时钟hao24

第22卷第12期中国电机工程学报Vol.
22No.
12Dec.
20022002年12月ProceedingsoftheCSEE2002Chin.
Soc.
forElec.
Eng.
文章编号:0258-8013(2002)12-0041-06GPS时钟在线监测与修正方法曾祥君1,尹项根2,K.
K.
Li3,W.
L.
Chan3(1.
长沙电力学院,湖南长沙410077;2.
华中科技大学电气与电子工程学院,湖北武汉430074;3.
香港理工大学电机系,香港)METHODSFORMONITORINGANDCORRECTINGGPS-CLOCKZENGXiang-jun1,YINXiang-gen2,KKLi3,WLChan3(1.
Dept.
ofElectricalEngineering,ChangshaUniversityofElectricPower,Changsha410077,China;2.
CollegeofElectrical&ElectronicEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China;3.
Dept.
ofElectricalEngineering,TheHongKongPolytechnicUniversity,HongKong,China)ABSTRACT:Infectedbyjamming-signalandlosingsatellitetracking,GPS-clockisdifficulttosatisfytherequirementofsynchronouscontrolwithhighreliability.
BasedontheprecisioninteraidbetweenhighprecisionoscillatorandGPS-clock,methodsformonitoringGPS-clockbycomparingtooscillatorareproposedinthispaper.
ThevarianceofGPS-clockandtheaccumulationerrorofoscillatorareestimatedwiththepresentedmodelofminimummean-squarevalue.
AndmethodsforcorrectingGPS-clockon-linearedeveloped.
Thedeviceforhighprecisionclockwithhighperformance/priceratioisimplemented.
Ithasbeenappliedinpowersystemprotectionandcontrol.
KEYWORDS:globalpositioningsystem(GPS);clockoscillator;powersystem;protectionrelaying摘要:受干扰、卫星失锁等因素的影响,全球定位系统(GPS)时钟难以满足高可靠性同步控制领域的要求.
文中根据高精度晶振与GPS时钟精度互补的特点,采用高精度晶振对GPS时钟进行监测,建立了最小二乘估计模型,估计出GPS时钟的方差及晶振的累计误差,给出了GPS时钟误差的在线修正方法,研制出了具有较高性能价格比的高精度时钟发生装置,并成功地应用于电力系统继电保护与控制.
关键词:全球定位系统(GPS);时钟;晶振;电力系统;继电保护中图分类号:TM76文献标识码:A1引言全球定时定位系统(GPS)接受机接受GPS卫星专利项目:国家发明专利项目(00131107-7).
发出的高精度时间信息,提供了全球统一的精确时钟[1].
时钟精度与GPS接受机锁定跟踪卫星的数目、卫星时钟的精度[2]、选择性干扰[3,4](SELECTIVEAVAILABILITY,简称S.
A.
干扰)的强弱、GPS接受机的性能等因素有关[1~5].
一般GPS接受机给出的时钟精度以概率指标表示,接受机产生s脉冲(1PPsPulsePersecond)的误差服从正态分布[1,2,4],例如MOTOROLAVPONCORE型接受机,统计精度为50ns(1σ).
表示该接受机的s脉冲偏差服从正态分布,GPS时钟误差落于1σ范围(50ns)内的概率为0.
6828,落于2σ范围(100ns)内的概率为0.
9546;落于3σ范围(150ns)内的概率为0.
9974.
但在卫星失锁或卫星时钟实验跳变[2]的条件下,GPS时钟误差有可能接近百ms.
本课题组曾对2个同型号接受机产生的s脉冲进行比较,正常工作条件下最大偏差可能达1.
6s,在卫星失步的情况下偏差达上百ms[6].
当前电力系统已提出了不少基于GPS高精度时钟的测量与控制技术[7~10],由于担心GPS时钟误差过大或稳定性差,这些技术很难在一些对时钟精度和稳定性要求高的、关系电力系统经济与稳定运行的重要领域,如电力系统继电保护等领域中得到实际应用.
为推广GPS时钟在重要工业领域中的应用,需要解决两方面问题:(1)对GPS时钟实施实时监测,判断GPS时钟是否正常,以提高时钟的可靠性;(2)对GPS时钟进行误差补偿,以提高时钟的http://www.
paper.
edu.
cn42中国电机工程学报第22卷精度.
为解决以上2个问题,一种方法是采用几个不同的卫星时钟系统如:GPS系统和GLONASS系统进行相互比较校验,以提高GPS时钟的精度和可靠性[6],该方法实现复杂,尚未形成完整的理论与实现装置;另一种方法是采用GPS时钟同步守时钟(原子钟、晶振时钟或CPU内部时钟)的方法[2,11~14],正常运行时由GPS时钟校正守时钟,在GPS失步状态下,由守时钟代替GPS时钟.
当采用晶振时钟或CPU内部时钟作为守时钟时,该方法只能消除GPS短时失锁产生的较大偏差,不能消除SA干扰等产生的较小偏差.
如要提高时钟精度,保证时间偏差恒定小于1s,需采用比GPS时钟精度更高的原子钟对GPS时钟进行同步比较监测[2,5],该方法造价高,很难在工业现场推广实现.
为解决上述问题,本文提出采用高精度晶振对GPS时钟进行监测与校正的简便实用方法,建立GPS时钟误差的测量模型,提出一种高精度时钟的产生方法,并成功地将其应用于电力系统继电保护与控制领域.
2时钟误差的在线估计2.
1总体方案GPS接受机在正常工作条件下,其s时钟的误差服从正态分布,只存在单个s脉冲(1PPs)左右的漂移,从一段时间来看,GPS时钟并不存在累计误差.
而通常计时的钟表、晶振,时间间隔的漂移较小,单位时间的误差较稳定,但存在较大的累计误差.
GPS时钟与晶振时钟的精度是互补的,如果把二者进行比较分析,使二者互为参考,采用数理统计的方法可以分别估计出二者的误差,进而对误差进行在线主动补偿,可以实现高精度时钟.
在具体实现时采用:计数器和比较器对高精度晶振进行分频,产生s时钟信号;晶振s时钟与GPS的s时钟进行相位比较,产生偏差序列,该偏差包括GPS时钟的左右漂移误差和晶振的累计误差;采用数学回归对两种误差进行估计,从而分离出各自的误差,并对晶振累计误差进行修正,由此构造一种简便的高精度时钟发生装置.
2.
2GPS时钟同步晶振时钟的数学模型在目前的GPS接受机中,GPS输出s时钟与国际标准时间(UCT)存在一定误差ε,ε服从正态分布),0(~2σεN(1)不同档次的GPS接受机,σ数值大小不同,如GARMINGPS25/20为1s,而MOTOROLAVPONCORE则为50ns.
考查s时间序列X:1,2,3,4,…,x,…,n(2)GPS输出的s时钟序列Y′对应的国际标准时间可记为1ε1,2ε2,3ε3,4ε4,…,xεx,…,nεn(3)通用公式表示为Nxxyxx∈=′,ε),0(~2σεNx(4)式中xy′为GPS输出第x个s时钟对应的国际标准时间,时间误差为εx.
设晶振分频产生的s时钟序列第0个s时钟与国际标准时间的初始偏差为a;时间间隔误差为b;由于高精度晶振的随机误差远小于GPS的s时钟的随机误差(如精度为10-9s的晶振随机误差整定值时,认为GPS接受机失步或故障.
3补偿后的时钟精度分析由一元线形回归性质可知:回归方程的估计值)(x服从正态分布,))()(,(~)(12222∑=+++=nxxxxxnbxaNxbaxσσ(18)晶振误差估计值)(x的方差为∑=+=nxxxxxnD12222)()()(σσ(19)将式(12)代入式(19)得∑=+++=nxnxnxnD12222)21()21()(σσ(20)当n为奇数时,)1)(1()21(122)21()(2222/)1(12222+++=++=∑=nnnnxnxnxnDnxσσσσ(21)由式(2)可知nx≤,则nnnnnnnnnnnD2222224)1()1(3)1)(1()21(12)(σσσσσ≤++=+++≤(22)分析式(20),当n为偶数时,)2)(1()21(122)21()(22212/12222++=++≤∑=nnnnxnxnxnDnxσσσσ(23)由于nx≤,则14)2()1(3)2)(1()21(12)(222222≤+=++≤nnnnnnnnnnnDσσσσσ(24)由式(22)、(24)可知,分析考查的时间序列样本越大(即n越大),)(D越小.
如果对晶振s时钟误差进行修正,修正后的时钟偏差将等于晶振s时钟误差估计值的偏差)(D.
当5≥n时,)()(2εσDD=≤,即修正后的时钟偏差≤GPS时钟偏差;当n=401时,)(1.
0)(εDD≤,即修正后的时钟偏差低于GPS时钟偏差的1/10;样本n数目越大,修正后的时钟偏差越小.
4GPS时钟的在线监测与修正实现4.
1GPS时钟在线监测与修正原理天线GPS接受机恒温高精度晶振倍频与门鉴相器计数器比较器比较值振荡计数信号清零抗干扰控制信号CPU修正后的s时钟GPS的s脉冲与修正后的s时钟相位差GPS的s脉冲图1GPS时钟的在线监测与修正原理图Fig.
1Schemeformonitoring&correctingGPSclock如图1所示,高精度时钟(修正后的s时钟)由计数器与比较器构成的分频电路产生,晶振s时钟的累计误差由CPU设置比较值进行修正,GPS44中国电机工程学报第22卷的s时钟误差由鉴相器测量.
比较值每秒设置一次,由前n次测量的GPSs时钟误差和前n次比较值的历史数据计算本次要设置的比较值.
4.
2GPS时钟及晶振时钟误差估计的实现(1)晶振的累计误差恒温高精度晶振输出的高精度振荡信号经倍频后,产生高频振荡计数信号,频率为f0.
频率选择越高,计数越精确,通常选择为100MHz.
高频振荡计数信号经计数器计数后的结果通过比较器与CPU设置的比较值S比较,当二者相等时,产生一修正后的s时钟脉冲信号,并对计数器清零.
本次CPU设置的比较值Sn+1为101+++=nncfS(25)式中cn+1为本次晶振误差的补偿值,反映了晶振的误差.
设由CPU记录最近的n次补偿值的历史序列为c1,c2,c3,c4,c5,c6,…,cx,…,cn(26)以修正后的s时钟为基准,晶振s时钟(对100MHz信号计数100M次产生1s的时钟)x秒累计的误差等于x次总补偿值∑==′xiicx1)((27)(2)GPS时钟随机误差以修正后的s时钟为基准,GPS的s时钟与修正后的s时钟通过鉴相器进行相位比较,采用高频振荡计数信号计数来反映二者的相位差φ.
相位差表示了GPS的s时钟的随机误差,由CPU读取并保存最近的n次(通常n设置为400)随机误差数值(序列φ):φ1,φ2,φ3,φ4,φ5,φ6,…,φx,…,φn(28)则第x次GPSs时钟的随机误差为φx.
(3)GPS的s时钟与晶振s时钟的偏差由式(27)及φx,计算GPS的s时钟与晶振s时钟的偏差为Nxcyxiixx∈+=∑=,1φ(29)式中yx对应于式(9)的偏差序列Y.
由式(10)~(13)及(17)可估计计算GPS的s时钟的方差σ2、晶振s时钟每秒累计误差b及晶振s时钟与国际标准时间的初始偏差a.
4.
3高精度时钟的产生(1)消除电磁干扰信号的影响如图1所示,为削弱和消除GPS干扰信号的影响,在GPS的s时钟送入鉴相器进行相位比较前,需进行抗干扰检测.
根据GPS的s脉冲总是位于两秒交界处出现的特点,采用CPU控制与门屏蔽干扰信号:在CPU内部设计一软件时钟,进行秒以下刻度的计时;软件时钟由输入的修正后的s时钟信号复位,当软件时钟数值在[0.
2~999.
8ms]之间,抗干扰控制信号为低电平,屏蔽在此期间出现的GPS的s脉冲信号;否则抗干扰控制信号为高电平,允许GPS的s脉冲信号送入鉴相器进行相位比较.
这样可以消除s脉冲前后0.
2ms以外出现的干扰信号影响.
(2)GPS接受机工作状态的评估GPS接受机的不正常工作状态分为两种,一种是由于跟踪卫星过少,导致随机误差增大;另一种是由于干扰,GPS故障产生的跳跃性误差.
对于第一种误差,采用GPS时钟方差的估计值2σ进行评价,建立评价不等式skσσ1>(30)式中sσ为GPS接受机说明书中对应1σ的标称误差;k1为可靠系数,通常取1.
5~5.
当式(30)成立时,认为GPS接受机工作不正常.
对于第二种误差,采用GPS的s时钟与修正后的s时钟的误差序列φ进行评价.
根据正态分布分析,GPS接受机工作正常时,落于3σ范围外的概率仅约为0.
0026.
在样本误差序列φ中对>3sσ的数据个数bN进行统计,建立评价不等式为nkNb20026.
0>(31)式中k2为可靠系数,通常取2~10.
当式(31)成立时,也认为GPS接受机工作不正常.
(3)GPS接受机正常运行条件下高精度时钟的产生第(n+1)次晶振s时钟与国际标准时间之间的误差估计值)1(+n由式(14)估算,对)1(+n四舍五入取整,记为R[)1(+n],反映了(n+1)s的累计误差.
前n次CPU对晶振s时钟的总补偿值由式(27)计算得∑=niiC1,则第(n+1)次晶振s时钟的补偿值应为∑=++=niincnRc11))1(((32)第12期曾祥君等:GPS时钟在线监测与修正方法45从而由式(25)可以在线调整CPU本次设置的比较值Sn+1,输出修正后的s时钟,即产生高精度s时钟.
(4)GPS接受机不正常运行条件下高精度时钟的产生由于晶振时钟单位时间的误差较稳定,误差漂移小.
在GPS接受机不正常运行条件下,晶振s时钟误差的补偿值恒定取GPS接受机不正常运行以前的n次补偿值的平均值为∑==′niicc1(33)假设晶振的精度为1ns,晶振s时钟误差漂移小于0.
05ns,则在GPS接受机中断运行1h后,输出的修正后的s时钟误差<180ns;考虑极端情况,在GPS接受机中断运行1天后,输出的修正后的s时钟误差<4320ns.
一般GPS接受机中断运行1h,补偿后输出的时钟能够满足一般控制领域的要求.
5高精度时钟的应用本课题组研制的高精度时钟已成功地应用于输电线路故障行波定位装置、电力系统异地暂态同步记录仪(采样率:5MHz),现已在葛岗500kV线路两端运行[6,11,12,15].
本课题组对开发的两套高精度时钟装置进行长期的比较,发现修正后的s时钟偏差恒小于100ns.
故障定位装置经高压冲击实验测试,定位误差小于40M[6,11,12].
6结论本文根据GPS时钟与晶振时钟精度互补的特点,提出采用高精度晶振校验并修正GPS时钟的方法,建立了数学模型,采用最小二乘法对误差进行估计并对误差进行在线补偿,研制出易于现场实现的高精度高可靠的时钟发生装置.
该装置具有以下特点:(1)实现简单、造价低,便于在现场安装实现;(2)能够对GPS接受机的运行状况、状态参数进行在线监视估计;(3)能够消除或削弱各种干扰的影响,保证输出时钟的可靠性;(4)能提高输出时钟的精度,且参数估计的样本数越大,输出的时钟精度越高;(5)该技术已成功地应用于电力故障行波定位及异地暂态同步记录,在工业控制领域具有广阔的应用前景.
致谢感谢华中科技大学自控系的魏丰副教授、电气与电子工程学院的林福昌副教授及华中电力集团公司的邹建明高工等协助完成与本论文相关项目的研究.
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收稿日期:2002-07-09.
作者简介:曾祥君(1972-),男,博士,副教授,从事电力系统微机保护与控制及信息融合技术在电力系统应用的研究开发工作.
目前在香港理工大学访问研究;尹项根(1954-),男,教授,博士生导师,从事电力系统继电保护与安全稳定控制等领域的教学、研究工作;K.
K.
Li(1950-)男,博士,副教授,从事电力系统继电保护的研究教学工作;W.
L.
Chan(1969-),男,博士,副教授,从事电能质量管理及与工业自动化控制的研究教学工作.
(责任编辑喻银凤)第18届全国高校电力系统自动化年会会议纪要海军工程大学主办的第18届全国高校电力系统及其自动化学术年会于2002年10月26日在武汉隆重召开.
与会人员229名,与会单位包括27所高等院校、6家电力部门和企业及7家出版社和杂志社.
8位知名学者在大会上作了专题学术报告.
会上设立了6个分会场,对325篇学术论文进行了热烈的交流和讨论,其间学术气氛十分浓厚.
会议于10月28日圆满结束.
会议期间还召开了由各校代表参加的年会预备会和大会工作会,与会代表一致通过以下决议:(1)2006年第22届全国高校电力系统自动化年会由南京河海大学主办.
(2)《电力系统自动化学报》会员单位的赞助费从今年起调整为2000元.
(3)建议成立全国高校电力系统自动化年会筹备委员会,首批筹备委员会由清华大学、华中科技大学、西安交通大学、华北电力大学、西南交通大学、天津大学、浙江大学等7所大学组成.