基于北斗的多源同步時鐘的安全性設計與實現

章立宗，張道農，劉永新

（1.國網浙江省電力公司 紹興供電公司，浙江 紹興 312000；2.華北電力設計院工程有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著電網系統的大區域互聯，電力系統覆蓋范圍越來越廣，廣域動態測量系統的逐步建立［1］，對系統級的時間同步的性能和安全需求也越來越高。在各種廣域時間同步技術中，美國的全球衛星導航定位系統（GPS）是目前應用最廣、技術最成熟的衛星導航系統，也是衛星授時應用的首選［2］。但由于GPS受控于美國軍方，對電力系統這樣關系到國計民生的分布式網絡采用GPS作為唯一授時基準是存在安全隱患的［3］。

隨著北斗衛星導航系統的建設與完善，北斗系統在電力系統授時方面的應用已全面開展。北斗一代系統雖然可實現雙向授時，授時精度可達20ns，但用戶容量受到極大限制，不利于授時系統的大范圍推廣［4］。北斗二代系統在實現大容量的單向授時下，授時精度可達100ns，可滿足電力領域中大多數的應用需求［5］。同時，北斗衛星系統采用高強度加密設計，安全、可靠且穩定，適合涉及國民經濟命脈的關鍵部門應用。北斗衛星系統覆蓋中國及周邊國家和地區，24h全天候服務，無信號盲區；同時具備授時、定位與通信功能，無需其他通信系統支持，特別適合集團用戶大范圍接收信號進行高精度授時應用［6］。為了保障我國電網的安全運行，將北斗衛星系統應用到電力系統中，對于我國國防和國民經濟發展，都具有深遠的戰略意義［7］。

1 同步時鐘的安全性分析

根據電力行業同步時鐘的應用需求以及應用場合，并結合國調中心在近幾年關于加強電力時間同步系統運行管理相關文件的要求，在提高電力時間同步系統的安全性指標上可從時鐘架構、切換策略、異常處理、電磁防護等四方面進行研究。

1.1 時鐘架構

在文獻［2］中，給出了各種時間同步系統的各種組成結構，根據其分析結果可知，選用主備式時間同步系統的組成結構是安全性能最高的一種，如圖1所示。

圖1 主備式時間同步系統組成結構

1.2 切換策略

同步時鐘的切換策略包括天基授時時源的切換策略和天基授時時源無效時的時源切換策略兩部分。結合文獻［8］以及試驗分析，同步時鐘選用的切換策略如表1所示。在天基授時源正常時，北斗衛星系統優先級高于GPS。在天基授時時源無效時（高位為L），高精度晶振時鐘（OCXO）優先級高于外部輸入IRIG-B碼方式。

表1 時間同步源優先級

1.3 異常處理

同步時鐘的異常情況主要是天基授時時源精度的突變，例如GPS是美國軍方在管理，在某些情況下GPS可能會發生時間精度大幅度突變的情況。考慮到OCXO短期精度高、誤差會累積，但天基授時源無累積誤差的特性，異常處理時可在高精度的OCXO中增加一個全局的時間鎖，作為天基授時源突變異常情況下的時鐘源，防止時鐘突變。在天基授時時源正常的情況下，使用天基授時源的秒脈沖信息（PPS）對OCXO的每秒的間隔頻率計數的分布進行統計，得出OCXO的典型值，作為天基授時時源異常情況下的輸出基準。

1.4 電磁防護

同步時鐘的輸出可以分為兩類：一類為協議型的通信，如RS-232／RS-485型的符合部頒標準的時間協議、NTP／SNTP的符合網絡標準的時間協議；一類為具有精度的信號輸出，如PPS／M／H的 TTL／RS-485、IRIG-B的 DC／AC 信號輸出。針對這兩類的輸出可采用不同方式的保護，對于第一類協議型通信的電路采用典型的電力行業的工業保護，可在ESD／EFT／SURGE等方面達到四級。

2 同步時鐘的安全性設計

2.1 同步時鐘的的架構設計

電力系統同步時鐘在架構和配置方式上應充分考慮行業業務需求的差異性，按照插板式、模塊化結構設計。同步時鐘的整體架構可采用圖1所示的主備式時間同步系統組成結構，可靠性和冗余度最高，但系統的復雜度和實施成本均較高。在實際工程應用中，可依據工程現場應用情況采用結構相對簡單，實施成本較低的基本式時間同步系統或主從式時間同步系統［2］。

2.2 同步時鐘的切換策略

采用圖1所示的結構組成同步時鐘的系統時，兩個主時鐘和兩個從時鐘之間的通信和切換采用邏輯鎖和不對等通信的方式來保證安全性和效率。不對等通信中，主時鐘會按照每秒一次的頻率發布同步狀態（同表1），從時鐘據此從兩個主時鐘選擇合適的主時鐘源，使用硬件（CPLD）根據從高到低的邏輯層次進行切換。兩個主時鐘之間的通信采用對等方式、安全優先的原則，根據通信的結果更新主時鐘內部的狀態值，生成相應的管理報文，以供更高級的管理使用。

在時間同步系統中，尤其是在主備式時間同步系統中，每個主時鐘可配置相應的優先級。當從時鐘接收兩個主時鐘來自于相同同步源類型的有效同步信號時，高同步源優先級的主時鐘輸出享有高優先級。

2.3 同步時鐘的異常處理

當天基授時時源正常時，可采用其PPS對OCXO進行頻率統計。統計過程應考慮到北斗衛星系統或GPS的對時精度在短時窗口上要低于OCXO的精度，統計窗口的最小有效期為天（24h），即至少統計一天的OCXO的頻率才能進行典型值的計算，并生成時間鎖的判據。

如下兩個條件必須全部具備，才會生成典型值：①統計時間大于24h；②天基授時時源連續有效。

針對天基授時時源本身短時精度不足的情況（例如同步星數非常少），根據精度符合高斯分布的原理構造合適的均值濾波窗，以OCXO為指標在短時窗口上對PPS進行反校。針對同步時鐘的本身異常的管理，可采用DL／T634.5104或DL／T860的規約方式輸出狀態信息。

2.4 同步時鐘的電磁防護

電磁防護中一個關鍵性項目就是電源設計。同步時鐘的電源應采用冗余熱備用設計，每個時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有狀態指示和接點告警輸出，同時具有電源狀態監視報文輸出，可供系統外的設備監控，整體設備應達到電磁兼容四級要求。

電路防護設計中時鐘輸出應采用電磁防護設計，采用光信號的輸出方式，電路防護設計框圖如圖2所示。

圖2 電路防護設計框圖

3 同步時鐘的安全性實現

3.1 天基授時的通信模塊安全性

在常規的同步時鐘中，一般采用MCU／CPU等器件結合代碼的方式對時鐘源進行判決和選擇。為提高天基授時模塊通信的可靠性、安全性和效率，可采用CPLD進行判決和選擇，采用并生成與CPU的統一接口。授時模塊接口如圖3所示。

圖3 授時模塊接口

3.2 天基時源與本地時源的切換精度

依據表1優先級系統進行時間同步源的選擇，GPS、北斗衛星系統等天基授時時源為外部輸入，精度很大程度上依賴與外部衛星的搜索數量以及對應的地理、天氣等客觀性因素，但不存在累計誤差。當時間同步源選擇為OCXO時，在一定程度上時間同步系統的守時精度就依賴于OCXO的精度，晶振時鐘信號的隨機誤差較小，但存在較大的累計誤差。

在實際工程應用中，高精度的OCXO配置成本相對較高，而精度提高一個量級，成本就要提高好幾個量級。為解決其性價比問題，可綜合秒脈沖的隨機誤差和晶振時鐘信號的累計誤差，采用非守時狀態下的高精度秒脈沖對OCXO的精度做偏差補償的算法，進而提高在守時狀態下的時間精度。

時源切換結構示意圖如圖4所示。在非守時情況下，從北斗衛星系統（或GPS）模塊接受信息，當跟蹤星數較多、對時精度較高時，秒脈沖的上升沿開啟對OCXO脈沖的計數，在相對一段時間內連續記錄每秒OCXO脈沖數，并進行插值做線性化平均，計算出來OCXO標稱頻率和實測頻率的德爾塔校準值以達到進入守時功能后的精度補償。

圖4 時源切換結構示意圖

3.3 IRIG-B碼的實現

時間同步系統涉及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位信息，也就實現了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，最終形成符合標準的一個脈沖序列。

圖6 IRIG-B直流碼的編碼

IRIG-B交流碼處理如圖7所示。交流碼為調幅波編碼形式，典型調制比為3∶1。每個碼的寬度是10ms，一幀信息包括100個碼元，碼元共有標志位、二進制1、二進制0三類。

4 結語

本文提出了一種基于北斗衛星系統的多源同步時鐘的安全性設計方式與實現方法，時鐘同步系統精度經測試和驗證符合電力設備時間同步技術要求，可以滿足電力自動化設備的時間同步需求。通過對時鐘同步系統多源機制、雙機冗余、硬件切換策略、多輸出接口全防護、雙熱備電源、異常管理信息輸出等關鍵安全技術進行原理分析和實驗論證，提出以北斗衛星系統對時為主、主時鐘雙機冗余的整體架構和性能提升方案，對電力系統同步時鐘的應用具有一定的使用價值和推廣價值。

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