 M，內置嵌套中斷控制的處理器內核，自帶以太網功能模塊。

時鐘對每s的不同時間源主要接收和處理時刻都進行了詳細設計，其關系如圖4所示。

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

可以看出，當同時接入不同的時間源時，同一時刻往往有不同的數據需要收發和處理，同時需要保證不同時間信息的實時性要求。通過對Cortex-M3的嵌套中斷控制器進行設置能夠滿足這些要求，其與內核緊密耦合，延時非常低，共8個中斷優先級組域，并且可以對任何中斷源進行優先級設置。以NXP公司提供的開發代碼為例，將外部中斷1設置為最高優先級的代碼如下:

首先需要設置中斷優先級組域，這里設為4，有8個搶占優先級，32個響應優先級。然后對優先級變量ENIT1進行編碼，級數越高數值越低，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，只要滿足觸發外部中斷1的條件，程序將立即跳轉到外部中斷1的中斷服務函數，而且無法被打斷。

時間優先級的選擇主要使用“位操作法”，例如同時接收到了串口報文和IRIG-B，代碼如下:

在接收到了串口報文后對標志位Flag第1位進行賦值，接收到了IRIG-B后對Flag第2位進行賦值，以此類推，依據不同的時間源進行不同位的賦值操作。在每s即將結束的時刻進行時間源優先級的判斷并處理為下1 s所需發送的時間信息，實際運行結果表明，同時接收不同的時間源數據無丟失，時間源切換時無“斷秒”的情況。

2.3 時鐘單元

時鐘單元的主要任務是將時鐘引入跟蹤鎖定狀態，并在接收單元失去了所有的外部時間源后進入守時保持狀態。讀取實時時鐘芯片DS3231的時間信息，時鐘保持一定的時間準確度，并輸出時間同步信號和脈沖信號。

脈沖守時主要基于頻率源的測頻原理，硬件主要由CPLD芯片和頻率源組成，CPLD芯片采用Altera公司的EPM570T100C5N，內部集成了570個邏輯單元，最大可測頻率200 M。頻率源又稱頻標，提供穩定的頻率信號，作為時鐘單元外部時間源失效的情況下守時脈沖信號源。根據守時精度要求的不同，可以選用原子頻標、高精度恒溫晶振或者普通的石英晶振。相應的，守時精度越高，付出的代價越大。

測頻基本原理如圖5所示。設實際閘門時間為t，有源晶振的頻率為f，通過測量其方波周期數，可以換算出閘門開通的時間t=N/f。可以看出，這種方法產生的誤差來自3個方面:(1)CPLD自身的延遲時間，EPM570的頻率計數模塊最大延遲時間為5.4 ns;(2)頻率源的頻率，理論上越大越好;(3)頻率源本身的穩定度，這是誤差產生的主要原因。本文根據實際需要，使用的普通有源晶振的穩定度在5×10－5左右，為了減少誤差，利用DS3231產生的1 Hz的方波與雙模模塊的PPS信號進行對比，通過時間補償算法保證了在失去外部時間源的情況下守時脈沖輸出的準確度［9-10］，可以保證ms等級下的守時精度。

圖5 測頻基本原理圖Fig.5 Basic principle of frequence measurement

2.4 輸出單元

輸出單元輸出各類時間同步信息、狀態和告警信號，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網口輸出，脈沖采用端子形式的無源輸出。

2.5 其他設計

輸出信號之間應互相電氣隔離，時間同步時鐘的電源輸入和所有輸出不應與裝置內部弱電回路有電氣聯系。

在無外部時鐘源的情況下，時間同步時鐘可通過4個按鍵，手動設置時間作為本地時鐘源來使用。

3 雙模時間同步時鐘的整體性能驗證

驗證本文設計的雙模時間同步時鐘的整體性能，包括脈沖、IRIG-B和串口報文的輸出精度、穩定性以及守時等性能。

雙模衛星導航接收模塊輸出的PPS和時鐘輸出PPS波形如圖6所示，兩者偏差小于30 ns。

IRIG-B的第1個碼元準時沿發送波形如圖7所示，精確度優于 1 μs。

IRIG-B的發送波形如圖8所示，可以看到每個碼元的長度為10 ms，所表示時間為45 s。

串口報文發送的波形如圖9所示，起始位與PPS的上升沿偏差優于5 ms，總共發送時間為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準時沿發送波形Fig.7 The waveform of the first IRIG-B code transmit

圖8 IRIG-B發送波形Fig.8 The waveform of IRIG-B code transmit

圖9 串口報文發送波形Fig.9 The waveform of RS232/485 transmit

失去外部時間源1 min后，雙模衛星導航接收模塊輸出的PPS和時鐘輸出PPS波形如圖10所示，二者偏差大約為1 μs。

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

4 結語

本文基于北斗II代/GPS雙模衛星導航接收模塊，利用ARM豐富的外圍設備和CPLD輸出延時小的特點，根據電力系統時間同步系統技術規范，研制了一種電力系統雙模時間同步時鐘，可以適應電力系統時間同步系統基本式、主從式以及主備式［11］3種組網方式，并且實現了多種時間源的互為備用和戰時備用。其體積小、功耗小、工作穩定，具有一定的實際使用價值。

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