BSS-3卫星同步时钟装置电磁兼容优化设计

2021-11-15张子皿袁平路

水电站机电技术 2021年10期

张子皿，袁平路

（中国水利水电科学研究院，北京 100038）

准确的时间基准是电力系统安全稳定运行的重要保证，北京中水科水电科技开发有限公司监控系统事业部自主研发的BSS-3系列卫星同步时钟在水电站已有多年的现场应用经验，在水利行业有良好的口碑，系列定型的模块包括：脉冲空接点对时模块，IRIG-B 码对时模块，串口对时模块，PTP对时模块，恒温守时模块，NTP时间服务器模块。为了提高BSS-3系列卫星同步时钟的电磁兼容性能，对时钟电路板卡的设计进行了改造升级，优化设计后电路板卡的电磁兼容性得到明显提高，时钟系统工作更加稳定。

1 BSS-3系列卫星同步时钟装置介绍

BSS-3系列卫星同步时钟是采用卫星定位系统进行标准时间发送的装置。目前通常采用北斗系统和GPS系统。北斗授时时钟基于我国的“北斗二号”系统，可实现高精度的授时功能，时间精度优于50 ns。GPS时钟基于全球卫星导航系统，当GPS卫星信号接收器在收到并锁定至少4颗卫星之后，卫星接收器解算设备所处的地理位置和标准时间，其授时精度可以达到20 ns以内。目前，大型水电厂通常要求北斗、GPS双卫星接收系统，而且北斗信号优先，为全厂各系统提供高精度的时间基准。

时钟装置由标准机箱、电源模块、接收天线、卫星信号接收模块、对时信号输出模块等构成，如图1所示。

图1 时钟装置结构图

目前水电厂对时系统主流的卫星时钟对时方案设计都是采用一套主时钟系统或两套热备的主时钟，例如北斗+GPS双信号接收作为主时钟，根据设备的分布位置和数量，配置多台二级时钟装置组成水电厂全厂统一授时系统，完成全厂各系统的对时任务。卫星同步时钟具有高精度守时模块，当卫星信号不好或收不到卫星信号时，仍可保证高质量的对时信号输出。

2 卫星时钟电磁兼容优化设计

在电子装置中，电子干扰现象是普遍存在的，例如通过共电源地产生的共地阻抗干扰，通过电感或电容产生的耦合干扰，还有高频电子元件产生的辐射干扰等。为了解决装置的电磁干扰问题，对卫星时钟母板、脉冲板、B码485板、PTP板进行电路改造升级，将各板卡电磁兼容性（EMC）从2级提高到4级标准[1]，具体电路设计如下。

2.1 电路设计

电源模块的输出电压为DC 5 V，但是在系统中，单片机CPU的工作电压为3.3 V，卫星接收模块和网络模块的工作电压为3.0～5.0 V，这几个模块的电压各不相同，为了减少公共电源及公共阻抗的耦合，提高电源的可靠性和抗干扰性，保证各部分正常工作[2，3]，电路设计如图2所示。

图2 减少电容耦合示意图

在充分考虑电磁兼容和性能的情况下，将主CPU升级，主频从1 MHz提高到72 MHz，时钟同步装置的进出线也增加了防浪涌护设计。电源端增加TVS管（电源口首次测试未表现出故障，不过为了增强电源端口的抗干扰性能，也增加了必要的防护）和防倒插二极管（防止正负极接反造成的无法正常工作）。改进后的电路如图3所示。

图3 增加防护后的电源入口电路

信号端增加TVS管，在信号总线通道中增加自恢复保险丝和限流二极管以提高系统可靠性。改进后的电路如图4所示。

图4 增加防护后的信号入口电路

2.2 电磁兼容设计

本装置采用4层电路板，通过设置专用电源层和接地层为系统提供了最短的回流路线以此来抑制共模干扰，并增加了对地放电电容，信号端进行了光电隔离处理。考虑到模块在进行数据通信时，消耗功率较大，为了降低其对周围器件的电磁干扰，将之放在电路板边缘处，而且在其周围尽量少放敏感元件。尽量降低接地的阻抗，通过适度加宽地线的宽度可以进一步减小接地阻抗，并把数字部分电路的去耦电容、电感和模拟部分电路的去耦电容、电感分开一定距离布置[4]。

3 试验测试情况

卫星时钟同步装置的EMC试验检测是委托中国电力科学研究院进行的，具有国家认可的检测资质。

卫星时钟同步装置通过了电磁兼容性能检测、振荡波抗扰度检测（3～4级）、电快速瞬变脉冲群抗扰度检测（4级）、工频磁场抗扰度检测（5级）、脉冲磁场抗扰度检测（5级）、阻尼振荡磁场抗扰度检测（5级）、射频电磁场辐射抗扰度检测（3级），其中检测电压等级±0.5～6 kV，辐射干扰30 MHz～1 GHz，传导干扰140 kHz～40 MHz，试验结果满足电磁兼容EMC判据3～5级要求，等级可达ClassA。