LXI仪器系统时钟同步算法分析与实现

在LXIA类和B类仪器系统中,提出系统的同步触发方式,即硬件触发、LAN触发、时间基触发和LXI触发方式,在LXI触发和时间基触发中要求时钟同步精度达到亚微秒级。为了满足这个同步精度,本文对IEEE1588精密时钟同步机制和算法进行了研究,分析了LXI仪器系统中影响同步的因素,在同步算法中的时间戳信息使用FPGA对PTP数据包采用时间戳的物理层识别和截取,减小了网络抖动,为了解决主从时钟的晶振的偏移提出了采用本地时钟晶振补偿算法进行同步补偿。使用LXI测试平台进行试验验证,从测试数据可看出主从时钟同步精度达到30ns,试验结果表明通过很大程度提高了同步精度,满足了LXIA类和B类仪器时钟同步的要求。     

基于全数字锁相环的电力系统高精度同步时钟

提出了一种基于全数字锁相环的电力系统高精度同步时钟实现方法。该方法基于卫星时钟与晶振时钟授时误差互补的特点,在卫星时钟工作正常时,利用全数字锁相环使晶振时钟跟踪卫星时钟秒脉冲的相位波动,实时消除晶振时钟的累积误差;当卫星时钟失效时,利用失效前记录的历史分频数据辨识优化分频控制参数,预测修正晶振时钟的累积误差。仿真实验结果表明,该方法实现的同步时钟具有随机误差小且累积误差小的优点,在卫星时钟失效一段时间内仍可保持较高的授时精度,可为电力系统提供精确时间同步信号。     

LXI总线测试仪器及系统的时间同步研究

LXI总线测试仪器及系统的新应用对时间同步精度提出了亚微秒甚至纳秒级的要求.本文分别从IEEE 1588同步机制、时间戳的提取方式、测试系统的拓扑结构等方面进行研究,分析影响LXI总线测试仪器及系统时间同步精度的主要因素,提出了改进方法并通过试验验证,结果表明:同步以太网辅助IEEE 1588时间同步机制、硬件提取时间戳、星型拓扑结构都可以有效地提高LXI总线测试仪器及系统的时间同步精度.     

一种适用于GPS信号异常情况的高精度主时钟设计方法

合并单元采样同步是智能变电站正常工作的前提。GPS信号正常时利用最小二乘法建立晶振的误差估计模型,GPS信号异常时利用晶振产生秒脉冲,并用已建立的晶振误差估计模型对这些秒脉冲进行误差补偿后用以作为各合并单元的同步时钟,提出了一种利用GPS信号接收机和晶振共同组成主时钟的设计方法。该方法综合考虑了晶振已有的频率偏差和在GPS信号异常期间由于晶振老化所带来的误差,估计并补偿了GPS信号异常时晶振秒脉冲的误差。仿真结果表明该方法能有效消除晶振累积误差,所产生秒脉冲的误差在前10 min内不超过50 ns,满足系统对时钟的精度要求。     

基于MCU的LXI B类接口模块设计

在LXI C类接口模块的基础上,设计了基于MCU的LXI B类接口模块.设计中重点解决了基于IEEE1588协议的LXI精密时钟同步问题.在模块设计中采用了FPGA对时间信息加盖时戳,以提高系统的定时精度.该模块可以与传统仪器组合,构成低成本、高性能的LXI仪器.     

站域信息实时同步采集中同步采样时钟的设计

站域信息实时同步采集是智能变电站中实现全景信息采集的关键技术。在研究基于全球定位系统(GPS)采样数据同步的基础上,针对合并单元同步采样时钟对晶振依赖性强,及在晶振老化、频率准确度降低的情况下输出误差较大等不足,提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的同步采样时钟闭环校正实现方法。通过对2种同步采样时钟输出误差的定量分析,证明可通过软件补偿改善输出误差,并在提高同步采样脉冲输出精度的同时,保证输出相位的一致性。实验验证表明,该方法在使用普通石英晶振时,合并单元的同步采样值能达到0.2s级精度,体现了良好的同步性能。     

基于GPS的高精度时钟在线校频与授时研究

为提高全球定位系统(global position system,GPS)广域授时的精度与稳定度,根据GPS时钟与晶振时钟的不同特性,建立互补时钟的广义回归模型,并利用广义最小二乘法对晶振频率进行估计,算法修正了已有回归模型中因量测值频率漂移而造成的误差,实现了在晶振频率漂移较大或量测值间隔较长时的精确估计,在此基础上生成可与国际协调时间(coordinated universal time,UTC)同步的授时秒脉冲,通过相位补偿算法,校正生成秒脉冲与UTC秒脉冲的相位差,实现精确授时。实验结果验证该算法在使用SBR-LS接收模块与普通有源晶振条件下,授时稳定度和精确度得到大幅提升,在长时间运行中授时误差不超过±25ns,可为广域测量、故障测距等应用提供精确时标,满足电网监控系统在线广域授时要求。     

一种提高智能变电站PMU相量测量精度的改进采样值调整算法

提出了一种适用于智能变电站应用环境下提高同步相量测量单元(PMU)测量精度的采样值调整算法。算法基于三次样条插值和时标变换,实现了过程总线采样数据与PMU算法的无缝连接。该算法减小了过程层定采样频率下系统频率偏移带来的离散傅里叶变换(DFT)算法频谱泄漏误差,同时可有效减小过程总线采样值传输丢包对相量算法精度的影响。在智能变电站应用环境下利用MATLAB对所提算法进行仿真,结果验证了其不受频率偏移和采样值丢包的影响,能保证PMU相量测量的高精度。     

晶振信号同步GPS信号产生高精度时钟的方法及实现

GPS接收机输出的秒脉冲信号存在较大的随机误差，但不存在累计误差。晶振时钟信号的随机误差较小，但存在较大的累计误差。文中根据GPS时钟信号与晶振时钟信号精度互补的特点，建立了晶振信号同步GPS信号的一元二次回归数学模型，估计出GPS时钟随机误差的统计方差和晶振的累计误差；对晶振时钟进行实时修正，产生高精度时钟，并预测了修正后的时钟精度。高精度时钟发生装置已成功地应用于电力系统暂态变化过程的异地同步记录。     

LXI触发总线接口

LXI是一种适用于自动测试系统的新一代基于LAN的模块化仪器标准.LXI A类设备在B类设备的基础上增加了LXI硬件触发总线.触发总线是具有8个独立通道的半双工M-LVDS硬件总线.本文介绍了LXI触发总线驱动器工作模式、M-LVDS接口电气特性以及系统拓扑结构等内容.     

M-LVDS技术在LXI触发总线中的应用

低压差分信号LVDS（Low Voltage Differential Signaling）是一种广泛用于高速信号传输的国际通用接口标准。本文详细研究了LVDS电气特性及M-LVDS驱动器工作模式,并根据LXI规范（Rev.1.3）,提出了一种LXI触发总线模块设计方案。该方案采用M-LVDS总线接口技术,通过CPLD内部逻辑设计,实现了LXI触发总线触发和同步功能,并利用这些模块组建了LXI触发总线系统。测试结果表明,该方案触发精度高、稳定性好。     

LXI触发总线技术研究

LXI是以太网技术在测试测量领域的扩展,并已成为新一代测试总线标准,而LXI触发总线是LXI A类仪器的一项关键特征。根据LXI标准（Rev.1.3）,提出了一种LXI触发总线模块设计方案。该方案采用多点低压差分信号M-LVDS总线接口技术,通过复杂可编程逻辑器CPLD内部逻辑设计,实现了LXI触发总线功能。并利用这些模块组建了LXI触发总线系统,经测试验证,在现有条件下该系统可以达到22.8 ns的触发精度,这为未来组建高性能的自动测试系统奠定了基础。本文还从硬件、软件两方面介绍了该系统的设计方案和实现方法。     

LXI仪器的通用平台研究

为推广LXI总线在自动化测试领域的应用,系统性的研究了LXI仪器的设计方法,提出了一种基于嵌入式系统实现的LXI仪器通用平台方案。通过分析LXI仪器的共同特点,借鉴模块化仪器的设计思想,建立了一个软硬件一体的通用平台框架,并重点讨论了LXI仪器内部的通用组件设计。该平台满足了LXI仪器开发的通用性、重用性和可扩展性等需求。     

LXI仪器Web接口扩展设计与关键技术实现

为更好地发挥LXI仪器基于以太网的优势,让用户完全使用Web接口实现对设备的访问控制,提出了一种LXI仪器Web接口的扩展设计方案.方案以B类LXI数据采集系统(DAS)为设计目标,对HTML页面架构进行了深层设计,在LXI规范要求的HTML页面中加入了实时曲线绘制、采集控制、状态显示等功能;通过移植LwIP协议栈,实现了在不具备操作系统的芯片中构建HTTP服务器;以AJAX的通讯方式解决了HTML动态化、平滑数据刷新等关键技术问题;最终实现了完全B/S架构的DAS.测试表明,所设计的Web接口改善了传统LXI仪器Web接口的功能性和交互性,能更好发挥B/S模式的轻架构、跨平台等优势.     

IEEE1588精密时钟同步协议的分析与实现

LXI（LAN-based Extensions for Instrumentation）技术的提出进一步推动了测试测量领域的发展,基于IEEE1588精确时钟同步协议的时间同步触发是LXI B类仪器的一个主要特点。本文介绍了IEEE1588精密时钟协议,详细分析了其同步原理,并介绍了一种实现IEEE1588协议的方案,从时钟通过与主时钟交换报文获取时间戳,根据时间戳计算出与主时钟的时间偏差并对自己的时钟进行修正。最后对所设计的系统进行了测试,测试结果显示系统能实现时钟同步。     

LXI总线标准规范关键技术研究

针对目前国内在LXI技术的研究与开发尚处于起步阶段,关键LXI仪器主要依赖进口。深入研究了LXI总线规范和关键技术,如模块通信、同步/触发、IVI驱动和LXI设备网页等,重点对同步和触发技术的原理进行了研究。能全面提高自主创新能力,缩小测试测量领域与国外差距,为未来网络化测试设备的研制和生产提供理论基础和技术储备。     

基于RPR数字化变电站秒脉冲同步方案

针对IEC61850标准所定义的过程总线上采样值高精度同步要求,提出一种基于弹性分组环(RPR)双环的数字化变电站秒脉冲(PPS)同步方案。在该方案中,RPR节点分为主、从2种节点,主节点接入源秒脉冲,从节点负责恢复PPS输出。PPS上升沿采用以太网物理层编码中的保留控制字K28.6表示,以抢占式高优先级(无延迟抖动)在RPR双环上同时传输;并采用主节点预补偿方式消除传输延迟的影响。对PPS恢复方案的误差进行了分析,给出了现场可编程门阵列(FPGA)的设计方法,采用硬件描述语言Verilog HDL设计,并用Modelsim软件做了仿真验证。结果表明:基于RPR双环的PPS恢复精度可以达到纳秒级;该方案使数字化变电站的过程总线和时钟同步网络合并成为可能。