BDS多模授時技術在電力時間同步裝置中的應用

王 宇，陳 偉，范曉東

(1.中電科第三十八研究所，合肥 230088；2.安徽四創電子股份有限公司，合肥 230031)

0 引言

電力時間同步裝置是電力二次系統中進行實時數據采集、控制、事故追憶和事故分析的基礎，是電力系統安全運行的重要組成部分，而電力系統的安全運行事關國家安全。電力系統的全網時間同步主要是采用時間同步裝置對網絡內各時鐘進行高精度授時，時間同步裝置采用的時鐘源和授時算法會直接影響所屬網絡授時的精確性和可靠性，而目前的時間同步裝置基本上都依賴全球定位系統(global positioning system，GPS)進行授時，鑒于GPS時間隸屬于美國，GPS信號精度受美國軍方控制，不能保證時刻提供準確可靠、性能穩定的衛星授時信號[1-2]。雖然近年來北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)不斷增強衛星組網，實用性持續提高，向大部分亞太地區提供區域連續授時、定位、導航等服務[3]，在時間同步裝置中得到廣泛應用，授時和定位精度隨著組網衛星的數量增加也在同步提高。此外，在BDS/GPS衛星授時的基礎上引入其他授時源并能夠提供精度高、可靠性好、性能穩定的授時系統也十分必要，而靶場儀器組串行時間碼(B type format of inter-range instrumentation group，IRIG-B)提供了滿足需要的時間同步方式，成為時間同步裝置采用的授時碼型，該時間穩定可靠、精度高[4-5]。因此，本文在GPS衛星授時的基礎上，提出了基于BDS的多模授時技術的國產電力時間同步裝置。

1 多模授時方法

本文提出的多模授時是指時間同步裝置同時具有BDS、GPS和B碼3種模式的授時功能。BDS由我國自主研發，是繼美國的GPS和俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統(global navigation satellite system，GLONASS)之后第3個全球衛星導航系統，提供單雙向授時、定位、測速及短報文通信服務[6]。B碼授時模式是從外部輸入的IRIG-B碼獲取標準時鐘信號信息。通過應用BDS、GPS和B碼多模授時技術拓展時鐘源，顯著提高了授時設備的可靠性和安全性。下面分別就3種模式各自的特點及組合的優勢進行闡述。

1.1 衛星授時

衛星導航系統必須運行在十分精確的時間條件下，所以系統可以能夠提供精確的時間信息，衛星導航接收機定位成功后定時輸出秒脈沖信號(pulse per second，PPS)，將2臺接收機送出的PPS信號送給鑒相計數器，鑒相計數器測量出相鄰2個秒脈沖之間的時間間隔，經過統計濾波便可算出時間同步的精度。目前，國內主要應用領域的衛星導航授時設備主要有GPS和BDS 2種類型。通常通過衛星授時同步時間的方法有單站法和共視法2種，共視法的授時精度高于單站法。BDS授時有衛星無線電測定業務 (radio determination satellite service，RDSS)單向授時、RDSS雙向授時以及衛星無線電導航業務(radio navigation satellite service，RNSS)授時3種方式。BDS的RDSS單向授時精度約為100 ns，RDSS雙向授時精度約為20 ns[7]，RNSS授時精度約為50 ns[8]。GPS授時只有RNSS一種方式。GPS單站法的授時精度約為20～500 ns，GPS共視法授時精度則能達到5～20 ns[9]。電力系統對時間同步裝置的時間同步要求為1 μs以內，故時間同步裝置采用GPS單站法或BDS單站法法授時都可滿足電力系統的使用需求。

1.2 B碼授時

靶場儀器組(Inter Range Instrumentation Group，IRIG)源自美國軍隊靶場的時間同步[4-5，10]，靶場中的時間設備為航天、測控以及常規武器系統試驗提供標準時間。IRIG-B時碼(簡稱B碼)是1種串行時碼，由IRIG下屬的電信組(Telecommunication Group，TCG)制定，后來在應用時間系統中被廣泛采用。B碼包括2種碼型：交流碼 (AC碼)和 直流碼(DC碼)。交流碼的傳輸距離比直流碼遠，但是電路較復雜，精度較低。當傳輸距離較遠時采用交流碼(AC碼)，同步精度一般為10～20 ms，當傳輸距離近時則采用直流碼(DC碼)，同步精度可達幾十納秒。因此，B碼采用直流碼(DC碼)授時可滿足電力系統對時間同步裝置的時間同步要求。

1.3 多模授時優勢

我國電力時間同步裝置單采用衛星授時存在如下問題[11-14]：1)美國的GPS系統是由美國國防部控制，其他國家使用該系統不具有自主性，存在國家安全隱患。美國曾經通過增加隨機干擾碼、故意降低GPS精度、甚至對某個特定地區停止發送GPS信號等多種手段，破壞一些地區的GPS可用性；2)目前世界還不太平，美國把很多國家列為危險國家，戰爭發生的可能性沒有消除，很可能導致GPS在中國或其他一些國家不可用；3)BDS/GPS衛星授時在某些特殊情況下信號暫時消失，或者衛星接收機工作不正常，會降低授時精度甚至授時錯誤。B碼時間系統作為授時的時間同步標準，具有高可靠性、通用規范和應用靈活等特點，若采用BDS、GPS和B碼時間系統，即能實現時間同步裝置自主授時，又能在某種時鐘源不可授時的情況下通過備選源正常工作，將顯著的提高時間同步裝置的可靠性和安全性。

2 系統架構

本系統主要采用“馴服+多模授時”的機制，主要包括時鐘源接收單元、數據處理單元、馴服單元、信號輸出單元和電源轉換單元，如圖1所示。時鐘源接收單元包括B碼接收模塊、BDS接收模塊和GPS接收模塊，分別接收IRIG-B時碼信號、BDS衛星信號和GPS衛星信號，從信號解析中分別解析出時間信息，然后將這3種外部時間信息送入數據處理單元，數據處理單元根據多模授時算法擇優選出外部時間信息并轉換成標準世界協調時(coordinated universal time，UTC)時間，并將相應的秒脈沖信號送入馴服單元，本地時鐘經馴服單元馴服后得到穩定標準的本地秒脈沖，并送入數據處理單元，數據處理單元根據輸入的本地秒脈沖同步將UTC時間送入信號輸出單元，以此得到高精度授時時間。

2.1 時鐘源接收單元

時鐘源接收單元包括B碼接收模塊、BDS接收模塊和GPS接收模塊，分別接收IRIG-B直流碼、BDS衛星時間和GPS衛星時間。

B碼接收模塊主要是光電轉換電路，將通過光纖來的光信號IRIG-B碼轉換成電信號DC碼，并送入數據處理單元；

BDS接收模塊采用U-blox公司OEM模塊，通過天線接收BDS衛星信號，并根據規范轉換成標準的NEMA0183信息(即BTOD)送出，同時送出秒脈沖信號1PPS(即BPPS)。此處采用TD3020T模塊，其是泰斗微電子推出的支持BD2/GPS雙模授時定位模塊，授時精度可達30 ns；

GPS接收模塊采用GPS OEM模塊，通過天線接收GPS衛星信號，并根據規范轉換成標準的NEMA0183信息(即GTOD)送出，同時送出秒脈沖信號PPS(即GPPS)。此處采用LEA-M8T模塊，其是U-blox 推出的支持BDS/GPS等多模衛星授時定位模塊，授時精度可達20 ns。

時鐘源接收單元還包括1個重要的部分，就是時鐘源自動無縫切換單元。自動是指時鐘源切換的自主性，而無縫則是指切換的平滑性。時鐘源的切換策略的優劣，直接表現為時間脈沖輸出的抖動性能。

2.2 馴服單元

馴服單元根據輸入的參考秒脈沖得到符合指標的高穩本地秒脈沖。馴服后，當外部參考秒脈沖丟失，該單元仍然輸出滿足指標要求的秒脈沖信號，其工作原理如圖2所示。

鑒于BDS/GPS OEM模塊產生的PPS的精度小于100 ns，但是卻有良好的長期穩定性。而恒溫晶振具有比較高的短期穩定性。馴服單元結合二者優點，產生一個精度與穩定度均達到指標要求的時間標準。

馴服單元里主要包含馴服模塊，其主要由相位/頻率測量、濾波處理/頻率預測、數模轉換和本振頻率產生五個部分組成。馴服單元本質上是一個鎖相環。其將外部時鐘源優選的秒脈沖信號作為該模塊的PPS參考輸入。該模塊將參考PPS與本地振蕩器產生的PPS進行相位/頻率測量。由于溫度變化等原因通常會使得參考PPS相位存在一定的抖動，會造成授時精度的惡化，通過對本地振蕩器的頻率和PPS相位輸出進行自適應濾波得到頻率和相位的估計值，然后通過反饋控制本地振蕩器產生得到輸出PPS相位。重復上述過程，最終可由本地晶振產生得到與標準時間同步的精確PPS信號。在無外部PPS參考源輸入時，模塊進入守時狀態，為系統提供準確的時間標準。

這里采用天馬電訊科技CM5503時鐘模塊，該模塊秒脈沖輸出守時能力小于3.5 μs，秒脈沖精度約為50 ns，脈沖寬度100 ms，具有頻率鎖定快、準確度高的特點。

2.3 數據處理單元

數據處理單元主要完成秒B碼解碼、時鐘源優選，PPS無縫切換，并同步輸出標準時間和秒脈沖，實現高精度授時。該單元核心芯片采用Microsemi公司的SmartFusion2[15-16]系列芯片M2S010，采用最新65 nm工藝制造。該芯片的片上系統包括Flash架構的FPGA，以及內部集成166 MHz的Cortex-M3的硬核處理器。硬核處理器不占用FPGA的邏輯資源，為用戶提供高安全性、高可靠性及超低功耗的雙核處理器功能[4-5]。

首先，數據處理單元接收B碼流并通過FPGA中B碼解碼模塊根據IRIG-B碼協議解算出當前B碼時間信息(即RBTOD)和B碼秒脈沖信號(即RBPPS)；并將接收到的BDS秒脈沖信號(即BPPS)、GPS秒脈沖信號(即GPPS)和RBPPS送入優選模塊，得到可用性最優的PPS，并送給馴服單元；

同時，數據處理單元通過Cortex-M3微處理器中的授時模塊接收來自外部的BDS時間信息BTOD和GPS時間信息GTOD，并接收來自B碼解碼模塊的B碼時間信息RBTOD，進行解析轉換得到標準的UTC時間，根據高精度授時算法得到有效的UTC時間；

若3種外部時鐘源都丟失，則數據處理單元通過Cortex-M3微處理器中的守時模塊進入守時模式，得到可靠的本地UTC時間，并通過Cortex-M3微處理器對輸入本地秒脈沖的響應，同步輸出UTC時間，實現高精度的對外授時功能。

2.4 信號輸出單元

信號輸出單元包括狀態指示模塊和輸出接口電平轉換模塊，狀態指示模塊是根據輸入的信號指示系統的供電情況及工作狀態；輸出接口電平轉換模塊是通過串口電平轉換電路，實現UTC時間串口輸出，及單引腳電平輸出，實現本地高穩秒脈沖輸出，對外直接實現時間和秒脈沖的校準。

2.5 電源轉換單元

電源轉換單元為整個時間同步裝置的各個功能模塊供電。可以接受的外部電源類型有220 V交流、110 V交流、110 V直流以及48 V直流，然后轉換成+12、+5、+3 V等直流電源。馴服單元對供電電源的紋波特別敏感，為此采用低噪聲的線性電源供電。此外，電源轉換單元還具備熱切換和雙備份，極大地提高該裝置全天候授時的可靠性。

3 多模高精度授時算法

本方案軟件結構主要是基于SmartFusion2芯片的FPGA及Cortex-M3微處理器進行設計，其中FPGA部分主要負責系統復位電路構建、MSS的構建、PPS優選模塊構建和B碼解碼模塊構建，MSS主要負責來自BDS接收模塊和GPS接收模塊的NEMA0183信息接收和解析、來自B碼解碼模塊的B碼時間信息的接收和解析、高精度授時算法實現、授時輸出和狀態指示等。本系統的BDS、GPS和B碼3種授時模式互為備份，其授時模式選擇如圖3所述。

本系統分別接收BDS信息、GPS信息和B碼信息，得到BDS時間和BDS秒脈沖、GPS時間和GPS秒脈沖及B碼時間和B碼秒脈沖，并判定各模式得到的時間和秒脈沖的有效性，以BDS為最高優先級，若BDS時間和BDS秒脈沖有效，則系統進入BDS模式，以BDS時間為系統時間，BDS秒脈沖作為馴服單元的參考輸入，此時系統在響應本地秒脈沖的同時同步輸出系統時間，實現BDS模式的高精度授時；若BDS時間和BDS秒脈沖無效，則判定GPS時間和GPS秒脈沖有效，則系統進入GPS模式，以GPS時間為系統時間，GPS秒脈沖作為馴服單元的參考輸入，此時系統在響應本地秒脈沖的同時同步輸出系統時間，實現GPS模式的高精度授時；若GPS時間和GPS秒脈沖無效，則判定B碼時間和B碼秒脈沖有效，則系統進入B碼模式，以B碼時間為系統時間，B碼秒脈沖作為馴服單元的參考輸入，此時系統在響應本地秒脈沖的同時同步輸出系統時間，實現B碼模式的高精度授時；若B碼時間和B碼秒脈沖也無效，則系統進入守時模式，在系統響應本地秒脈沖的同時，系統時間自動加1 s，并同步輸出系統時間，從而得到不受外部干擾的精確的授時時間，實現高精度授時功能。

4 系統應用

基于SmartFusion2芯片的設計方案中，FPGA部分以Libero SoC v11.0作為軟件開發平臺，采用Verilog HDL硬件描述語言實現設計。Cortex-M3微處理器系統MSS部分則采用Microsemi SoftConsole IDE v3.4作為編程軟件開發平臺，IRIG-B碼信號由上海某公司的時間同步裝置提供。根據本設計方案，接上BDS天線、GPS天線和IRIG-B碼信號，系統上電。采用高精度頻率計數器對系統進行測量，測得結果表明本系統的實際精度約為100 ns。

不論外部時鐘源是否丟失，本系統輸出的授時時間和標準秒脈沖邊沿對齊，且誤差小于600 μs，滿足誤差5 ms的指標。

性能比較如表1所示，所輸出的時間誤差和秒脈沖精度滿足時間同步裝置相應的指標要求。

表1 性能比較

5 結束語

本文分析了基于BDS衛星導航系統的電力時間同步裝置的使用現狀以及存在問題，闡述了基于BDS多模授時技術的時間同步裝置的基本原理，提出在GPS衛星授時的基礎上增加BDS和IRIG-B時碼的多模授時技術，通過在某省電力時間同步裝置上進行技術驗證，該時間同步裝置完全滿足電力高精度時間同步的指標需求，消除了傳統單GPS時間同步裝置對電力系統可能存在的安全隱患，明顯提升了設備的自主性、可靠性和安全性。隨著授時技術的日益發展和時間同步裝置的廣泛應用，多模高精度授時技術具有實際的應用意義。