基于多源授时原理的高精度同步时钟研究

赵威 陆海 李泽文 赵雄 孙洁

摘  要： 随着我国智能电网建设进程的不断推进，需要保证各种电力设备以及自动化系统都在同一基准时间下运行，因此保证授时系统的可靠、稳定、精确授时是当前的主要目标。针对当前所存在的问题，本文提出一种基于多源授时的高精度同步时钟授时方案，在正常状态下通过北斗时钟与GPS时钟提供授时信号，并针对两者的授时信号的可靠性进行主授时源的选择，通过卫星秒时钟同步晶振秒时钟，并通过数字锁相环模块进行信号误差处理，最终实现高精度同步时钟输出。

关键词： 授时系统;同步时钟;多源授时;数字锁相环

中图分类号： TP211+.5    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.022

本文著录格式：赵威，陆海，李泽文，等. 基于多源授时原理的高精度同步时钟研究[J]. 软件，2019，40（10）：97102

Research on High Precision Synchronous Clock Based on Multi-source Timing Principle

ZHAO Wei1， LU Hai2， LI Ze-wen2， ZHAO Xiong3， SUN Jie4

（1. Yunnan Electric Power Research Institute， Kunming 650217， China; 2. School of Electrical and information Engineering， Changsha

University of Science and Technology， ChangSha 410004， China; 3. Vidali Industrial （Chibi） Co.， Ltd; 4. Chongyang County Education Burea）

【Abstract】： With the continuous advancement of China's smart grid construction process， it is necessary to ensure that all kinds of power equipment and automation systems operate at the same reference time. Therefore， it is the current main goal to ensure reliable， stable and accurate timing of the timing system. Aiming at the current problems， this paper proposes a high-precision synchronous clock timing scheme based on multi-source timing， which provides timing signals through the Beidou clock and GPS clock under normal conditions， and performs the main timing for the reliability of the timing signals of the two. The source is selected， the crystal clock is synchronized by the satellite second clock， and the signal error processing is performed by the digital phase-locked loop module to finally realize the high-precision synchronous clock output.

【Key words】： Timing system; Synchronous clock; Multi-source timing; Digital phase-locked loop

0  引言

當前我国电力企业正在积极建设能源互联网，其中包括泛在电力物联网建设和坚强智能电网建设。泛在电力物联网的建设使得电力用户侧、电网企业侧、发电企业侧、供应商侧以及作业人员和设备侧能够有效的连接在一起，保证数据实时有效的共享，通过数据的共享能够更好的为用户提供更好的服务[1]。坚强智能电网建设需要保证“电力流、信息流、业务流”统一，其中就需要保证时间同步精度满足要求。

当前我国的时间同步装置大多数是支持GPS接收模块，但是GPS的系统掌控权被美国军方控制，当GPS卫星导航系统出现问题无法正常工作或者在时局紧张时期美方调整甚至切断GPS信号，将会对我国生产生活带来巨大的影响[2-7]。因此，随着我国北斗导航系统的正式投入商用，北斗授时技术将在我国各个领域投入使用，诸如智慧城市、交通运输、气象探测、授时服务等领域，在电力领域主要应用为北斗电力授时。

因此针对以上安全以及稳定性问题，本文提出一种基于GPS、北斗时钟源授时互备的的稳定授时思路，在GPS授时精度达不到要求或者出现稳定性问题时自动切换北斗卫星为授时源，并且当两者在极端情况下出现问题时通过调用历史数据进行授时并通过数字锁相环对授时过程中产生的累积误差进行优化消除保证授时的精度以及稳定性。

1  多源授时系统原理

1.1  授时系统存在的主要问题

时间同步系统在工作过程中，存在一些关键性问题需要进行针对性分析探讨，主要存在的问题如下：

（1）可靠性问题：包括对于整个时间体系—时间源、传递、授时等被允许依赖的程度级别以及同步讯息、过程的可靠性;

（2）安全性问题：在自然灾害或者时局导致的授时隐患;

（3）授时精度问题：授时源精度以及授时信号在传递过程中产生的误差对整体授时精度的影响;

（4）经济性问题：授时系统在建设以及维护产生的费用和设备更新费用等其他费用是主要的经济性问题;

针对我国电网发展规模庞大、跨度大的特点，想要实现电网安全稳定运行以及进行安全的电力生产活动，需要保证稳定可靠精确授时[8-10]，由此进行授时系统方案选择时，主要需要具备以下特点：

a. 授时源应具备较高的稳定性，并且应该由多时钟源组成，多授时源形成互备，保障在单授时源故障时仍能可靠精确授时;

b. 其次应保证授时源的自主性，避免出现特殊局势情况下技术受限从而影响电力系统安全运行以及产生电力安全生产隐患;

c. 满足电力系统对授时精度的需求，尽可能的减小误差的影响;

d. 在建设授时系统时尽可能的对现有设备进行升级利用，避免资源浪费影响经济性;

1.2  多源授时原理

当前电力系统授时源主要有：GPS时钟、北斗时钟以及晶振时钟，考虑到单一时钟源授时，会出现授时精度不足、授时稳定性差、安全性不足等问题。因此要解决上述问题实现安全可靠稳定授时服务，需要将各时钟源的优点结合补齐授时短板，最终实现精度更高、完全性更强、稳定性更好的对时服务。

本文所采取的授时系统是基于北斗/GPS卫星授时模块进行搭建搭建的，构建智能电网时间同步网为电力系统提供安全可靠的时间基准。其次利用IEEE 1588 v2同步技术和运用当前成熟的电力通信网络实现以卫星授时为主、以本地主时钟守时搭配通信网络为辅的“天地”互备授时系统[11-13]。

具体的多源授时原理图如图1所示。

多源授时系统在具体工作流程为：

当卫星接收装置正常运作时，电力系统各时间节点会优先选择卫星时钟进行授时，完成系统内各电力电子设备和电子装置的精准授时，并通过中间通信网络的同步信号完成各时间节点的同步信息校验[14]。

当卫星接收装置处于非正常运行时，基于数字锁相环的同步时钟会调整为失步模式，并调用系   统记录的历史时间信息进行授时。如果卫星接收机在短时间后恢复正常工作，则继续采用卫星时钟授时[15-17];如果衛星接收机长时间处于非正常工作状态，则根据最佳主时钟算法在调度中心或者其他电站选择授时精度较高的时钟作为授时时钟源，并通过电力通信网进行全局的时间同步，避免授时系统出现混乱。

具体的多源授时系统工作流程图如图2。

1.3  时钟源切换策略

同步时钟授时源从空间位置上可以分为天基部分以及地基部分，其中天基部分主要由北斗卫星和GPS卫星授时系统构成，地基部分由地面时钟源、网络时钟以及通信网络组成[18]。

同步时钟授时过程中需要根据时钟源实际的授时精度来进行调整切换，因此整体的切换策略分为天基授时源切换策略以及天基授时无效时的时源切换切换策略。当前运用的同步时钟切换优先级如表1所示。

由上表可知，当天基授时源正常工作时，会优先使用北斗卫星时钟作为时钟源进行授时，并同时使用GPS卫星时钟作为后备时钟源，后备时钟源切换仅仅是在检测到同步时间信号异常或者主时钟源授时异常时进行切换，由此保证授时的稳定可靠性，其次当主授时源通过自检完成授时恢复时，会重新切换至主授源授时。

当天基授时系统工作异常时，会通过将同步时钟置于失步运行模式，同时调用历史授时数据来进行准确授时，当天基授时源恢复时重新启用卫星授时。

2  基于多源授时原理的高精度同步时钟

2.1  时钟误差特性分析

同步时钟在进行授时操作时会受到各种因素影响从而使得授时精度产生偏差，晶振时钟由于自身特点在长时间工作时会产生累积误差，因此我们需要对时钟误差进行可靠的分析并提出相应的消除修正方法，从而有效的提高授时的可靠性。

2.1.1  卫星时钟误差分析

卫星接收机接收卫星信号，并输出与UCT时钟同步的秒脉冲信号。从个体分析，其误差具备不固定性，具体表现为左右摆动。从整体分析，误差服从标准差为的正态分布，当样本个数为时，可得：

（1）

对于n个秒时钟序列，对应的随机偏差为，而标准的秒时钟为，因此

（2）

其中

随机误差平均值为：

（3）

根据分析可知，卫星时钟虽然具有随机误差，但是在长时间下，卫星时钟的累积误差接近于零，这从某些方面说明卫星时钟具备着长时间授时稳定性好但短时稳定性较差的授时特性。

其中为标准时钟，为晶振时钟，为卫星时钟。

2.1.2  晶振秒时钟误差

晶振能够产生不同电路需求的振荡频率，因此，为了研究晶振的误差特性，令一个周期T内的脉冲频率为，可得公式：

（4）

其中，为晶振秒时钟，为晶振的振荡次数。

一般实际运用中使用的晶振是高稳恒温晶振，这种类型的晶振能够实现较高的稳定频率输出，因此晶振时钟具备随机误差小的特点。

设不同时刻的晶振秒时钟序列依次为 ，其中，与UCT的误差初值为a，此后每秒内增加的时间误差为b。标准秒时钟为，因此，可得到一秒内的相对时间偏差分别：

（5）

由公式可知，在计时开始时刻，值相对偏小，而随着时间的增加，值不断增大，在较长的时间后，晶振已具有明显的累计误差[19]。

2.1.3  其他误差分析

同步时钟误差除了卫星时钟误差以及晶振秒时钟误差之外，在整个时间信号传递过程中同样存在其他误差，这些误差也是影响其授时精度的影响因素之一。

（1）传输过程误差

脉冲信号在进行较长距离的传输时，会不可避免的通过电缆以及数字电路，这会产生一定的相对固定的延时。

（2）运行误差

同步时钟在进行现场运行时，在一定程度上会受电磁干扰，这些干扰会使得卫星信号接收机接  收到的信号中含有干扰信号，从而干扰到时钟同步精度。

（3）卫星时钟失效误差

当前时钟应急处理机制中，当卫星时钟信号接收机无法正常的进行接收操作时，伪脉冲信号发送装置会向接收机发送误差相对较大的时间信号，这会较大程度上降低同步精度，由此需要进行伪脉冲信号判别以及相应的伪脉冲信号误差修正。

2.2  高精度同步时钟实现原理

卫星时钟秒脉冲存在随机误差，该脉冲的上升沿一般是在标准时钟UTC上升沿左右进行波动，因此可以以此时钟源信号作为主时钟源并同步晶振秒脉冲信号。

针对两种时钟特性互补的特点，本文拟采取高精度数字锁相环原理来利用卫星时钟作为输入时钟信号源来同步晶振时钟，基于数字锁相环原理的同步时钟授时原理框图如图4所示。

其中主要功能实现模块主要由脉冲状态检测模块、相位比较模块、滤波模块、晶振模块、晶振校正模块、分频控制模块、分频模块、守时模块、显示模塊、中央处理单元、卫星时钟接收机组成。

在整个功能模块中，脉冲状态监测模块对整体的时钟模块起到监测接入信号是否正常的作用。

当1PPS信号检测正常时，会通过相位比较模块进行相位比较并产生能够有效表征输入、输出信号相位滞后或超前的信息，并传递到滤波模块来进行滤波处理以输出相位差输出信号。

当1PPS信号检测不正常时，会通过守时模块调用历史分频参数并结合晶振产生新的分频控制系数，来保证PPS信号的准确可靠输出。滤波模块产生的相位差输出信号会被作为分频控制模块的输入信号，通过控制相位校正精度达到对干扰噪声和高频分量的有效抑制作用，最终输出分频器的控制参数并将该参数传递到分频模块和守时模块中[20]。晶振校正模块和晶振模块会作为分频控制模块的辅助决策模块，保证分频器的控制参数的有效性。

最终会通过分频模块输出进行修正过的高精度秒脉冲信号即PPS脉冲，由于晶振的工作特性存在累积误差，为避免由于晶振累积误差导致较大的授时误差，因此需要在以UCT时钟为基准的前提下，对1PPS、PPS脉冲信号进行相位关系检测，相位比较图如图5所示。

其中为为校正脉冲，只出现在1PPS的初始时刻。当出现在PPS的高电平部分（如2、5、6、7秒），则表明PPS的相位超前1PPS相位，一般处理方法是通过分频控制模块调整分频系数加1，使得输出的PPS周期加长频率降低，从而实现PPS的滞后。同样当出现在PPS的低电平部分（如3、4秒），则表明PPS的相位滞后1PPS相位，一般处理方法是通过分频控制模块调整分频系数减1，使得输出的PPS周期变短频率升高，从而实现PPS的超前。当PPS连续n次超前（或滞后）1PPS时，分频系数则会保持加1（或减1），直至n个晶振周期。

经过上述的相位校正后，通过分频模块则可以输出较高精度的PPS脉冲信号。

2.3  误差修正

由上文可以得出，通过晶振秒脉冲时钟与卫星时钟特性互补，可以由晶振输出精度较高的PPS信号，并且在足够大时，可以通过调整合适的分频系数有效的消除晶振的累积误差[21]。由于卫星1PPS信号在作为信号输入源时其自身存在随机误差，因此在晶振同步输出的PPS信号同样存在一定程度的随机误差。

分频控制模块在接收到滤波模块经过滤波处理过的1PPS脉冲信号后，根据相位比较模块产生的相位比较结果产生增减脉冲，即当PPS超前于1PPS时产生增脉冲，当PPS滞后于1PPS时产生减脉冲，最后根据增减脉冲调节分频系数。

为了有效的修正PPS脉冲信号的随机误差，防止其跟随输入1PPS随机误差波动，本文在进行分频系数调节时是禁止连续在同一方向调节分频系数，具体的调节方法如下：

（1）当产生的是增脉冲时，（为标准晶振分频系数）时，，并对后续的秒脉冲采取滞后操作;时，，对后续的秒脉冲不采取其他操作。

（2）当产生的是减脉冲时，时， ，对后续的秒脉冲不采取其他操作;时，，并对后续的秒脉冲采取滞后操作。

通过上述操作能够有效的避免PPS连续的左右移动产生较大的随机误差，并且能够可靠的保证PPS的随机误差在一个晶振周期内。

3  仿真验证

对于本文所采取的方法，拟采取CPLD模块以及MAX PLUSⅡ实时仿真软件进行仿真实验，其中信号源采取100HZ的信号源，仿真总时长为50ms，具体仿真结果如图7所示。

由上述仿真波形可以可看出，图（1）、（2）卫星时钟处于正常工作状态，其中输入1PPS脉冲信号波形大约滞后输出PPS脉冲波形6.5ns。图（3）、（4）卫星时钟处于非正常工作状态，由守时模块调用历史数据进行授时，其中输入1PPS脉冲信号波形大约滞后输出PPS脉冲波形7.3ns。由上述两仿真结果可以清晰的看出，本文所采取的同步时钟方案在两种情况下，都能够较好的保证授时延时不超  过一个计数周期，误差结果能够满足实际工程授时要求。

4  结语

本文针对当前授时系统所存在的可靠性、安全性、精确性问题，提出了一种基于多源授时原理的高精度同步时钟实现方案，利用北斗卫星时钟的完全自主权保证在极端情况下仍能保证授时的可靠

（1）卫星秒脉冲上升沿到来时的仿真波形 （2）卫星秒脉冲下降沿到来时的仿真波形

（3）卫星时钟失步后PPS上升沿的仿真波形 （4）卫星时钟失步后PPS下降沿的仿真波形性、安全性，并且通过北斗卫星与GPS卫星授时源互备在一定程度上大大的提高了授时的精度以及可靠性[22-26]。其次，本文所采用的同步时钟方案是基于全数字锁相环原理，能够很好的利用卫星时钟以及晶振秒脉冲时钟的误差特性并形成互补，并且能够在卫星时钟全部失效的情况下实现高精度守时，从而有效的提升了授时的精确性、稳定性及可靠性。

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