文 献 综 述

一、背景介绍

在当今的电力系统中,高精度的时钟同步技术是一项必不可少的技术^[1]。随着经济的快速发展,人们对电的需求量日益增长,电力系统无论在规模上还是在容量上都在逐步扩大。大机组、超高压输电和自动化正逐渐成为国内电网的重要特征^[2]。而电力系统又是一个以时间为基础运行的系统,系统中发电、输电和用电三大环节同时进行,对电力系统的运行与控制提出了高度实时性的要求^[3]。电力信号中,功角、电压、电流、相角都是以时间为横坐标的函数,必须依靠高精度时钟才能实现对相量与功角等信号的动态在线监测。自从电网进行全国互联运行后,电力系统的动态特性变得更加复杂,为保障电力系统的安全、稳定运行,电力系统的自动化装置对时钟同步精度提出了更高的要求^[4]。电力系统中各种测控装置均按照同一个高度精确的时钟源同步运行,从而切实有效地提高了电网快速应对事故的能力以及保障电力系统稳定运行的能力^[5]。如今,经济社会的不断发展,对电力质量和服务多元化提出了更高的要求,因此必须进一步提高电力系统中的时钟同步精度与可靠性,使电网运行能满足社会发展的需求^[6]。

GPS同步时钟即通过GPS卫星系统获取高精度的时间信号，并将时间信号进行处理处理并以常见微机接口输出。目前此类设备以安全、可靠与高精度的时钟同步性能等优点在国内市场以得到广泛的应用^[7]。YRQ-DLB1L1T B1频点电力定位授时模块是基于新型GPS高精度定位授时系统而开发的基础型授时应用产品^[8]。

YRQ-DLB1L1T B1频点电力定位授时模块是针对电力市场的时间同步和精密授时的需求而开发的模块产品，它能够提供高精度1pps脉冲与高达50ns的授时精度。该电力授时模块可以接收BD B1频点信号，同时具备定位与授时等功能，在电力、变电站、通信、基站、视频与时间同步等领域有着非常广泛的实际应用。该电力授时模块从授时性能、内部结构与接口的定义上与M12（摩托罗拉旗下产品）模块可以实现非常完美的兼容。该模块接收卫星信号进行处理，输出1PPS时钟脉冲，还通过UART接口输出导航电文。

下图为该授时模块的外部接口示意图。

授时模块

图1电力授时模块接口示意图

本课题需要针对授时模块，设计一种用于批量生产时的自动化测试平台的硬件部分。该测试平台需要能够同时测量1pps的输出精度，以及UART口电文的准确度。平台需要支持以下功能：

sup2; 同时测量8个授时模块

sup2; 支持1路基准秒脉冲信号输入

sup2; 可以测试授时模块的1pps信号和基准信号间的误差

sup2; 可以测试授时模块的报文的正确性

sup2; 支持通过以太网和上位机相连

二、当前现状与研究方向

时间间隔测量是时频比对系统的核心^[9]。现代意义上的时间间隔测量始于真空管时代，几十年来其测量方法经不断改进发展，从最早的时间间隔扩展法，到现在的插值法、延迟线法，可以说是种类繁多。按实现技术，时间间隔测量方法大致可以分为模拟与数字两大类。模拟方法被传统 TDC所采用，需要模数转换过程 ，如时间间隔扩展法和时间#8211;幅度转换法；数字方法不需要模数转换过程，可以实现从时间到数字的直接转换，如游标法、抽头延迟线法，以及差分延迟线法或称游标延迟线法shy;shy;^[10]。

由于传统的模拟方法很难在集成电路上实现，而随着半导体技术的进步和数字电路技术的成熟，现在数字方法越来越流行，这不仅仅是因为模拟方法对环境十分敏感，还因为它们需要比较长的转换时间，容易受外界扰动影响，难以集成^[11]。因此，在芯片上集成 TDC，不管是以 FPGA还是ASIC实现，一般都是采用数字方法^[12]。 按照有无插值过程，时间间隔测量方法又可以分为三类：①没有插值过程的。这类方法不需要粗计数器，不分时间长短，能直接转换为数字。它的缺点是量程比较小；②有插值过程的，也称为”插值法”。实现时，这类方法需要粗计数器，在精确时钟作用下，统计时间间隔覆盖多少个整周期，并把测量开始和结束处小于一个周期的余量送进插值单元做精确测量^[13]。它的优点在于可以同时满足系统在量程和分辨率两方面的要求，因此被广泛应用；③游标法。采用类似游标卡尺的方法，工作原理特殊，可以独立分为一类^[14]。 所有测量方法(比如插值法、延迟线法、扩展法、游标法等)的划分不是绝对的。实践应用中，往往不单纯采用一种方法，而是多种方法的结合^[15]。比如差分延长线法，它既采用了延迟线的结果，也采用了游标法的原理。至于”插值法”，更要求与其他方法结合使用。

本次实验将采用上述方法对授时模块时钟信号与基准信号进行比对，若误差在一定范围内，则该模块为合格产品。

三、实现方案

根据模块在连接天线，并且加电后，会输出秒脉冲信号以及串口电文的特性。其中秒脉冲是根据卫星进行同步，每秒钟输出1个方波脉冲。此外，授时模块还通过UART接口输出电文。根据电力系统的规范要求，输出电文包括以下内容：

UART接口输出”$GPGGA””GPZDA”两种电文，例如：

$GPGGA,133938.00,3203.8343,N,11844.2474,E,1,11,1,23.5,M,0,0*05

$GPZDA,133938.00,08,2015,07,17,00*7B

命令格式：

$GPGGA,time,Lat,N,Lon,E,FS,NoSV,HDOP,msl,M,Altref,M,DiffAge,DiffStation*cs

$GPZDA,time,day,mon,year,ltzh,ltzn*

在可选情况下，UART还支持卫星信号质量报文，例如：

$GPGSV,2,1,8,161,46,143,42,162,34,236,37,163,53,196,31,164,32,120,38*52

$GPGSV,2,2,8,165,17,253,36,167,53,178,43,170,69,231,39,171,14,254,35*5E

命令格式：

$BDGSV,NoMsg,MsgNo,NoSv,sv1,elv1,az1,cno1,sv2,elv2,az2,cno2,sv3,elv3,az3,cno3,sv4,elv4,az4,cno4*cs

本次设计就是针对以上电文特性，将报文中的信息进行提取，产生相应的报告，报告的将重点针对如下参数进行提取：

1) 秒脉冲精度测试（和基准秒脉冲比对）

2) 默认情况下，电文输出测试（电文格式检查、经纬度、输出时间）

3) 卫星信号质量测试（测试卫星的cno值）

该系统的上位机软件能够通过以太网接口接收来自测试平台的1pps误差以及各个模块的电文，并且对上报的结果进行分析、汇总、存储，进而判定授时模块是否合格。

本次设计将以黑金AX301 FPGA开发板为核心构建测试平台硬件。AX301将完成如下任务：对授时模块生成数据进行处理，多个UART通道到1个UART通道的切换，将接收到待测模块的电文进行处理，并对待测模块中传输的1pps脉冲信号与基准信号进行比对，得出相应的误差。下图为硬件设计框图

AX301 FPGA开发板

待测GPS授时模块1

待测GPS授时模块2

待测GPS授时模块7

待测GPS授时模块8

3 4 5 6 待测

卫星信号放大器

卫星接收天线

待测模块供电模块

UART转以太网接口1

UART转以太网接口2

上位机

图2测试平台硬件模块图

本次设计模块简介如下：

1. 电源模块：为8个被测模块提供3.3v直流电源

2. RF处理模块：支持一个有源天线输入，通过放大和功率分配电路分为8路输出，每一路输出连接到一个GPS/北斗模块的天线入口，电路需要同时支持有源天线和无源天线两种连接方式。RF模块增益约为0dB,需5V电源。

3. UART转ETH模块：把UART串行接口转为ETH接口，本测试平台共需要两个，一个用于1pps信号的对比结果输出和命令的输入，一路用于电文的输出。

4. AX301 FPGA开发板：AX301是核心处理模块，将负责完成1pps误差信号的测量、 多个UART通道到1个UART通道的切换，以及对电文的信息的提取等工作。

参考文献:

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[2]陈建明.基于GPS的髙精度时钟的研宄与设计[D].武汉:华中科技大学,2009

[3]梁志华,张广杰.浅谈电力系统中的时钟同步技术[J].华章,2012,(25):305.

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[8] 季育文. 基于FPGA的多通道时频比对系统研究[D]. 长沙:湖南大学, 2009.

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文 献 综 述

一、背景介绍

在当今的电力系统中,高精度的时钟同步技术是一项必不可少的技术^[1]。随着经济的快速发展,人们对电的需求量日益增长,电力系统无论在规模上还是在容量上都在逐步扩大。大机组、超高压输电和自动化正逐渐成为国内电网的重要特征^[2]。而电力系统又是一个以时间为基础运行的系统,系统中发电、输电和用电三大环节同时进行,对电力系统的运行与控制提出了高度实时性的要求^[3]。电力信号中,功角、电压、电流、相角都是以时间为横坐标的函数,必须依靠高精度时钟才能实现对相量与功角等信号的动态在线监测。自从电网进行全国互联运行后,电力系统的动态特性变得更加复杂,为保障电力系统的安全、稳定运行,电力系统的自动化装置对时钟同步精度提出了更高的要求^[4]。电力系统中各种测控装置均按照同一个高度精确的时钟源同步运行,从而切实有效地提高了电网快速应对事故的能力以及保障电力系统稳定运行的能力^[5]。如今,经济社会的不断发展,对电力质量和服务多元化提出了更高的要求,因此必须进一步提高电力系统中的时钟同步精度与可靠性,使电网运行能满足社会发展的需求^[6]。

GPS同步时钟即通过GPS卫星系统获取高精度的时间信号，并将时间信号进行处理处理并以常见微机接口输出。目前此类设备以安全、可靠与高精度的时钟同步性能等优点在国内市场以得到广泛的应用^[7]。YRQ-DLB1L1T B1频点电力定位授时模块是基于新型GPS高精度定位授时系统而开发的基础型授时应用产品^[8]。

YRQ-DLB1L1T B1频点电力定位授时模块是针对电力市场的时间同步和精密授时的需求而开发的模块产品，它能够提供高精度1pps脉冲与高达50ns的授时精度。该电力授时模块可以接收BD B1频点信号，同时具备定位与授时等功能，在电力、变电站、通信、基站、视频与时间同步等领域有着非常广泛的实际应用。该电力授时模块从授时性能、内部结构与接口的定义上与M12（摩托罗拉旗下产品）模块可以实现非常完美的兼容。该模块接收卫星信号进行处理，输出1PPS时钟脉冲，还通过UART接口输出导航电文。

下图为该授时模块的外部接口示意图。