基于GPS/ 北斗卫星/IRIG-B 的多信号源的时间同步系统的设计
2015年1月15日 09:42 作者:陆彩霞 淮安信息职业技术学院 淮安 22陆彩霞 淮安信息职业技术学院淮安 223003
【文章摘要】
随着科学技术的发展，变电站也逐渐向智能化发展，开发时间同步系统，可以有效避免系统时钟偏差所造成的损失，提高了变电站运行的可靠性，从而促进了智能电网的发展。本文设计了基于GPS/ 北斗卫星/ IRIG-B 的多信号源的时间同步系统。
【关键词】
GPS ；北斗卫星；IRIG-B ；时间同步系统
0 引言
由于变电站的设备非常多，运行程序比较复杂，因而对时间的同步性要求较高，任何一个节点出现时间不同步的情况，都对电力系统的整体运行造成影响，甚至是引起电力系统的瘫痪。所以，电力系统的时间同步系统成为了研究热点。目前，大多数的时间同步系统的同步时钟源都为GPS，它是当前技术最成熟和应用最广泛的授时定位系统，其授时应用的研究也很成熟。但是如果单一使用GPS 授时也存在一定的问题。因为GPS 是美国研制的，所以它受美国的国防部控制，在遇到干扰时，不能正常接收信号，导致其工作受阻，因此，如果单一使用GPS 作为时间同步的标准，一旦出现上面的情况，不能实现系统的时间同步，所以，结合电力系统时间同步的技术规范，我们在电力系统的时间同步系统中引入了北斗星系统和IRIG-B 信号，解决电力系统存在的时间同步问题。
1 时间同步系统的整体设计
目前变电站和电力系统对时间同步系统的要求很高，所以为了提高时间同步系统的可靠性，本文设计了基于GPS/ 北斗卫星/IRIG-B 的多信号源的时间同步系统。以GPS 和北斗卫星作为无线时间的基准信号输入，以IRIG-B 作为有线时间的基准信号输入的冗余切换时间同步系统，这样可以在确保系统的可靠性和安全性的同时，实现了整个系统的时间同步。基于GPS/ 北斗卫星/IRIG-B 的多信号源的时间同步系统的整体结构图如图1 所示。
如图1 所示，GPS、北斗和IRIG-B 都作为时间信号，并将它们进行解码，转换成标准的时间格式，然后将这些时间进行比较，选取最优的信号作为时间信号源，显示和输出系统中授时设备需要的时间信号。因此，在设计时，一定要确定系统的运行速度。GPS 信号和北斗星信号的格式相差不多，其接收模块输出的信号为串行时间信号和脉冲信号。串行信号中的卫星状态标志和时间数据被设计的时间同步系统提取，然后根据设定的格式对时间数据进行相应处理，并输出到相应的设备上；外部按键设置及卫星状态标志均选择冗余信号源作为输入信号和报警信号。B 码信号因为和以上两种信号的格式不同， 所以，需要对其另外进行设计，采用单独的开关门信号及计数脉冲来提取脉冲信号、状态信号及时间数据。
当设备在无法获取某一个或多个时间信号时，能够按照事先确定的切换逻辑，选择一个可用的、当前最佳的时间信号作为基准时间源，当装置获取到质量更好的时间信号时，自动将基准时间源切换到质量好的时间信号上，从而保证设备始终工作于时间质量最好的信号源上，完成冗余授时的切换。
2 系统硬件设计
2.1 芯片与模块的选型
当前很多卫星同步钟的处理芯片为FPGA 和单片机，处理信号源数据。因此在本系统中也选用FPGA 作为主控芯片，可以同时分析三个信号输入的时间数据，并且还能提高响应速度，输出信号接口利于扩展。选用选用Altera 公司CycloneIIEP2C35F672C8 型号的FPGA 作为系统主控芯片。
2.2 双模接收天线
由于本系统需要接收北斗信号和GPS 信号，所以为了节约成本，减少工作量，所以采用北斗GPS 双模接收天线，在一个天线罩内同时安装两个天线头，接收双频信号，接收的频率分别为1575.42MHz 和2491.75MHz。信号合路之后通过馈线和设备相连，传输至FPGA 芯片进行信号处理，确保授时精度。
2.3 时间同步系统主时钟
本系统中的时间同步时钟选取西安骊天电子科技有限责任公司MH— 200GPS/ 北斗/B 码标准同步时钟. 其技术指标如下：
电源：直流/ 交流自适应（110 ～ 250V 直流；95 ～ 265V 交流）。
①“北斗”卫星特性：首捕时间≤ 2s ；失锁重捕时间≤ 1s ； 定时准确度≤ 100ns ；“北斗”天线的馈线长30m（可定制到40 ～ 180m）。② GPS 卫星特性：可同时跟踪12 颗GPS 卫星；数据重现时间： 冷启动≤ 40min，热启动≤ 20s ；接收频率1575.42MHZ ； 阻抗50 欧； 天线射频灵敏度-166dbw ；1PPS 秒脉冲定时准确度≤ 50ns ；定位精度10m ； GPS 天线的馈线长30m（可定制到40 ～ 180m）。IRIG － B 时间码：B（DC）码 RS422 接口；B(AC) 码， 调制比3:1, 幅度0 ～ 10VP-P 可调，阻抗600Ω, 典型值8VP-P， 平衡输出：B（DC） 码同步准确度小于1μS ；B（AC）码同步准确度小于8μS。
PTP 校时：主时钟/ 从时钟：1 微妙。NTP 授时：城域网：≤ 50mS ；局域网： ≤ 1-10mS 。
3 系统软件设计
3.1 GPS/ 北斗授时功能模块设计
主要实现GPS 和北斗的授时功能，用VHDL 语言在FPGA 中实现各个功能模块的编写、测试。
① UART 串口模块
模块中输出的GPS 和北斗信息主要是秒脉冲和串行信息两种。在使用FPGA 时，需要编写一个串口通信的模块，将有用的时间数据提取出来。
图1 时间同步系统的整体结构图049
软件开发
Software Development
050
电子制作
② GPS 数据提取模块
GPS 导航设备的行业内统一的RTCM 标准协议。此协议使用ASCII 码，其串行通信默认参数为：数据位8bit，波特率4800bps，停止位1bit，开始位1bit，无奇偶校验。$GPRMC 格式如下：
$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,< 7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*<13><CR>< LF>。
其中，语句<1>---- 为时分秒信息； 语句<2>---- 为 定位的状态信息；语句<9>---- 为日月年等。以上信息为UTC 时间，我国使用东八区时间，需加8 小时才能成为北京时间。
③ GPS 数据提取模块设计
根据上述分析，我们只需提取其中的<1><2><9> 即可，而其它数据无需关注。本模块输入为ASCII 码，输出的数据为并口的二进制数。
④数据处理模块
数据处理主要包括三个方面：时区转换处理、秒加1 修正处理和PPM、PPH 处理。首先时区处理：在UTC 时间上加8 小时成为北京时间；秒+1 处理：GPS 接收机输出的时间是NMEA0183 格式的UTC 时间，而经串行接收处理的是前面时刻发生的数据，需要以此时间为基础进行+1 秒处理，得到下一个要输出的时刻；最后是1PPM、1PPS、1PPH 处理：电力系统脉冲校时是一个重要的手段，需要响应的同步处理。
3.2 IRIG-B 授时相关功能模块设计
① IRIG-B 数据提取模块
对B 码解码提取相应报文，其关键问题是如何识别对码元。首先是识别脉冲基准码元的识别，提供基准脉冲，然后再根据不同的码元宽度比如5ms 或2ms，提取出相应的编码时间信息。
② IRIG-B 数据处理模块
B 码授时对数据进行处理主要是将数据转换成年月日时分秒的格式。在B 码中，没有直接给出月份，因此，只需时间修正和日期转换的处理。B 码中时间修正和上述的GPS、北斗授时类似；此外，天数转换成日期后，数据将使用高低两个BCD 码表示。
4 时间同步系统的冗余配置
为了实现时间同步系统同步网冗余方案，需先对PTP 网络进行配置。本系统定义了Master 状态、Standby 状态、Backup 状态、Substitute 状态的配置，方案如下：(1)Master 状态：当时钟对时主机服务器的GPS/ 北斗/B 码接收机工作正常时，选择主机服务器作为PTP 系统根时钟对全站进行精确时钟同步。(2)Standby 状态：如果根时钟的授时出现问题，监控中心就会迅速启动PTP 时钟同步网冗余系统，切换到时间同步系统的备用根时钟， 实现全网时间同步，根时钟恢复后，继续采用根时钟精密授时。(3)Backup 状态： 该状态下，如果根时钟和冗余备用根时钟同时出现问题，监控系统发出警报。利用冗余网络实现电力系统的时间同步，直到恢复正常。(4)Substitute 状态：主通信网络不能正常工作，启动备用网络，也就是Substitute 状态，利用备用网络实现电力系统的时钟同步，同时发出警报。
5 结束语
和传统的时钟同步系统，本系统的稳定可靠性较高，本系统处于初步设计阶段，需要对系统不断进行维护，强化系统功能。
【参考文献】
[1] 韩本帅, 孙中尉, 崔海鹏, 林泽源, 张涛. 智能变电站过程层时间同步方式研究[J]. 中国电力,2012,11:86-90.
[2] 郭彬, 单庆晓, 肖昌炎, 杨俊, 刘国华. 电网时钟系统的北斗/ GPS 双模同步技术研究[J]. 计算机测量与控制,2011,01:139-141.
[3] 姚利红. 基于FPGA 的电力系统GPS/ 北斗时间同步装置[D]. 山东大学,2013.
[4] 潘小山. 基于北斗卫星的电力授时终端设计与实现[D]. 华北电力大学,2013.
【作者简介】
陆彩霞（1979-），女，硕士研究生，中共党员，江苏涟水人，讲师、工程师， 现任淮安信息职业技术学院计算机与通信工程学院教师，主要研究方向计算机网络技术与Linux。
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