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研究生:林士傑
研究生(外文):Shi-Jie Lin
論文名稱:基於全球定位時間同步系統之同步取樣機制
論文名稱(外文):Development of a Synchronous Sampling Mechanism using GPS-based Time Synchronous System.
指導教授:蔡孟伸蔡孟伸引用關係
指導教授(外文):Men-Shen Tsai
口試委員:周至如廖炯州
口試日期:2016-07-15
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:自動化科技研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
畢業學年度:104
語文別:中文
中文關鍵詞:全球定位系統、時間同步系統、秒脈衝、PID控制器、基因演算法、同步取樣
外文關鍵詞:Global Positioning SystemSynchronous SystemPPSPID ControllerGenetic AlgorithmSynchronous Sampling
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由於近年來智慧電網的蓬勃發展,電力系統的運行效率、品質與安全性等大幅提升。智慧電網的調度與控制需要仰賴精確的同步時間。全球定系統(GPS)提供了精確的時間訊號,透過地球上的GPS訊號接收器,可產生與衛星同步的時間訊號,其中包含了秒脈衝訊號。此訊號可代表每一秒的開始,但因GPS訊號接收器將時間資訊轉換為時間訊號的過程會產生隨機的抖動現象,導致秒脈衝訊號的時間準確性降低,因此需要一個降低抖動的時間同步系統加以改善。
較常在電力系統中使用的時間同步技術有IRIG-B、IEEE 1588 PTP、NTP等,這些都需仰賴GPS的時間訊號。時間同步技術可應用在電力事故時間戳記的標記與同步相量量測等。本論文提出一個GPS時間同步系統,可以用來產生精確與降低抖動的秒脈衝訊號,該訊號並實際應於在同步取樣。本系統利用PID控制器以降低秒脈衝訊號的抖動現象,PID控制器的參數使用基因演算法獲得以提升控制器的收斂效果。為達到同步取樣,本論文設計一個全數位的鎖相迴路產生週期性的時脈,以達到同步取樣的應用。
Because of the rapid development of smart grid industry recent years, operational efficiency, quality and safety in power system are demanded dramatically. The dispatching of the power system relies accurate timing. The Global Positioning System (GPS) provides accurate timing that can be access easily. The GPS receiver can generate accurate timing information including the PPS(Pulse-per-second). The rising edge of PPS signal indicates the beginning of every second. However, the PPS signal may encounter random time jitter from generating signals in time domain due to the signals received by GPS receivers. A jitter reduction time synchronous system is developed in this thesis.
The most common time synchronous technologies used in power industry are IRIG-B, IEEE 1588 PTP and NTP. These technologies rely on signal received by GPS receivers. This thesis proposes a GPS-based time synchronous system. The proposed system is able to reduce the jitter and provide accurate PPS signal which can be used for synchronous sampling. A PID controller is used to reduce jitter phenomenon. Parameters used in the PID controller are determined by genetic algorithm. An All Digital phase-locked loop system is developed to generate periodicity pulse which is used for synchronous sampling for power systems.
中文摘要 i
英文摘要 ii
致謝 iv
目錄 v
圖目錄 vii
表目錄 ix
第一章 緒論 1
1.1 背景與動機 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 論文架構 3
第二章 時間同步技術 4
2.1 時間同步技術類型 4
2.1.1 IRIG-B 4
2.1.2 IEEE 1588 PTP 5
2.1.3 NTP 7
2.1.4 秒脈衝同步系統 7
2.2 時間同步技術應用 8
2.2.1 時間戳記 8
2.2.2 同步相量量測 9
第三章 時間同步系統 10
3.1 全球定位系統 10
3.2 時間同步系統 12
3.2.1 秒脈衝訊號產生器 12
3.2.1.1 週期量測系統 14
3.2.1.2 PID控制器 16
3.2.1.3 基因演算法 17
3.2.1.4 秒脈衝訊號控制器 20
3.2.2 Epoch時間產生器 21
3.3 全數位鎖相迴路 29
3.4 同步取樣 32
第四章 實驗結果與驗證 35
4.1 實驗平台介紹 35
4.1.1 SoCKit平台簡介 35
4.2 時間同步系統驗證 36
4.2.1 基因演算法驗證 36
4.2.2 比例-積分-微分控制器驗證 39
4.2.3 秒脈衝同步系統驗證 41
4.3 全數位鎖相迴路驗證 48
4.4 同步取樣驗證 50
第五章 結論與未來展望 55
5.1 結論 55
5.2 未來展望 56
參考文獻 57
[1]Mike Glass, Data Device Corporation, “IRIG 106 Chapter 10 standardizes MIL-STD-1553B data recording,” IEEE/AIAA 26th Digital Avionics Systems Conference,2007, 2.B.5-1 - 2.B.5-9.
[2]Haozhi Wang; Guofang Zhu; Meiyi Hou; Shunpu Wang, “Time synchronization based on multiplexing RPR channel and IRIG-B time code,” International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies (DRPT), 2015, pp. 869 - 872.
[3]Tamás Kovácsházy; Bálint Ferencz, “Performance evaluation of PTPd, a IEEE 1588 implementation, on the x86 Linux platform for typical application scenarios,” Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), 2012, 2548 - 2552.
[4]Eugene Y. Song; Kang Lee, An application framework for the IEEE 1588 standard, IEEE International Symposium on Precision Clock Synchronization for Measurement, Control and Communication, 2008, 23 - 28.
[5]L. Gasparini, O. Zadedyurina, G. Fontana, D. Macii, A. Boni and Y. Ofek, “A Digital Circuit for Jitter Reduction of GPS-disciplined 1-pps Synchronization Signals,” International Workshop on Advanced Methods for Uncertainty Estimation in Measurement, Sardagna, Trento, Italy, 16-18 July 2007.
[6]Kevin Roos, Fernando De La Garza, James Frenzel, Dean Edwards, “Low-cost Pulse-per-Second (PPS) Signal Generator for Autonomous Underwater Vehicles,” Center for Intelligent Systems Research University of Idaho, POB 441024, 607 Urquhart Ave., BEL W3-1.
[7]陳政言,以SoC_FPGA實現電力品質量測與資料傳輸,碩士論文,國立國立臺北科技大學自動化科技研究所,臺北,2015。
[8]呂紹平,以SOPC實現電力品質事件辨識系統,碩士論文,國立國立臺北科技大學自動化科技研究所,臺北,2013。
[9]陳孝銘,以DSP 為核心的頻譜最佳化之數位電錶,碩士論文,義守大學電機工程學系,高雄,2008。
[10]林晉逸,以DSP為核心之電力品質監測設備之設計,碩士論文,國立中山大學電機工程研究所,高雄,2001。
[11]Wikipedia. (December 7, 2015). IRIG timecode. Retrieved from https://en.wikipedia.org/wiki/IRIG_timecode.
[12]Xiangzhong Meng and Baoye Song, “Fast Genetic Algorithms Used for PID Parameter Optimization, “ Proceedings of the IEEE International Conference on Automation and Logistics, August 18 - 21, 2007, Jinan, China.
[13]Wikipedia. (May 31, 2016). Global Positioning System. Retrieved from http://en.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System.
[14]Wikipedia . (August 22, 2015). PID Controller. Retrieved from http://en.wikipedia.org/wiki/PID_controller.
[15]Wikipedia . (March 22, 2016). Lead–lag compensator. Retrieved from http://en.wikipedia.org/wiki/Lead%E2%80%93lag_compensator.
[16]Wikipedia . (May 30, 2016). Coordinated Universal Time. Retrieved from http://en.wikipedia.org/wiki/Coordinated_Universal_Time.
[17]Wikipedia . (May 30, 2016). Unix Time. Retrieved from http://en.wikipedia.org/wiki/Unix_time.
[18]NMEA manual for Fastrax IT500 Series GPS receivers, Fastrax Ltd, 2010, pp. 8.
SoCKit User manual , Altera Corporation, 2013, pp. 6.
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