專利名稱：自適應(yīng)識別gps輸入信號的對時方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自適應(yīng)識別GPS輸入信號的對時方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代電力系統(tǒng)中安裝了各種自動化裝置，如監(jiān)控系統(tǒng)的測控單元、RTU、故障錄波器、微機保護裝置、SCADA，等等。這些裝置內(nèi)部都有實時時鐘，但是這些時鐘都不可避免地會有誤差，如果不及時校準，誤差會累積起來，變得越來越大。而電力系統(tǒng)中自動化信息傳輸、繼電保護及自動裝置都需要一個精確、統(tǒng)一的時鐘?；谶@個統(tǒng)一的時間基準，當電力系統(tǒng)發(fā)生異?；蚬收蠒r，基于統(tǒng)一時鐘提供的波形才有參考價值，才能正確判斷故障原因、 各種保護及自動裝置動作行為的先后順序、以及故障的演變和發(fā)展過程。目前，GPS在電力系統(tǒng)中已獲得廣泛應(yīng)用，GPS能夠提供統(tǒng)一的時間基準。在各種繼電保護自動化裝置基本上都有時間同步信號接口，接收時間同步信號后實現(xiàn)內(nèi)部實時時鐘的時間同步。不同變電站提供的時間同步信號類型不盡相同，主要有以下幾種(1)脈沖信號，包括分脈沖、秒脈沖，采用光電耦合接口，通常稱為空接點輸出，也有使用RS-422(480接口的，這種形式通常稱為差分接口 ；(2)時間報文，包含時間信息和其他信息，目前沒有統(tǒng)一的格式，一般采用RS-232 串口傳輸；(3) IRIG-B時鐘碼對時。^IG-B為^IG委員會的B標準，是專為時鐘的傳輸指定的時鐘碼。上述三種對時方法中，時間報文的方式對時精度較低，一般應(yīng)用在變電站自動化系統(tǒng)的后臺計算機系統(tǒng)；而脈沖對時編碼信息較少，一般需與時間報文配合使用JRIG-B 時間編碼是一種較優(yōu)秀的時間編碼格式，能提供較高的對時精度且包含了全部時間信息。但是由于歷史的原因，各個變電站使用的GPS對時信息各不相同，上面三種信息格式都可能存在，因此，繼電保護和自動裝置的生產(chǎn)廠家在設(shè)計和開發(fā)上必須兼顧這三種需求。有的采用硬件跳線的方式，根據(jù)現(xiàn)場接入的信號進行選擇，使裝置的處理器選擇相應(yīng)的信號處理模式；有的采用單片機解碼，從^IG-B中解出時間和脈沖信息，送給處理器處理。這些方式中，要么不能靈活適應(yīng)現(xiàn)場的需求，容易出錯而使繼電保護和自動裝置工作不正常，要么增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，增加成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述問題，提出一種利用裝置中已有的FPGA實現(xiàn)自適應(yīng)識別GPS信號的對時方法，可以自動識別接入系統(tǒng)的GPS時間同步信號類型，在有多個時鐘源的情況下按照優(yōu)先級進行選擇，并且識別后定時輸出與GPS信號同步的秒脈沖。為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供的自適應(yīng)識別GPS輸入信號的對時方法，依次包括如下步驟A、將GPS對時裝置輸出的GPS對時信號調(diào)理為FPGA能接受的信號，并送入FPGA進行處理；B、FPGA接收到調(diào)理后的GPS對時信號后，判斷該GPS對時信號是否穩(wěn)定，如果穩(wěn)定，則轉(zhuǎn)至步驟C，否則判定接收到的GPS對時信號錯誤，以FPGA自身的時鐘頻率發(fā)送PPS 脈沖給處理系統(tǒng)，并轉(zhuǎn)至步驟E ；C、判斷GPS對時信號的類型是否為PPS信號、PPM信號或^IG-B信號中的一種， 如果是，則轉(zhuǎn)至步驟D，否則接收到的GPS對時信號錯誤，以FPGA自身的時鐘頻率發(fā)送PPS 脈沖給處理系統(tǒng)，并轉(zhuǎn)至步驟E ；D、若GPS對時信號為PPS信號，則由FPGA輸出和該PPS信號同頻、同相位的PPS 脈沖給處理系統(tǒng)；若GPS對時信號為PPM信號，則由FPGA輸出和該PPM信號同相角頻率為 PPM信號頻率六十倍的PPS脈沖給處理系統(tǒng)；若GPS對時信號為^IG-B信號時，則FPGA從 IRIG-B信號的碼流中解析出時間信息和PPS信號頻率及相位信息，并由FPGA輸出與該PPS 信號同頻、同相位的PPS脈沖以及解析出的當前時間信息給處理系統(tǒng)；E、處理系統(tǒng)以FPGA送來的PPS脈沖信號為時間基準進行電力數(shù)據(jù)采樣。進一步的，本發(fā)明步驟D中，如果GPS對時信號中包含有^IG-B信號時，則以 IRIG-B信號為基準，進行相應(yīng)PPS脈沖的輸出。更進一步的，所述步驟B中判斷該GPS對時信號是否穩(wěn)定的方法為，采用穩(wěn)定的高頻時鐘作為計數(shù)用的參考時鐘，對GPS對時信號的高電平時間tH、低電平時間、，兩次上升沿出現(xiàn)的時間間隔tP進行計數(shù)，如連續(xù)八次記錄的、、、和tP值都穩(wěn)定在1毫秒的范圍內(nèi)， 則信號輸入已經(jīng)穩(wěn)定，可作為步驟C判斷GPS對時信號類型的依據(jù)，否則判定接收到的GPS 對時信號錯誤。本發(fā)明所述步驟C中，所述GPS對時信號的類型判斷方法如下I、如果GPS對時信號的脈沖寬度小于10ms，則判定該GPS對時信號為^IG-B信號，否則轉(zhuǎn)至步驟II ；II、如果GPS對時信號的脈沖周期為Is且脈沖寬度為200ms，則判定該GPS對時信號為PPS信號，否則轉(zhuǎn)至步驟III ；III、如果GPS對時信號脈沖周期為IM且脈沖寬度小于200ms，則判定該GPS對時信號為PPM信號，否則判定接收到的GPS對時信號錯誤。本發(fā)明能自適應(yīng)多種GPS對時信號的類型進行對時處理，一套設(shè)備可適應(yīng)多種場合，適用性強，降低了設(shè)備投入；其利用裝置中已有的FPGA實現(xiàn)該功能，在不增加任何硬件成本的前提下解決了變電站使用的GPS對時信息各不相同的問題；當^IG-B信號與脈沖信號同時存在時，優(yōu)選信息含量更多W^IG-B信號作為基準進行相應(yīng)PPS脈沖的輸出，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度；并且在GPS信號丟失情況下能夠按照原有時鐘進行PPS脈沖發(fā)送，確保系統(tǒng)正常運行。本發(fā)明的有益效果是采用本發(fā)明技術(shù)實現(xiàn)的GPS輸入信號對時準確，輸出的脈沖信號穩(wěn)定，不受本地時鐘源偏差的影響。并且具有實現(xiàn)方便，設(shè)置簡單、適應(yīng)性強的優(yōu)點。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。圖1為本發(fā)明對時系統(tǒng)示意圖。
圖2為三種GPS對時信號特性示意圖。圖3為本發(fā)明流程圖。圖4為本發(fā)明判斷流程圖。
具體實施例方式下面參照附圖并結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。但是本發(fā)明不限于所給出的例子。如圖1所示，為本發(fā)明系統(tǒng)涉及硬件的示意圖，GPS對時裝置輸出PPS或/和PPM 或/和^IG-B信號，并將其輸入至FPGA，由于GPS對時裝置輸出電壓在12V左右，超過FPGA 所能接受的范圍，因此該信號必須經(jīng)過調(diào)理，使GPS對時信號調(diào)理為FPGA能夠接受的TTL 或LVTTL信號，F(xiàn)PGA對輸入的對時信號進行處理后，向處理系統(tǒng)發(fā)送PPS脈沖，以及相關(guān)對時信息及狀態(tài)，便于處理系統(tǒng)進行更準確的控制。FPGA由于它的靈活性在電子裝置中已得到越來越多的應(yīng)用，且這種器件的可靠性也已得到實踐的檢驗，因此，在繼電保護和自動裝置中越來越廣泛地使用FPGA來完成一些通信和邏輯功能，減少MCU上的工作量，保證系統(tǒng)的靈活性和功能的多樣性。如圖2所示，PPS信號是一系列寬度為20 200ms，周期為Is的脈沖；PPM信號是一系列寬度為20 200ms，周期為Is的脈沖JRIG-B碼是每秒一幀的串行碼，每幀的前60 個碼元能夠表示包含年、月、日、時、分、秒的信息，所使用的碼元只有3種，2ms脈寬的代表二進制的“0”，5ms的代表二進制的“1”，8ms的為位置識別標志。兩個標志位相連的地方， 第二個標志位的上升沿對準PPS信號的上升沿，即秒脈沖的上升沿，第二個標志位記為Ρκ。如圖3所示，為本發(fā)明流程圖，本發(fā)明自適應(yīng)識別GPS輸入信號的對時方法，依次包括如下步驟Α、將GPS對時裝置輸出的GPS對時信號調(diào)理為FPGA能接受的信號，并送入FPGA 進行處理；B、FPGA接收到調(diào)理后的GPS對時信號后，判斷該GPS對時信號是否穩(wěn)定，如果穩(wěn)定，則轉(zhuǎn)至步驟C，否則判定接收到的GPS對時信號錯誤，以FPGA自身的時鐘頻率發(fā)送PPS 脈沖給處理系統(tǒng)，并轉(zhuǎn)至步驟E ；本步驟中，判斷GPS對時信號是否穩(wěn)定的方法是采用穩(wěn)定的高頻時鐘作為計數(shù)用的參考時鐘，對GPS對時信號的高電平時間、、低電平時間、，兩次上升沿出現(xiàn)的時間間隔tP進行計數(shù)，如連續(xù)八次記錄的tH、、和tP值都穩(wěn)定在1毫秒的范圍內(nèi)，則信號輸入已經(jīng)穩(wěn)定，可作為步驟C判斷GPS對時信號類型的依據(jù)，否則判定接收到的GPS對時信號錯誤；C、判斷GPS對時信號的類型是否為PPS信號、PPM信號或^IG-B信號中的一種， 如果是，則轉(zhuǎn)至步驟D，否則接收到的GPS對時信號錯誤，以FPGA自身的時鐘頻率發(fā)送PPS 脈沖給處理系統(tǒng)，并轉(zhuǎn)至步驟E ；本步驟中判斷GPS對時信號的類型的方法包括如下步驟I、如果GPS對時信號的脈沖寬度小于10ms，則判定該GPS對時信號為^IG-B信號，否則轉(zhuǎn)至步驟II ；II、如果GPS對時信號的脈沖周期為Is且脈沖寬度為200ms，則判定該GPS對時信號為PPS信號，否則轉(zhuǎn)至步驟III ；
III、如果GPS對時信號脈沖周期為IM且脈沖寬度小于200ms，則判定該GPS對時信號為PPM信號，否則判定接收到的GPS對時信號錯誤；D、若GPS對時信號為PPS信號，則由FPGA輸出和該PPS信號同頻、同相位的PPS 脈沖給處理系統(tǒng)；若GPS對時信號為PPM信號，則由FPGA輸出和該PPM信號同相角頻率為 PPM信號頻率六十倍的PPS脈沖給處理系統(tǒng)；若GPS對時信號為^IG-B信號時，則FPGA從 IRIG-B信號的碼流中解析出時間信息和PPS信號頻率及相位信息，并由FPGA輸出與該PPS 信號同頻、同相位的PPS脈沖以及解析出的當前時間信息給處理系統(tǒng)；本步驟中，F(xiàn)PGA輸出的PPS脈沖的占空比為2 8。E、處理系統(tǒng)以FPGA送來的PPS脈沖信號為時間基準進行電力數(shù)據(jù)采樣。在步驟D中，如果GPS對時信號中包含有^IG-B信號時，則以^IG-B信號為基準， 進行相應(yīng)PPS脈沖的輸出。除上述實施例外，本發(fā)明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1.自適應(yīng)識別GPS輸入信號的對時方法，依次包括如下步驟A、將GPS對時裝置輸出的GPS對時信號調(diào)理為FPGA能接受的信號，并送入FPGA進行處理；B、FPGA接收到調(diào)理后的GPS對時信號后，判斷該GPS對時信號是否穩(wěn)定，如果穩(wěn)定，則轉(zhuǎn)至步驟C，否則判定接收到的GPS對時信號錯誤，以FPGA自身的時鐘頻率發(fā)送PPS脈沖給處理系統(tǒng)，并轉(zhuǎn)至步驟E ；C、判斷GPS對時信號的類型是否為PPS信號、PPM信號或^IG-B信號中的一種，如果是，則轉(zhuǎn)至步驟D，否則接收到的GPS對時信號錯誤，以FPGA自身的時鐘頻率發(fā)送PPS脈沖給處理系統(tǒng)，并轉(zhuǎn)至步驟E ；D、若GPS對時信號為PPS信號，則由FPGA輸出和該PPS信號同頻、同相位的PPS脈沖給處理系統(tǒng)；若GPS對時信號為PPM信號，則由FPGA輸出和該PPM信號同相角頻率為PPM信號頻率六十倍的PPS脈沖給處理系統(tǒng)；若GPS對時信號為^IG-B信號時，則FPGA從^IG-B 信號的碼流中解析出時間信息和PPS信號頻率及相位信息，并由FPGA輸出與該PPS信號同頻、同相位的PPS脈沖以及解析出的當前時間信息給處理系統(tǒng)；E、處理系統(tǒng)以FPGA送來的PPS脈沖信號為時間基準進行電力數(shù)據(jù)采樣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所示的自適應(yīng)識別GPS輸入信號的對時方法，其特征在于所述步驟D中，如果GPS對時信號中包含有^IG-B信號時，則以^IG-B信號為基準，進行相應(yīng)PPS 脈沖的輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所示的自適應(yīng)識別GPS輸入信號的對時方法，其特征在于所述步驟B中判斷該GPS對時信號是否穩(wěn)定的方法為，采用穩(wěn)定的高頻時鐘作為計數(shù)用的參考時鐘，對GPS對時信號的高電平時間tH、低電平時間、，兩次上升沿出現(xiàn)的時間間隔tP進行計數(shù)，如連續(xù)八次記錄的tH、、和tP值都穩(wěn)定在1毫秒的范圍內(nèi)，則信號輸入已經(jīng)穩(wěn)定，可作為步驟C判斷GPS對時信號類型的依據(jù)，否則判定接收到的GPS對時信號錯誤。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所示的自適應(yīng)識別GPS輸入信號的對時方法，其特征在于所述步驟C中，GPS對時信號的類型判斷方法如下I、如果GPS對時信號的脈沖寬度小于10ms，則判定該GPS對時信號為^IG-B信號，否則轉(zhuǎn)至步驟II ；II、如果GPS對時信號的脈沖周期為Is且脈沖寬度為200ms，則判定該GPS對時信號為 PPS信號，否則轉(zhuǎn)至步驟III ；III、如果GPS對時信號脈沖周期為IM且脈沖寬度小于200ms，則判定該GPS對時信號為PPM信號，否則判定接收到的GPS對時信號錯誤。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所示的自適應(yīng)識別GPS輸入信號的對時方法，其特征在于步驟D 中，F(xiàn)PGA輸出的PPS脈沖的占空比為2 8。
全文摘要
本發(fā)明自適應(yīng)識別GPS輸入信號的對時方法，涉及利用GPS實現(xiàn)電力系統(tǒng)繼電保護及自動裝置的精確對時的技術(shù)，其針對GPS對數(shù)信號進行判斷，并且將該GPS對時信號統(tǒng)一為同步的PPS信號發(fā)出，實現(xiàn)多種類型GPS對時信號的自適應(yīng)，一套設(shè)備可適應(yīng)多種場合，適用性強，降低了設(shè)備投入；其利用裝置中已有的FPGA實現(xiàn)該功能，在不增加任何硬件成本的前提下解決了變電站使用的GPS對時信息各不相同的問題；當IRIG-B信號與脈沖信號同時存在時，優(yōu)選信息含量更多的IRIG-B信號作為基準進行相應(yīng)PPS脈沖的輸出，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度；并且在GPS信號丟失情況下能夠按照原有時鐘進行PPS脈沖發(fā)送，確保系統(tǒng)正常運行。
文檔編號G04G7/02GK102156404SQ201010590838
公開日2011年8月17日 申請日期2010年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月16日
發(fā)明者周華良, 夏雨, 姚吉文, 姜雷, 徐建松, 鄭玉平 申請人:國網(wǎng)電力科學(xué)研究院