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高精度时间同步装置的设计与实现

作　者: 吴杰
导　师: 吴宁
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 电路与系统
关键词: 电力系统时间同步秒脉冲精度晶振 FPGA
分类号: TM76
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

电力系统时间同步装置对实时分析电网状态及保障电网运行安全具有十分重要的意义。由时间同步装置构成的时间同步网络为我国电网的各级调度机构、发电厂（变电站）提供统一的时间基准，以满足各种设备和系统对时间同步的需求，保证实时数据采集的一致性，提高相量和功角动态监测、线路故障测距等的准确性，从而增强电力系统故障分析和稳定控制的能力。论文的主要工作是设计与实现高精度的时间同步装置。论文首先介绍了时间同步网和时间同步系统的概念，分析了高精度时间同步装置的功能需求和性能指标。根据晶振秒脉冲随机误差小以及GPS/北斗秒脉冲误差没有累积的特点，提出了一种基于误差互补的高精度秒脉冲生成算法。在系统总体结构设计的基础上，采用分模块设计的思想，将装置按功能划分为接收模块、时钟模块、配置与显示模块、网络时间服务器模块以及TTL、RS232、光纤等接口模块。在此基础上，详细阐述了系统各模块的软硬件设计与实现。最后，对所设计的装置进行系统联调，并给出了系统的各项性能测试指标。经过需求分析、系统方案制定、芯片选型、原理图设计、PCB版图设计、软硬件调试等阶段，最终研制出的高精度时间同步装置具有以下特点：可连接四种外部时间基准源，包括GPS、北斗无线时间基准信号和两路IRIG-B(DC)有线时间基准信号；拥有多种时间同步方式，分别是脉冲同步、串口同步、编码同步以及网络同步；能输出精度优于100ns的秒脉冲，且守时精度优于DL/T1100.1-2009标准规定。该装置已设计完成，经测试，各项性能达到国家对电网时间同步装置的要求。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-14
第一章绪论  14-18
  1.1 课题的研究背景  14
  1.2 电力系统时间同步技术的国内外研究现状  14-16
    1.2.1 卫星时钟的发展及应用  14-15
    1.2.2 时间同步精度的研究现状  15
    1.2.3 时间同步方式的发展现状  15-16
  1.3 课题主要工作  16-17
  1.4 论文组织结构  17-18
第二章高精度时间同步装置的总体设计方案  18-33
  2.1 电力系统时间同步网络与时间同步系统  18-20
    2.1.1 时间同步网络  18
    2.1.2 时间同步系统  18-20
  2.2 装置的功能需求与性能指标  20-21
    2.2.1 装置的功能需求  20-21
    2.2.2 装置的技术指标  21
  2.3 关键技术分析与仿真  21-26
    2.3.1 高精度秒脉冲的生成方案  22-25
      2.3.1.1 秒脉冲误差分析  22-23
      2.3.1.2 高精度秒脉冲的生成方案  23-24
      2.3.1.3 MATLAB 仿真与验证  24-25
    2.3.2 守时方案  25-26
  2.4 装置的总体结构  26-28
  2.5 装置的硬件设计  28-33
第三章接收模块的设计与实现  33-43
  3.1 接收模块的整体设计  33-34
  3.2 GPS/北斗配置与解码模块设计  34-38
    3.2.1 UART 模块  35-37
    3.2.2 NMEA 语句解码模块  37-38
    3.2.3 配置模块  38
  3.3 直流 B 码光纤接收电路设计  38-39
  3.4 IRIG-B(DC)秒脉冲提取与解码模块设计  39-43
    3.4.1 秒准时沿提取电路  40-41
    3.4.2 时延补偿电路  41-42
    3.4.3 IRIG-B 码解码电路  42-43
第四章时钟模块的设计与实现  43-54
  4.1 时钟模块的整体设计  43-44
  4.2 内部时钟频率源选型  44
  4.3 高精度秒脉冲生成模块设计  44-48
    4.3.1 相位比较电路  45-46
    4.3.2 启动电路  46
    4.3.3 分频系数控制电路  46-47
    4.3.4 分频电路  47
    4.3.5 高精度秒脉冲生成模块的功能仿真  47-48
  4.4 信号选择模块设计  48-49
  4.5 实时时间计数器模块设计  49-50
  4.6 IRIG-B(DC)编码模块设计  50-51
  4.7 直流 B 码光纤发送电路设计  51
  4.8 IRIG-B(AC)编码模块设计  51-54
    4.8.1 D/A 芯片选型  52
    4.8.2 IRIG-B(AC)数字调制电路  52-54
第五章配置与显示模块的设计与实现  54-65
  5.1 配置与显示模块的硬件设计  54-59
    5.1.1 单片机选型  54-55
    5.1.2 X5043 及 SPI 接口电路设计  55-56
    5.1.3 单片机与 FPGA 接口电路设计  56-57
    5.1.4 LCD 及其接口电路设计  57-59
  5.2 配置与显示模块的软件设计  59-65
    5.2.1 外围器件驱动设计  60-62
      5.2.1.1 X5043 驱动设计  60-61
      5.2.1.2 LCD 驱动设计  61-62
      5.2.1.3 FPGA 驱动设计  62
    5.2.2 辅助运算  62-64
      5.2.2.1 分频系数的统计值计算  63-64
      5.2.2.2 星期数计算  64
    5.2.3 菜单设计  64-65
第六章网络时间服务器的设计与实现  65-77
  6.1 网络时间服务器的整体设计  65
  6.2 网络时间服务器的硬件设计  65-73
    6.2.1 处理器选型  66-68
    6.2.2 CPLD 选型  68-69
    6.2.3 程序和数据存储器电路设计  69-71
    6.2.4 以太网接口电路设计  71-72
    6.2.5 复位电路设计  72
    6.2.6 电源电路设计  72-73
  6.3 NTP 服务的实现  73-77
    6.3.1 NTP 算法流程  74
    6.3.2 NTP 参考时钟接口设计  74-76
    6.3.3 NTP 到嵌入式系统的移植  76-77
第七章系统调试与测试结果  77-81
  7.1 FPGA 最小系统调试  77
  7.2 FPGA 与单片机接口调试  77-78
  7.3 光电转换电路调试  78-79
  7.4 授时信号功能调试  79
  7.5 高精度时间同步装置的测试结果  79-81
    7.5.1 装置输出性能测试  79-80
    7.5.2 装置守时性能测试  80
    7.5.3 网络时间服务器的本地时钟精度测试  80
    7.5.4 电磁兼容测试  80-81
第八章总结与展望  81-83
参考文献  83-86
致谢  86-87
在学期间的研究成果及发表的学术论文  87-88
附录 1 PCB 版图  88-90
附录 2 装置实物图  90

高精度时间同步装置的设计与实现

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