基于FPGA的电力系统时钟同步技术实现

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1、第25卷第12期电力科学与工程Vo1．25，No．12762009年l2月ElectricPowerScienceandEngineeringDec．，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

2、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。GPSIEEE1588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IEEE1588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IEEE1588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

3、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-4-1s。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，1s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

4、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。2GPS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、G

5、PS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77建立起一张一对一的查找表，这样即省去了ASCII码到二进制码的格式转换，也减少宽位加法器和乘4IEEE1588协议报文的处理法器的使用，而对于EP2CST144C8这一低端FPGA芯片来说，同时实现多个宽位加法器和乘法器是有IEEE1588协议实现模块是对IEEE1588协困难的。仿真结果如图1所示。议的部分实现，主要体现在以下方面：省去了最佳时钟算法部分：最佳时

6、钟算法的作用是在所有节点中动态选择“最佳”的时钟作为标准时钟，即主时钟，从而实现更高精的时钟同步。本文整个时钟同步系统被划分为若干个子网(以太网架构)，每个子网只有一个节点安装有GPS授时模块。在GPS授时后，时钟可以认为是“最佳的”。同时考虑到以太网技术的稳定性，安装有GPS授时模块的节点被默认为主时钟，而没有安装GPS授时模块的图1串口仿真节点为从时钟，这就省去了最佳时钟算法。3符合IEEE802．3标准的Mn总线简化了报文格式：在对IEEE1588协议报文做了一定的简化，除去了报文中的冗余信息。通过分析IEEE1588协议的运行原理可知，时子网之间通过GPS授时模块进行时钟同步，间

7、戳的获取直接影响时钟同步的精度，获取时间戳不需要进行网络通信，省去了边界时钟的问题。的地方越接近网络物理媒介，所能够达到的同步精度就越高。因此，在MAC层和物理层获取时间戳5误差分析是最佳的方法，即在独立媒体接口(MediaInde—pendentInterface，MII)总线上获取时问戳。MII本文中的时钟同步指的是在一定精度要求内，系统内各个节点之问在计时偏差能够收敛。显然，总线是连接MAC层和网络媒介的总线。根据IIEE80