基于北斗的多源同步时钟的安全性设计与实现

章立宗，张道农，刘永新

（1.国网浙江省电力公司 绍兴供电公司，浙江 绍兴 312000；2.华北电力设计院工程有限公司，北京 100120）

0 引言

随着电网系统的大区域互联，电力系统覆盖范围越来越广，广域动态测量系统的逐步建立［1］，对系统级的时间同步的性能和安全需求也越来越高。在各种广域时间同步技术中，美国的全球卫星导航定位系统（GPS）是目前应用最广、技术最成熟的卫星导航系统，也是卫星授时应用的首选［2］。但由于GPS受控于美国军方，对电力系统这样关系到国计民生的分布式网络采用GPS作为唯一授时基准是存在安全隐患的［3］。

随着北斗卫星导航系统的建设与完善，北斗系统在电力系统授时方面的应用已全面开展。北斗一代系统虽然可实现双向授时，授时精度可达20ns，但用户容量受到极大限制，不利于授时系统的大范围推广［4］。北斗二代系统在实现大容量的单向授时下，授时精度可达100ns，可满足电力领域中大多数的应用需求［5］。同时，北斗卫星系统采用高强度加密设计，安全、可靠且稳定，适合涉及国民经济命脉的关键部门应用。北斗卫星系统覆盖中国及周边国家和地区，24h全天候服务，无信号盲区；同时具备授时、定位与通信功能，无需其他通信系统支持，特别适合集团用户大范围接收信号进行高精度授时应用［6］。为了保障我国电网的安全运行，将北斗卫星系统应用到电力系统中，对于我国国防和国民经济发展，都具有深远的战略意义［7］。

1 同步时钟的安全性分析

根据电力行业同步时钟的应用需求以及应用场合，并结合国调中心在近几年关于加强电力时间同步系统运行管理相关文件的要求，在提高电力时间同步系统的安全性指标上可从时钟架构、切换策略、异常处理、电磁防护等四方面进行研究。

1.1 时钟架构

在文献［2］中，给出了各种时间同步系统的各种组成结构，根据其分析结果可知，选用主备式时间同步系统的组成结构是安全性能最高的一种，如图1所示。

图1 主备式时间同步系统组成结构

1.2 切换策略

同步时钟的切换策略包括天基授时时源的切换策略和天基授时时源无效时的时源切换策略两部分。结合文献［8］以及试验分析，同步时钟选用的切换策略如表1所示。在天基授时源正常时，北斗卫星系统优先级高于GPS。在天基授时时源无效时（高位为L），高精度晶振时钟（OCXO）优先级高于外部输入IRIG-B码方式。

表1 时间同步源优先级

1.3 异常处理

同步时钟的异常情况主要是天基授时时源精度的突变，例如GPS是美国军方在管理，在某些情况下GPS可能会发生时间精度大幅度突变的情况。考虑到OCXO短期精度高、误差会累积，但天基授时源无累积误差的特性，异常处理时可在高精度的OCXO中增加一个全局的时间锁，作为天基授时源突变异常情况下的时钟源，防止时钟突变。在天基授时时源正常的情况下，使用天基授时源的秒脉冲信息（PPS）对OCXO的每秒的间隔频率计数的分布进行统计，得出OCXO的典型值，作为天基授时时源异常情况下的输出基准。

1.4 电磁防护

同步时钟的输出可以分为两类：一类为协议型的通信，如RS-232／RS-485型的符合部颁标准的时间协议、NTP／SNTP的符合网络标准的时间协议；一类为具有精度的信号输出，如PPS／M／H的 TTL／RS-485、IRIG-B的 DC／AC 信号输出。针对这两类的输出可采用不同方式的保护，对于第一类协议型通信的电路采用典型的电力行业的工业保护，可在ESD／EFT／SURGE等方面达到四级。

2 同步时钟的安全性设计

2.1 同步时钟的的架构设计

电力系统同步时钟在架构和配置方式上应充分考虑行业业务需求的差异性，按照插板式、模块化结构设计。同步时钟的整体架构可采用图1所示的主备式时间同步系统组成结构，可靠性和冗余度最高，但系统的复杂度和实施成本均较高。在实际工程应用中，可依据工程现场应用情况采用结构相对简单，实施成本较低的基本式时间同步系统或主从式时间同步系统［2］。

2.2 同步时钟的切换策略

采用图1所示的结构组成同步时钟的系统时，两个主时钟和两个从时钟之间的通信和切换采用逻辑锁和不对等通信的方式来保证安全性和效率。不对等通信中，主时钟会按照每秒一次的频率发布同步状态（同表1），从时钟据此从两个主时钟选择合适的主时钟源，使用硬件（CPLD）根据从高到低的逻辑层次进行切换。两个主时钟之间的通信采用对等方式、安全优先的原则，根据通信的结果更新主时钟内部的状态值，生成相应的管理报文，以供更高级的管理使用。

在时间同步系统中，尤其是在主备式时间同步系统中，每个主时钟可配置相应的优先级。当从时钟接收两个主时钟来自于相同同步源类型的有效同步信号时，高同步源优先级的主时钟输出享有高优先级。

2.3 同步时钟的异常处理

当天基授时时源正常时，可采用其PPS对OCXO进行频率统计。统计过程应考虑到北斗卫星系统或GPS的对时精度在短时窗口上要低于OCXO的精度，统计窗口的最小有效期为天（24h），即至少统计一天的OCXO的频率才能进行典型值的计算，并生成时间锁的判据。

如下两个条件必须全部具备，才会生成典型值：①统计时间大于24h；②天基授时时源连续有效。

针对天基授时时源本身短时精度不足的情况（例如同步星数非常少），根据精度符合高斯分布的原理构造合适的均值滤波窗，以OCXO为指标在短时窗口上对PPS进行反校。针对同步时钟的本身异常的管理，可采用DL／T634.5104或DL／T860的规约方式输出状态信息。

2.4 同步时钟的电磁防护

电磁防护中一个关键性项目就是电源设计。同步时钟的电源应采用冗余热备用设计，每个时钟配置两块电源模块。电源模块可支持交直流输入，电源模块每路输出都应有状态指示和接点告警输出，同时具有电源状态监视报文输出，可供系统外的设备监控，整体设备应达到电磁兼容四级要求。

电路防护设计中时钟输出应采用电磁防护设计，采用光信号的输出方式，电路防护设计框图如图2所示。

图2 电路防护设计框图

3 同步时钟的安全性实现

3.1 天基授时的通信模块安全性

在常规的同步时钟中，一般采用MCU／CPU等器件结合代码的方式对时钟源进行判决和选择。为提高天基授时模块通信的可靠性、安全性和效率，可采用CPLD进行判决和选择，采用并生成与CPU的统一接口。授时模块接口如图3所示。

图3 授时模块接口

3.2 天基时源与本地时源的切换精度

依据表1优先级系统进行时间同步源的选择，GPS、北斗卫星系统等天基授时时源为外部输入，精度很大程度上依赖与外部卫星的搜索数量以及对应的地理、天气等客观性因素，但不存在累计误差。当时间同步源选择为OCXO时，在一定程度上时间同步系统的守时精度就依赖于OCXO的精度，晶振时钟信号的随机误差较小，但存在较大的累计误差。

在实际工程应用中，高精度的OCXO配置成本相对较高，而精度提高一个量级，成本就要提高好几个量级。为解决其性价比问题，可综合秒脉冲的随机误差和晶振时钟信号的累计误差，采用非守时状态下的高精度秒脉冲对OCXO的精度做偏差补偿的算法，进而提高在守时状态下的时间精度。

时源切换结构示意图如图4所示。在非守时情况下，从北斗卫星系统（或GPS）模块接受信息，当跟踪星数较多、对时精度较高时，秒脉冲的上升沿开启对OCXO脉冲的计数，在相对一段时间内连续记录每秒OCXO脉冲数，并进行插值做线性化平均，计算出来OCXO标称频率和实测频率的德尔塔校准值以达到进入守时功能后的精度补偿。

图4 时源切换结构示意图

3.3 IRIG-B码的实现

时间同步系统涉及IRIG-B直流码的解码和编码。直流码的解码原理如图5所示，主要是定义IRIG-B码的脉冲序列，根据3种脉冲生成器生成的脉冲与输入IRIG-B波形逻辑与操作后输出相应位信息，也就实现了IRIG-B直流码的解码。

图5 IRIG-B直流码的解码

IRIG-B直流码的编码原理如图6所示，主要依据移位控制器的输出选择3种既定脉冲的输出，最终形成符合标准的一个脉冲序列。

图6 IRIG-B直流码的编码

IRIG-B交流码处理如图7所示。交流码为调幅波编码形式，典型调制比为3∶1。每个码的宽度是10ms，一帧信息包括100个码元，码元共有标志位、二进制1、二进制0三类。

4 结语

本文提出了一种基于北斗卫星系统的多源同步时钟的安全性设计方式与实现方法，时钟同步系统精度经测试和验证符合电力设备时间同步技术要求，可以满足电力自动化设备的时间同步需求。通过对时钟同步系统多源机制、双机冗余、硬件切换策略、多输出接口全防护、双热备电源、异常管理信息输出等关键安全技术进行原理分析和实验论证，提出以北斗卫星系统对时为主、主时钟双机冗余的整体架构和性能提升方案，对电力系统同步时钟的应用具有一定的使用价值和推广价值。

［1］ 吴为，汤涌，孙华东，等.基于广域量测信息的电力系统暂态稳定研究综述［J］.电网技术，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］ 于跃海，张道农，胡永辉，等.电力系统时间同步方案［J］.电力系统自动化，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，厉吉文，文峰，等.GPS及其在电力系统中的应用［J］.电力系统自动化，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，杨以涵.北斗导航系统及其在电力系统中的应用［J］.华东电力，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］ 蒋陆萍，曾祥君，李泽文，等.基于GPS实现电力系统高精度同步时钟［J］.电网技术.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，刘宝忠.北斗卫星定位系统的技术特征分析与应用［J］.全球定位系统，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］ 吴崇善.正确认识和应用“北斗一号”导航定位系统（一）［J］.当代通信，2004（7）：40-42.

［8］ 宣宗强，孙小莉，刘晨，等.卫星同步时钟的设计［J］.西安电子科技大学学报（自然科学版），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.