BDS多模授時技術(shù)在電力時間同步裝置中的應(yīng)用

王 宇，陳 偉，范曉東

(1.中電科第三十八研究所，合肥 230088；2.安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，合肥 230031)

0 引言

電力時間同步裝置是電力二次系統(tǒng)中進行實時數(shù)據(jù)采集、控制、事故追憶和事故分析的基礎(chǔ)，是電力系統(tǒng)安全運行的重要組成部分，而電力系統(tǒng)的安全運行事關(guān)國家安全。電力系統(tǒng)的全網(wǎng)時間同步主要是采用時間同步裝置對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各時鐘進行高精度授時，時間同步裝置采用的時鐘源和授時算法會直接影響所屬網(wǎng)絡(luò)授時的精確性和可靠性，而目前的時間同步裝置基本上都依賴全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)進行授時，鑒于GPS時間隸屬于美國，GPS信號精度受美國軍方控制，不能保證時刻提供準(zhǔn)確可靠、性能穩(wěn)定的衛(wèi)星授時信號[1-2]。雖然近年來北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)不斷增強衛(wèi)星組網(wǎng)，實用性持續(xù)提高，向大部分亞太地區(qū)提供區(qū)域連續(xù)授時、定位、導(dǎo)航等服務(wù)[3]，在時間同步裝置中得到廣泛應(yīng)用，授時和定位精度隨著組網(wǎng)衛(wèi)星的數(shù)量增加也在同步提高。此外，在BDS/GPS衛(wèi)星授時的基礎(chǔ)上引入其他授時源并能夠提供精度高、可靠性好、性能穩(wěn)定的授時系統(tǒng)也十分必要，而靶場儀器組串行時間碼(B type format of inter-range instrumentation group，IRIG-B)提供了滿足需要的時間同步方式，成為時間同步裝置采用的授時碼型，該時間穩(wěn)定可靠、精度高[4-5]。因此，本文在GPS衛(wèi)星授時的基礎(chǔ)上，提出了基于BDS的多模授時技術(shù)的國產(chǎn)電力時間同步裝置。

1 多模授時方法

本文提出的多模授時是指時間同步裝置同時具有BDS、GPS和B碼3種模式的授時功能。BDS由我國自主研發(fā)，是繼美國的GPS和俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)之后第3個全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，提供單雙向授時、定位、測速及短報文通信服務(wù)[6]。B碼授時模式是從外部輸入的IRIG-B碼獲取標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號信息。通過應(yīng)用BDS、GPS和B碼多模授時技術(shù)拓展時鐘源，顯著提高了授時設(shè)備的可靠性和安全性。下面分別就3種模式各自的特點及組合的優(yōu)勢進行闡述。

1.1 衛(wèi)星授時

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)必須運行在十分精確的時間條件下，所以系統(tǒng)可以能夠提供精確的時間信息，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機定位成功后定時輸出秒脈沖信號(pulse per second，PPS)，將2臺接收機送出的PPS信號送給鑒相計數(shù)器，鑒相計數(shù)器測量出相鄰2個秒脈沖之間的時間間隔，經(jīng)過統(tǒng)計濾波便可算出時間同步的精度。目前，國內(nèi)主要應(yīng)用領(lǐng)域的衛(wèi)星導(dǎo)航授時設(shè)備主要有GPS和BDS 2種類型。通常通過衛(wèi)星授時同步時間的方法有單站法和共視法2種，共視法的授時精度高于單站法。BDS授時有衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù) (radio determination satellite service，RDSS)單向授時、RDSS雙向授時以及衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)(radio navigation satellite service，RNSS)授時3種方式。BDS的RDSS單向授時精度約為100 ns，RDSS雙向授時精度約為20 ns[7]，RNSS授時精度約為50 ns[8]。GPS授時只有RNSS一種方式。GPS單站法的授時精度約為20～500 ns，GPS共視法授時精度則能達(dá)到5～20 ns[9]。電力系統(tǒng)對時間同步裝置的時間同步要求為1 μs以內(nèi)，故時間同步裝置采用GPS單站法或BDS單站法法授時都可滿足電力系統(tǒng)的使用需求。

1.2 B碼授時

靶場儀器組(Inter Range Instrumentation Group，IRIG)源自美國軍隊靶場的時間同步[4-5，10]，靶場中的時間設(shè)備為航天、測控以及常規(guī)武器系統(tǒng)試驗提供標(biāo)準(zhǔn)時間。IRIG-B時碼(簡稱B碼)是1種串行時碼，由IRIG下屬的電信組(Telecommunication Group，TCG)制定，后來在應(yīng)用時間系統(tǒng)中被廣泛采用。B碼包括2種碼型：交流碼 (AC碼)和 直流碼(DC碼)。交流碼的傳輸距離比直流碼遠(yuǎn)，但是電路較復(fù)雜，精度較低。當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)時采用交流碼(AC碼)，同步精度一般為10～20 ms，當(dāng)傳輸距離近時則采用直流碼(DC碼)，同步精度可達(dá)幾十納秒。因此，B碼采用直流碼(DC碼)授時可滿足電力系統(tǒng)對時間同步裝置的時間同步要求。

1.3 多模授時優(yōu)勢

我國電力時間同步裝置單采用衛(wèi)星授時存在如下問題[11-14]：1)美國的GPS系統(tǒng)是由美國國防部控制，其他國家使用該系統(tǒng)不具有自主性，存在國家安全隱患。美國曾經(jīng)通過增加隨機干擾碼、故意降低GPS精度、甚至對某個特定地區(qū)停止發(fā)送GPS信號等多種手段，破壞一些地區(qū)的GPS可用性；2)目前世界還不太平，美國把很多國家列為危險國家，戰(zhàn)爭發(fā)生的可能性沒有消除，很可能導(dǎo)致GPS在中國或其他一些國家不可用；3)BDS/GPS衛(wèi)星授時在某些特殊情況下信號暫時消失，或者衛(wèi)星接收機工作不正常，會降低授時精度甚至授時錯誤。B碼時間系統(tǒng)作為授時的時間同步標(biāo)準(zhǔn)，具有高可靠性、通用規(guī)范和應(yīng)用靈活等特點，若采用BDS、GPS和B碼時間系統(tǒng)，即能實現(xiàn)時間同步裝置自主授時，又能在某種時鐘源不可授時的情況下通過備選源正常工作，將顯著的提高時間同步裝置的可靠性和安全性。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)主要采用“馴服+多模授時”的機制，主要包括時鐘源接收單元、數(shù)據(jù)處理單元、馴服單元、信號輸出單元和電源轉(zhuǎn)換單元，如圖1所示。時鐘源接收單元包括B碼接收模塊、BDS接收模塊和GPS接收模塊，分別接收IRIG-B時碼信號、BDS衛(wèi)星信號和GPS衛(wèi)星信號，從信號解析中分別解析出時間信息，然后將這3種外部時間信息送入數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)多模授時算法擇優(yōu)選出外部時間信息并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)世界協(xié)調(diào)時(coordinated universal time，UTC)時間，并將相應(yīng)的秒脈沖信號送入馴服單元，本地時鐘經(jīng)馴服單元馴服后得到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)的本地秒脈沖，并送入數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)輸入的本地秒脈沖同步將UTC時間送入信號輸出單元，以此得到高精度授時時間。

2.1 時鐘源接收單元

時鐘源接收單元包括B碼接收模塊、BDS接收模塊和GPS接收模塊，分別接收IRIG-B直流碼、BDS衛(wèi)星時間和GPS衛(wèi)星時間。

B碼接收模塊主要是光電轉(zhuǎn)換電路，將通過光纖來的光信號IRIG-B碼轉(zhuǎn)換成電信號DC碼，并送入數(shù)據(jù)處理單元；

BDS接收模塊采用U-blox公司OEM模塊，通過天線接收BDS衛(wèi)星信號，并根據(jù)規(guī)范轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的NEMA0183信息(即BTOD)送出，同時送出秒脈沖信號1PPS(即BPPS)。此處采用TD3020T模塊，其是泰斗微電子推出的支持BD2/GPS雙模授時定位模塊，授時精度可達(dá)30 ns；

GPS接收模塊采用GPS OEM模塊，通過天線接收GPS衛(wèi)星信號，并根據(jù)規(guī)范轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的NEMA0183信息(即GTOD)送出，同時送出秒脈沖信號PPS(即GPPS)。此處采用LEA-M8T模塊，其是U-blox 推出的支持BDS/GPS等多模衛(wèi)星授時定位模塊，授時精度可達(dá)20 ns。

時鐘源接收單元還包括1個重要的部分，就是時鐘源自動無縫切換單元。自動是指時鐘源切換的自主性，而無縫則是指切換的平滑性。時鐘源的切換策略的優(yōu)劣，直接表現(xiàn)為時間脈沖輸出的抖動性能。

2.2 馴服單元

馴服單元根據(jù)輸入的參考秒脈沖得到符合指標(biāo)的高穩(wěn)本地秒脈沖。馴服后，當(dāng)外部參考秒脈沖丟失，該單元仍然輸出滿足指標(biāo)要求的秒脈沖信號，其工作原理如圖2所示。

鑒于BDS/GPS OEM模塊產(chǎn)生的PPS的精度小于100 ns，但是卻有良好的長期穩(wěn)定性。而恒溫晶振具有比較高的短期穩(wěn)定性。馴服單元結(jié)合二者優(yōu)點，產(chǎn)生一個精度與穩(wěn)定度均達(dá)到指標(biāo)要求的時間標(biāo)準(zhǔn)。

馴服單元里主要包含馴服模塊，其主要由相位/頻率測量、濾波處理/頻率預(yù)測、數(shù)模轉(zhuǎn)換和本振頻率產(chǎn)生五個部分組成。馴服單元本質(zhì)上是一個鎖相環(huán)。其將外部時鐘源優(yōu)選的秒脈沖信號作為該模塊的PPS參考輸入。該模塊將參考PPS與本地振蕩器產(chǎn)生的PPS進行相位/頻率測量。由于溫度變化等原因通常會使得參考PPS相位存在一定的抖動，會造成授時精度的惡化，通過對本地振蕩器的頻率和PPS相位輸出進行自適應(yīng)濾波得到頻率和相位的估計值，然后通過反饋控制本地振蕩器產(chǎn)生得到輸出PPS相位。重復(fù)上述過程，最終可由本地晶振產(chǎn)生得到與標(biāo)準(zhǔn)時間同步的精確PPS信號。在無外部PPS參考源輸入時，模塊進入守時狀態(tài)，為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的時間標(biāo)準(zhǔn)。

這里采用天馬電訊科技CM5503時鐘模塊，該模塊秒脈沖輸出守時能力小于3.5 μs，秒脈沖精度約為50 ns，脈沖寬度100 ms，具有頻率鎖定快、準(zhǔn)確度高的特點。

2.3 數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元主要完成秒B碼解碼、時鐘源優(yōu)選，PPS無縫切換，并同步輸出標(biāo)準(zhǔn)時間和秒脈沖，實現(xiàn)高精度授時。該單元核心芯片采用Microsemi公司的SmartFusion2[15-16]系列芯片M2S010，采用最新65 nm工藝制造。該芯片的片上系統(tǒng)包括Flash架構(gòu)的FPGA，以及內(nèi)部集成166 MHz的Cortex-M3的硬核處理器。硬核處理器不占用FPGA的邏輯資源，為用戶提供高安全性、高可靠性及超低功耗的雙核處理器功能[4-5]。

首先，數(shù)據(jù)處理單元接收B碼流并通過FPGA中B碼解碼模塊根據(jù)IRIG-B碼協(xié)議解算出當(dāng)前B碼時間信息(即RBTOD)和B碼秒脈沖信號(即RBPPS)；并將接收到的BDS秒脈沖信號(即BPPS)、GPS秒脈沖信號(即GPPS)和RBPPS送入優(yōu)選模塊，得到可用性最優(yōu)的PPS，并送給馴服單元；

同時，數(shù)據(jù)處理單元通過Cortex-M3微處理器中的授時模塊接收來自外部的BDS時間信息BTOD和GPS時間信息GTOD，并接收來自B碼解碼模塊的B碼時間信息RBTOD，進行解析轉(zhuǎn)換得到標(biāo)準(zhǔn)的UTC時間，根據(jù)高精度授時算法得到有效的UTC時間；

若3種外部時鐘源都丟失，則數(shù)據(jù)處理單元通過Cortex-M3微處理器中的守時模塊進入守時模式，得到可靠的本地UTC時間，并通過Cortex-M3微處理器對輸入本地秒脈沖的響應(yīng)，同步輸出UTC時間，實現(xiàn)高精度的對外授時功能。

2.4 信號輸出單元

信號輸出單元包括狀態(tài)指示模塊和輸出接口電平轉(zhuǎn)換模塊，狀態(tài)指示模塊是根據(jù)輸入的信號指示系統(tǒng)的供電情況及工作狀態(tài)；輸出接口電平轉(zhuǎn)換模塊是通過串口電平轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)UTC時間串口輸出，及單引腳電平輸出，實現(xiàn)本地高穩(wěn)秒脈沖輸出，對外直接實現(xiàn)時間和秒脈沖的校準(zhǔn)。

2.5 電源轉(zhuǎn)換單元

電源轉(zhuǎn)換單元為整個時間同步裝置的各個功能模塊供電。可以接受的外部電源類型有220 V交流、110 V交流、110 V直流以及48 V直流，然后轉(zhuǎn)換成+12、+5、+3 V等直流電源。馴服單元對供電電源的紋波特別敏感，為此采用低噪聲的線性電源供電。此外，電源轉(zhuǎn)換單元還具備熱切換和雙備份，極大地提高該裝置全天候授時的可靠性。

3 多模高精度授時算法

本方案軟件結(jié)構(gòu)主要是基于SmartFusion2芯片的FPGA及Cortex-M3微處理器進行設(shè)計，其中FPGA部分主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)復(fù)位電路構(gòu)建、MSS的構(gòu)建、PPS優(yōu)選模塊構(gòu)建和B碼解碼模塊構(gòu)建，MSS主要負(fù)責(zé)來自BDS接收模塊和GPS接收模塊的NEMA0183信息接收和解析、來自B碼解碼模塊的B碼時間信息的接收和解析、高精度授時算法實現(xiàn)、授時輸出和狀態(tài)指示等。本系統(tǒng)的BDS、GPS和B碼3種授時模式互為備份，其授時模式選擇如圖3所述。

本系統(tǒng)分別接收BDS信息、GPS信息和B碼信息，得到BDS時間和BDS秒脈沖、GPS時間和GPS秒脈沖及B碼時間和B碼秒脈沖，并判定各模式得到的時間和秒脈沖的有效性，以BDS為最高優(yōu)先級，若BDS時間和BDS秒脈沖有效，則系統(tǒng)進入BDS模式，以BDS時間為系統(tǒng)時間，BDS秒脈沖作為馴服單元的參考輸入，此時系統(tǒng)在響應(yīng)本地秒脈沖的同時同步輸出系統(tǒng)時間，實現(xiàn)BDS模式的高精度授時；若BDS時間和BDS秒脈沖無效，則判定GPS時間和GPS秒脈沖有效，則系統(tǒng)進入GPS模式，以GPS時間為系統(tǒng)時間，GPS秒脈沖作為馴服單元的參考輸入，此時系統(tǒng)在響應(yīng)本地秒脈沖的同時同步輸出系統(tǒng)時間，實現(xiàn)GPS模式的高精度授時；若GPS時間和GPS秒脈沖無效，則判定B碼時間和B碼秒脈沖有效，則系統(tǒng)進入B碼模式，以B碼時間為系統(tǒng)時間，B碼秒脈沖作為馴服單元的參考輸入，此時系統(tǒng)在響應(yīng)本地秒脈沖的同時同步輸出系統(tǒng)時間，實現(xiàn)B碼模式的高精度授時；若B碼時間和B碼秒脈沖也無效，則系統(tǒng)進入守時模式，在系統(tǒng)響應(yīng)本地秒脈沖的同時，系統(tǒng)時間自動加1 s，并同步輸出系統(tǒng)時間，從而得到不受外部干擾的精確的授時時間，實現(xiàn)高精度授時功能。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

基于SmartFusion2芯片的設(shè)計方案中，F(xiàn)PGA部分以Libero SoC v11.0作為軟件開發(fā)平臺，采用Verilog HDL硬件描述語言實現(xiàn)設(shè)計。Cortex-M3微處理器系統(tǒng)MSS部分則采用Microsemi SoftConsole IDE v3.4作為編程軟件開發(fā)平臺，IRIG-B碼信號由上海某公司的時間同步裝置提供。根據(jù)本設(shè)計方案，接上BDS天線、GPS天線和IRIG-B碼信號，系統(tǒng)上電。采用高精度頻率計數(shù)器對系統(tǒng)進行測量，測得結(jié)果表明本系統(tǒng)的實際精度約為100 ns。

不論外部時鐘源是否丟失，本系統(tǒng)輸出的授時時間和標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖邊沿對齊，且誤差小于600 μs，滿足誤差5 ms的指標(biāo)。

性能比較如表1所示，所輸出的時間誤差和秒脈沖精度滿足時間同步裝置相應(yīng)的指標(biāo)要求。

表1 性能比較

5 結(jié)束語

本文分析了基于BDS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的電力時間同步裝置的使用現(xiàn)狀以及存在問題，闡述了基于BDS多模授時技術(shù)的時間同步裝置的基本原理，提出在GPS衛(wèi)星授時的基礎(chǔ)上增加BDS和IRIG-B時碼的多模授時技術(shù)，通過在某省電力時間同步裝置上進行技術(shù)驗證，該時間同步裝置完全滿足電力高精度時間同步的指標(biāo)需求，消除了傳統(tǒng)單GPS時間同步裝置對電力系統(tǒng)可能存在的安全隱患，明顯提升了設(shè)備的自主性、可靠性和安全性。隨著授時技術(shù)的日益發(fā)展和時間同步裝置的廣泛應(yīng)用，多模高精度授時技術(shù)具有實際的應(yīng)用意義。