JM-502时间同步系统

 

      JM-502时间同步系统应用于电力系统,向系统内各发电厂及变电站的各种自动化装置(如调度自动化系统、微机继电保护装置、故障录波器、事件顺序记录装置、远动装置、计算机数据交换网、雷电定位系统、数字化变电站设备等)提供多种类型的时间信息和时间同步信号?/div>
      JM-502时间同步系统根据电力系统时间同步有关技术标准设计,可同时接收GPS、北斗卫星导航系统、IRIG-B码和网络报文,按相关标准定义的优先级自适应选择外同步时钟信号,产生与UTC同步的IRIG-B码?PPS/1PPM脉冲码、串口时间报文、DCF77?/span>,并支持NTP/SNTP网络时间协议?/div>
      JM-502时间同步系统可选配高稳定度的恒温晶振(OCXO)或铷原子钟为频率源,采用现代闭环控制守时理论和卡尔曼数字滤波技术,利用外部时间基准对铷钟或OCXO进行控制和驯服。系统输出的1PPS信号由内部频率源分频得到,并同步于外部时间基?PPS信号的长期平均值,克服了由外部时间基准源的秒脉冲信号跳变所带来的影响,从而使输出的时间同步信号具有很高准确度和稳定度,是真正复现?ldquo;UTC时间基准”?/div>
      JM-502 时间同步系统的硬件核心为32-bit高速浮?CPU,处理能力高?60MIPS,并采用世界最先进的实时嵌入式操作系统VxWorks,实现软件功能的实时多任务处理,系统的整体性能达到和超过国外同类产品水平?/div>
     JM-502时间同步系统接收多种时钟源发送的秒同步信号和时间信息,同时本身装备了高精度的守时时钟,可不受地域限制并以一定的精度与UTC同步运行?/span>

     JM-502时间同步系统的核心为平台?2-bit浮点高性能CPU、高速FPGA及高稳振荡器(铷钟或OCXO)构成,并采用VxWorks进行多任务实时并行处理及调度。系统可同时接收GPS、北斗、IRIG-B码同步源发送的秒同步信号和时间信息以及满足NTP/SNTP协议的网络时间报文,按优先级自动选择外部时间基准信号作同步源并将其牵引入跟踪锁定状态(locked)。具有输入传输延时补偿,采用卡尔曼数字滤波技术滤除外部时间基准信号的抖动后,对铷原子钟或OCXO进行控制和驯服,由内部振荡器分频得到1PPS信号,这样,输出?PPS信号同步于外部时间基准输出的1PPS信号的长期平均值,克服了由于外部时间基准的秒脉冲信号跳变所带来的影响,使输出的时间信号不但与外部时间基准信号保持同步而且更加稳定;当失去外部时间基准信号后,进入守时保持状态(hold-over),当外部时间基准信号恢复时,自动结束守时保持状态并牵引入跟踪锁定状态。无论是处于跟踪锁定状态还是守时保持状态,系统都稳定地不间断输出与UTC保持同步的时间信息?/span>

 
? JM-502系统结构框图
JM-502系统软件设计根据功能进行划分,采用多任务、模块化设计方式。JM-502系统结构框图如图1所示?/span>
JM-502时间同步系统的硬件也采用模块化设计,由CPU模块、接收模块、电源模块、显示模块和输出接口模块组成。标准配置䱳?/span>
v时间源输入:1路GPS?路IRIG-B001,NTP/SNTP?路北斗(可选)
v输出?span>    IRIG-B001(DC,RS-422/光纤)
IRIG-B121输出
串行时间报文(RS232/RS485?/span>
1PPS/1PPM/1PPH/1PPX脉冲输出(空接点/差分/光纤/测试用TTL?/span>
4路NTP/SNTP(以太网接口,物理隔离)
v电源:双电源?10V?20V AC/DC 通用
v告警?对继电器接点?A@220V AC
     JM-502时间同步系统的核心为高性能的CPU模块,该模块?2-bit浮点高性能CPU、高速FPGA及高精度高稳定度的振荡器(铷钟或OCXO)构成,并采用VxWorks进行多任务实时并行处理及调度,主要完成锁相同步、输出时分秒脉冲、输出IRIG-B码、输出时间报文、显示、告警等功能。CPU模块采用了闭环控制守时技术,系统具有自我学习功能,使系统的守时时钟守时误?le;2us/天?/span>
      采用铷原子钟或OCXO实现高精度自守时,铷原子钟守时精度优?us /天,远远高于55us /小时的标准要求。采用现代闭环控制守时理论和卡尔曼数字滤波技术,利用外部时间基准对铷钟或OCXO进行控制和驯服。系统输出的1PPS信号由内部频率源分频得到,并同步于外部时间基准输?PPS信号的长期平均值,克服了由于外部时间基准源的秒脉冲信号跳变所带来的影响,使输出的时间同步信号具有很高准确度和稳定度,时间准确度优?plusmn;0.1us,真正复现了“UTC时间基准”?/span>

?2 自守时技?/span>
 
      JM-502具有多达4个完全独立的NTP/SNTP网络接口,可同时支持4个独立网段的网络对时。通过专门设计的硬件同步电路,对时间信息在所经过的网络通路上的延时,及自身固有转换环节所造成的延时,进行高精度解算,可极大减小和消除时间信息在网络传输上的误差,对时准确度高?us?/span>

? 网络时间服务?客户端模?/span>
 
串行报文输出模块采用硬件缓存技术,报文发送时刻即为秒的准时沿,时间准确度优于5μs,使得串行报文完全可以在不单独提供时间同步信号的情况下使用?/span>

? 时间报文输出框图
 
JM-502采用独特的IRIG-B(AM)码无过冲产生技术,利用可编程逻辑芯片直接对IRIG-B(AM)码进行编码,通过数模转换芯片进行输出,使输出的IRIG-B(AM)码信号可以达到准确度优于2us,远高于国家标准,极大提高了IRIG-B(AM)码在现场应用的价值。电路结构如图所示:

? 无过冲IRIG-B(AM)码产生电路框?/span>
 
脉冲模块可输?PPS/1PPM/1PPH/1PPX(可自定义脉冲)。输出可以为空接?差分/光纤,可接入24VDC?10/220VDC。脉冲输出模块采用了特殊的电路结构,使光电隔离空接点能输出高精度的脉冲信号,时间准确度优?.5μs?/span>
JM-502采用可调节的传输延时补偿方式,弥补了传统时间同步系统的缺陷,可灵活实现输出信?秒以内的超前或者滞后的任意延时补偿,补偿分辨率?0纳秒,可完全实现与主钟的时间同步,即达到零延迟,是真正复现的时间信号?/span>

? 延时补偿功能
 
2.1.8    系统抗干扰和可靠性设?/span>
1)        冗余结构?/span>
v外部时间基准信号输入冗余
v电源冗余
2)        基于多任务的嵌入式软件设计;
采用VxWorks平台,将主程序的功能划分为多个任务并行执行,有效提高代码的执行效率,提高整个系统工作的可靠?/span>
3)        大规模可编程逻辑器件提高系统集成度;
4)        所有信号输出均为隔离输出;
5)        天馈线防雷器可保护系统免遭雷击;
6)        采用SMT技术及多层电路板提高系统的抗干扰能力;
7)        硬软件看门狗(Watchdog)设计?/span>
接收和解析来自北?GPS/IRIG-B?NTP的时间报文及同步信息?/span>

? 时钟源接?/span>
 
1)        按照电力系统时间同步系统相关标准的要求,对多时钟源的输入优先级进行设定,并按照设定的优先级对输入源进行选择?/span>
2)        选定同步源之后,采用滤波算法对同步信息进行长期滤波,减小和消除同步源同步信息的抖动,提高准确度?/span>
3)        对选定的同步源,按照相关报文协议,解析时间信息?
工作于服务器/客户端模式。(见图3?/span>
1)        作为客户端,向NTP时间服务器提出时间请求,接收NTP时间服务器返回的网络报文并解析,通过优化的硬件同步电路,并结合对应的算法对本地时间进行校准?/span>
2)        作为服务器,接收来自NTP客户端的请求并返回网络时间报文?/span>
2.2.3    IRIG-B编解?/span>
1)        解码器解析作为时间源输入的IRIG-B(DC)码,从中提取时间信息及同步信息?/span>
2)        编码器将系统时间信息及同步信息,在每个秒准时沿,按照IRIG Standard 200-04标准编码输出?/span>
2.2.4    IRIG-B交流?/span>产生
根据IRIG-B直流码,利用可编程逻辑,按照IRIG Standard 200-04标准产生IRIG-B交流码。(见图5?/span>
监控多个任务的执行情况。如果系统软件出现异常,则自动复位系统?/span>
根据内部时间及同步信息产生秒分时以及可编程脉冲?/span>
利用硬件缓存技术,在秒准时沿发出约定格式的串行报文?a name="_Toc221353812">(见?/a>4?/span>
处理人机界面的交互信息并根据实际情况提供告警?/span>
1)        “PowerPC核+FPGA+VxWorks”嵌入式系统架构;
2)        “北斗+GPS”多同步源自适应同步?/div>
采用多同步源自适应同步技术,可同时接收GPS、北斗卫星导航系统、IRIG-B码和网络报文,并按时间同步系统相关标准对于同步源选择的规定,自动选择外部时间基准信号作同步源,并无延时地进行同步源选择切换,无需人工干预?/div>
3)        复现“UTC时间基准”?/div>
采用现代闭环控制守时理论和卡尔曼数字滤波技术,利用外部时间基准对铷钟或OCXO进行控制和驯服。系统输出的1PPS信号由内部频率源分频得到,并同步于外部时间基准输?PPS信号的长期平均值,克服了由外部时间基准源秒脉冲信号跳变所带来的影响,从而使输出的时间同步信号具有很高准确度和稳定度,时间准确度优于±0.1us,真正复现了“UTC时间基准”?/div>
4)        高精度自守时?/div>
采用铷钟或OCXO实现高精度自守时,铷钟守时精度优?us /天,远高?5us /小时的标准要求?/div>
5)        支持在固定位置模式下可视单星授时功能?/div>
6)        支持NTP/SNTP网络时间协议?/div>
提供4个物理上完全独立?0/100MHz高速以太网接口,即支持多达4个独立网段的NTP对时。采用专门设计的硬件同步电路,并利用动态计时网络补偿算法的客户端时间同步准确度可优?us?/div>
7)        具备输入传输延迟补偿功能?/div>
输入传输延迟补偿范围:-0.99999999s~+0.99999999s,分辨率10ns?/div>
8)        冗余设计?/div>
v外部时间基准信号输入冗余ɳע
v电源冗余
9)        基于硬件缓存技术的零延迟报文输出;
采用独特的硬件编码技术,使输出串口报文的帧头时间准确度优?us?/div>
10)    高精度脉冲输出;
采用脉冲大电流发生电路,使光电隔离空接点能输出高精度的脉冲信号,时间准确度优?.5us?/div>
11)    高精度IRIG-B交流码(B121)输出;
采用无过冲IRIG-B交流码产生技术,IRIG-B交流码时间同步准确度优于2us?/div>
12)    可选配频率测量和工频钟功能?/div>
13)    日期、时间及状态信息显示,单键飞梭菜单选择
作为时间同步源的输入信号如GPS信号、北斗信号及B码信号,自身发出的同步信息(通常?PPS),可能因为故障或者本身的误差等原因,而存在一定的左右波动,使其准确度受到影响。JM-502采用多重误差补偿算法,对输入的有效同步源的同步信号进行数据的筛查和量化误差补偿,剔除错误信息,减少和消除同步源本身的粒度误差,提高同步信号的准确度。再利用此同步信号产生高稳定度的本地1PPS,增强了装置的准确度和可靠性?/div>
串行时间报文可以提供时间信息,但一般需要辅以一个脉冲信号,如秒脉冲来提供准确的秒同步信息。JM-502采用零延时硬件缓存技术,在本地PPS到来之前向缓冲区中写入下一秒要发送的数据,并在本地PPS信号到来之时触发发送,使串口报文信息帧头的准确度优?us,远远高于国家标准要求优?ms的规定,完全可以在不提供同步脉冲的条件下使用。对时设备在获取时间信息的同时,也获得了高准确度的同步信息,从而将串行报文对时的准确度优化到一个新的高度,扩大了串行报文对时的应用场合?/div>
3.3      基于硬件同步电路的NTP对时,可支持4个独立网段的NTP对时
NTP协议(Network Time Protocol)的目的是利用网络传递统一、标准的时间,为用户提供授时服务,是目前网络授时/对时的主要时间协议。JM-502采用NTP协议,工作于客户?服务器模式,通过专门设计硬件同步电路,对时间信息经过的通路上的延时,进行动态计时补偿,并用NTP对时的结果控制其产生精确同步的本地PPS信号,对时准确度高达5us,实现了NTP高精度的授时和对时,达到了国内外先进水平。JM-502采用先进的FPGA+POWERPC为硬件平台,在作为NTP时间服务器时,可对外提供4个完全物理隔离的网口,即不仅电气上完全隔离,还可对外作为4个单独NTP网口进行网络通信,支持处?个独立网段的NTP对时?个网段之间不可相互访问。在电力系统发电厂及变电站,需要部分网络与其他网络实现高度隔离的应用场合,具有很好的应用价值?/div>
标准19″机架式机箱。机箱外壳可靠接地?/div>
外形尺寸?82mm(W)×260mm(L)×89mm(H)
?span>    色:计算机灰(RAL 7035)或用户指定
?span>    量:5 kg
天线尺寸?7.5mm(D)×66.2mm(H)
底座安装方式:阳管螺纹,24mm(R)×60mm(H)
天馈线(配天馈线浪涌抑制器):RG-58?0m(超过标准长度,用户需特殊说明?/div>
储存温度?20℃~ +85?span>           (天线:-40℃~ +100?/span>?/span>
?span>    度:5?~ 95%,不结露       (天线:100%,结露)
采用多层PCB、SMD和软件容错技术等多种抗干扰措施,抗干扰能力强。在变电站保护室和控制室的电磁场环境下能正常工作,符?ldquo;GB/T13926-1992 工业过程测量和控制装置的电磁兼容?rdquo;中有关规定的要求,达到Ⅲ级标准?/div>
配置电源滤波器,采用宽输入范围的交直流开关电源模块,纹波系数小,噪声干扰低。机柜电源输入部分配置电源浪涌抑制器,可避免外部浪涌电流对设备的影响?/div>
额定电压:单?20VAC/110VAC,或220VDC/110VDC,允许偏?-20%?20%
频率?0Hz,允许偏?≤±3Hz
波形:正弦,波形畸变 ≤5%
MTBF:在正常使用条件下大于等?0000h(正常使用条件下无须维护)?/div>
系统可识别的外部时间基准信号输入如下?/div>
1)        1路GPS
2)        1路北斗(选配?/div>
3)        2路IRIG-B(DC)码(多模,ST接口?/div>
4)        NTP/SNTP以太网接?/div>
外部时间基准信号的优先级设置符合相关标准的规定,可设置䱳以下二种?/div>
1)        GPS      >     北斗      >     IRIG-B?span>    >     NTP(缺省)
2)        北斗      >     GPS      >     IRIG-B?span>    >     NTPɳAPP
4.6.3    GPS接收机指?/span>
频率                   ?span>   L1 C/A?/div>
接收灵敏?span>       ?span>   < -160 dBm
同时跟踪    ?span>   多至12个卫星,采用第五代定位引擎技术,支持可视单星授时
冷起动不少于4颗卫星,热起动不少于1颗卫?/div>
捕获时间           ?span>   重新捕获 < 1s,热起动?< 1s,冷起动?< 29s
1PPS精度        ?span>   优于50ns
接收机通道              ?span>   6
接收机灵敏度          ?span>   -157.6dBW
捕获时间                  ?span>   冷启动首捕时?< 2s,失锁重捕时?< 1s
自动定位时间 < 3 min,自动授时时?<3 min
1PPS 精度              ?span>   优于200ns
1)        满足IRIG Standard 200-04标准的IRIG-B(DC)?B001)
2)        接口:多模光纤,820nm ,ST接头
1)        服务?客户端模?/div>
2)        支持NTP V3     ( RFC 1305 ),NTP V2 ( RFC 1119 ),SNTP( RFC 2030 )
3)        接口:RJ-45
各路输出信号之间电气相互隔离。可提供下列信号输出?/div>
1)        1PPS/1PPM/1PPH/1PPX(可自定义脉冲)(空接点/RS422/光纤?/div>
2)        串口时间报文输出(RS232/RS422?/div>
3)        IRIG-B001时码输出(RS422/光纤?/div>
4)        IRIG-B121时码输出
5)        NTP网络接口
6)        DCF77时码输出(可选)
1)        1PPS脉冲(TTL电平,仅供测试用?/div>
当采用铷原子钟时?PPS指标如下?/div>
序号
项目
指标
备注
1
时间准确?/div>
≤ 100ns
跟踪锁定状?/div>
2
标准偏差
< 10ns
跟踪锁定状?每天作一次时差统?/div>
3
复现?/div>
< 10ns
(关?4小时后再开?4小时?/div>
4
守时精度
< 2us/?/div>
守时24小时?/div>
 Žɳ377
2)        1PPS/1PPM/1PPH脉冲
序号
?span>    ?/div>
??/div>
外接同步源名?/div>
GPS
??/div>
IRIG-B001
1
1PPS/1PPM时间准确?(ns)
TTL电平
< 50
< 100
< 50
空接?/div>
< 100
< 200
< 100
2
1PPS/1PPM准时沿上升时?(ns)
TTL电平
< 50
< 50
< 50
空接?/div>
< 100
< 100
< 100
3
1PPS/1PPM脉冲宽度 (ms)
20
20
20
 
3)        IRIG-B时码
 
?/span>    ?/span>
外接同步源名?/span>
GPS
?/span>?/span>
IRIG-B001
1
IRIG-B001?/span>时间准确?(ns)
< 50
< 50
< 200
2
IRIG-B121?/span>时间准确?(ns)
500
500
500
 
4)        串行时间报文
串行时间报文输出通过标准RS-232接口输出,报文发送时刻为秒的准时沿,其时间准确度即为串行报文帧头相对秒准时沿的时间间隔?/div>
序号
?span>    ?/div>
外接同步源名?/div>
GPS
??/div>
IRIG-B001
1
报文发送时刻的时间准确?(ns)
< 50
< 200
< 50
 
5)        10MHz频标(频率源?/div>
序号
项目
铷原子钟
OCXO
1
频率准确?/div>
<1E-12(跟踪锁定状态,24小时)
<1E-13 (跟踪锁定状态,5天平?
<3E-12(跟踪锁定状态,24小时)
2
稳定?/div>
1E-11/s?E-12/10s?E-12/100s?E-12/1000s?E-14/?/div>
5E-12/1s?E-12/10s
3
保持性能
5E-12/?/div>
5E-9/?/div>
 
6)        NTP/SNTP
JM-502时间同步系统采用NTP/SNTP协议,工作在客户?服务器模式,接收高一级时钟系统发送的网络时间信息或向低一级时钟系统发送网络时间信息。采用动态计时网络补偿同步算法对网络延时进行动态软件补偿,能自我组织操作、分层管理配置。在局域网中,同步精度优于1ms?/div>
每秒NTP请求?/div>
时间标识精度
可处理用户终端请求量
0?0
10us
100
0?00
1~10ms
48,000
100?000
10~100ms
96,000
 
7)        DCF77时码(可选)
按DCF77标准每分钟输出一帧,每秒输出一位。接口电平为RS-422/TTL可设?/span>
4.7.3.1      标准串行数据?/font>
标准RS-232(或?V RS-422/485)接口?/div>
1)        串口通讯格式?bit数据位,1bit停止位,无奇偶校验;
2)        波特率设置:300/600/1200/2400/4800/9600(缺省)/19200bps可选;
3)        报文发送时间:1?秒,帧头?PPS准时沿对齐,偏差≤5us?/div>
4)        报文格式如下?/div>
字节序号
含义
内容
取值范?/div>
1
同步标志
<S>-正常接收到时钟源
<E>-时钟源丢?/div>
<U>-未同?/div>
0x53
0x45
0x55
2
帧头
<T>
0x54
3
时十?/div>
ASCII码?/div>
0x30?x39
4
时个?/div>
ASCII码?/div>
0x30?x39
5
分十?/div>
ASCII码?/div>
0x30?x39
6
分个?/div>
ASCII码?/div>
0x30?x39
7
秒十?/div>
ASCII码?/div>
0x30?x39
8
秒个?/div>
ASCII码?/div>
0x30?x39
9
日十?/div>
ASCII码?/div>
0x30?x39
10
日个?/div>
ASCII码?/div>
0x30?x39
11
月十?/div>
ASCII码?/div>
0x30?x39
12
月个?/div>
ASCII码?/div>
0x30?x39
13
年千?/div>
ASCII码?/div>
0x30?x39
14
年百?/div>
ASCII码?/div>
0x30?x39
15
年十?/div>
ASCII码?/div>
0x30?x39
16
年个?/div>
ASCII码?/div>
0x30?x39
17
时间偏移
UTC偏移?/div>
0x00?x0c
0xf4?xff
18
闰秒标志
Bit0-闰秒将于59秒后到来
Bit1-闰秒?秒置?/div>
Bit2-闰秒极性(0?负)
0x00?x07
19
校验字高字节
??8字节逐字节按位异?/div>
0x30?x39
0x41?x46
20
校验字低字节ɳAPP
21
帧结束标?/div>
<A>
0x41
4.7.3.2      脉冲输出?PPS/1PPM/1PPH?/font>
1)        静态空接点(光隔离)输出;
v允许空接点C、E间外接电压:DC24V(标准),DC110V/220V
v允许空接点C、E间允许电流:
2)        TTL电平输出(仅供测试用);
3)        5V RS422电平?/div>
4)        光纤输出:多模光纤,820nm,ST接口?/div>
4.7.3.3      IRIG-B码输?/font>
满足IRIG Standard 200-04标准,控制位参照IEEE C37.118-2005 标准,引入年份信息和时间信号质量描述?/div>
1)        IRIG-B001?/span>
IRIG-B001输出?V RS422、光纤可选?/div>
2)        调幅IRIG-B121格式
v载波频率?kHz?/div>
v信号幅?Vpp):Vh: 3?2V,缺省为10V;Vh/Vl: 2:1?:1,缺省为3:1?/div>
v输出阻抗?00Ω,变压器隔离输出?/div>
4.7.3.4      NTP网络接口
1)        RJ-45?0/100Mb自适应?/div>
2)        服务?客户端模式;
3)        NTP V3(RFC1035), V2(RFC1119) / SNTP (RFC2030)?/div>
4)        支持IEEE802.3u, Telnet (RFC854), FTP(RFC959), DHCP(RFC2132)?/div>
4.8.1    告警信号
当失步、失电或故障时,系统告警,告警信息可通过告警继电器接光字牌?/div>
4.8.2    继电器接?/font>
输出:空接点,DC 220V@5A?/div>
状态:常闭(失电告警),常开(其它告警)?/div>
1)        电源正常指示
2)        告警指示
3)        1PPS指示(装置同步后?PPS指示灯开始闪烁,1PPS前沿为北京时间秒准时沿,脉冲宽度20ms?/div>
4)        同步源锁定指?/div>
时间同步系统采用高亮显示屏显示当前日期、北京时间、同步源,数据每秒同步刷新。当外部时间基准信号为GPS/北斗卫星定时信号时,还显示所锁定的卫星数?/div>
 

 

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