北斗同步時(shí)鐘：隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)與完善，北斗系統(tǒng)在電力系統(tǒng)授時(shí)方面的應(yīng)用已全面開(kāi)展。北斗一代系統(tǒng)雖然可實(shí)現(xiàn)雙向授時(shí)，授時(shí)精度可達(dá)20ns，但用戶(hù)容量受到極大限制，不利于授時(shí)系統(tǒng)的大范圍推廣。北斗二代系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)大容量的單向授時(shí)下，授時(shí)精度可達(dá)100ns，可滿(mǎn)足電力領(lǐng)域中大多數(shù)的應(yīng)用需求。
同時(shí)，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)采用高強(qiáng)度加密設(shè)計(jì)，安全、可靠且穩(wěn)定，適合涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈的關(guān)鍵部門(mén)應(yīng)用。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)覆蓋中國(guó)及周邊國(guó)家和地區(qū)，24小時(shí)全天候服務(wù)，無(wú)信號(hào)盲區(qū)；同時(shí)具備授時(shí)、定位與通信功能，無(wú)需其他通信系統(tǒng)支持，特別適合集團(tuán)用戶(hù)大范圍接收信號(hào)進(jìn)行高精度授時(shí)應(yīng)用。為了保障我國(guó)電網(wǎng)的安全運(yùn)行，將北斗衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，對(duì)于我國(guó)國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，都具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。
１、北斗同步時(shí)鐘的安全性分析
根據(jù)電力行業(yè)同步時(shí)鐘的應(yīng)用需求以及應(yīng)用場(chǎng)合，并結(jié)合國(guó)調(diào)中心在近幾年關(guān)于加強(qiáng)電力時(shí)間同步系統(tǒng)運(yùn)行管理相關(guān)文件的要求，在提高電力時(shí)間同步系統(tǒng)的安全性指標(biāo)上可從時(shí)鐘架構(gòu)、切換策略、異常處理、電磁防護(hù)等四方面進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。
（1）時(shí)鐘架構(gòu)
各種時(shí)間同步系統(tǒng)的各種組成結(jié)構(gòu)，根據(jù)其分析結(jié)果可知，選用主備式時(shí)間同步系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)是安全性能*高的一種。
（2）切換策略
北斗同步時(shí)鐘的切換策略包括天基授時(shí)時(shí)源的切換策略和天基授時(shí)時(shí)源無(wú)效時(shí)的時(shí)源切換策略?xún)刹糠?。結(jié)合試驗(yàn)分析，北斗同步時(shí)鐘選用的切換策略。在天基授時(shí)源正常時(shí)，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)高于GPS。在天基授時(shí)時(shí)源無(wú)效時(shí)（高位為Ｌ），高精度晶振時(shí)鐘優(yōu)先級(jí)高于外部輸入irig-b碼方式。
（3）異常處理
同步時(shí)鐘的異常情況主要是天基授時(shí)時(shí)源精度的突變，例如GPS是美國(guó)軍方在管理，在某些情況下GPS可能會(huì)發(fā)生時(shí)間精度大幅度突變的情況?？紤]到恒溫晶振短期精度高、誤差會(huì)累積，但天基授時(shí)源無(wú)累積誤差的特性，異常處理時(shí)可在高精度的恒溫晶振中增加一個(gè)全局的時(shí)間鎖，作為天基授時(shí)源突變異常情況下的時(shí)鐘源，防止時(shí)鐘突變。在天基授時(shí)時(shí)源正常的情況下，使用天基授時(shí)源的秒脈沖信息對(duì)恒溫晶振的每秒的間隔頻率計(jì)數(shù)的分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出恒溫晶振的典型值，作為天基授時(shí)時(shí)源異常情況下的輸出基準(zhǔn)。
（4）電磁防護(hù)
同步時(shí)鐘的輸出可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)為協(xié)議型的通信，如RS232/485型的符合部頒標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間協(xié)議、NTP/SNTP的符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間協(xié)議；一類(lèi)為具有精度的信號(hào)輸出，如PPS,PPH,PPM、IRIG-B的交直流信號(hào)輸出。針對(duì)這兩類(lèi)的輸出可采用不同方式的保護(hù)，對(duì)于*類(lèi)協(xié)議型通信的電路采用典型的電力行業(yè)的工業(yè)保護(hù)，可在ESD/EFT/SURGE等方面達(dá)到四級(jí)。
2、北斗同步時(shí)鐘的安全性設(shè)計(jì)
（1）北斗同步時(shí)鐘的的架構(gòu)設(shè)計(jì)
電力系統(tǒng)同步時(shí)鐘在架構(gòu)和配置方式上應(yīng)充分考慮行業(yè)業(yè)務(wù)需求的差異性，按照插板式、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同步時(shí)鐘的整體架構(gòu)可采用主備式時(shí)間同步系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，可靠性和冗余度*高，但系統(tǒng)的復(fù)雜度和實(shí)施成本均較高。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可依據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況采用結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)施成本較低的基本式時(shí)間同步系統(tǒng)或主從式時(shí)間同步系統(tǒng)。
（2）北斗同步時(shí)鐘的切換策略
采用主備結(jié)構(gòu)組成同步時(shí)鐘的系統(tǒng)時(shí)，兩個(gè)主時(shí)鐘和兩個(gè)從時(shí)鐘之間的通信和切換采用邏輯鎖和不對(duì)等通信的方式來(lái)保證安全性和效率。不對(duì)等通信中，主時(shí)鐘會(huì)按照每秒一次的頻率發(fā)布同步狀態(tài)，從時(shí)鐘據(jù)此從兩個(gè)主時(shí)鐘選擇合適的主時(shí)鐘源，使用硬件（FPGA）根據(jù)從高到低的邏輯層次進(jìn)行切換。兩個(gè)主時(shí)鐘之間的通信采用對(duì)等方式、安全優(yōu)先的原則，根據(jù)通信的結(jié)果更新主時(shí)鐘內(nèi)部的狀態(tài)值，生成相應(yīng)的管理報(bào)文，以供更的管理使用。
在時(shí)間同步系統(tǒng)中，尤其是在主備式時(shí)間同步系統(tǒng)中，每個(gè)主時(shí)鐘可配置相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)。當(dāng)從時(shí)鐘接收兩個(gè)主時(shí)鐘來(lái)自于相同同步源類(lèi)型的有效同步信號(hào)時(shí)，高同步源優(yōu)先級(jí)的主時(shí)鐘輸出享有高優(yōu)先級(jí)。
（3）北斗同步時(shí)鐘的異常處理
當(dāng)天基授時(shí)時(shí)源正常時(shí)，可采用其PPS對(duì)OCXO進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)過(guò)程應(yīng)考慮到北斗衛(wèi)星系統(tǒng)或gps的對(duì)時(shí)精度在短時(shí)窗口上要低于恒溫晶振的精度，統(tǒng)計(jì)窗口的*小有效期為天（24小時(shí)），即至少統(tǒng)計(jì)一天的恒溫晶振的頻率才能進(jìn)行典型值的計(jì)算，并生成時(shí)間鎖的判據(jù)。
如下兩個(gè)條件必須全部具備，才會(huì)生成典型值：①統(tǒng)計(jì)時(shí)間大于24小時(shí)；②天基授時(shí)時(shí)源連續(xù)有效。
針對(duì)天基授時(shí)時(shí)源本身短時(shí)精度不足的情況（例如同步星數(shù)非常少），根據(jù)精度符合高斯分布的原理構(gòu)造合適的均值濾波窗，以恒溫晶振為指標(biāo)在短時(shí)窗口上對(duì)ＰＰＳ進(jìn)行反校。針對(duì)同步時(shí)鐘的本身異常的管理，可采用DL/T634.5104或DL/T860的規(guī)約方式輸出狀態(tài)信息。
（4）同步時(shí)鐘的電磁防護(hù)
電磁防護(hù)中一個(gè)關(guān)鍵性項(xiàng)目就是電源設(shè)計(jì)。同步時(shí)鐘的電源應(yīng)采用冗余熱備用設(shè)計(jì)，每個(gè)時(shí)鐘配置兩塊電源模塊。電源模塊可支持交直流輸入，電源模塊每路輸出都應(yīng)有狀態(tài)指示和接點(diǎn)告警輸出，同時(shí)具有電源狀態(tài)監(jiān)視報(bào)文輸出，可供系統(tǒng)外的設(shè)備監(jiān)控，整體設(shè)備應(yīng)達(dá)到電磁兼容四級(jí)要求。
電路防護(hù)設(shè)計(jì)中時(shí)鐘輸出應(yīng)采用電磁防護(hù)設(shè)計(jì)，采用光信號(hào)的輸出方式
3、北斗同步時(shí)鐘的安全性實(shí)現(xiàn)
（1）天基授時(shí)的通信模塊安全性
在常規(guī)的北斗同步時(shí)鐘中，一般采用MCU等器件結(jié)合代碼的方式對(duì)時(shí)鐘源進(jìn)行判決和選擇。為提高天基授時(shí)模塊通信的可靠性、安全性和效率，可采用FPGA進(jìn)行判決和選擇，采用并生成與CPU的統(tǒng)一接口。
（2）天基時(shí)源與本地時(shí)源的切換精度
依據(jù)優(yōu)先級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間同步源的選擇，GPS、北斗衛(wèi)星系統(tǒng)等天基授時(shí)時(shí)源為外部輸入，精度很大程度上依賴(lài)與外部衛(wèi)星的搜索數(shù)量以及對(duì)應(yīng)的地理、天氣等客觀性因素，但不存在累計(jì)誤差。當(dāng)時(shí)間同步源選擇為恒溫晶振時(shí)，在一定程度上時(shí)間同步系統(tǒng)的守時(shí)精度就依賴(lài)于恒溫晶振的精度，晶振時(shí)鐘信號(hào)的隨機(jī)誤差較小，但存在較大的累計(jì)誤差。
在實(shí)際工程應(yīng)用中，高精度的恒溫晶振配置成本相對(duì)較高，而精度提高一個(gè)量級(jí)，成本就要提高好幾個(gè)量級(jí)。為解決其性?xún)r(jià)比問(wèn)題，可綜合秒脈沖的隨機(jī)誤差和晶振時(shí)鐘信號(hào)的累計(jì)誤差，采用非守時(shí)狀態(tài)下的高精度秒脈沖對(duì)恒溫晶振的精度做偏差補(bǔ)償?shù)乃惴?，進(jìn)而提高在守時(shí)狀態(tài)下的時(shí)間精度。在非守時(shí)情況下，從北斗衛(wèi)星系統(tǒng)（或GPS）模塊接受信息，當(dāng)跟蹤星數(shù)較多、對(duì)時(shí)精度較高時(shí)，秒脈沖的上升沿開(kāi)啟對(duì)恒溫晶振脈沖的計(jì)數(shù)，在相對(duì)一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)記錄每秒恒溫晶振脈沖數(shù)，并進(jìn)行插值做線(xiàn)性化平均，計(jì)算出來(lái)恒溫晶振標(biāo)稱(chēng)頻率和實(shí)測(cè)頻率的德?tīng)査?zhǔn)值以達(dá)到進(jìn)入守時(shí)功能后的精度補(bǔ)償。
4、北斗同步時(shí)鐘應(yīng)用總結(jié)
基于以上設(shè)計(jì)的北斗同步時(shí)鐘是符合電力自動(dòng)化設(shè)備的時(shí)間同步需求，以北斗衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)時(shí)為主、主時(shí)鐘雙機(jī)冗余的設(shè)計(jì)提升整體架構(gòu)和性能，對(duì)電力系統(tǒng)北斗同步時(shí)鐘的應(yīng)用具有一定的使用價(jià)值和推廣價(jià)值。西安同步電子科技有限公司就是嚴(yán)格按照實(shí)際應(yīng)用來(lái)設(shè)計(jì)北斗同步時(shí)鐘應(yīng)用方案，選擇SYN450型北斗同步時(shí)鐘作為主時(shí)鐘，SYN4505型標(biāo)準(zhǔn)同步時(shí)鐘作為擴(kuò)展時(shí)鐘，以*的穩(wěn)定性和超低的價(jià)格完成電力時(shí)鐘同步的目的。
想了解更多
北斗同步時(shí)鐘信息歡迎客服
