基于鎖相環技術的智能變電站時鐘同步方案

程澤濤，毛遠軍，肖 凡，魯春華

（三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002）

變電站是電力網絡的重要節點，它起著連接線路、輸送電能和擔負變換電壓等級、匯集電流、分配電能、控制電能流向、調整電壓等諸多重要作用。然而，不管是在站內信息采集、測量、控制、保護、計量和監測等功能上，還是在站與調度、站與站之間、站與大用戶和分布式電源上的協同互動上，都嚴格依賴于時間上的一致性［1，2］，這就要求站內必須配置穩定可靠的高精度時鐘系統。

目前，國內大部分變電站仍采用GPS授時機作為站內的主要時鐘源，然而GPS系統受美國軍方控制，其在可靠性和安全性上任然存在一定的隱患。我國自主研發的北斗衛星導航系統在2014年已經獲得國際海事組織的認可。北斗授時技術已經逐漸趨于成熟，北斗時間源也逐漸作為優先授時信號被廣泛運用于智能變電站的同步裝置中。但是，由于北斗1PPS信號短期穩定性差的影響會伴隨出現較大的隨機誤差［3］，為進一步消除隨機誤差對北斗信號輸出帶來的影響，本文針對衛星信號和本地晶振在長期和短期穩定性上的互補特性，對北斗接收信號進行二次處理，確立一種北斗1PPS信號馴服本地晶振來替代變電站衛星時鐘授時的方案，并利用鎖相環技術對相位誤差進行測量和修正。其中對本地晶振產生的秒脈沖與北斗1PPS信號間的相位差值采用數字鑒相器實現同步測量，然后對誤差值進行濾波處理，使本地晶振輸出與北斗標準時間同步的穩定性優良的時間信號。仿真結果表明該方案能有效削弱相位噪聲的影響，輸出信號時間精度滿足智能變電站對于時鐘精度的要求。

1 智能變電站時鐘同步方案

根據DL／T860《變電站通信網絡和系統》，智能變電站系統結構從邏輯上可以劃分為站控層、間隔層和過程層［4，5］。智能變電站系統結構示意如圖1所示。變電站各層之間緊密聯系，相互配合，共同完成對輸電網的測量、控制、調節、保護、安穩等功能。其中，站控層主要完成數據采集和監視控制（SCADA）、操作閉鎖以及同步相量采集、電能量采集、保護信息管理等功能；間隔層主要實現與各種遠方輸入／輸出、傳感器和控制器通信；過程層完成變電站電能分配、變換、傳輸及其測量、控制、保護、計量、狀態監測等相關功能。

保證智能變電站安全運行需要統一精確的時間，智能變電站不同的應用需要同步精度的時間同步，IEC61850－5中定義了時間同步的各種等級，如表1所示。

圖1 智能變電站系統結構示意圖

表1 時間同步的各種精度等級

智能變電站站內配置一套全站公用的時間同步系統，高精度時鐘源要雙重化配置；優先采用北斗系統標準授時信號進行時鐘校正。時間同步系統可以輸出SNTP、IRIG－B（DC）、1PPS信號。站控層設備采用SNTP或IRIG－B對時方式。間隔層、過程層設備采用IRIG－B對時方式或IEC61588網絡對時。主時鐘源要提供滿足DL／T860通信標準的通信接口，直接與自動化系統連接，將裝置運行情況、鎖定衛星數量、同時或失步狀態等信息傳輸至站控層。

在同步網絡中，穩定可靠的同步時鐘源是各層時間同步的保證，為保證全網全時段的同步精度，需要選用高穩定性的可靠時間信號輸出。本文以北斗時間源（北斗1PPS）為基準信號源，利用其長期穩定性優秀的特點去校準本地晶振，從而獲取一個更為可靠的本地時鐘。

2 本地時鐘對時方案

由于北斗衛星接收機采集的北斗秒脈沖（1PPS）信號長期穩定性好，短期穩定性差，不存在累計誤差但伴隨較大的隨機誤差；而對于高精度的時鐘晶振來說，其不存在隨機誤差，在短時間內累計誤差很小，但是長期穩定性差［6］。根據兩者誤差互補的特性，本文設計了一種利用外部時間基準校準本地晶振的時鐘產生方案。以本時鐘作為變電站的主要時鐘源，由于采用了北斗1PPS對本地1PPS的實時校準，既有效避免了衛星信號隨機誤差的影響，又保證了本地時鐘優良的長期穩定性。圖2為本地時鐘的結構圖。

圖2 本地時鐘結構圖

本地時鐘的系統設計結構圖如圖2所示。其核心是通過外部時間基準（北斗1PPS信號），對本地晶振的頻率和分頻產生的秒脈沖進行測量和校正，獲得和國際標準時間一致的秒脈沖（1PPS）信號，來替代原有的北斗時間信號輸出，提供準確的時間標準和頻率標準。

在本系統中，北斗接收模塊用于實時采集北斗1PPS時間信號；干擾信號判斷模塊用于對提取的時間信號進行識別，對正常1PPS信號和偽信號進行區分；干擾屏蔽模塊用于對北斗時間信號進行濾波，濾除偽信號；10 MHz恒溫壓控晶振是本系統采用的本地晶振，為本系統提供時間來源；倍頻模塊用于對10 MHz晶振進行倍頻，將10 MHz晶振倍頻到100 MHz，最小計數周期將從100 ns減小到10 ns，計數周期越小，對北斗1PPS的計數越精確；誤差測量模塊用于測量本地產生的1PPS和正常1PPS時間信號之間的相位誤差。

干擾信號判斷和屏蔽：1PPS秒脈沖信號以方波形式輸出，高電平表示有秒脈沖輸出，高電平脈沖寬度不是恒定值，持續時間約為1 ms，有0.01 ms的誤差，這就導致在1PPS信號高電平期間的晶振計數值不相等。由于干擾，接收到的1PPS信號中還存有各種毛刺，若以檢測脈沖上升沿作為計數標準，必然導致計數結果的不準確，所測值將明顯偏大。在數字電路中，干擾脈沖的高電平持續時間大多是μs級的，很少有超過ms級的［7］，因此將高電平持續時間作為是否為正常秒脈沖的判斷依據。當檢測有脈沖上升沿來時，計數器開始計數，發生信號跳變后停止計數，若計數脈寬大于等于（1＋σ）ms（σ為誤差裕量），則視為正常1PPS信號，否則視為偽信號。正常1PPS信號保留，將偽信號電平拉低。

3 基于鎖相技術的誤差校正方法

鎖相環電路（PLL），是一個使輸出信號（由振蕩器產生的）與參考信號或者輸入信號在頻率和相位上同步的電路。鎖相環的組成如圖3所示。

一個典型的鎖相環電路由鑒相器（PD）、環路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）三部分組成。其中，鑒相器又稱為相位比較器，其作用是比較輸出信號和參考信號之間的相位，獲得一個與相位誤差θe相關的輸出信號ud（t）；ud（t）中包含直流分量和疊加的交流分量，通過環路濾波器可將交流分量濾除；當θe值不為0時，ud（t）的作用使LF產生一個固定信號uf，這將改變VCO的工作頻率，使其輸出頻率上升或降低，結果相位誤差θe變小，最終θe減小到0或趨于一個固定值。

圖3 鎖相環工作原理

圖4 鑒相模塊

本文采用了如圖4所示鑒相器模型，該模型由兩個D觸發器構成，輸入信號為北斗1PPS脈沖以及本地晶振產生的秒脈沖，經鑒相測量后分別輸出超前部分和滯后部分脈沖。

圖5 鑒相器輸出信號平均占空比與頻率比的關系

圖5所示曲線描繪出了鎖相環在未鎖定狀態鑒相器的行為，因為鑒相器的輸出信號在鎖相環處于鎖定狀態時與相位差有關，在未鎖定狀態時與頻率誤差有關，因此，該鎖相環在任何條件下都能獲得鎖定。

圖6為環路濾波器模型。環路濾波器包括一個超前脈沖計數器N和一個滯后脈沖計數器N，其和在M計數器內計數存儲。

當鑒相器送出超前脈沖或滯后脈沖時，濾波器并不馬上將它送去進行相位調整，而是分別對輸入的超前脈沖（或滯后脈沖）進行計數。

圖6 環路濾波器模型

如果兩個N計數器中的一個，在M計數器計滿的同時或未計滿前就計滿了，則濾波器就輸出一個“減脈沖”（或“加脈沖”）控制信號去進行相位調整，同時將三個計數器都置“0”（即復位），準備再對后面的輸入脈沖進行處理。

當有干擾存在，鑒相器會輸出離散的超前或滯后脈沖，這兩種脈沖隨機出現，當兩個N計數器的任何一個未計滿時，M計數器可能已經計滿，并將三個計數器置“0”，因此濾波器沒有輸出，這樣就消除了隨機干擾對同步信號相位的影響。

利用XILINX的System Generator可以很快地完成鎖相環模塊的搭建，借助MATLAB中的Simulink工具可以實現FPGA硬件的協同仿真和系統在線調試。利用XILINX ISE環境中的Chipscope工具對測量到的北斗1PPS信號與本地秒脈沖之間的相位差波形進行抓取，未進行鎖相前的波形如圖7所示。由圖7可知，相位誤差被噪聲淹沒，相位差的噪聲很大，鎖相環無法進入鎖定狀態。圖8為進行鎖相誤差修正后的相位差波形。該結果表明鎖相環能快速對誤差值進行鎖定，相位誤差在1 000 s內可收斂到5 ns以內，在3 600 s內可收斂到1 ns以內。

圖7 未進行相位鎖定

圖8 鎖相環進入工作后的相位誤差

4 結 論

時鐘同步技術在智能變電站中占有重要的位置，這是因為站內信號的采集、傳輸和控制必須基于統一的時間基準，才能保證準確性、可靠性和有效性。本文針對衛星時間源短期穩定性差的特點設計了一種簡單可靠的本地時鐘進行替代授時的同步方案，該方案結合了北斗信號的長期穩定性和本地晶振的短期穩定性，利用衛星基于鎖相技術的誤差測量和修正保證了時間源的穩定性，仿真表明該方案能對相位誤差進行鎖定和有效濾除，能夠滿足智能變電站的時間同步需求。

［1］ 劉振亞.智能電網技術［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［2］ 趙東艷，原義棟.用于智能電網建設的北斗／GPS高精度授時方案關鍵技術［J］.電網技術，2013，37（9）：2621－2625.

［3］ 王 軍.基于FPGA的壓控晶振同步頻率控制系統的研究［J］.電子測量技術，2012，35（11）：83－85.

［4］ 何 磊.IEC61850應用入門［M］.北京：中國電力出版社，2014.

［5］ 陳 超.基于GPS的智能變電站高精度時鐘設計與實現［D］.南京：南京理工大學，2014.

［6］ 王 鵬.基于FPGA的絕對時間同步系統的設計研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2007.

［7］ 陳孟元，陳躍東.基于高精度晶振同步北斗1PPS的同步相量測量裝置的時鐘源［J］.電力自動化設備，2011，31（9）：111－114.