張子皿,袁平路
(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京 100038)
準(zhǔn)確的時(shí)間基準(zhǔn)是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證,北京中水科水電科技開發(fā)有限公司監(jiān)控系統(tǒng)事業(yè)部自主研發(fā)的BSS-3系列衛(wèi)星同步時(shí)鐘在水電站已有多年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),在水利行業(yè)有良好的口碑,系列定型的模塊包括:脈沖空接點(diǎn)對(duì)時(shí)模塊,IRIG-B 碼對(duì)時(shí)模塊,串口對(duì)時(shí)模塊,PTP對(duì)時(shí)模塊,恒溫守時(shí)模塊,NTP時(shí)間服務(wù)器模塊。為了提高BSS-3系列衛(wèi)星同步時(shí)鐘的電磁兼容性能,對(duì)時(shí)鐘電路板卡的設(shè)計(jì)進(jìn)行了改造升級(jí),優(yōu)化設(shè)計(jì)后電路板卡的電磁兼容性得到明顯提高,時(shí)鐘系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定。
BSS-3系列衛(wèi)星同步時(shí)鐘是采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間發(fā)送的裝置。目前通常采用北斗系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)。北斗授時(shí)時(shí)鐘基于我國(guó)的“北斗二號(hào)”系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)高精度的授時(shí)功能,時(shí)間精度優(yōu)于50 ns。GPS時(shí)鐘基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),當(dāng)GPS衛(wèi)星信號(hào)接收器在收到并鎖定至少4顆衛(wèi)星之后,衛(wèi)星接收器解算設(shè)備所處的地理位置和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間,其授時(shí)精度可以達(dá)到20 ns以內(nèi)。目前,大型水電廠通常要求北斗、GPS雙衛(wèi)星接收系統(tǒng),而且北斗信號(hào)優(yōu)先,為全廠各系統(tǒng)提供高精度的時(shí)間基準(zhǔn)。
時(shí)鐘裝置由標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱、電源模塊、接收天線、衛(wèi)星信號(hào)接收模塊、對(duì)時(shí)信號(hào)輸出模塊等構(gòu)成,如圖1所示。
圖1 時(shí)鐘裝置結(jié)構(gòu)圖
目前水電廠對(duì)時(shí)系統(tǒng)主流的衛(wèi)星時(shí)鐘對(duì)時(shí)方案設(shè)計(jì)都是采用一套主時(shí)鐘系統(tǒng)或兩套熱備的主時(shí)鐘,例如北斗+GPS雙信號(hào)接收作為主時(shí)鐘,根據(jù)設(shè)備的分布位置和數(shù)量,配置多臺(tái)二級(jí)時(shí)鐘裝置組成水電廠全廠統(tǒng)一授時(shí)系統(tǒng),完成全廠各系統(tǒng)的對(duì)時(shí)任務(wù)。衛(wèi)星同步時(shí)鐘具有高精度守時(shí)模塊,當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)不好或收不到衛(wèi)星信號(hào)時(shí),仍可保證高質(zhì)量的對(duì)時(shí)信號(hào)輸出。
在電子裝置中,電子干擾現(xiàn)象是普遍存在的,例如通過共電源地產(chǎn)生的共地阻抗干擾,通過電感或電容產(chǎn)生的耦合干擾,還有高頻電子元件產(chǎn)生的輻射干擾等。為了解決裝置的電磁干擾問題,對(duì)衛(wèi)星時(shí)鐘母板、脈沖板、B碼485板、PTP板進(jìn)行電路改造升級(jí),將各板卡電磁兼容性(EMC)從2級(jí)提高到4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[1],具體電路設(shè)計(jì)如下。
電源模塊的輸出電壓為DC 5 V,但是在系統(tǒng)中,單片機(jī)CPU的工作電壓為3.3 V,衛(wèi)星接收模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊的工作電壓為3.0~5.0 V,這幾個(gè)模塊的電壓各不相同,為了減少公共電源及公共阻抗的耦合,提高電源的可靠性和抗干擾性,保證各部分正常工作[2,3],電路設(shè)計(jì)如圖2所示。
圖2 減少電容耦合示意圖
在充分考慮電磁兼容和性能的情況下,將主CPU升級(jí),主頻從1 MHz提高到72 MHz,時(shí)鐘同步裝置的進(jìn)出線也增加了防浪涌護(hù)設(shè)計(jì)。電源端增加TVS管(電源口首次測(cè)試未表現(xiàn)出故障,不過為了增強(qiáng)電源端口的抗干擾性能,也增加了必要的防護(hù))和防倒插二極管(防止正負(fù)極接反造成的無法正常工作)。改進(jìn)后的電路如圖3所示。
圖3 增加防護(hù)后的電源入口電路
信號(hào)端增加TVS管,在信號(hào)總線通道中增加自恢復(fù)保險(xiǎn)絲和限流二極管以提高系統(tǒng)可靠性。改進(jìn)后的電路如圖4所示。
圖4 增加防護(hù)后的信號(hào)入口電路
本裝置采用4層電路板,通過設(shè)置專用電源層和接地層為系統(tǒng)提供了最短的回流路線以此來抑制共模干擾,并增加了對(duì)地放電電容,信號(hào)端進(jìn)行了光電隔離處理??紤]到模塊在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí),消耗功率較大,為了降低其對(duì)周圍器件的電磁干擾,將之放在電路板邊緣處,而且在其周圍盡量少放敏感元件。盡量降低接地的阻抗,通過適度加寬地線的寬度可以進(jìn)一步減小接地阻抗,并把數(shù)字部分電路的去耦電容、電感和模擬部分電路的去耦電容、電感分開一定距離布置[4]。
衛(wèi)星時(shí)鐘同步裝置的EMC試驗(yàn)檢測(cè)是委托中國(guó)電力科學(xué)研究院進(jìn)行的,具有國(guó)家認(rèn)可的檢測(cè)資質(zhì)。
衛(wèi)星時(shí)鐘同步裝置通過了電磁兼容性能檢測(cè)、振蕩波抗擾度檢測(cè)(3~4級(jí))、電快速瞬變脈沖群抗擾度檢測(cè)(4級(jí))、工頻磁場(chǎng)抗擾度檢測(cè)(5級(jí))、脈沖磁場(chǎng)抗擾度檢測(cè)(5級(jí))、阻尼振蕩磁場(chǎng)抗擾度檢測(cè)(5級(jí))、射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度檢測(cè)(3級(jí)),其中檢測(cè)電壓等級(jí)±0.5~6 kV,輻射干擾30 MHz~1 GHz,傳導(dǎo)干擾140 kHz~40 MHz,試驗(yàn)結(jié)果滿足電磁兼容EMC判據(jù)3~5級(jí)要求,等級(jí)可達(dá)ClassA。
本項(xiàng)目分析了BSS-3系列衛(wèi)星同步時(shí)鐘系統(tǒng)結(jié)合造成電磁干擾的因素,對(duì)BSS-3系列衛(wèi)星同步時(shí)鐘提出了整體的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,給出了關(guān)鍵環(huán)節(jié)的電路設(shè)計(jì)和電路板抗干擾設(shè)計(jì),時(shí)鐘裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)后,板卡電路工作更加穩(wěn)定,生產(chǎn)成本得到了降低,更加符合規(guī)模化生產(chǎn)的要求。