基于GPS的变电站用时钟的研制
1引言
电力系统故障分析依靠两个方面，一是故障录波，二是时间基准。微机保护及录波装置的应用已经比较全面地记录了故障信息，但时间基准的不统一给故障分析非凡是故障综合分析（比如高压线路高频保护工作状态分析）带来了极大的不便，所以，提供标准时间的时钟成为变电站乃至整个电力系统的迫切需要。
全球定位系统（GPS）具有全天候、时间精度高等优点，已经在国防、航海、航空、探测等各领域得到广泛的应用。GPS可以为各个变电站提供统一的时钟，这为变电站及电力系统统一授时提供了基本的条件。农网、城网的逐步完善，电力系统自动化程度的日益提高，数字通信的发展等都为电子系统统一授时的实现提供了可能。
2授时原理简介
2.1授时原理
在变电站授时系统中，授时过程包括软件授时和硬件对时两个部分，如图1所示。授时过程具体为：时钟通过串口向系统计算机发送时间信息，安装在系统计算机上的接收软件接收该数据并实时修改计算机的时间，系统计算机通过现场总线给各微机保护或其它自动化装置发送时间信息，与此同时，时钟向这些自动化装置发送PPS脉冲，当脉冲处于上升沿时，各装置把系统计算机发送来的时间写入时间芯片，更新自身时间，从而达到变电站整个系统的授时目的。
当时钟直接给自动化装置授时时，除了没有系统计算机这一中间环节外，自动化装置和时钟工作情况与前者一样。
2.2时钟工作时序
授时时钟的要害技术之一，就是在授时过程中，不损失时间精度。这跟时钟的工作时序密切相关。本设计时钟工作时序如图2所示。
图2中，
t0是GPS接收器发送等待时间；
t1是GPS接收器发送N时刻信息所用时间，亦即时钟接收N时刻信息所用时间；
t2是时钟计算、转换N时刻信息所用时间；
t3是时钟发送N时刻信息所用时间，即系统机接收N时刻信息所用时间；
t4是系统机利用N-1时刻信息更新其系统时间所用的时间；
t5是系统机发送N-1时刻信息所用时间，即自动化装置接收N-1时刻信息所用时间；
t6是自动化装置利用N-2时刻信息更新其自身时间所用时间。
因为t6和PPS的精度均为微秒级，所以，当不包括各自动化装置对PPS的确认延时时，授时精度为微秒级。授时过程中，时钟和系统计算机发送的时间信息均为在接收到的时间信息的基础上加了1s的补偿，这样，尽管发送和接收均占用时间，但接收方接收到的时间信息就是当时时刻的信息。
3时钟的硬件设计
授时时钟的硬件结构如图3所示。
设计中，GPS接收器采用MotorolaOncoreGPS接收器，这是一种智能型GPS传感器，作为精度定位、导航及授时系统的部件，该接收器能通过一个反相TTL串行接口提供自身位置、速度及时间信息，并输出时间精度为1μs的PPS脉冲。它支持摩托罗拉二进制输入输出。NIEMA输出和RTCM输入命令。输出是连续式还是询问式通过软件命令实现。本时钟采用摩托罗拉二进制输入输出，使用非常方便。
CPU采用AT89C55芯片，它有20K字节程序存储器，3个16位定时/计数器。应用该芯片，满足设计要求，无需外部程序存储器。其3个16位定时/计数器可分别用于定时中断、串行接收波特率发生器和串行发送波特率发生器，这样，无需串口扩展，就解决了时钟接收GPS接收器数据波特率恒定，而输出由用户设定这种不一致的问题。
为了满足用户的需要，用于软件授时的串行接口设有RS232、RS485/422格式，分别采用MAX202和MAX491芯片实现。本设计采用通信与系统双电源，串行信号通过快速光耦隔离，这亲，就使系统免受通信干扰的影响，提高了时钟的运行稳定性。
同时脉冲电路是以光电隔离的静态空接点形式输出的阵列，第五路均采用达林顿光耦TIL113，它具有较强的驱动能力，每个脉冲输出根据要求还可以进行扩展，以满足变电站给多个自动化装置校时的需要。
时间显示信息包括时、分、秒。显示电路主要采用2个74HC273芯片和6个数码管来实现。一个74HC273芯片作为各数码管的段位驱动，另一个作为数码管选择驱动。数码管的段位以软件查表译码，两个操作时，先选通数码管，再向该数码管写入对应的七段次只选通1个数码管，但因为每到1ms的定时中断就刷新1次，所以，时间信息显示正常。
4时钟的软件设计
4.1主程序
主程序框图如图4所示。
本设计中，GPS接收器以连续式输出时间等信息。CPU首先向GPS接收器发送@@EamC<CR><LF>命令，其中，@@为同步符，Ea为读取位置/状态/数据输出命令，m取1表示连续每1秒钟发送数据，C为校验和，<CR><LF>为帧尾符。通过该命令，CPU以后不用再发送命令，GPS接收器每秒钟都会自动发送其位置、速度及时间信息。由于帧格式的不同，CPU的这次命令发送不会导致系统机或自动化装置对信息的误接收。
4.2计数器/定时器应用
定时器0作为定时中断，设置为1ms中断一次，工作方式0即16位定时器方式；定时器1作为发送波特率发生器，工作方式2，根据用户要求设定不同的波特率，设置时钟向系统上位机或自动化装置发送时间信息的串口波特率；定时器2作为接收波特率发生器，设置为MotorolaOncoreGPS接收器摩托罗拉二进制输出格式所要求的波特率9600bit/s。接收和发送波特率设置的时间常数依据分别是：
式中，th1、rcap2h、rcap2l分别为定时器1、2的时间常数，smod为寄存器PCON的最高位，置位smod可使波特率提高一倍。
当晶振频率为12MHz时，计数器/定时器功能的编程实现如下：
4.3串行通信的提前发送技术
本时钟串行通信的GPS接收器数据接收与发送系统时间信息分开，具体为之，以AT89C55的RXD信号线接收GPS接收器的数据，以TXD通过TTL电平转换为RS232或RS485/422电平，向系统上位机或各自动化装置发送数据，免去扩展串口的不便。
发送信息采用提前发送技术，依据波特率不同和整个时间信息的字节数，计算出发送数据所要求的时间，从而提前这段时间发送，使得到下一下PPS上升沿，数据恰好发送完毕。这一技术的采用，满足了不接入PPS信号时，亦能给微机保护直接授时，并且达到毫秒级精度，对于变电站中原来没有留有PPS信号接入的自动化装置，这一技术有利于实现变电站整个系统的统一对时。
4.4PPS抗干扰技术
装置通过串口向系统发送时间信息的起始时刻取决于PPS，假如GPS信号接收器的PPS受到干扰，必然引起整个系统时间的错误。所以，为防止GPS信号接收器的PPS受干扰而给系统误发信息，时钟内部设有软件抗干扰措施。
软件抗干扰功能是通过PPS上升沿及此时定时中断计数器的计数比较来实现的。
PPS正常为1s 1μs，其误差可以忽略不计，可将PPS作为外部中断源，在其中断处理程序中，查看定时中断的中断次数N和读取定时器计数TH0、TL0，并重新装载定时器定时常数和清定时中断的中断次数。在定时中断处理程序里，每进入一次，中断次数N加1。
假如1PPS没受到干扰，当进入外部中断时，因为定时中断为1ms中断一次且计数方式是增计数，所以，在实际编程中，定时中断的中断次数N和定时器计数TH0、TL0的关系有两种情况：N=999且（TH0，TL0）≤时间常数 X。其中，X的大小由PPS精度、晶振精度来受到干扰，此时，时昂贵步同系统机或自动化装置发送时间信息，各自动化装置保留自身的时间，从而达到抗干扰的目的，否则，当侦测到数据同步，就发送时间信息。
4.5同步问题
MotorolaOncoreGPS接收器最多可同时跟踪8颗卫星，通过得到状态输出信息，可知道实际跟踪卫星个数及每个卫星接收通道状态，假如跟踪到的卫星个数大于等于3，且其通道跟踪模式为定位有效，此时才认为信息是同步的。时钟每接收一帧数据，就查询相应信息字节，验证同步后才转换、发送时间信息。
4.6本地显示的精度问题
时间显示在时钟的1ms定时中断中完成，每到定时中断，就以显示缓冲区的数据来刷新数码管的显示数据。显示缓冲区的数据在串口发送完时间信息后就刷新，其误差如前所述为1ms。所以，等到定时中断刷新显示，其时间显示误差小于2ms。
5结束语
该时钟已研制成功，并在实践中得到广泛应用，运行状况良好。该时钟除了配合变电站综合自动化系统之外，亦可直接对各微机保护和其它自动化装置进行授时，且当不接入PPS信号时，由于本设计的提前发送技术，可使得授时亦可达到毫秒级精度。该时钟原理先进，时间精度高，使用前景广阔。
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