1引言

電力系統故障分析依靠兩個方面，一是故障錄波，二是時間基準。微機保護及錄波裝置的應用已經比較全面地記錄了故障信息，但時間基準的不統一給故障分析非凡是故障綜合分析（比如高壓線路高頻保護工作狀態分析）帶來了極大的不便，所以，提供標準時間的時鐘成為變電站乃至整個電力系統的迫切需要。

全球定位系統（GPS）具有全天候、時間精度高等優點，已經在國防、航海、航空、探測等各領域得到廣泛的應用。GPS可以為各個變電站提供統一的時鐘，這為變電站及電力系統統一授時提供了基本的條件。農網、城網的逐步完善，電力系統自動化程度的日益提高，數字通信的發展等都為電子系統統一授時的實現提供了可能。

2授時原理簡介

2.1授時原理

在變電站授時系統中，授時過程包括軟件授時和硬件對時兩個部分，如圖1所示。授時過程具體為：時鐘通過串口向系統計算機發送時間信息，安裝在系統計算機上的接收軟件接收該數據并實時修改計算機的時間，系統計算機通過現場總線給各微機保護或其它自動化裝置發送時間信息，與此同時，時鐘向這些自動化裝置發送PPS脈沖，當脈沖處于上升沿時，各裝置把系統計算機發送來的時間寫入時間芯片，更新自身時間，從而達到變電站整個系統的授時目的。

當時鐘直接給自動化裝置授時時，除了沒有系統計算機這一中間環節外，自動化裝置和時鐘工作情況與前者一樣。

2.2時鐘工作時序

授時時鐘的要害技術之一，就是在授時過程中，不損失時間精度。這跟時鐘的工作時序密切相關。本設計時鐘工作時序如圖2所示。

圖2中，
t0是GPS接收器發送等待時間；

t1是GPS接收器發送N時刻信息所用時間，亦即時鐘接收N時刻信息所用時間；

t2是時鐘計算、轉換N時刻信息所用時間；

t3是時鐘發送N時刻信息所用時間，即系統機接收N時刻信息所用時間；

t4是系統機利用N-1時刻信息更新其系統時間所用的時間；

t5是系統機發送N-1時刻信息所用時間，即自動化裝置接收N-1時刻信息所用時間；

t6是自動化裝置利用N-2時刻信息更新其自身時間所用時間。

因為t6和PPS的精度均為微秒級，所以，當不包括各自動化裝置對PPS的確認延時時，授時精度為微秒級。授時過程中，時鐘和系統計算機發送的時間信息均為在接收到的時間信息的基礎上加了1s的補償，這樣，盡管發送和接收均占用時間，但接收方接收到的時間信息就是當時時刻的信息。

3時鐘的硬件設計
授時時鐘的硬件結構如圖3所示。


設計中，GPS接收器采用MotorolaOncoreGPS接收器，這是一種智能型GPS傳感器，作為精度定位、導航及授時系統的部件，該接收器能通過一個反相TTL串行接口提供自身位置、速度及時間信息，并輸出時間精度為1μs的PPS脈沖。它支持摩托羅拉二進制輸入輸出。NIEMA輸出和RTCM輸入命令。輸出是連續式還是詢問式通過軟件命令實現。本時鐘采用摩托羅拉二進制輸入輸出，使用非常方便。

CPU采用AT89C55芯片，它有20K字節程序存儲器，3個16位定時/計數器。應用該芯片，滿足設計要求，無需外部程序存儲器。其3個16位定時/計數器可分別用于定時中斷、串行接收波特率發生器和串行發送波特率發生器，這樣，無需串口擴展，就解決了時鐘接收GPS接收器數據波特率恒定，而輸出由用戶設定這種不一致的問題。

為了滿足用戶的需要，用于軟件授時的串行接口設有RS232、RS485/422格式，分別采用MAX202和MAX491芯片實現。本設計采用通信與系統雙電源，串行信號通過快速光耦隔離，這親，就使系統免受通信干擾的影響，提高了時鐘的運行穩定性。
同時脈沖電路是以光電隔離的靜態空接點形式輸出的陣列，第五路均采用達林頓光耦TIL113，它具有較強的驅動能力，每個脈沖輸出根據要求還可以進行擴展，以滿足變電站給多個自動化裝置校時的需要。

時間顯示信息包括時、分、秒。顯示電路主要采用2個74HC273芯片和6個數碼管來實現。一個74HC273芯片作為各數碼管的段位驅動，另一個作為數碼管選擇驅動。數碼管的段位以軟件查表譯碼，兩個操作時，先選通數碼管，再向該數碼管寫入對應的七段次只選通1個數碼管，但因為每到1ms的定時中斷就刷新1次，所以，時間信息顯示正常。

4時鐘的軟件設計

4.1主程序
主程序框圖如圖4所示。

本設計中，GPS接收器以連續式輸出時間等信息。CPU首先向GPS接收器發送@@EamC<CR><LF>命令，其中，@@為同步符，Ea為讀取位置/狀態/數據輸出命令，m取1表示連續每1秒鐘發送數據，C為校驗和，<CR><LF>為幀尾符。通過該命令，CPU以后不用再發送命令，GPS接收器每秒鐘都會自動發送其位置、速度及時間信息。由于幀格式的不同，CPU的這次命令發送不會導致系統機或自動化裝置對信息的誤接收。
4.2計數器/定時器應用

定時器0作為定時中斷，設置為1ms中斷一次，工作方式0即16位定時器方式；定時器1作為發送波特率發生器，工作方式2，根據用戶要求設定不同的波特率，設置時鐘向系統上位機或自動化裝置發送時間信息的串口波特率；定時器2作為接收波特率發生器，設置為MotorolaOncoreGPS接收器摩托羅拉二進制輸出格式所要求的波特率9600bit/s。接收和發送波特率設置的時間常數依據分別是：

式中，th1、rcap2h、rcap2l分別為定時器1、2的時間常數，smod為寄存器PCON的最高位，置位smod可使波特率提高一倍。
當晶振頻率為12MHz時，計數器/定時器功能的編程實現如下：


4.3串行通信的提前發送技術

本時鐘串行通信的GPS接收器數據接收與發送系統時間信息分開，具體為之，以AT89C55的RXD信號線接收GPS接收器的數據，以TXD通過TTL電平轉換為RS232或RS485/422電平，向系統上位機或各自動化裝置發送數據，免去擴展串口的不便。

發送信息采用提前發送技術，依據波特率不同和整個時間信息的字節數，計算出發送數據所要求的時間，從而提前這段時間發送，使得到下一下PPS上升沿，數據恰好發送完畢。這一技術的采用，滿足了不接入PPS信號時，亦能給微機保護直接授時，并且達到毫秒級精度，對于變電站中原來沒有留有PPS信號接入的自動化裝置，這一技術有利于實現變電站整個系統的統一對時。

4.4PPS抗干擾技術

裝置通過串口向系統發送時間信息的起始時刻取決于PPS，假如GPS信號接收器的PPS受到干擾，必然引起整個系統時間的錯誤。所以，為防止GPS信號接收器的PPS受干擾而給系統誤發信息，時鐘內部設有軟件抗干擾措施。

軟件抗干擾功能是通過PPS上升沿及此時定時中斷計數器的計數比較來實現的。

PPS正常為1s 1μs，其誤差可以忽略不計，可將PPS作為外部中斷源，在其中斷處理程序中，查看定時中斷的中斷次數N和讀取定時器計數TH0、TL0，并重新裝載定時器定時常數和清定時中斷的中斷次數。在定時中斷處理程序里，每進入一次，中斷次數N加1。
假如1PPS沒受到干擾，當進入外部中斷時，因為定時中斷為1ms中斷一次且計數方式是增計數，所以，在實際編程中，定時中斷的中斷次數N和定時器計數TH0、TL0的關系有兩種情況：N=999且（TH0，TL0）≤時間常數 X。其中，X的大小由PPS精度、晶振精度來受到干擾，此時，時昂貴步同系統機或自動化裝置發送時間信息，各自動化裝置保留自身的時間，從而達到抗干擾的目的，否則，當偵測到數據同步，就發送時間信息。

4.5同步問題

MotorolaOncoreGPS接收器最多可同時跟蹤8顆衛星，通過得到狀態輸出信息，可知道實際跟蹤衛星個數及每個衛星接收通道狀態，假如跟蹤到的衛星個數大于等于3，且其通道跟蹤模式為定位有效，此時才認為信息是同步的。時鐘每接收一幀數據，就查詢相應信息字節，驗證同步后才轉換、發送時間信息。

4.6本地顯示的精度問題

時間顯示在時鐘的1ms定時中斷中完成，每到定時中斷，就以顯示緩沖區的數據來刷新數碼管的顯示數據。顯示緩沖區的數據在串口發送完時間信息后就刷新，其誤差如前所述為1ms。所以，等到定時中斷刷新顯示，其時間顯示誤差小于2ms。

5結束語

該時鐘已研制成功，并在實踐中得到廣泛應用，運行狀況良好。該時鐘除了配合變電站綜合自動化系統之外，亦可直接對各微機保護和其它自動化裝置進行授時，且當不接入PPS信號時，由于本設計的提前發送技術，可使得授時亦可達到毫秒級精度。該時鐘原理先進，時間精度高，使用前景廣闊。