增加动态补偿的PMU同步时钟系统转让专利
申请号 : CN200910050746.2
文献号 : CN101551640B
文献日 : 2010-11-03
发明人 : 严正 , 李丽 , 王兴志 , 苏广宁 , 李禹鹏
申请人 : 上海交通大学
摘要 :
一种电力系统监测与控制技术领域的增加动态补偿的PMU同步时钟系统，包括GPS模块、晶振时钟模块、微处理器和动态误差处理系统。其中，GPS模块将输出的数据帧发送到微处理器，将秒脉冲信号发送到动态误差处理系统；晶振时钟模块将输出的秒脉冲信号发送到动态误差处理系统；动态误差处理系统对秒脉冲信号进行判断和误差处理；微处理器接收GPS模块输出的RS-232数据帧，经过实时处理串行输出时间报文送往PMU同步采样系统，同时接收来自动态误差处理系统的信号，并对该信号进行相应的调整。本发明提高了时钟精度，并且在卫星失锁或者卫星实验跳变条件下，仍能正常工作并保证相角测量误差在规定的范围之内，保证了系统的可靠性。
权利要求 :
1.一种增加动态补偿的PMU同步时钟系统，其特征在于：包括GPS模块、晶振时钟模块、微处理器和动态误差处理系统，其中：GPS模块将输出的RS-232数据帧发送到微处理器，将秒脉冲1PP信号发送到动态误差处理系统；
晶振时钟模块将输出的秒脉冲信号发送到动态误差处理系统；
动态误差处理系统对接收到的GPS模块输出的秒脉冲1PP信号和晶振时钟模块输出的秒脉冲信号进行判断和误差处理，并将处理信息发送到微处理器；
微处理器接收GPS模块输出的RS-232数据帧，经过实时处理串行输出时间报文，并发送给PMU的同步采样系统；微处理器接收来自动态误差处理系统的信号，判断其误差种类并根据误差数值对动态误差处理系统中的脉冲或时钟进行调整控制操作，当调整后的误差小于门槛误差时，将信号经电/光转换后通过光纤发送到PMU的同步采样系统；
所述的动态误差处理系统包括2个传感器、自适应估计器和误差处理器，其中：第一传感器采集GPS模块输出的秒脉冲1PP信号，第二传感器采集晶振时钟模块输出的秒脉冲信号，并将各自采集的信号发送到自适应估计器；
自适应估计器接收到两个传感器发送的信号后，计算出传感器采集过程中任意时刻GPS模块的秒脉冲和晶振时钟模块的秒脉冲之间的时滞差，并将时滞差信号发送给误差处理器；
误差处理器根据时滞差信号对误差进行判断，如果误差小于门槛误差，将信号经电/光转换后通过光纤直接发送给PMU的同步采样系统，如果处理后的信号误差较大，则将信号送入微处理器作进一步的处理。
说明书 :
技术领域
本发明涉及的是一种检测与控制技术领域的时钟系统，特别是一种增加动态补偿的PMU(同步相量量测单元)同步时钟系统。
背景技术
多年以来，同步相量量测单元PMU(Phasor Measurement Unit)为应用标志的广域监视WAMS(Wide Area Monitoring System)系统在电网中得到了不同类型的试点应用，随着现代化大电网技术的发展，基于PMU的电网动态监视、控制系统的研究已成为电网实时动态安全分析、控制技术领域的发展热点。PMU应用了电网相量的实时异地同步测量技术。随着GPS(Global Positioning System，全球卫星定位系统)的出现，GPS接收机给出秒脉冲(1pp)前沿时间误差相对于UTC(Coordinated Universal Time，世界标准时间)不超过1μs。这对电力来说是一件非常重要的事，因此，基于GPS的PMU同步时钟系统已成为电力系统监测与控制领域的研究热点。然而，GPS时钟在卫星失锁或卫星时钟实验跳变的条件下，误差达几十毫秒甚至上百毫秒。另一方面，GPS信号是由无线电波传送的，不可避免地会受到各种干扰，甚至可能中断。所以，PMU利用GPS授时作为同步时间源时，必须考虑GPS信号的稳定性和失效情况下的对策问题。
经对现有技术文献的检索发现，中国发明专利(申请号200520046579.1)提出一种自适应PMU卫星同步时钟守时装置，但该装置的调节精度有限，且可靠性欠佳。如何在无高成本硬件时钟同步设备的情况下较好地产生高精度同步时钟，并提高时钟源的精度和可靠性，已成为该技术领域中的主要的技术问题。
经对现有技术文献的检索发现，中国发明专利(申请号200520046579.1)提出一种自适应PMU卫星同步时钟守时装置，但该装置的调节精度有限，且可靠性欠佳。如何在无高成本硬件时钟同步设备的情况下较好地产生高精度同步时钟，并提高时钟源的精度和可靠性，已成为该技术领域中的主要的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种增加动态补偿的PMU同步时钟系统，是PMU的重要组成部分，它所提供的输出信号对电力系统运行状态的监测与控制具有重要的意义。本发明在无线电波传送的卫星GPS时钟信号，当GPS信号正常时，PMU同步时钟系统实时检测晶振工作频率，并根据计算值进行修正。在卫星失锁或者卫星实验跳变条件下，PMU同步时钟系统要对GPS信号进行有效性检测，继续采用晶振进行计时，可根据GPS时钟失效前的测量值对同步时钟进行误差修正，保证同步时钟正常工作。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括GPS模块、晶振时钟模块、微处理器和动态误差处理系统。其中，GPS模块将输出的RS-232数据帧发送到微处理器，将秒脉冲1PP信号发送到动态误差处理系统；晶振时钟模块选用高稳定度的晶振作为时钟源，将输出的秒脉冲信号发送到动态误差处理系统；动态误差处理系统对接收到的GPS模块输出的秒脉冲1PP信号和晶振时钟模块输出的秒脉冲信号进行判断和误差处理，并将处理信息发送到微处理器；微处理器主要实现对时间报文的实时处理与发送、控制动态误差处理系统的工作方式以及调整GPS时钟的选通与闭锁功能。微处理器接收GPS模块输出的RS-232数据帧，经过实时处理串行输出时间报文，并发送给PMU的同步采样系统；微处理器接收来自动态误差处理系统的信号，判断其误差种类并根据误差数值对动态误差处理系统中的脉冲或时钟进行调整控制操作，当调整后的误差小于门槛误差，将信号经电/光转换后通过光纤发送给PMU的同步采样系统进行下一步处理。
所述的动态误差处理系统包括2个传感器、自适应估计器和误差处理器。其中，一个传感器采集GPS模块输出的秒脉冲1PP信号，另一个传感器采集晶振时钟模块输出的秒脉冲信号，并将各自采集的秒脉冲信号发送给自适应估计器。自适应估计器接收到2个传感器发送的信号后，计算出传感器采集过程中任意时刻GPS模块的秒脉冲和晶振时钟模块的秒脉冲之间的时滞差，把晶振时钟的秒脉冲的采样值统一到被测系统的时间点进行误差比较，并将时滞差信号发送给误差处理器。误差处理器根据时滞差信号对误差进行判断，如果误差小于门槛误差，将信号经电/光转换后通过光纤直接发送给PMU的同步采样系统，如果处理后的信号误差较大，则将信号送入微处理器作进一步的处理。
动态误差处理系统实现对秒脉冲的调整、计算GPS正常工作时的误差、计算GPS失效时的误差补偿。动态误差处理系统接收到秒脉冲时，晶振时钟模块分频产生的本地秒脉冲信号和GPS模块产生的秒脉冲经过各自的传感器产生两路相互独立的时钟信号和自适应估计器利用LMS时延估计法求取2路时钟信号的最佳匹配条件，并计算出补偿周期数，然后由微处理器进行脉冲调整操作，实现高精度时钟。
当GPS信号正常时，微处理器控制动态误差处理系统实时检测晶振工作频率，削弱由GPS时钟本身的随机误差和积累误差。当GPS失效时，微处理器要对GPS信号进行有效性检测，控制系统继续采用晶振进行计时，可根据GPS时钟失效前的测量值对同步时钟进行误差修正，保证同步时钟正常工作。
微处理器根据动态补偿误差处理系统计算出来的补偿周期数，进行脉冲调整操作：调整可控计数器，对晶振信号进行计数，由计数器输出端产生3个分别与添加脉冲、扣除脉冲和脉冲不调整相对应的计数值溢出信号，并把它作为计数器的同步复位信号，以实现对时间的补偿。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明动态误差处理系统的自适应估计器能够实现对时钟误差进行动态补偿，然后由微处理器进行脉冲调整操作，从而大幅提高时钟精度。在卫星失锁或者卫星实验跳变条件下，根据GPS时钟失效前的测量值对同步时钟进行误差修正，本发明仍能维持PMU设备正常工作并保证相角测量误差在规定的范围之内，从而保证了系统的可靠性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括GPS模块、晶振时钟模块、微处理器和动态误差处理系统。其中，GPS模块将输出的RS-232数据帧发送到微处理器，将秒脉冲1PP信号发送到动态误差处理系统；晶振时钟模块选用高稳定度的晶振作为时钟源，将输出的秒脉冲信号发送到动态误差处理系统；动态误差处理系统对接收到的GPS模块输出的秒脉冲1PP信号和晶振时钟模块输出的秒脉冲信号进行判断和误差处理，并将处理信息发送到微处理器；微处理器主要实现对时间报文的实时处理与发送、控制动态误差处理系统的工作方式以及调整GPS时钟的选通与闭锁功能。微处理器接收GPS模块输出的RS-232数据帧，经过实时处理串行输出时间报文，并发送给PMU的同步采样系统；微处理器接收来自动态误差处理系统的信号，判断其误差种类并根据误差数值对动态误差处理系统中的脉冲或时钟进行调整控制操作，当调整后的误差小于门槛误差，将信号经电/光转换后通过光纤发送给PMU的同步采样系统进行下一步处理。
所述的动态误差处理系统包括2个传感器、自适应估计器和误差处理器。其中，一个传感器采集GPS模块输出的秒脉冲1PP信号，另一个传感器采集晶振时钟模块输出的秒脉冲信号，并将各自采集的秒脉冲信号发送给自适应估计器。自适应估计器接收到2个传感器发送的信号后，计算出传感器采集过程中任意时刻GPS模块的秒脉冲和晶振时钟模块的秒脉冲之间的时滞差，把晶振时钟的秒脉冲的采样值统一到被测系统的时间点进行误差比较，并将时滞差信号发送给误差处理器。误差处理器根据时滞差信号对误差进行判断，如果误差小于门槛误差，将信号经电/光转换后通过光纤直接发送给PMU的同步采样系统，如果处理后的信号误差较大，则将信号送入微处理器作进一步的处理。
动态误差处理系统实现对秒脉冲的调整、计算GPS正常工作时的误差、计算GPS失效时的误差补偿。动态误差处理系统接收到秒脉冲时，晶振时钟模块分频产生的本地秒脉冲信号和GPS模块产生的秒脉冲经过各自的传感器产生两路相互独立的时钟信号和自适应估计器利用LMS时延估计法求取2路时钟信号的最佳匹配条件，并计算出补偿周期数，然后由微处理器进行脉冲调整操作，实现高精度时钟。
当GPS信号正常时，微处理器控制动态误差处理系统实时检测晶振工作频率，削弱由GPS时钟本身的随机误差和积累误差。当GPS失效时，微处理器要对GPS信号进行有效性检测，控制系统继续采用晶振进行计时，可根据GPS时钟失效前的测量值对同步时钟进行误差修正，保证同步时钟正常工作。
微处理器根据动态补偿误差处理系统计算出来的补偿周期数，进行脉冲调整操作：调整可控计数器，对晶振信号进行计数，由计数器输出端产生3个分别与添加脉冲、扣除脉冲和脉冲不调整相对应的计数值溢出信号，并把它作为计数器的同步复位信号，以实现对时间的补偿。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明动态误差处理系统的自适应估计器能够实现对时钟误差进行动态补偿，然后由微处理器进行脉冲调整操作，从而大幅提高时钟精度。在卫星失锁或者卫星实验跳变条件下，根据GPS时钟失效前的测量值对同步时钟进行误差修正，本发明仍能维持PMU设备正常工作并保证相角测量误差在规定的范围之内，从而保证了系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明系统工作流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括GPS模块、晶振时钟模块、微处理器和动态误差处理系统。其中，GPS模块将输出的RS-232数据帧发送到微处理器，将秒脉冲1PP信号发送到动态误差处理系统；晶振时钟模块选用高稳定度的晶振作为时钟源，将输出的秒脉冲信号发送到动态误差处理系统；动态误差处理系统对接收到的GPS模块输出的秒脉冲1PP信号和晶振时钟模块输出的秒脉冲信号进行判断和误差处理，并将处理信息发送到微处理器；微处理器接收GPS模块输出的RS-232数据帧，经过实时处理串行输出时间报文，并发送给PMU的同步采样系统；微处理器接收来自动态误差处理系统的信号，判断其误差种类并根据误差数值对动态误差处理系统中的脉冲或时钟进行调整控制操作，当调整后的误差小于门槛误差，将信号经电/光转换后通过光纤发送给PMU的同步采样系统。
本实施例的动态误差处理系统实现对秒脉冲的调整、计算GPS正常工作时的误差、计算GPS失效时的误差补偿，包括第一传感器1、第二传感器2、自适应估计器和误差处理器。第一传感器1采集GPS模块输出的秒脉冲1PP信号，第二传感器2采集晶振时钟模块输出的秒脉冲，并将采集的信号发送给自适应估计器。自适应估计器接收到第一传感器1和第二传感器2发送的信号后，计算出传感器采集过程中任意时刻GPS模块的秒脉冲和晶振时钟模块的秒脉冲之间的时滞差，把晶振时钟的秒脉冲的采样值统一到被测系统的时间点进行误差比较，并将时滞差信号发送给误差处理器；误差处理器根据时滞差信号对误差进行判断，如果误差小于门槛误差，将信号经电/光转换后，经过1PPS引脚光纤输出给PMU的同步采样系统，否则送入微处理器作进一步的处理。
动态误差处理系统接收到GPS模块输出的秒脉冲1PP信号经过第一传感器1、晶振时钟模块分频产生的本地秒脉冲信号经过第二传感器2产生两路相互独立的时钟信号和自适应估计器利用LMS时延估计法求取2路时钟信号的最佳匹配条件，并计算出补偿周期数，估计的结果和第一传感器1、第二传感器2的信号同时送入误差处理器，处理后的调整信息由微处理器进行调整控制操作，实现高精度时钟，动态误差处理系统输出的脉冲经过电/光转换后通过光纤输出给PMU的同步采样系统。
本实施例当微处理器检测到1PPS引脚输出的秒脉冲信号时，当GPS信号正常时，微处理器控制动态误差处理系统实时检测晶振工作频率，并计算出补偿周期数，削弱由GPS时钟本身的随机误差和积累误差。当GPS失效时，微处理器要对GPS信号进行有效性检测，控制系统继续采用晶振进行计时，可根据GPS时钟失效前的测量值对同步时钟进行误差修正，保证同步时钟正常工作。
本实施例微处理器根据动态补偿误差处理系统计算出来的补偿周期数，进行脉冲调整操作：调整可控计数器对晶振信号进行计数，由其输出端产生3个分别与添加脉冲、扣除脉冲和脉冲不调整相对应的计数值溢出信号，并把它作为计数器的同步复位信号，以实现对时间的补偿。
如图1所示，本实施例包括GPS模块、晶振时钟模块、微处理器和动态误差处理系统。其中，GPS模块将输出的RS-232数据帧发送到微处理器，将秒脉冲1PP信号发送到动态误差处理系统；晶振时钟模块选用高稳定度的晶振作为时钟源，将输出的秒脉冲信号发送到动态误差处理系统；动态误差处理系统对接收到的GPS模块输出的秒脉冲1PP信号和晶振时钟模块输出的秒脉冲信号进行判断和误差处理，并将处理信息发送到微处理器；微处理器接收GPS模块输出的RS-232数据帧，经过实时处理串行输出时间报文，并发送给PMU的同步采样系统；微处理器接收来自动态误差处理系统的信号，判断其误差种类并根据误差数值对动态误差处理系统中的脉冲或时钟进行调整控制操作，当调整后的误差小于门槛误差，将信号经电/光转换后通过光纤发送给PMU的同步采样系统。
本实施例的动态误差处理系统实现对秒脉冲的调整、计算GPS正常工作时的误差、计算GPS失效时的误差补偿，包括第一传感器1、第二传感器2、自适应估计器和误差处理器。第一传感器1采集GPS模块输出的秒脉冲1PP信号，第二传感器2采集晶振时钟模块输出的秒脉冲，并将采集的信号发送给自适应估计器。自适应估计器接收到第一传感器1和第二传感器2发送的信号后，计算出传感器采集过程中任意时刻GPS模块的秒脉冲和晶振时钟模块的秒脉冲之间的时滞差，把晶振时钟的秒脉冲的采样值统一到被测系统的时间点进行误差比较，并将时滞差信号发送给误差处理器；误差处理器根据时滞差信号对误差进行判断，如果误差小于门槛误差，将信号经电/光转换后，经过1PPS引脚光纤输出给PMU的同步采样系统，否则送入微处理器作进一步的处理。
动态误差处理系统接收到GPS模块输出的秒脉冲1PP信号经过第一传感器1、晶振时钟模块分频产生的本地秒脉冲信号经过第二传感器2产生两路相互独立的时钟信号和自适应估计器利用LMS时延估计法求取2路时钟信号的最佳匹配条件，并计算出补偿周期数，估计的结果和第一传感器1、第二传感器2的信号同时送入误差处理器，处理后的调整信息由微处理器进行调整控制操作，实现高精度时钟，动态误差处理系统输出的脉冲经过电/光转换后通过光纤输出给PMU的同步采样系统。
本实施例当微处理器检测到1PPS引脚输出的秒脉冲信号时，当GPS信号正常时，微处理器控制动态误差处理系统实时检测晶振工作频率，并计算出补偿周期数，削弱由GPS时钟本身的随机误差和积累误差。当GPS失效时，微处理器要对GPS信号进行有效性检测，控制系统继续采用晶振进行计时，可根据GPS时钟失效前的测量值对同步时钟进行误差修正，保证同步时钟正常工作。
本实施例微处理器根据动态补偿误差处理系统计算出来的补偿周期数，进行脉冲调整操作：调整可控计数器对晶振信号进行计数，由其输出端产生3个分别与添加脉冲、扣除脉冲和脉冲不调整相对应的计数值溢出信号，并把它作为计数器的同步复位信号，以实现对时间的补偿。