基于多源授時原理的高精度同步時鐘研究

趙威 陸海 李澤文 趙雄 孫潔

摘? 要： 隨著我國智能電網(wǎng)建設進程的不斷推進，需要保證各種電力設備以及自動化系統(tǒng)都在同一基準時間下運行，因此保證授時系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定、精確授時是當前的主要目標。針對當前所存在的問題，本文提出一種基于多源授時的高精度同步時鐘授時方案，在正常狀態(tài)下通過北斗時鐘與GPS時鐘提供授時信號，并針對兩者的授時信號的可靠性進行主授時源的選擇，通過衛(wèi)星秒時鐘同步晶振秒時鐘，并通過數(shù)字鎖相環(huán)模塊進行信號誤差處理，最終實現(xiàn)高精度同步時鐘輸出。

關鍵詞： 授時系統(tǒng);同步時鐘;多源授時;數(shù)字鎖相環(huán)

中圖分類號： TP211+.5? ? 文獻標識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.022

本文著錄格式：趙威，陸海，李澤文，等. 基于多源授時原理的高精度同步時鐘研究[J]. 軟件，2019，40（10）：97102

Research on High Precision Synchronous Clock Based on Multi-source Timing Principle

ZHAO Wei1， LU Hai2， LI Ze-wen2， ZHAO Xiong3， SUN Jie4

（1. Yunnan Electric Power Research Institute， Kunming 650217， China; 2. School of Electrical and information Engineering， Changsha

University of Science and Technology， ChangSha 410004， China; 3. Vidali Industrial （Chibi） Co.， Ltd; 4. Chongyang County Education Burea）

【Abstract】： With the continuous advancement of China's smart grid construction process， it is necessary to ensure that all kinds of power equipment and automation systems operate at the same reference time. Therefore， it is the current main goal to ensure reliable， stable and accurate timing of the timing system. Aiming at the current problems， this paper proposes a high-precision synchronous clock timing scheme based on multi-source timing， which provides timing signals through the Beidou clock and GPS clock under normal conditions， and performs the main timing for the reliability of the timing signals of the two. The source is selected， the crystal clock is synchronized by the satellite second clock， and the signal error processing is performed by the digital phase-locked loop module to finally realize the high-precision synchronous clock output.

【Key words】： Timing system; Synchronous clock; Multi-source timing; Digital phase-locked loop

0? 引言

當前我國電力企業(yè)正在積極建設能源互聯(lián)網(wǎng)，其中包括泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設和堅強智能電網(wǎng)建設。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設使得電力用戶側(cè)、電網(wǎng)企業(yè)側(cè)、發(fā)電企業(yè)側(cè)、供應商側(cè)以及作業(yè)人員和設備側(cè)能夠有效的連接在一起，保證數(shù)據(jù)實時有效的共享，通過數(shù)據(jù)的共享能夠更好的為用戶提供更好的服務[1]。堅強智能電網(wǎng)建設需要保證“電力流、信息流、業(yè)務流”統(tǒng)一，其中就需要保證時間同步精度滿足要求。

當前我國的時間同步裝置大多數(shù)是支持GPS接收模塊，但是GPS的系統(tǒng)掌控權被美國軍方控制，當GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)出現(xiàn)問題無法正常工作或者在時局緊張時期美方調(diào)整甚至切斷GPS信號，將會對我國生產(chǎn)生活帶來巨大的影響[2-7]。因此，隨著我國北斗導航系統(tǒng)的正式投入商用，北斗授時技術將在我國各個領域投入使用，諸如智慧城市、交通運輸、氣象探測、授時服務等領域，在電力領域主要應用為北斗電力授時。

因此針對以上安全以及穩(wěn)定性問題，本文提出一種基于GPS、北斗時鐘源授時互備的的穩(wěn)定授時思路，在GPS授時精度達不到要求或者出現(xiàn)穩(wěn)定性問題時自動切換北斗衛(wèi)星為授時源，并且當兩者在極端情況下出現(xiàn)問題時通過調(diào)用歷史數(shù)據(jù)進行授時并通過數(shù)字鎖相環(huán)對授時過程中產(chǎn)生的累積誤差進行優(yōu)化消除保證授時的精度以及穩(wěn)定性。

1? 多源授時系統(tǒng)原理

1.1? 授時系統(tǒng)存在的主要問題

時間同步系統(tǒng)在工作過程中，存在一些關鍵性問題需要進行針對性分析探討，主要存在的問題如下：

（1）可靠性問題：包括對于整個時間體系—時間源、傳遞、授時等被允許依賴的程度級別以及同步訊息、過程的可靠性;

（2）安全性問題：在自然災害或者時局導致的授時隱患;

（3）授時精度問題：授時源精度以及授時信號在傳遞過程中產(chǎn)生的誤差對整體授時精度的影響;

（4）經(jīng)濟性問題：授時系統(tǒng)在建設以及維護產(chǎn)生的費用和設備更新費用等其他費用是主要的經(jīng)濟性問題;

針對我國電網(wǎng)發(fā)展規(guī)模龐大、跨度大的特點，想要實現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行以及進行安全的電力生產(chǎn)活動，需要保證穩(wěn)定可靠精確授時[8-10]，由此進行授時系統(tǒng)方案選擇時，主要需要具備以下特點：

a. 授時源應具備較高的穩(wěn)定性，并且應該由多時鐘源組成，多授時源形成互備，保障在單授時源故障時仍能可靠精確授時;

b. 其次應保證授時源的自主性，避免出現(xiàn)特殊局勢情況下技術受限從而影響電力系統(tǒng)安全運行以及產(chǎn)生電力安全生產(chǎn)隱患;

c. 滿足電力系統(tǒng)對授時精度的需求，盡可能的減小誤差的影響;

d. 在建設授時系統(tǒng)時盡可能的對現(xiàn)有設備進行升級利用，避免資源浪費影響經(jīng)濟性;

1.2? 多源授時原理

當前電力系統(tǒng)授時源主要有：GPS時鐘、北斗時鐘以及晶振時鐘，考慮到單一時鐘源授時，會出現(xiàn)授時精度不足、授時穩(wěn)定性差、安全性不足等問題。因此要解決上述問題實現(xiàn)安全可靠穩(wěn)定授時服務，需要將各時鐘源的優(yōu)點結(jié)合補齊授時短板，最終實現(xiàn)精度更高、完全性更強、穩(wěn)定性更好的對時服務。

本文所采取的授時系統(tǒng)是基于北斗/GPS衛(wèi)星授時模塊進行搭建搭建的，構建智能電網(wǎng)時間同步網(wǎng)為電力系統(tǒng)提供安全可靠的時間基準。其次利用IEEE 1588 v2同步技術和運用當前成熟的電力通信網(wǎng)絡實現(xiàn)以衛(wèi)星授時為主、以本地主時鐘守時搭配通信網(wǎng)絡為輔的“天地”互備授時系統(tǒng)[11-13]。

具體的多源授時原理圖如圖1所示。

多源授時系統(tǒng)在具體工作流程為：

當衛(wèi)星接收裝置正常運作時，電力系統(tǒng)各時間節(jié)點會優(yōu)先選擇衛(wèi)星時鐘進行授時，完成系統(tǒng)內(nèi)各電力電子設備和電子裝置的精準授時，并通過中間通信網(wǎng)絡的同步信號完成各時間節(jié)點的同步信息校驗[14]。

當衛(wèi)星接收裝置處于非正常運行時，基于數(shù)字鎖相環(huán)的同步時鐘會調(diào)整為失步模式，并調(diào)用系? ?統(tǒng)記錄的歷史時間信息進行授時。如果衛(wèi)星接收機在短時間后恢復正常工作，則繼續(xù)采用衛(wèi)星時鐘授時[15-17];如果衛(wèi)星接收機長時間處于非正常工作狀態(tài)，則根據(jù)最佳主時鐘算法在調(diào)度中心或者其他電站選擇授時精度較高的時鐘作為授時時鐘源，并通過電力通信網(wǎng)進行全局的時間同步，避免授時系統(tǒng)出現(xiàn)混亂。

具體的多源授時系統(tǒng)工作流程圖如圖2。

1.3? 時鐘源切換策略

同步時鐘授時源從空間位置上可以分為天基部分以及地基部分，其中天基部分主要由北斗衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星授時系統(tǒng)構成，地基部分由地面時鐘源、網(wǎng)絡時鐘以及通信網(wǎng)絡組成[18]。

同步時鐘授時過程中需要根據(jù)時鐘源實際的授時精度來進行調(diào)整切換，因此整體的切換策略分為天基授時源切換策略以及天基授時無效時的時源切換切換策略。當前運用的同步時鐘切換優(yōu)先級如表1所示。

由上表可知，當天基授時源正常工作時，會優(yōu)先使用北斗衛(wèi)星時鐘作為時鐘源進行授時，并同時使用GPS衛(wèi)星時鐘作為后備時鐘源，后備時鐘源切換僅僅是在檢測到同步時間信號異常或者主時鐘源授時異常時進行切換，由此保證授時的穩(wěn)定可靠性，其次當主授時源通過自檢完成授時恢復時，會重新切換至主授源授時。

當天基授時系統(tǒng)工作異常時，會通過將同步時鐘置于失步運行模式，同時調(diào)用歷史授時數(shù)據(jù)來進行準確授時，當天基授時源恢復時重新啟用衛(wèi)星授時。

2? 基于多源授時原理的高精度同步時鐘

2.1? 時鐘誤差特性分析

同步時鐘在進行授時操作時會受到各種因素影響從而使得授時精度產(chǎn)生偏差，晶振時鐘由于自身特點在長時間工作時會產(chǎn)生累積誤差，因此我們需要對時鐘誤差進行可靠的分析并提出相應的消除修正方法，從而有效的提高授時的可靠性。

2.1.1? 衛(wèi)星時鐘誤差分析

衛(wèi)星接收機接收衛(wèi)星信號，并輸出與UCT時鐘同步的秒脈沖信號。從個體分析，其誤差具備不固定性，具體表現(xiàn)為左右擺動。從整體分析，誤差服從標準差為的正態(tài)分布，當樣本個數(shù)為時，可得：

（1）

對于n個秒時鐘序列，對應的隨機偏差為，而標準的秒時鐘為，因此

（2）

其中

隨機誤差平均值為：

（3）

根據(jù)分析可知，衛(wèi)星時鐘雖然具有隨機誤差，但是在長時間下，衛(wèi)星時鐘的累積誤差接近于零，這從某些方面說明衛(wèi)星時鐘具備著長時間授時穩(wěn)定性好但短時穩(wěn)定性較差的授時特性。

其中為標準時鐘，為晶振時鐘，為衛(wèi)星時鐘。

2.1.2? 晶振秒時鐘誤差

晶振能夠產(chǎn)生不同電路需求的振蕩頻率，因此，為了研究晶振的誤差特性，令一個周期T內(nèi)的脈沖頻率為，可得公式：

（4）

其中，為晶振秒時鐘，為晶振的振蕩次數(shù)。

一般實際運用中使用的晶振是高穩(wěn)恒溫晶振，這種類型的晶振能夠?qū)崿F(xiàn)較高的穩(wěn)定頻率輸出，因此晶振時鐘具備隨機誤差小的特點。

設不同時刻的晶振秒時鐘序列依次為 ，其中，與UCT的誤差初值為a，此后每秒內(nèi)增加的時間誤差為b。標準秒時鐘為，因此，可得到一秒內(nèi)的相對時間偏差分別：

（5）

由公式可知，在計時開始時刻，值相對偏小，而隨著時間的增加，值不斷增大，在較長的時間后，晶振已具有明顯的累計誤差[19]。

2.1.3? 其他誤差分析

同步時鐘誤差除了衛(wèi)星時鐘誤差以及晶振秒時鐘誤差之外，在整個時間信號傳遞過程中同樣存在其他誤差，這些誤差也是影響其授時精度的影響因素之一。

（1）傳輸過程誤差

脈沖信號在進行較長距離的傳輸時，會不可避免的通過電纜以及數(shù)字電路，這會產(chǎn)生一定的相對固定的延時。

（2）運行誤差

同步時鐘在進行現(xiàn)場運行時，在一定程度上會受電磁干擾，這些干擾會使得衛(wèi)星信號接收機接? 收到的信號中含有干擾信號，從而干擾到時鐘同步精度。

（3）衛(wèi)星時鐘失效誤差

當前時鐘應急處理機制中，當衛(wèi)星時鐘信號接收機無法正常的進行接收操作時，偽脈沖信號發(fā)送裝置會向接收機發(fā)送誤差相對較大的時間信號，這會較大程度上降低同步精度，由此需要進行偽脈沖信號判別以及相應的偽脈沖信號誤差修正。

2.2? 高精度同步時鐘實現(xiàn)原理

衛(wèi)星時鐘秒脈沖存在隨機誤差，該脈沖的上升沿一般是在標準時鐘UTC上升沿左右進行波動，因此可以以此時鐘源信號作為主時鐘源并同步晶振秒脈沖信號。

針對兩種時鐘特性互補的特點，本文擬采取高精度數(shù)字鎖相環(huán)原理來利用衛(wèi)星時鐘作為輸入時鐘信號源來同步晶振時鐘，基于數(shù)字鎖相環(huán)原理的同步時鐘授時原理框圖如圖4所示。

其中主要功能實現(xiàn)模塊主要由脈沖狀態(tài)檢測模塊、相位比較模塊、濾波模塊、晶振模塊、晶振校正模塊、分頻控制模塊、分頻模塊、守時模塊、顯示模塊、中央處理單元、衛(wèi)星時鐘接收機組成。

在整個功能模塊中，脈沖狀態(tài)監(jiān)測模塊對整體的時鐘模塊起到監(jiān)測接入信號是否正常的作用。

當1PPS信號檢測正常時，會通過相位比較模塊進行相位比較并產(chǎn)生能夠有效表征輸入、輸出信號相位滯后或超前的信息，并傳遞到濾波模塊來進行濾波處理以輸出相位差輸出信號。

當1PPS信號檢測不正常時，會通過守時模塊調(diào)用歷史分頻參數(shù)并結(jié)合晶振產(chǎn)生新的分頻控制系數(shù)，來保證PPS信號的準確可靠輸出。濾波模塊產(chǎn)生的相位差輸出信號會被作為分頻控制模塊的輸入信號，通過控制相位校正精度達到對干擾噪聲和高頻分量的有效抑制作用，最終輸出分頻器的控制參數(shù)并將該參數(shù)傳遞到分頻模塊和守時模塊中[20]。晶振校正模塊和晶振模塊會作為分頻控制模塊的輔助決策模塊，保證分頻器的控制參數(shù)的有效性。

最終會通過分頻模塊輸出進行修正過的高精度秒脈沖信號即PPS脈沖，由于晶振的工作特性存在累積誤差，為避免由于晶振累積誤差導致較大的授時誤差，因此需要在以UCT時鐘為基準的前提下，對1PPS、PPS脈沖信號進行相位關系檢測，相位比較圖如圖5所示。

其中為為校正脈沖，只出現(xiàn)在1PPS的初始時刻。當出現(xiàn)在PPS的高電平部分（如2、5、6、7秒），則表明PPS的相位超前1PPS相位，一般處理方法是通過分頻控制模塊調(diào)整分頻系數(shù)加1，使得輸出的PPS周期加長頻率降低，從而實現(xiàn)PPS的滯后。同樣當出現(xiàn)在PPS的低電平部分（如3、4秒），則表明PPS的相位滯后1PPS相位，一般處理方法是通過分頻控制模塊調(diào)整分頻系數(shù)減1，使得輸出的PPS周期變短頻率升高，從而實現(xiàn)PPS的超前。當PPS連續(xù)n次超前（或滯后）1PPS時，分頻系數(shù)則會保持加1（或減1），直至n個晶振周期。

經(jīng)過上述的相位校正后，通過分頻模塊則可以輸出較高精度的PPS脈沖信號。

2.3? 誤差修正

由上文可以得出，通過晶振秒脈沖時鐘與衛(wèi)星時鐘特性互補，可以由晶振輸出精度較高的PPS信號，并且在足夠大時，可以通過調(diào)整合適的分頻系數(shù)有效的消除晶振的累積誤差[21]。由于衛(wèi)星1PPS信號在作為信號輸入源時其自身存在隨機誤差，因此在晶振同步輸出的PPS信號同樣存在一定程度的隨機誤差。

分頻控制模塊在接收到濾波模塊經(jīng)過濾波處理過的1PPS脈沖信號后，根據(jù)相位比較模塊產(chǎn)生的相位比較結(jié)果產(chǎn)生增減脈沖，即當PPS超前于1PPS時產(chǎn)生增脈沖，當PPS滯后于1PPS時產(chǎn)生減脈沖，最后根據(jù)增減脈沖調(diào)節(jié)分頻系數(shù)。

為了有效的修正PPS脈沖信號的隨機誤差，防止其跟隨輸入1PPS隨機誤差波動，本文在進行分頻系數(shù)調(diào)節(jié)時是禁止連續(xù)在同一方向調(diào)節(jié)分頻系數(shù)，具體的調(diào)節(jié)方法如下：

（1）當產(chǎn)生的是增脈沖時，（為標準晶振分頻系數(shù)）時，，并對后續(xù)的秒脈沖采取滯后操作;時，，對后續(xù)的秒脈沖不采取其他操作。

（2）當產(chǎn)生的是減脈沖時，時， ，對后續(xù)的秒脈沖不采取其他操作;時，，并對后續(xù)的秒脈沖采取滯后操作。

通過上述操作能夠有效的避免PPS連續(xù)的左右移動產(chǎn)生較大的隨機誤差，并且能夠可靠的保證PPS的隨機誤差在一個晶振周期內(nèi)。

3? 仿真驗證

對于本文所采取的方法，擬采取CPLD模塊以及MAX PLUSⅡ?qū)崟r仿真軟件進行仿真實驗，其中信號源采取100HZ的信號源，仿真總時長為50ms，具體仿真結(jié)果如圖7所示。

由上述仿真波形可以可看出，圖（1）、（2）衛(wèi)星時鐘處于正常工作狀態(tài)，其中輸入1PPS脈沖信號波形大約滯后輸出PPS脈沖波形6.5ns。圖（3）、（4）衛(wèi)星時鐘處于非正常工作狀態(tài)，由守時模塊調(diào)用歷史數(shù)據(jù)進行授時，其中輸入1PPS脈沖信號波形大約滯后輸出PPS脈沖波形7.3ns。由上述兩仿真結(jié)果可以清晰的看出，本文所采取的同步時鐘方案在兩種情況下，都能夠較好的保證授時延時不超? 過一個計數(shù)周期，誤差結(jié)果能夠滿足實際工程授時要求。

4? 結(jié)語

本文針對當前授時系統(tǒng)所存在的可靠性、安全性、精確性問題，提出了一種基于多源授時原理的高精度同步時鐘實現(xiàn)方案，利用北斗衛(wèi)星時鐘的完全自主權保證在極端情況下仍能保證授時的可靠

（1）衛(wèi)星秒脈沖上升沿到來時的仿真波形 （2）衛(wèi)星秒脈沖下降沿到來時的仿真波形

（3）衛(wèi)星時鐘失步后PPS上升沿的仿真波形 （4）衛(wèi)星時鐘失步后PPS下降沿的仿真波形性、安全性，并且通過北斗衛(wèi)星與GPS衛(wèi)星授時源互備在一定程度上大大的提高了授時的精度以及可靠性[22-26]。其次，本文所采用的同步時鐘方案是基于全數(shù)字鎖相環(huán)原理，能夠很好的利用衛(wèi)星時鐘以及晶振秒脈沖時鐘的誤差特性并形成互補，并且能夠在衛(wèi)星時鐘全部失效的情況下實現(xiàn)高精度守時，從而有效的提升了授時的精確性、穩(wěn)定性及可靠性。

參考文獻

[1]劉振亞. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)[M]. 北京： 中國電力出版社， 2015.

[2]徐亮， 毛征波， 潘建喬， 吳迪， 陶建峰. GPS失步引起10kV備自投裝置異常告警的分析與處理[J]. 中國電業(yè)（技術版）， 2015（5）： 7-9.

[3]Graham W P. Analysis of a nonlinear least squares procedure used in global positioning systems[J]. IEEE Transactions on Signal Processing， 2010， 58（9）： 5426-5434.

[4]王力， 吳茜. 北斗授時技術在高速鐵路信號系統(tǒng)地面設備時鐘同步中的應用[J/OL]. 鐵道標準設計： 1-6[2019-07- 04].

[5]Stefano R， Davide D G， Paolo F， et al. Time synchronization over heterogeneous network for smart grid application： design and characterization of a real case[J]. Ad Hoc Networks， 2016， 50（3）： 41-57.

[6]Andrea C， Nicola L， Carlo M. GPS-based system for the measurement of synchronized harmonic phasors[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2009， 58（3）： 586-593.

[7]金鳳楠. 北斗時鐘同步系統(tǒng)在油田熱電廠的應用研究[J]. 電氣自動化， 2016， 38（5）： 31-33.

[8]王延年， 宋小偉. 高精度時鐘同步系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)策略[J]. 國外電子測量技術， 2018， 37（3）： 30-33.

[9]李澤文， 鄒彬， 趙廷， 杜昱東， 郭田田. 基于偏最小二乘回歸的高精度同步時鐘[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學報， 2019， 31（1）： 1-6.

[10]胡愛華， 鄧中亮， 張耀. 基于改進TPSN和卡爾曼濾波的時間同步算法[J]. 現(xiàn)代電子技術， 2018， 41（13）： 5-9.

[11]趙廷， 李澤文， 鄒彬， 賀子凝， 任申. 衛(wèi)星時鐘與網(wǎng)絡時鐘互備的廣域時間同步方法[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 2017， 41（14）： 202-207.

[12]吳蜀協(xié). 北斗GPS雙源同步時鐘在百龍灘電廠中的應用[J]. 紅水河， 2017， 36（4）： 98-100.

[13]邢燕， 陳永奇， 胡永輝. 基于數(shù)字技術的高精度守時系統(tǒng)[J]. 宇航計測技術， 2014， 34（6）： 55-60.

[14]李澤文， 楊京俞， 彭署蓉等. 智能電網(wǎng)高精度時間同步方法[J]. 電力科學與技術學報， 2011， 26（3）： 35-39.

[15]陳園園， 劉玉春. 基于GPS與恒溫晶振的瞬變電磁同步時鐘系統(tǒng)[J]. 工礦自動化， 2017， 43（3）： 10-15.

[16]趙漢啟， 胡立生. 基于硬件授時的精確時鐘同步方法[J]. 化工自動化及儀表， 2017， 44（6）： 595-598+604.

[17]張國琴， 吳玉蓉. 基于GPS校準晶振的高精度時鐘的設計[J]. 儀表技術， 2010（4）： 23-27.

[18]黃翔， 江道灼. GPS同步時鐘的高精度守時方案[J]. 電力系統(tǒng)自動化， 2010， 34（18）： 74-77.

[19]宣宗強， 孫小莉， 劉晨等. 衛(wèi)星同步時鐘的設計[J]. 西安電子科技大學學報（自然科學版）， 2013， 40（4）： 125-129.

[20]邢燕， 陳永奇， 胡永輝. 基于數(shù)字技術的高精度守時系統(tǒng)[J]. 宇航計測技術， 2014， 34（6）： 55-60.

[21]竇強， 蔡欣榮. 基于北斗、短波的高精度時鐘系統(tǒng)研究與設計[J]. 指揮控制與仿真， 2013（35）6： 130-133.

[22]梁子鑫. 探討新時代背景下新興技術在人工智能中的應用[J]. 軟件， 2018， 39（7）： 166-169.

[23]李磊. 數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡安全維護策略探討[J]. 軟件， 2018， 39（7）： 191-193.

[24]劉明. 計算機技術應用下的電氣自動化控制系統(tǒng)設計分析[J]. 軟件， 2018， 39（6）： 170-173.

[25]左黎斌， 何傲， 王昕， 等. 基于FCM聚類算法的電能表標準裝置監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與研究[J]. 軟件， 2018， 39（6）： 89-95.

[26]陳世游， 陸海， 蘇適. 基于復雜氣候地理條件下風機出力特性研究[J]. 軟件， 2018， 39（5）： 94-100.