基于FPGA的电力系统时钟同步技术实现.pdf

第 25卷第 12期 电 力 科 学 与 工 程 Vo1．25，No．12 76 2009年 l2月 ElectricPowerScienceandEngineering Dec．，2009 基于FPGA的电力系统时钟同步技术实现 孙 翔 (湖南省电力公司益阳电业局， 湖南 益阳413000) 摘要：提出了GPS授时和基于PTP协议的网络时钟同步相结合的时钟同步方案。GPS授时能够提供广域 范围的时钟同步，节点采用 LEA一4H模块实现了GPS授时功能。基于 PTP协议的网络时钟同步单元由 FPGA实现，提供了局域网络内的时钟同步功能。 关键词：电力系统；时钟同步；GPS 中图分类号：TM764 文献标识码：A 块和外部接 口，各个模块的功能简述如下： 0 引 言 网络监听模块：监听 MII总线上的以太网上 的数据信息，判断并处理 IEEE1588协议报文，产 随着GPS技术的发展，GPS开始应用于民用， 生时间戳控制信号 。 这就提供了一种实现f一域时钟同步的新手段。GPS IEEE1588协议模块：根据 IEEE1588协议， 向全球提供免费的时钟信息和地理信息，．}]_这些信 解析和产生 IEEE 1588报文，同时产生本地时钟 息都是全天候、无地域限制的。同州，GPS可 以 修正所需要的数据信息。 实现很高的时钟 同步精度 。如 U—blox 公司的 本地时钟模块：符合 IEEE 1588协议接 口规 LEA．4H系列GPS接收模块可通过SGPzDA语句 范的时钟模块，它是整个系统运行的纽带。 信息及秒脉冲信号 PPS配合使用可实现时钟同步 GPS信号解析模块：接收GPS授时模块发送 的理论精度为~50US，实测多个型号的授时 GPS 出来的GPS信息，解析其中的有效时钟信息。 接收机的秒脉冲授时精度可达-4-1 s。对应予电力 时钟格式转换模块：将 GPS信号解析模块得 系统的50Hz的工频信号，1 s的时间导致误差 到的时间信息转换成系统要求的数据格式。 相对较小。可 以说，GPS技术是 电力系统中f一域 外部接 口：提供给用户的控制接 口和通信接 网时钟同步的有效解决方案。但是，GPS信号受 口，如用于读取本地时钟的数据通道和模拟 PPS 气候和环境的影响，其信号不稳定是不可避免的。 信号 (秒脉冲信号，周期为 1S，且只在整秒时刻 同时，GPS 目前是受美国军方控制，电力行业过 产生的脉冲信号)，以及上层 CPU (如ARM 处理 分依赖 GPS这对于我国国家安全非常不利。因此， 器等)读取报文的接 口等。 如何在保证满足电力系统时钟要求的前提下，尽量 减小对 GPS的依赖具有重要的现实意义 。 2 GPS信息接收及处理硬件电路 1 系统设计的模块划分 从GPS授时模块中接收GPS信息是通过串口 实现的，格式由NMEA0813标准定义。本文采用 整个 FPGA 内部逻辑分为以下几个部分，分 状态机的方式实现串口接收，并将接收到的信息转 别是网络监听模块、IEEE1588协议模块、本地 换为 8bit并行数据 。采用查表的形式实现时间信 时钟模块、GPS信号解析模块、时问格式转换模 息的解析，即将$GPZDA 内时间信息与实际时间 收稿 日期：2009—09—11． 作者简介：孙翔 (1969一)，男，湖南省电力公司益阳电业局工程师 第 12期 孙 翔 基于FPGA的电力系统时钟同步技术实现