專利名稱：Gps同步時鐘載波電源的制作方法
技術領域：
本發明涉及GPS同步時鐘載波電源，適用于為電力系統監控終端子站內的 各種同步測控裝置提供其工作所需的高精度同步時鐘信號和直流電源。
背景技術：
電力系統是時間相關系統，無論電壓、電流、相角、功角變化都是基于時 間軸的波形。近年來，超臨界、超超臨界機組相繼并網運行，大區域電網互聯， 特高壓輸電技術得到發展。電網安全穩定運行對電力自動化設備提出了新的要 求，尤其是時間同步問題，諸如繼電保護裝置、自動化裝置、安全穩定控制系 統、能量管理系統(EMS)和生產信息管理系統等產生或應用的電力系統相關 信息，都將基于統一的時間基準。特別是事件順序記錄(SOE)、故障錄波、實 時數據采集等，是確保線路故障測距、相量和功角動態監測、機組和電網參數 準確性實時校驗，以及電網事故分析、提高穩定控制水平等的基礎保障，對時 間一致性的要求更高。未來數字電力技術的推廣應用，對時間同步的要求會更 高。
GPS因其授時精度高達士l^s而成為目前電力系統中普遍應用的同步時鐘 源，并通過安裝GPS接收器獲得高精度同步時鐘信號。如果電力系統中的每個 同步測控裝置(設備)都單獨配置GPS接收器，則不但導致電廠、變電站、調 度中心大樓等樓頂天線林立，并造成空間和資源浪費，而且使同步測控系統布 局復雜化、擴展困難化。
所以，若能做到僅用一個GPS接收器即可實現為同一監控終端子站內的所 有同步測控裝置提供同步時鐘信號，則可有效解決資源浪費現象，并能使終端 子站內的同步測控系統布局更加合理、緊湊。
發明內容
本發明的目的是提供一種GPS同步時鐘載波電源，該GPS同步時鐘載波 電源可實現只需采用一個就能為電力系統同一監控終端子站內的所有同步測控 裝置提供同步時鐘信號和直流工作電源。
本發明的GPS同步時鐘載波電源，包括同步時鐘模塊、調制模塊、直流電 源模塊、用于傳遞高頻調制同步時鐘信號的載波電源傳輸線和N個解調模塊， N為接入的同步測控裝置總數；其中，
同步時鐘模塊包括-GPS接收器，接收來自軌道衛星的國際標準UTC時鐘信息，輸出全球同 步的1PPS秒脈沖和UTC時鐘信息同步時鐘信號；
-守時鐘電路，與GPS接收器的1PPS秒脈沖信號輸出端及處理器相連，在 GPS接收器輸出的1PPS秒脈沖有效時直接輸出1PPS秒脈沖信號并對其進行同 步跟蹤，無效時輸出判斷失效時鎖定的同步1PPS秒脈沖；
-處理器，與GPS接收器的1PPS秒脈沖信號輸出端和UTC時鐘信息同步 時鐘信號輸出端相連，輸出GPS接收器的UTC時鐘信息，并根據GPS接收器 輸出的1PPS秒脈沖判斷GPS是否失鎖，來控制守時鐘電路的輸出信號；
調制模塊包括
-調制器A和調制器B，調制器A的輸入端接同步時鐘模塊的1PPS秒脈 沖信號輸出端，將lPPS秒脈沖信號調制成MHz級的調制時鐘信號，調制器B 的輸入端接同步時鐘模塊的UTC時鐘信息輸出端，將UTC時鐘信息調制成 MHz級的調制時鐘信號；
-載波信號合成變壓器，為三繞組變壓器，用于將調制器A和調制器B輸 出的調制時鐘信號合成并加載到載波電源傳輸線上，變壓器原邊兩個繞組分別 與調制器A和調制器B的輸出端相連，副邊一個繞組串接在直流電源模塊輸出 端和載波電源傳輸線之間。
-由磁環和第一電容構成的高頻隔離器，磁環上有兩個線圈匝數繞組，兩個 繞組的一對同名端分別和直流電源模塊的兩個電極相聯接，兩個繞組的另一對 同名端經過第一 電容旁路后，跨接在載波信號合成變壓器副邊和載波電源傳輸 線之間，構成高頻通道；
每個解調模塊包括
-解調器A和解調器B，解調器A和解調器B的輸入端均并聯在載波電源 傳輸線上，解調器A解調出供給一個同步測控裝置的1PPS秒脈沖信號，解調 器B解調出供給一個同步測控裝置的UTC時鐘信息；
-由兩個電感和第二電容構成高頻阻波器，兩個電感的首端分別與載波電源 傳輸線的兩條線路連接。兩個電感的末端分別與第二電容的兩端及一個同步測 量裝置的兩個電源輸入端相連。
本發明中所說的解調模塊可以置于現場同步測控裝置內，也可以置于同步 測控裝置外，獨立成單元。
本發明的有益效果在于
本發明的GPS同步時鐘載波電源通過調制模塊，將基于GPS接收器的同步時鐘模塊輸出的同步時鐘信號(如1PPS秒脈沖、UTC時間信息)與直流電
源調制成一種帶同步時鐘信息的載波電源，并通過載波電源傳輸線送往電力系
統監控終端子站(變電站、電廠等)內的各種同步測控裝置(如RTU、 PMU、 SMU等)，同步測控裝置則通過解調模塊，獲得其工作所需的高精度同步時鐘 信號和直流電源。
采用本發明可使監控終端子站內各種同步測控裝置的工作電源和高精度同 步時鐘信號由一獨立的被加載了 GPS時鐘信號的同步時鐘載波電源模塊統一 提供，簡化了同步測控裝置的結構(省去了電源模塊和GPS接收器)，降低了 成本，而且可使終端子站內的同步測控系統布局更加緊湊、靈活、合理。
圖1是GPS同步時鐘載波電源原理結構圖； 圖2是同步時鐘模塊原理結構圖； 圖3是調制器A和B的電路圖； 圖4是解調器A和B的電路圖5 (a)是1PPS秒脈沖調制前、后及其解調后的波形，(b)為1PPS秒 脈沖調制前、后及其解調后波形上升沿局部放大圖。
具體實施例方式
以下結合附圖詳細說明本發明。
參照圖1， GPS同步時鐘載波電源，包括同步時鐘模塊l、調制模塊2、直 流電源模塊3、用于傳遞高頻調制同步時鐘信號的載波電源傳輸線5和N個解 調模塊4， N為接入的同步測控裝置總數；其中，
同步時鐘模塊l包括(見圖2):
-GPS接收器1.0，接收來自軌道衛星的國際標準UTC時鐘信息，輸出全 球同步的1PPS秒脈沖和UTC時鐘信息同步時鐘信號；
-守時鐘電路1.1，與GPS接收器1.0的1PPS秒脈沖信號輸出端及處理器 1.2相連，在GPS接收器輸出的1PPS秒脈沖有效時直接輸出1PPS秒脈沖信號 并對其進行同步跟蹤，無效時輸出判斷失效時鎖定的同步1PPS秒脈沖；
這里，守時鐘電路1.1可以由高精度晶振和可編程邏輯芯片構成。能夠在 有限時間段內確保輸出同步lPPS脈沖的同步精度在ilp范圍內。
-處理器1.2，與GPS接收器1.0的1PPS秒脈沖信號輸出端和UTC時鐘信 息同步時鐘信號輸出端相連，輸出GPS接收器1.0的UTC時鐘信息，并根據 GPS接收器1.0的1PPS秒脈沖信號判斷GPS是否失鎖，來控制守時鐘電路1.1
6的輸出信號。
當GPS未失鎖時，直接輸出GPS接收器1.0的UTC時鐘信息并控制守時 鐘電路U直接輸出GPS接收器1.0的1PPS秒脈沖并對其進行跟蹤；否則，修 正輸出GPS接收器1.0的UTC時鐘信息并控制守時鐘電路1.1輸出鎖定的同步 1PPS秒脈沖。
調制模塊2包括
-調制器A和調制器B，調制器A的輸入端接同步時鐘模塊的1PPS秒脈 沖信號輸出端，將lPPS秒脈沖信號調制成MHz級的調制時鐘信號，調制器B 的輸入端接同步時鐘模塊的UTC時鐘信息輸出端，將UTC時鐘信息調制成 MHz級的調制時鐘信號。
所說的調制器A和調制器B均如圖3所示，包括非門Q1、與門Q2、三極 管Tl和振蕩源發生器P;對輸入的時鐘信號進行FSK調制。
調制器A工作原理如下同步時鐘模塊輸出的1PPS秒脈沖經非門Ql反 相后(GPS輸出的1PPS秒脈沖信號低電平有效，若高電平有效則不反相)，再 通過與門Q2與振蕩源發生器P產生的1MHz脈沖序列信號相"與"，然后經高 頻功率三極管T,放大驅動后送往載波信號合成變壓器2.2; (1PPS秒脈沖信號 調制前、后的波形見圖5 (a)，上面一條曲線為輸入的1PPS秒脈沖的方波信號， 調制后形成中間一條曲線)。
調制器B的工作原理和調制器A完全一致，但是調制器B輸入的是UTC 時鐘信息(是一個串行通訊碼的脈沖序列)，且調制頻率為O.lMHz，以便和1PPS 秒脈沖的調制頻率錯開，保證兩者同時工作。
-載波信號合成變壓器2.2，為三繞組變壓器，用于將調制器A和調制器B 輸出的調制時鐘信號合成并加載到載波電源傳輸線上，變壓器原邊兩個繞組分 別與調制器A和調制器B的輸出端相連，副邊一個繞組串接在直流電源模塊3 輸出端和載波電源傳輸線5之間。
-由磁環2.1和第一電容Cl構成的高頻隔離器，磁環2.1上有兩個線圈匝 數繞組，兩個繞組的一對同名端分別和直流電源模塊3的兩個電極相聯接，兩 個繞組的另一對同名端經過第一電容Cl旁路后，跨接在載波信號合成變壓器 2.2副邊和載波電源傳輸線5之間，構成高頻通道；
磁環2.1起抗共模干擾作用，磁環2.1上的兩個繞組采用同名端在同一側的 接法，對負載電路中的電流無抑制作用，但是對直流電源模塊和各個負載之間 的電位浮動具有抑制作用，即具有抗共模干擾作用，第一電容C1起濾波和高頻旁路作用；第一電容C1對高頻信號有低阻抗特性，用來濾除直流電源輸出端的高頻干擾，并為高頻載波信號提供通道，磁環2.1和第一電容C1相配合，可保證載波電源輸出免受干擾，提高工作可靠性。
直流電源模塊3，提供同步測控裝置所需的工作電源(+12V、 +24V等，根據實際需要選擇)，可由大容量電池或AC/DC轉換電路構成。
每個解調模塊4包括
-解調器A和解調器B，解調器A和解調器B的輸入端均并聯在載波電源傳輸線上，解調器A解調出供給一個同步測控裝置的1PPS秒脈沖信號，解調器B解調出供給一個同步測控裝置的UTC時鐘信息；
-由兩個電感Lll、 L12和第二電容C2構成高頻阻波器，兩個電感Lll、L12的首端分別與載波電源傳輸線5的兩條線路連接，兩個電感Lll、 L12的末端分別與第二電容C2的兩端及一個同步測量裝置的兩個電源輸入端相連。高頻阻波器用于隔離載波電源傳輸線5和同步測控裝置，確保載波信號能量不外泄。阻波器對直流電流不起作用，可為同步測控裝置提供直流工作電源。
所說的解調器A和解調器B如圖4所示，都由調諧電路、高頻放大電路、檢波電路和信號還原電路4部分組成。其中
調諧電路由電容C5和高頻信號變壓器TL1的一次繞組構成，電容C5和信號變壓器TL1的一次繞組并聯，形成并聯諧振電路。并聯諧振電路與電容C4串聯后并聯到載波電源傳輸線5。諧振電路的工作點設置在解調器A和解調器B各自的頻率工作點上。工作時，載波電源傳輸線5中含有兩個頻率的載波信號，解調器A和解調器B中的諧振電路分別在這兩個載波頻率上產生諧振，并通過高頻信號變壓器TL1的二次繞組耦合到高頻放大電路的輸入端。
高頻放大電路由高頻信號變壓器TL1的二次繞組、高頻晶體管T2、電容C6、電阻R2和高頻扼流電感GZL構成。其中，電阻R2和高頻扼流電感GZL提供直流靜態工作點；電容C6在高頻下可以提供信號通路；高頻扼流電感GZL在高頻下起高阻作用。高頻信號由高頻信號變壓器TL1的二次側輸出到高頻晶體管T2的基極，經過高頻管晶體管T2放大后輸出到檢波電路。
檢波電路由二極管D1、電阻R3、 R4、電容C7、 C8構成，二極管Dl和電容C7構成半波充放電電路，電阻R3、 R4為放電電阻，由高頻放大電路輸出的信號載波信號經過半波檢波后，經過電容C8提供的高頻通道輸出到單穩觸發器。
信號還原電路為一個單穩觸發器，當電容C8輸出信號維持高電平時，單穩電路輸出為高電平，而當電容C8輸出信號為低電平時，單穩電路輸出信號
維持一個固定時延后輸出低電瓶，被還原成1PPS (UTC)同步時鐘信號，輸出到同步測控裝置。
解調器A的1PPS秒脈沖波形見圖5。圖5 (a)中給出了 1PPS秒脈沖的調制結果波形，上面一條曲線為輸入的1PPS秒脈沖方波信號，調制后形成中間一條曲線，解調后，得到下面一條曲線。由圖5 (b)的上升沿局部放大圖可見，解調后的1PPS秒脈沖信號比調制前的標準信號的上升沿之間存在2ns左右的固定時間延遲，該延遲可以在同步測控裝置內的相位修正算法中進行補償。
載波電源傳輸線5，用于傳遞高頻調制同步時鐘信號。可以選用屏蔽性較好的同軸電纜或帶屏蔽網的雙絞線，以減小線路上高頻信號對外輻射，降低對所經區域通信等設備的干擾，并有效避免外部信號對線路上載波信號的干擾。
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權利要求
1.GPS同步時鐘載波電源，其特征在于包括同步時鐘模塊(1)、調制模塊(2)、直流電源模塊(3)、用于傳遞高頻調制同步時鐘信號的載波電源傳輸線(5)和N個解調模塊(4)，N為接入的同步測控裝置總數；其中，同步時鐘模塊(1)包括-GPS接收器(1.0)，接收來自軌道衛星的國際標準UTC時鐘信息，輸出全球同步的1PPS秒脈沖和UTC時鐘信息同步時鐘信號；-守時鐘電路(1.1)，與GPS接收器(1.0)的1PPS秒脈沖信號輸出端及處理器(1.2)相連，在GPS接收器輸出的1PPS秒脈沖有效時直接輸出1PPS秒脈沖信號并對其進行同步跟蹤，無效時輸出判斷失效時鎖定的同步1PPS秒脈沖；-處理器(1.2)，與GPS接收器(1.0)的1PPS秒脈沖信號輸出端和UTC時鐘信息同步時鐘信號輸出端相連，輸出GPS接收器的UTC時鐘信息，并根據GPS接收器(1.0)輸出的1PPS秒脈沖判斷GPS是否失鎖，來控制守時鐘電路(1.1)的輸出信號；調制模塊(2)包括-調制器A和調制器B，調制器A的輸入端接同步時鐘模塊的1PPS秒脈沖信號輸出端，將1PPS秒脈沖信號調制成MHz級的調制時鐘信號，調制器B的輸入端接同步時鐘模塊的UTC時鐘信息輸出端，將UTC時鐘信息調制成MHz級的調制時鐘信號；-載波信號合成變壓器(2.2)，為三繞組變壓器，用于將調制器A和調制器B輸出的調制時鐘信號合成并加載到載波電源傳輸線上，變壓器原邊兩個繞組分別與調制器A和調制器B的輸出端相連，副邊一個繞組串接在直流電源模塊(3)輸出端和載波電源傳輸線(5)之間；-由磁環(2.1)和第一電容(C1)構成的高頻隔離器，磁環(2.1)上有兩個線圈匝數繞組，兩個繞組的一對同名端分別和直流電源模塊(3)的兩個電極相聯接，兩個繞組的另一對同名端經過第一電容(C1)旁路后，跨接在載波信號合成變壓器(2.2)副邊和載波電源傳輸線(5)之間，構成高頻通道；每個解調模塊(4)包括-解調器A和解調器B，解調器A和解調器B的輸入端均并聯在載波電源傳輸線上，解調器A解調出供給一個同步測控裝置的1PPS秒脈沖信號，解調器B解調出供給一個同步測控裝置的UTC時鐘信息；-由兩個電感(L11、L12)和第二電容(C2)構成高頻阻波器，兩個電感(L11、L12)的首端分別與載波電源傳輸線(5)的兩條線路連接，兩個電感(L11、L12)的末端分別與第二電容(C2)的兩端及一個同步測量裝置的兩個電源輸入端相連。
2. 根據權利要求1所述的GPS同步時鐘載波電源，其特征在于所說的守 時鐘電路(1.1)由晶振和可編程邏輯芯片構成。
3. 根據權利要求1所述的GPS同步時鐘載波電源，其特征在于所說的載 波電源傳輸線(5)是同軸電纜或帶屏蔽網的雙絞線。
全文摘要
本發明公開的GPS同步時鐘載波電源包括同步時鐘模塊、調制模塊、直流電源模塊、用于傳遞高頻調制同步時鐘信號的載波電源傳輸線和N個解調模塊，N為接入的同步測控裝置總數。該GPS同步時鐘載波電源通過調制模塊，將基于GPS接收器的同步時鐘模塊輸出的同步時鐘信號(如1PPS秒脈沖、UTC時間信息)與直流電源調制成一種帶同步時鐘信息的載波電源，并通過載波電源傳輸線送往電力系統監控終端子站內的各種同步測控裝置，同步測控裝置則通過解調模塊，獲得其工作所需的高精度同步時鐘信號和直流電源。本發明不但可簡化現場同步測控裝置的結構(省去了電源模塊和GPS接收器)、降低成本，而且可使終端子站內的同步測控系統的布局更加緊湊、靈活、合理。
文檔編號G04G7/00GK101667010SQ20091015275
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月28日 優先權日2009年9月28日
發明者楊貴玉, 江道灼, 禹化然 申請人:浙江大學