基于時頻遷移辨識的電力時間同步設備偽授時防控

文 博，陳祉薇

（1.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.國網湖北送變電工程有限公司，湖北 武漢 430060）

0 引言

電力時間同步設備，集成了衛星導航授時和導航定位應用，可以提供“統一時間、統一空間”服務，是智能電網安全精益運營重要基礎［1-15］。

目前，異常衛星發出的虛假衛星授時信號（以下簡稱“偽授時”）能夠引起時間同步設備輸出授時信號的時間值跳變和時頻特性改變，可能導致調控主站偏離調度計劃，甚至發出錯誤調控指令，從而危害電網穩定、機組安全運行［16-25］。

本文綜合時間同步設備結構原理、偽授時信號特征分析，研究了時間同步設備的偽授時防控技術［26-30］。實現了多源判決、故障隔離的時間同步設備偽授時防控功能，并現場驗證了偽授時防控技術可行性。

1 時間同步系統及時頻辨識原理

1.1 時間同步系統簡介

電力時間同步設備，可依據衛星信號或主站授時信號為站域時鐘源，主要以以太網、IRIG-B 授時信號統一主、子站范圍內的二次設備時鐘，時間同步系統如圖1所示。

圖1 電力時間同步系統Fig.1 Power time synchronization system

時間同步設備內部，可大致劃分為授時輸入、信號處理和授時輸出等3個部分，如圖2所示。

圖2 時間同步設備內部電路結構Fig.2 Internal circuit structure of time synchronization equipment

授時信號輸入電路，一般為分別接入北斗、GPS、IRIG-B授時信號類型的集成或分離方式的電路，通常分別將輸入授時信號轉換為TTL 和串口信號，輸出至時鐘信號處理電路；時鐘信號處理電路，一般按北斗、GPS、IRIG-B優先級順序選擇工作時鐘源，同步內部時鐘、處理生成授時報文和控制電路接口信號，連接至授時信號輸出電路；授時信號輸出電路，依據授時報文和電路接口信號轉換成各種授時信號輸出。

1.2 時頻辨識原理簡介

時間同步設備，通常采用IRIG-B信號作為精密授時信號，向二次設備（測量、控制、保護等）授時。其中，IRIG-B信號與標準信號的時頻特性應一致，一般用起始沿精度誤差衡量，大都要求誤差小于1 μs，并且IRIG-B信號攜帶的時間信息值也應與標準信號一致。

授時信號輸入電路，一般可直接采用相應授時模塊的實現方式，大多可處理為輸出至處理電路的兩種內部信號：

1）頻率脈沖信號（1PPS），TTL 標準電平形式、1次/s且與標準1PPS信號時頻特性相符；

2）串行信號（簡稱，NMEA 信號），通常電平遵循RS232標準、導航電文信息幀采用NMEA標準，攜帶的時間信息值通常表述最近超前本NMEA 信號的1PPS起始沿時刻。

偽授時導致模塊異常輸出，影響設備授時信號正常輸出，一般可劃分為3種類型：

1）無1PPS 或/和NMEA 信號失效（如，波特率改變、數據幀不完整），目前大多數設備的處理電路一般都能辨識并及時切換至其它時鐘源輸入電路，并保障設備輸出平穩、正確并發出告警；

2）1PPC信號時頻特征相對1PPS時間異步（如，相位、頻率改變），可導致授時輸出逐步偏離標準要求；

3）NMEA 信號攜帶的時間值異常，可引起授時輸出攜帶的時間值跳變或停滯。

如圖3 所示，可基于標準時間同步信號（NTC、IRIG-B）時頻特性以及時鐘走時連續性，通過監測1PPS 的時頻特征（f、α）結合NMEA 信號響應遲延離散度（β）及其攜帶的導航定位信息，可以辨識出偽授時。通過在時間同步設備輸入端口施加偽信號，考核Δ 與標準要求的一致性，可檢測時間同步設備偽授時防控能力。

圖3 偽授時的時頻特性辨識原理Fig.3 Identification principle of time-frequency characteristic of pseudo timing

基于信號時頻特征分析的偽授時欺騙辨識，既可以防控偽授時欺騙、干擾，也防御了外部故障授時（IRIG-B時鐘源）影響。

2 基于多源比對的設備偽授時防控

在時間同步設備內部，輸入電路和處理電路之間，增加偽授時防控時頻分析回路（多源診斷模塊），如圖4所示，通過時間特征和頻率特性檢測，供處理電路實現多源選擇和作出時間源異常判決。

圖4 偽授時防控結構原理Fig.4 Structure principle of pseudo timing prevention

2.1 時間特征防偽檢測

時間同步設備時間檢測如圖5 所示，時間同步設備對各路輸入源信號進行解碼，對解析后的時間碼信息與本地時間進行比較，攜帶異常時間信息的時間源將被標識和屏蔽。

圖5 多源偽時間信息診斷原理圖1Fig.5 Schematic diagram I of multi-source pseudo time information diagnosis

當異常時間源恢復正常后，診斷模塊仍將進行一段時間的跟蹤識別，直到確認該異常時間源穩定、可靠才允許參與多源選擇邏輯運算。

時間信息檢查診斷模塊完成常規時間源時間信息的解碼校驗，以及時間源有效性檢查工作。若時間信息檢查無異常則通知可信時間源授權認證可信，認證后的可信時間輸入源參與多源選擇邏輯運算。

2.2 時頻特征防偽檢測

時間同步設備時頻檢測如圖6 所示，對各路輸入源信號的脈沖時刻信息進行動態捕捉，對其脈沖間隔進行統計分析，同時結合設備本地對下一次脈沖來臨的預測時刻，診斷出該輸入源的有效性，診斷模塊檢測到與本地時刻不一致的脈沖信號將被視為無效信號。

圖6 多源偽時間信息診斷原理圖2Fig.6 Schematic diagram II of multi-source pseudo time information diagnosis

時刻基準脈沖檢查診斷模塊完成了常規時間源時刻基準脈沖的采樣和時間源時刻基準脈沖有效性檢查工作，檢查無異常則通知可信時間源授權認證可信，認證后的可信時間輸入源參與多源選擇邏輯運算。

2.3 時頻特征異常隔離

設備本地經過與標準時間同步過的脈沖基準模塊獨立運行，診斷模塊實時校驗外部時間源時刻脈沖準確度，其有效性判斷結果最終傳遞至主控單元處理。

設備輸入源有效性判決，主要取決于時間信息檢查診斷有效性標識、時刻基準脈沖檢查診斷有效性標識兩個部分的辨識。

外部時間源最終有效性判決結果，如表1所示，由以上兩個模塊的有效性標識與運算得出。

表1 偽授時、故障授時輸入源有效性判決真值表Table 1 Operating status of SCSM input source validity judgment truth table

任何一個時間源有效性標識失效均可導致該路時間源無效，并且將不會參與到后續多源判決邏輯運算當中。

3 偽授時防控能力現場驗證

在湖北宜昌110 kV 沙灣變電站工程中應用了基于時頻遷移辨識原理的偽授時防控能力時鐘設備。現場二次系統采用了新型智能時間同步裝置AT-6800E和站配時間同步裝置HC695作為站內對時系統，現場配置如圖7所示。

圖7 時間同步裝置現場配置圖Fig.7 Onsite configuration diagram of time synchronization device

現場通過時頻遷移器，分別對裝置進行跳秒和跳年時間信息異常測試，檢驗裝置防御時間信息遷移的能力，在試驗開始后每遷移5 ms（即時頻變化0.005 Hz，約間隔8?20?），記錄當前時間值、“記錄試驗數據”，在開始至遷移50 ms 時（即，時頻變化0.05 Hz、約試驗起始后83?20?），記錄當前時間值。

發生遷移時，AT-6800E 智能時間同步系統時間信息正常，裝置自守時，HC695 主時鐘時間信息異常，裝置無動作，驗證了基于時頻遷移辨識原理的偽授時防控能力時鐘設備在現場預防時頻遷移攻擊上的優勢，保障變電站內設備在攻擊發生期間安全運行。

具體數據記錄比對分析，如表2所示。

表2 試驗期間時鐘檢查情況表Table 2 Time check table during test

4 結語

本文研究了電力系統時間同步設備的偽授時防控技術，實現了多源精準判決、故障邏輯隔離，并現場驗證了偽授時防控技術可行性，解決了電力時間同步設備在偽授時防控方面存在的安全性問題，有效支撐了智能電網安全精益運行。