GPS對時(shí)功能在電力自動(dòng)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(tuán)公司,江蘇南京 210061)

GPS對時(shí)功能在電力自動(dòng)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(tuán)公司,江蘇南京 210061)

闡述了授時(shí)時(shí)鐘在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中,對自動(dòng)化裝置授時(shí)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(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變電站授時(shí)時(shí)鐘的方案,給出了時(shí)鐘的軟、硬件設(shè)計(jì),并詳細(xì)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(dòng)化;GPS;授時(shí);防干擾

0 引 言

電力系統(tǒng)故障分析依靠兩個(gè)方面,一是故障錄波;二是時(shí)間基準(zhǔn)。微機(jī)保護(hù)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(shí)間基準(zhǔn)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(hù)工作狀態(tài)分析)帶來了極大的不便,所以,提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)鐘成為變電站乃至整個(gè)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(shí)間精度高等優(yōu)點(diǎn),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(gè)變電站提供統(tǒng)一的時(shí)鐘,這為變電站及電力系統(tǒng)統(tǒng)一授時(shí)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(dòng)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(shí)的實(shí)現(xiàn)提供了可能。

1 授時(shí)原理簡介

1.1 授時(shí)原理

在變電站授時(shí)系統(tǒng)中,授時(shí)過程包括軟件授時(shí)和硬件對時(shí)兩個(gè)部分,如圖 1所示。授時(shí)過程具體為：時(shí)鐘通過串口向系統(tǒng)計(jì)算機(jī)發(fā)送時(shí)間信息,安裝在系統(tǒng)計(jì)算機(jī)上的接收軟件接收該數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)修改計(jì)算機(jī)的時(shí)間,系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通過現(xiàn)場總線給各微機(jī)保護(hù)或其他自動(dòng)化裝置發(fā)送時(shí)間信息,與此同時(shí),時(shí)鐘向這些自動(dòng)化裝置發(fā)送 PPS脈沖,當(dāng)脈沖處于上升沿時(shí),各裝置把系統(tǒng)計(jì)算機(jī)發(fā)送來的時(shí)間寫入時(shí)間芯片,更新自身時(shí)間,從而達(dá)到變電站整個(gè)系統(tǒng)的授時(shí)目的[2]。

圖1 授時(shí)框圖Fig.1 Com pare the time

當(dāng)時(shí)鐘直接給自動(dòng)化裝置授時(shí),除了沒有系統(tǒng)計(jì)算機(jī)這一中間環(huán)節(jié)外,自動(dòng)化裝置和時(shí)鐘工作情況與前者一樣。

1.2 時(shí)鐘工作時(shí)序

圖2 授時(shí)時(shí)序圖Fig.2 Compare the time sequence

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

因?yàn)?t6和 PPS的精度均為 μs級,所以,當(dāng)不包括各自動(dòng)化裝置對 PPS的確認(rèn)延時(shí),授時(shí)精度為μs級。授時(shí)過程中,時(shí)鐘和系統(tǒng)計(jì)算機(jī)發(fā)送的時(shí)間信息均為在接收到的時(shí)間信息的基礎(chǔ)上加了 1 s的補(bǔ)償,這樣,盡管發(fā)送和接收均占用時(shí)間,但接收方接收到的時(shí)間信息就是當(dāng)時(shí)時(shí)刻的信息[3]。

2 時(shí)鐘的硬件設(shè)計(jì)

授時(shí)時(shí)鐘的硬件結(jié)構(gòu)如圖 3所示。

圖3 時(shí)鐘原理框圖Fig.3 C lock principle

設(shè)計(jì)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(shí)系統(tǒng)的部件,該接收器能通過一個(gè)反相 TTL串行接口提供自身位置、速度及時(shí)間信息,并輸出時(shí)間精度為1μs的PPS脈沖。它支持摩托羅拉二進(jìn)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(shí)現(xiàn)。本時(shí)鐘采用摩托羅拉二進(jìn)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(gè) 16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。應(yīng)用該芯片,滿足設(shè)計(jì)要求,無需外部程序存儲器。其 3個(gè) 16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器可分別用于定時(shí)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(kuò)展,就解決了時(shí)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(shí)的串行接口設(shè)有 RS232,RS485/422格式,分別采用 MAX202和 MAX491芯片實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)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(shí)鐘的運(yùn)行穩(wěn)定性。

同時(shí)脈沖電路是以光電隔離的靜態(tài)空接點(diǎn)形式輸出的陣列,第 5路均采用達(dá)林頓光耦 TIL113,它具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力,每個(gè)脈沖輸出根據(jù)要求還可以進(jìn)行擴(kuò)展,以滿足變電站給多個(gè)自動(dòng)化裝置校時(shí)的需要。

時(shí)間顯示信息包括時(shí)、分、秒。顯示電路主要采用 2個(gè) 74HC273芯片和 6個(gè)數(shù)碼管來實(shí)現(xiàn)。一個(gè) 74HC273芯片作為各數(shù)碼管的段位驅(qū)動(dòng),另一個(gè)作為數(shù)碼管選擇驅(qū)動(dòng)。數(shù)碼管的段位以軟件查表譯碼,2個(gè)依次操作時(shí),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(gè)數(shù)碼管,但因?yàn)槊康?1 ms的定時(shí)中斷就刷新 1次,所以,時(shí)間信息顯示正常。

3 時(shí)鐘的軟件設(shè)計(jì)

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(jì)中,GPS接收器以連續(xù)式輸出時(shí)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(yàn)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(dòng)發(fā)送其位置、速度及時(shí)間信息[5]。

3.2 計(jì)數(shù)器/定時(shí)器應(yīng)用

定時(shí)器 0作為定時(shí)中斷,設(shè)置為1ms中斷一次,工作方式 0即 16位定時(shí)器方式;定時(shí)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(shí)鐘向系統(tǒng)上位機(jī)或自動(dòng)化裝置發(fā)送時(shí)間信息的串口波特率;定時(shí)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(jìn)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(shí)間常數(shù)依據(jù)分別是：

式中：th1,rcap2h,rcap2l分別為定時(shí)器 1,2的時(shí)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(shí)鐘串行通信的 GPS接收器數(shù)據(jù)接收與發(fā)送系統(tǒng)時(shí)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(jī)或各自動(dòng)化裝置發(fā)送數(shù)據(jù),免去擴(kuò)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(gè)時(shí)間信息的字節(jié)數(shù),計(jì)算出發(fā)送數(shù)據(jù)所要求的時(shí)間,從而提前這段時(shí)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(shí),亦能給微機(jī)保護(hù)直接授時(shí),并且達(dá)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(dòng)化裝置,這一技術(shù)有利于實(shí)現(xiàn)變電站整個(gè)系統(tǒng)的統(tǒng)一對時(shí)。

3.4 PPS抗干擾技術(shù)

裝置通過串口向系統(tǒng)發(fā)送時(shí)間信息的起始時(shí)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(gè)系統(tǒng)時(shí)間的錯(cuò)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(shí)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(shí)定時(shí)中斷計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)比較來實(shí)現(xiàn)的。PPS正常為1 s+1μs,其誤差可以忽略不計(jì),可將 PPS作為外部中斷源,在其中斷處理程序中,查看定時(shí)中斷的中斷次數(shù) N和讀取定時(shí)器計(jì)數(shù) TH0,TL0,并重新裝載定時(shí)器定時(shí)常數(shù)和清定時(shí)中斷的中斷次數(shù)。在定時(shí)中斷處理程序里,每進(jìn)入一次,中斷次數(shù) N加 1[6]。

如果 1PPS沒受到干擾,當(dāng)進(jìn)入外部中斷時(shí),因?yàn)槎〞r(shí)中斷為1ms中斷一次且計(jì)數(shù)方式是增計(jì)數(shù),所以,在實(shí)際編程中,定時(shí)中斷的中斷次數(shù) N和定時(shí)器計(jì)數(shù) TH0,TL0的關(guān)系有兩種情況：N=999且(TH0,TL0)≤時(shí)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(jī)或自動(dòng)化裝置發(fā)送時(shí)間信息,各自動(dòng)化裝置保留自身的時(shí)間,從而達(dá)到抗干擾的目的,否則,當(dāng)偵測到數(shù)據(jù)同步,就發(fā)送時(shí)間信息。

3.5 同步問題

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

3.6 本地顯示的精度問題

時(shí)間顯示在時(shí)鐘的 1ms定時(shí)中斷中完成,每到定時(shí)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(shí)間信息后就刷新,其誤差如前所述為1 ms。所以,等到定時(shí)中斷刷新顯示,其時(shí)間顯示誤差小于2ms。

4 結(jié) 論

該時(shí)鐘已研制成功,并在實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用,運(yùn)行狀況良好。該時(shí)鐘除了配合變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)之外,亦可直接對各微機(jī)保護(hù)和其他自動(dòng)化裝置進(jìn)行授時(shí),且當(dāng)未接入 PPS信號時(shí),由于本設(shè)計(jì)的提前發(fā)送技術(shù),可使得授時(shí)亦可達(dá)到 ms級精度。該時(shí)鐘原理先進(jìn),時(shí)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(dòng)化裝置的數(shù)據(jù)傳輸研究,E-mail：lm39ms@126.com。

book=44,ebook=236