章立宗，張道農(nóng)，劉永新

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司 紹興供電公司，浙江 紹興 312000；2.華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著電網(wǎng)系統(tǒng)的大區(qū)域互聯(lián)，電力系統(tǒng)覆蓋范圍越來(lái)越廣，廣域動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的逐步建立［1］，對(duì)系統(tǒng)級(jí)的時(shí)間同步的性能和安全需求也越來(lái)越高。在各種廣域時(shí)間同步技術(shù)中，美國(guó)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（GPS）是目前應(yīng)用最廣、技術(shù)最成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也是衛(wèi)星授時(shí)應(yīng)用的首選［2］。但由于GPS受控于美國(guó)軍方，對(duì)電力系統(tǒng)這樣關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的分布式網(wǎng)絡(luò)采用GPS作為唯一授時(shí)基準(zhǔn)是存在安全隱患的［3］。

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)與完善，北斗系統(tǒng)在電力系統(tǒng)授時(shí)方面的應(yīng)用已全面開展。北斗一代系統(tǒng)雖然可實(shí)現(xiàn)雙向授時(shí)，授時(shí)精度可達(dá)20ns，但用戶容量受到極大限制，不利于授時(shí)系統(tǒng)的大范圍推廣［4］。北斗二代系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)大容量的單向授時(shí)下，授時(shí)精度可達(dá)100ns，可滿足電力領(lǐng)域中大多數(shù)的應(yīng)用需求［5］。同時(shí)，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)采用高強(qiáng)度加密設(shè)計(jì)，安全、可靠且穩(wěn)定，適合涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈的關(guān)鍵部門應(yīng)用。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)覆蓋中國(guó)及周邊國(guó)家和地區(qū)，24h全天候服務(wù)，無(wú)信號(hào)盲區(qū)；同時(shí)具備授時(shí)、定位與通信功能，無(wú)需其他通信系統(tǒng)支持，特別適合集團(tuán)用戶大范圍接收信號(hào)進(jìn)行高精度授時(shí)應(yīng)用［6］。為了保障我國(guó)電網(wǎng)的安全運(yùn)行，將北斗衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，對(duì)于我國(guó)國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，都具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義［7］。

1 同步時(shí)鐘的安全性分析

根據(jù)電力行業(yè)同步時(shí)鐘的應(yīng)用需求以及應(yīng)用場(chǎng)合，并結(jié)合國(guó)調(diào)中心在近幾年關(guān)于加強(qiáng)電力時(shí)間同步系統(tǒng)運(yùn)行管理相關(guān)文件的要求，在提高電力時(shí)間同步系統(tǒng)的安全性指標(biāo)上可從時(shí)鐘架構(gòu)、切換策略、異常處理、電磁防護(hù)等四方面進(jìn)行研究。

1.1 時(shí)鐘架構(gòu)

在文獻(xiàn)［2］中，給出了各種時(shí)間同步系統(tǒng)的各種組成結(jié)構(gòu)，根據(jù)其分析結(jié)果可知，選用主備式時(shí)間同步系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)是安全性能最高的一種，如圖1所示。

圖1 主備式時(shí)間同步系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

1.2 切換策略

同步時(shí)鐘的切換策略包括天基授時(shí)時(shí)源的切換策略和天基授時(shí)時(shí)源無(wú)效時(shí)的時(shí)源切換策略兩部分。結(jié)合文獻(xiàn)［8］以及試驗(yàn)分析，同步時(shí)鐘選用的切換策略如表1所示。在天基授時(shí)源正常時(shí)，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)高于GPS。在天基授時(shí)時(shí)源無(wú)效時(shí)（高位為L(zhǎng)），高精度晶振時(shí)鐘（OCXO）優(yōu)先級(jí)高于外部輸入IRIG-B碼方式。

表1 時(shí)間同步源優(yōu)先級(jí)

1.3 異常處理

同步時(shí)鐘的異常情況主要是天基授時(shí)時(shí)源精度的突變，例如GPS是美國(guó)軍方在管理，在某些情況下GPS可能會(huì)發(fā)生時(shí)間精度大幅度突變的情況?？紤]到OCXO短期精度高、誤差會(huì)累積，但天基授時(shí)源無(wú)累積誤差的特性，異常處理時(shí)可在高精度的OCXO中增加一個(gè)全局的時(shí)間鎖，作為天基授時(shí)源突變異常情況下的時(shí)鐘源，防止時(shí)鐘突變。在天基授時(shí)時(shí)源正常的情況下，使用天基授時(shí)源的秒脈沖信息（PPS）對(duì)OCXO的每秒的間隔頻率計(jì)數(shù)的分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出OCXO的典型值，作為天基授時(shí)時(shí)源異常情況下的輸出基準(zhǔn)。

1.4 電磁防護(hù)

同步時(shí)鐘的輸出可以分為兩類：一類為協(xié)議型的通信，如RS-232／RS-485型的符合部頒標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間協(xié)議、NTP／SNTP的符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間協(xié)議；一類為具有精度的信號(hào)輸出，如PPS／M／H的 TTL／RS-485、IRIG-B的 DC／AC 信號(hào)輸出。針對(duì)這兩類的輸出可采用不同方式的保護(hù)，對(duì)于第一類協(xié)議型通信的電路采用典型的電力行業(yè)的工業(yè)保護(hù)，可在ESD／EFT／SURGE等方面達(dá)到四級(jí)。

2 同步時(shí)鐘的安全性設(shè)計(jì)

2.1 同步時(shí)鐘的的架構(gòu)設(shè)計(jì)

電力系統(tǒng)同步時(shí)鐘在架構(gòu)和配置方式上應(yīng)充分考慮行業(yè)業(yè)務(wù)需求的差異性，按照插板式、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同步時(shí)鐘的整體架構(gòu)可采用圖1所示的主備式時(shí)間同步系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，可靠性和冗余度最高，但系統(tǒng)的復(fù)雜度和實(shí)施成本均較高。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可依據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況采用結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)施成本較低的基本式時(shí)間同步系統(tǒng)或主從式時(shí)間同步系統(tǒng)［2］。

2.2 同步時(shí)鐘的切換策略

采用圖1所示的結(jié)構(gòu)組成同步時(shí)鐘的系統(tǒng)時(shí)，兩個(gè)主時(shí)鐘和兩個(gè)從時(shí)鐘之間的通信和切換采用邏輯鎖和不對(duì)等通信的方式來(lái)保證安全性和效率。不對(duì)等通信中，主時(shí)鐘會(huì)按照每秒一次的頻率發(fā)布同步狀態(tài)（同表1），從時(shí)鐘據(jù)此從兩個(gè)主時(shí)鐘選擇合適的主時(shí)鐘源，使用硬件（CPLD）根據(jù)從高到低的邏輯層次進(jìn)行切換。兩個(gè)主時(shí)鐘之間的通信采用對(duì)等方式、安全優(yōu)先的原則，根據(jù)通信的結(jié)果更新主時(shí)鐘內(nèi)部的狀態(tài)值，生成相應(yīng)的管理報(bào)文，以供更高級(jí)的管理使用。

在時(shí)間同步系統(tǒng)中，尤其是在主備式時(shí)間同步系統(tǒng)中，每個(gè)主時(shí)鐘可配置相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)。當(dāng)從時(shí)鐘接收兩個(gè)主時(shí)鐘來(lái)自于相同同步源類型的有效同步信號(hào)時(shí)，高同步源優(yōu)先級(jí)的主時(shí)鐘輸出享有高優(yōu)先級(jí)。

2.3 同步時(shí)鐘的異常處理

當(dāng)天基授時(shí)時(shí)源正常時(shí)，可采用其PPS對(duì)OCXO進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)過(guò)程應(yīng)考慮到北斗衛(wèi)星系統(tǒng)或GPS的對(duì)時(shí)精度在短時(shí)窗口上要低于OCXO的精度，統(tǒng)計(jì)窗口的最小有效期為天（24h），即至少統(tǒng)計(jì)一天的OCXO的頻率才能進(jìn)行典型值的計(jì)算，并生成時(shí)間鎖的判據(jù)。

如下兩個(gè)條件必須全部具備，才會(huì)生成典型值：①統(tǒng)計(jì)時(shí)間大于24h；②天基授時(shí)時(shí)源連續(xù)有效。

針對(duì)天基授時(shí)時(shí)源本身短時(shí)精度不足的情況（例如同步星數(shù)非常少），根據(jù)精度符合高斯分布的原理構(gòu)造合適的均值濾波窗，以O(shè)CXO為指標(biāo)在短時(shí)窗口上對(duì)PPS進(jìn)行反校。針對(duì)同步時(shí)鐘的本身異常的管理，可采用DL／T634.5104或DL／T860的規(guī)約方式輸出狀態(tài)信息。

2.4 同步時(shí)鐘的電磁防護(hù)

電磁防護(hù)中一個(gè)關(guān)鍵性項(xiàng)目就是電源設(shè)計(jì)。同步時(shí)鐘的電源應(yīng)采用冗余熱備用設(shè)計(jì)，每個(gè)時(shí)鐘配置兩塊電源模塊。電源模塊可支持交直流輸入，電源模塊每路輸出都應(yīng)有狀態(tài)指示和接點(diǎn)告警輸出，同時(shí)具有電源狀態(tài)監(jiān)視報(bào)文輸出，可供系統(tǒng)外的設(shè)備監(jiān)控，整體設(shè)備應(yīng)達(dá)到電磁兼容四級(jí)要求。

電路防護(hù)設(shè)計(jì)中時(shí)鐘輸出應(yīng)采用電磁防護(hù)設(shè)計(jì)，采用光信號(hào)的輸出方式，電路防護(hù)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 電路防護(hù)設(shè)計(jì)框圖

3 同步時(shí)鐘的安全性實(shí)現(xiàn)

3.1 天基授時(shí)的通信模塊安全性

在常規(guī)的同步時(shí)鐘中，一般采用MCU／CPU等器件結(jié)合代碼的方式對(duì)時(shí)鐘源進(jìn)行判決和選擇。為提高天基授時(shí)模塊通信的可靠性、安全性和效率，可采用CPLD進(jìn)行判決和選擇，采用并生成與CPU的統(tǒng)一接口。授時(shí)模塊接口如圖3所示。

圖3 授時(shí)模塊接口

3.2 天基時(shí)源與本地時(shí)源的切換精度

依據(jù)表1優(yōu)先級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間同步源的選擇，GPS、北斗衛(wèi)星系統(tǒng)等天基授時(shí)時(shí)源為外部輸入，精度很大程度上依賴與外部衛(wèi)星的搜索數(shù)量以及對(duì)應(yīng)的地理、天氣等客觀性因素，但不存在累計(jì)誤差。當(dāng)時(shí)間同步源選擇為OCXO時(shí)，在一定程度上時(shí)間同步系統(tǒng)的守時(shí)精度就依賴于OCXO的精度，晶振時(shí)鐘信號(hào)的隨機(jī)誤差較小，但存在較大的累計(jì)誤差。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，高精度的OCXO配置成本相對(duì)較高，而精度提高一個(gè)量級(jí)，成本就要提高好幾個(gè)量級(jí)。為解決其性價(jià)比問(wèn)題，可綜合秒脈沖的隨機(jī)誤差和晶振時(shí)鐘信號(hào)的累計(jì)誤差，采用非守時(shí)狀態(tài)下的高精度秒脈沖對(duì)OCXO的精度做偏差補(bǔ)償?shù)乃惴?，進(jìn)而提高在守時(shí)狀態(tài)下的時(shí)間精度。

時(shí)源切換結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。在非守時(shí)情況下，從北斗衛(wèi)星系統(tǒng)（或GPS）模塊接受信息，當(dāng)跟蹤星數(shù)較多、對(duì)時(shí)精度較高時(shí)，秒脈沖的上升沿開啟對(duì)OCXO脈沖的計(jì)數(shù)，在相對(duì)一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)記錄每秒OCXO脈沖數(shù)，并進(jìn)行插值做線性化平均，計(jì)算出來(lái)OCXO標(biāo)稱頻率和實(shí)測(cè)頻率的德爾塔校準(zhǔn)值以達(dá)到進(jìn)入守時(shí)功能后的精度補(bǔ)償。

圖4 時(shí)源切換結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 IRIG-B碼的實(shí)現(xiàn)

時(shí)間同步系統(tǒng)涉及IRIG-B直流碼的解碼和編碼。直流碼的解碼原理如圖5所示，主要是定義IRIG-B碼的脈沖序列，根據(jù)3種脈沖生成器生成的脈沖與輸入IRIG-B波形邏輯與操作后輸出相應(yīng)位信息，也就實(shí)現(xiàn)了IRIG-B直流碼的解碼。

圖5 IRIG-B直流碼的解碼

IRIG-B直流碼的編碼原理如圖6所示，主要依據(jù)移位控制器的輸出選擇3種既定脈沖的輸出，最終形成符合標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)脈沖序列。

圖6 IRIG-B直流碼的編碼

IRIG-B交流碼處理如圖7所示。交流碼為調(diào)幅波編碼形式，典型調(diào)制比為3∶1。每個(gè)碼的寬度是10ms，一幀信息包括100個(gè)碼元，碼元共有標(biāo)志位、二進(jìn)制1、二進(jìn)制0三類。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的多源同步時(shí)鐘的安全性設(shè)計(jì)方式與實(shí)現(xiàn)方法，時(shí)鐘同步系統(tǒng)精度經(jīng)測(cè)試和驗(yàn)證符合電力設(shè)備時(shí)間同步技術(shù)要求，可以滿足電力自動(dòng)化設(shè)備的時(shí)間同步需求。通過(guò)對(duì)時(shí)鐘同步系統(tǒng)多源機(jī)制、雙機(jī)冗余、硬件切換策略、多輸出接口全防護(hù)、雙熱備電源、異常管理信息輸出等關(guān)鍵安全技術(shù)進(jìn)行原理分析和實(shí)驗(yàn)論證，提出以北斗衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)時(shí)為主、主時(shí)鐘雙機(jī)冗余的整體架構(gòu)和性能提升方案，對(duì)電力系統(tǒng)同步時(shí)鐘的應(yīng)用具有一定的使用價(jià)值和推廣價(jià)值。

［1］ 吳為，湯涌，孫華東，等.基于廣域量測(cè)信息的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定研究綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（9）：81-87.WU Wei，TANG Yong，SUN Hua-dong，et al.A survey on research of power system transient stability based on wide-area measurement information［J］.Power System Technology，2012，36（9）：81-87.

［2］ 于躍海，張道農(nóng)，胡永輝，等.電力系統(tǒng)時(shí)間同步方案［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32（7）：82-86.YU Yue-hai，ZHANG Dao-nong，HU Yong-hui，et al.Time synchronizing system for power system［J］.Automation of Electric Power Systems，2008，32（7）：82-86.

［3］ 高厚磊，厲吉文，文峰，等.GPS及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1995，19（9）：41-44.GAO Hou-lei，LI Ji-wen，WEN Feng，et al.GPS and its potentnial applications to power system［J］.Automation of Electric Power Systems，1995，19（9）：41-44.

［4］ 姜彤，艾琳，楊以涵.北斗導(dǎo)航系統(tǒng)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.華東電力，2009，37（4）：611-614.JIANG tong，AI Lin，YANG Yi-han.Beidou satellite navigation and position system and its application to power systems［J］.East China Electric Power，2009，37（4）：611-614.

［5］ 蔣陸萍，曾祥君，李澤文，等.基于GPS實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)高精度同步時(shí)鐘［J］.電網(wǎng)技術(shù).2011.35（2）：201-206.JIANG Lu-ping，ZENG Xiang-jun，LI Ze-wen，et al.Realization of high accuracy synchronous clock for power system based on GPS［J］.Power System Technology，2011，35（2）：201-206.

［6］ 周露，劉寶忠.北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的技術(shù)特征分析與應(yīng)用［J］.全球定位系統(tǒng)，2004，29（4）：12-16.ZHOU Lu，LIU Bao-zhong.Technology character analysis and application about Bei-Dou satellite navigation system［J］.Gnss World of China，2004，29（4）：12-16.

［7］ 吳崇善.正確認(rèn)識(shí)和應(yīng)用“北斗一號(hào)”導(dǎo)航定位系統(tǒng)（一）［J］.當(dāng)代通信，2004（7）：40-42.

［8］ 宣宗強(qiáng)，孫小莉，劉晨，等.衛(wèi)星同步時(shí)鐘的設(shè)計(jì)［J］.西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，40（4）：125-129.XUAN Zong-qiang，SUN Xiao-li，LIU Chen，et al.Design of the satellite synchronized clock［J］.Journal of Xidian University（Natural Science），2013，40（4）：125-129.