北斗+GPS雙源授時在五強溪水電廠的應用

陳金鑫，鄧盛名，余 斌，李華喜，康志遠

（1.國家電投水電產業創新中心，湖南 長沙 410004；2.湖南省水電智慧化工程技術研究中心，湖南 長沙 410004）

1 引言

水電廠電力時間同步即通過高精度、高可靠的時間同步系統為電廠內外部的自動設備及智能設備提供統一的時間基準[1]。時間同步可從源頭上保證水電廠各生產運行環節的時間統一，從而提升緊急事故分析能力與機組穩定控制水平，提高水電廠生產運行效率和可靠性。目前水電廠廣泛使用的時間同步系統大多基于GPS授時，普遍存在以下問題：由于GPS核心技術受控于美國，其授時的安全性與可靠性都缺乏保證；水電廠各裝置或系統擁有各自獨立的GPS時鐘，相互之間存在數據壁壘，導致時間同步結果混亂[2]。北斗衛星導航系統由我國自主研發，核心技術完全掌握，其授時精度與安全性有更好的保障。采用北斗+GPS雙源授時系統對現有水電廠的單GPS授時系統進行改造，對于逐漸擺脫國外技術依賴，增強水電廠時間同步系統的可靠性，推動關鍵設備自主可控化替代工作具有重大意義。

2 北斗衛星導航系統與GPS

北斗衛星導航系統由中國自主研發、獨立運行，與現有的美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟Galileo系統并稱為全球四大衛星導航系統[3]。北斗衛星導航系統主要由空間端、地面端和用戶端3個部分組成。其中，空間端包括3顆靜止軌道衛星、3顆傾斜地球軌道衛星和24顆中圓軌道衛星。地面端主要通過主控站、注入站和監測站接收來自B1、B2、B3頻段的5個公開服務信號；用戶端主要包括具備導航、定位、通信、授時等功能的北斗用戶終端及兼容其他衛星導航系統的終端。北斗導航系統對其服務區內的用戶可提供免費的定位、測速及授時服務，定位精度優于10 m，授時精度優于50 ns，測速精度優于0.2 m/s[4]。

GPS是當今世界上最為成熟穩定的全球定位系統，包括了24顆空間段衛星、覆蓋全球的地面站和不計其數的用戶終端[5，6]。GPS衛星采用了隸屬于L波段的L1與L2載波信號，L波段的高頻率載波特性能夠保證多普勒頻移和載波相位測定的準確性，從而提高衛星測速和定位的精度。GPS受控于美國軍方，提供包括導航、定位、授時等軍民兩用的服務。目前，GPS在世界各大機場、港口等導航應用熱點地區有著廣泛的應用，在維持這些場所運行的安全性、可靠性等方面發揮了不可替代的作用。表1是北斗系統與GPS性能對比表。

表1 北斗與GPS性能對比表

可以看出，北斗系統與GPS相比整體上存在以下優勢：在衛星數方面，北斗系統的衛星種類、數量高于GPS；在總體功能方面，北斗系統支持區域短報文與全球短報文功能，而GPS不具備此功能；在授時方面，北斗系統授時精度高，能提供比GPS更為精確的授時服務，授時方式先進，同時具備50 ns的單向授時精度和20 ns的雙向授時精度。

3 衛星授時原理

授時是衛星導航系統的一項基本服務，具有受眾面廣、精確度高、穩定性強等優點，是目前水電廠主要的授時方法。其中，高精度的星載原子鐘和地面監測站的高精度時間尺度是支撐授時技術實現的關鍵。以GPS為例，每一顆衛星上都搭載了原子鐘，地面監控中心和主控中心也配置了原子鐘，通過閉環校準系統能夠保證各個衛星的星載原子鐘與GPS主鐘保持完全一致。

衛星授時的本質是將衛星作為時間基準源或轉發中介，當用戶接收衛星信號后，通過時延補償等計算在本地還原得到原始時間。UTC(Universal Time Coordinated)即協調世界時是世界用戶公用的時間同步基準，衛星導航系統各自擁有獨立的系統時間，衛星系統時間與UTC時間的差值一般保持在一定范圍內且為固定值。因此，當用戶接收衛星信號時，可以通過定位、定時算法解算出接收機鐘差從而恢復出導航系統的時間，再根據衛星導航系統與UTC時間的差值求得對應的UTC時間，從而實現時間同步。圖1為衛星授時原理圖。用戶即指衛星接收終端的使用者，衛星1～衛星4代表了搭載各自原子鐘系統的導航衛星。為實現用戶的授時，需要先得到用戶的三維位置坐標（X0，Y0，Z0）和用戶時間與衛星系統時間的差值 ，具體計算可通過式（1）得到。

圖1 衛星授時原理圖

式中，R為偽距，表示用戶與衛星的幾何距離；c為光速；Δt為傳播時延；（xi，yi，zi）（i=1,2,3,4）表示第i顆衛星的三維坐標；（x0，y0，z0）為用戶接收機所在的三維坐標。

根據星歷數據解算可以得到衛星的三維坐標，進而求得用戶的三維坐標與傳播時延，通過用戶時間推導衛星系統的時間，就完成了用戶的授時。

4 北斗+GPS雙源授時系統應用

五強溪水電廠原有時間同步系統采用GPS單系統授時，存在以下問題：原授時系統服務接口數較少，隨著水電廠設備日益增加無法滿足服務擴展的需求；授時系統服役年限久、版本低，功能不夠完善，沒有實現全廠設備的時間同步；采用GPS單衛星系統授時，授時服務經常受到環境等因素制約，安全性與可靠性沒有充分保障。為解決以上問題，采用北斗+GPS雙源授時進行升級改造，提高時間同步系統的精確度與可靠性。圖2為五強溪北斗+GPS雙源授時系統圖。

圖2 強溪北斗+GPS雙源授時系統圖

五強溪北斗+GPS雙源授時系統采用了北斗和GPS信號集中接收、分層、分布開放式的網絡結構，包括信號層、授時層、擴展層和應用層。信號層主要用于獲取原始衛星信號與網絡時間服務，包括兩組北斗天線和GPS天線，統一部署于副廠房樓頂用于接收衛星信號，每組天線均配置防雷保護器，信號層同時通過以太網接收NTP服務。授時層用于提供統一基準的授時服務，主要包括兩臺主時鐘，每臺時鐘裝置均配備北斗和GPS天線、熱備交直流雙電源、高精度恒溫守時時鐘，兩臺主時鐘之間通過光纖互備，每臺主鐘均配備20路光纖輸出端口，用于對外提供授時服務。根據電廠的工程布置和光纖敷設情況，授時層設在計算機監控機房。擴展層通過時鐘擴展裝置構成從站，全廠共設10臺擴展裝置（分別位于1～5號機旁小室、繼保室、中控室、擴機廠房），每臺擴展裝置均配備兩路光纖輸入端口，用于接收主時鐘提供的授時服務。應用層主要涉及需要進行時間同步服務的具體系統及設備，包括計算機監控系統LCU、PMU、勵磁系統、調速器系統等。

北斗+GPS雙源授時系統具備雙源授時自動切換、運行狀態智能分析、授時狀態實時告警、多路網絡獨立IP、多類型服務接口、系統日志自主導出等特點。

（1）雙源授時自動切換

優化信號接收，授時系統在工作時可根據實際搜星情況自動二選一選擇北斗、GPS進行接收，且優選接收北斗衛星信號。雙衛星信號授時模式有利于保證授時服務的精確性與容錯率，增強授時系統的穩定性與可靠性。

（2）運行狀態智能分析

系統根據實時搜星結果與衛星信號質量對當前的授時可靠性進行分析并給出當前狀態等級，并結合歷史運行信息進行關聯規則挖掘，為系統優化提供輔助性建議。運行狀態智能分析基于大數據及人工智能算法進行數據分析，有利于授時系統的優化與改進，為運維人員工作提供決策依據。

（3）授時狀態實時告警

系統的告警功能主要包括電源異常告警、B碼信號異常告警、GPS/北斗信號異常告警等，及時對授時服務可能出現的問題進行反饋。多源多路告警功能有利于對授時系統突發狀況進行快速定位，重點解決，減少系統故障維護時間。

（4）多路網絡獨立IP

系統采用以太網方式輸出NTP服務作為時間同步服務器，對上位機網絡中的設備進行統一校時。多路網絡獨立IP功能可設置裝置的IP地址，當衛星信號丟失時，作為二級時間服務器，提高系統突發情況反應能力，保證系統的應急授時能力。

（5）多類型服務接口

系統具有豐富的接口：支持光纖對時輸出接口，通過光纖進行對時；支持多路RS232、RS485輸出，波特率（1200，2400，4800，9600）可自主設置；支持IRIG-B格式輸出，包括直流偏置輸出與正弦調制輸出；支持秒脈沖、分脈沖、時脈沖等多路脈沖輸出；支持DCF77格式輸出，支持西門子、施耐德等主流廠商的對時信號。豐富的接口有利于提升授時系統不同型號、不同類型設備的兼容能力，為實現全廠設備的時間同步提供服務接口支撐。

（6）系統日志自主導出

系統將歷史運行信息及操作日志以結構化與非結構化形式存儲在本地服務器數據庫，并支持關鍵信息自主組裝與快速導出，方便運行人員進行相關分析。

5 結語

采用北斗+GPS雙源授時系統對五強溪原有授時系統進行升級改造，經運行檢驗，改造后系統安全可靠，效果良好。北斗系統替代GPS是保障國家安全的本質要求，也是推動自主創新的必然趨勢，五強溪北斗+GPS雙源授時應用實踐對行業內相關項目的開展具有一定的借鑒意義。