北斗同步時鐘：隨著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設(shè)與完善，北斗系統(tǒng)在電力系統(tǒng)授時方面的應(yīng)用已全面開展。北斗一代系統(tǒng)雖然可實現(xiàn)雙向授時，授時精度可達20ns，但用戶容量受到極大限制，不利于授時系統(tǒng)的大范圍推廣。北斗二代系統(tǒng)在實現(xiàn)大容量的單向授時下，授時精度可達100ns，可滿足電力領(lǐng)域中大多數(shù)的應(yīng)用需求。
同時，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)采用高強度加密設(shè)計，安全、可靠且穩(wěn)定，適合涉及國民經(jīng)濟命脈的關(guān)鍵部門應(yīng)用。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)覆蓋中國及周邊國家和地區(qū)，24小時全天候服務(wù)，無信號盲區(qū)；同時具備授時、定位與通信功能，無需其他通信系統(tǒng)支持，特別適合集團用戶大范圍接收信號進行高精度授時應(yīng)用。為了保障我國電網(wǎng)的安全運行，將北斗衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，對于我國國防和國民經(jīng)濟發(fā)展，都具有深遠的戰(zhàn)略意義。
１、北斗同步時鐘的安全性分析
根據(jù)電力行業(yè)同步時鐘的應(yīng)用需求以及應(yīng)用場合，并結(jié)合國調(diào)中心在近幾年關(guān)于加強電力時間同步系統(tǒng)運行管理相關(guān)文件的要求，在提高電力時間同步系統(tǒng)的安全性指標上可從時鐘架構(gòu)、切換策略、異常處理、電磁防護等四方面進行分析設(shè)計。
（1）時鐘架構(gòu)
各種時間同步系統(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
北斗同步時鐘的切換策略包括天基授時時源的切換策略和天基授時時源無效時的時源切換策略兩部分。結(jié)合試驗分析，北斗同步時鐘選用的切換策略。在天基授時源正常時，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)先級高于GPS。在天基授時時源無效時（高位為Ｌ），高精度晶振時鐘優(yōu)先級高于外部輸入irig-b碼方式。
（3）異常處理
同步時鐘的異常情況主要是天基授時時源精度的突變，例如GPS是美國軍方在管理，在某些情況下GPS可能會發(fā)生時間精度大幅度突變的情況?？紤]到恒溫晶振短期精度高、誤差會累積，但天基授時源無累積誤差的特性，異常處理時可在高精度的恒溫晶振中增加一個全局的時間鎖，作為天基授時源突變異常情況下的時鐘源，防止時鐘突變。在天基授時時源正常的情況下，使用天基授時源的秒脈沖信息對恒溫晶振的每秒的間隔頻率計數(shù)的分布進行統(tǒng)計，得出恒溫晶振的典型值，作為天基授時時源異常情況下的輸出基準。
（4）電磁防護
同步時鐘的輸出可以分為兩類：一類為協(xié)議型的通信，如RS232/485型的符合部頒標準的時間協(xié)議、NTP/SNTP的符合網(wǎng)絡(luò)標準的時間協(xié)議；一類為具有精度的信號輸出，如PPS,PPH,PPM、IRIG-B的交直流信號輸出。針對這兩類的輸出可采用不同方式的保護，對于*類協(xié)議型通信的電路采用典型的電力行業(yè)的工業(yè)保護，可在ESD/EFT/SURGE等方面達到四級。
2、北斗同步時鐘的安全性設(shè)計
（1）北斗同步時鐘的的架構(gòu)設(shè)計
電力系統(tǒng)同步時鐘在架構(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。同步時鐘的整體架構(gòu)可采用主備式時間同步系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，可靠性和冗余度*高，但系統(tǒng)的復雜度和實施成本均較高。在實際工程應(yīng)用中，可依據(jù)工程現(xiàn)場應(yīng)用情況采用結(jié)構(gòu)相對簡單，實施成本較低的基本式時間同步系統(tǒng)或主從式時間同步系統(tǒng)。
（2）北斗同步時鐘的切換策略
采用主備結(jié)構(gòu)組成同步時鐘的系統(tǒng)時，兩個主時鐘和兩個從時鐘之間的通信和切換采用邏輯鎖和不對等通信的方式來保證安全性和效率。不對等通信中，主時鐘會按照每秒一次的頻率發(fā)布同步狀態(tài)，從時鐘據(jù)此從兩個主時鐘選擇合適的主時鐘源，使用硬件（FPGA）根據(jù)從高到低的邏輯層次進行切換。兩個主時鐘之間的通信采用對等方式、安全優(yōu)先的原則，根據(jù)通信的結(jié)果更新主時鐘內(nèi)部的狀態(tài)值，生成相應(yīng)的管理報文，以供更的管理使用。
在時間同步系統(tǒng)中，尤其是在主備式時間同步系統(tǒng)中，每個主時鐘可配置相應(yīng)的優(yōu)先級。當從時鐘接收兩個主時鐘來自于相同同步源類型的有效同步信號時，高同步源優(yōu)先級的主時鐘輸出享有高優(yōu)先級。
（3）北斗同步時鐘的異常處理
當天基授時時源正常時，可采用其PPS對OCXO進行頻率統(tǒng)計。統(tǒng)計過程應(yīng)考慮到北斗衛(wèi)星系統(tǒng)或gps的對時精度在短時窗口上要低于恒溫晶振的精度，統(tǒng)計窗口的*小有效期為天（24小時），即至少統(tǒng)計一天的恒溫晶振的頻率才能進行典型值的計算，并生成時間鎖的判據(jù)。
如下兩個條件必須全部具備，才會生成典型值：①統(tǒng)計時間大于24小時；②天基授時時源連續(xù)有效。
針對天基授時時源本身短時精度不足的情況（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，以恒溫晶振為指標在短時窗口上對ＰＰＳ進行反校。針對同步時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）同步時鐘的電磁防護
電磁防護中一個關(guān)鍵性項目就是電源設(shè)計。同步時鐘的電源應(yīng)采用冗余熱備用設(shè)計，每個時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)指示和接點告警輸出，同時具有電源狀態(tài)監(jiān)視報文輸出，可供系統(tǒng)外的設(shè)備監(jiān)控，整體設(shè)備應(yīng)達到電磁兼容四級要求。
電路防護設(shè)計中時鐘輸出應(yīng)采用電磁防護設(shè)計，采用光信號的輸出方式
3、北斗同步時鐘的安全性實現(xiàn)
（1）天基授時的通信模塊安全性
在常規(guī)的北斗同步時鐘中，一般采用MCU等器件結(jié)合代碼的方式對時鐘源進行判決和選擇。為提高天基授時模塊通信的可靠性、安全性和效率，可采用FPGA進行判決和選擇，采用并生成與CPU的統(tǒng)一接口。
（2）天基時源與本地時源的切換精度
依據(jù)優(yōu)先級系統(tǒng)進行時間同步源的選擇，GPS、北斗衛(wèi)星系統(tǒng)等天基授時時源為外部輸入，精度很大程度上依賴與外部衛(wèi)星的搜索數(shù)量以及對應(yīng)的地理、天氣等客觀性因素，但不存在累計誤差。當時間同步源選擇為恒溫晶振時，在一定程度上時間同步系統(tǒng)的守時精度就依賴于恒溫晶振的精度，晶振時鐘信號的隨機誤差較小，但存在較大的累計誤差。
在實際工程應(yīng)用中，高精度的恒溫晶振配置成本相對較高，而精度提高一個量級，成本就要提高好幾個量級。為解決其性價比問題，可綜合秒脈沖的隨機誤差和晶振時鐘信號的累計誤差，采用非守時狀態(tài)下的高精度秒脈沖對恒溫晶振的精度做偏差補償?shù)乃惴ǎM而提高在守時狀態(tài)下的時間精度。在非守時情況下，從北斗衛(wèi)星系統(tǒng)（或GPS）模塊接受信息，當跟蹤星數(shù)較多、對時精度較高時，秒脈沖的上升沿開啟對恒溫晶振脈沖的計數(shù)，在相對一段時間內(nèi)連續(xù)記錄每秒恒溫晶振脈沖數(shù)，并進行插值做線性化平均，計算出來恒溫晶振標稱頻率和實測頻率的德爾塔校準值以達到進入守時功能后的精度補償。
4、北斗同步時鐘應(yīng)用總結(jié)
基于以上設(shè)計的北斗同步時鐘是符合電力自動化設(shè)備的時間同步需求，以北斗衛(wèi)星系統(tǒng)對時為主、主時鐘雙機冗余的設(shè)計提升整體架構(gòu)和性能，對電力系統(tǒng)北斗同步時鐘的應(yīng)用具有一定的使用價值和推廣價值。西安同步電子科技有限公司就是嚴格按照實際應(yīng)用來設(shè)計北斗同步時鐘應(yīng)用方案，選擇SYN450型北斗同步時鐘作為主時鐘，SYN4505型標準同步時鐘作為擴展時鐘，以*的穩(wěn)定性和超低的價格完成電力時鐘同步的目的。
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