王伏亮 王寧 葛永高

摘 要：隨著時間同步技術的發(fā)展，目前電力時間同步系統(tǒng)的守時性能參差不齊，部分二次設備（如功角測量、行波故障測距等設備）時間同步精度無法滿足要求。本文提出了采用同步數字體系（Synchronous Digital Hierarchy，簡稱SDH）網絡精密時間同步設備守時方法，設計了與現有設備兼容的實現方案，并進行了實驗室和現場性能驗證，試驗結果表明本文所提出的精密守時方法具有良好的性能以及工程應用前景。

關鍵詞：Synchronous Digital Hierarchy；時鐘；守時；BITS設備

0 引言

目前電力系統(tǒng)主要通過在發(fā)電廠、變電站或者調度端采用GPS/北斗衛(wèi)星時標驅動建立全網統(tǒng)一時間。在衛(wèi)星信號故障、天線受損或者空間電磁場干擾時，時間同步裝置內部通常采用自有恒溫晶振驅動來保持走時的精確性，但工程上大量使用的普通恒溫晶振其長時間運行時時間精度難以保證。

由于功角測量、行波故障測距等設備要求時間精度<1uS，考慮到設備故障恢復、檢修所需的時間，守時精度達到1uS/天是必要的。為此，就長時間守時功能而言，需要更高穩(wěn)定度的頻率源才能滿足運行要求。

目前，在電力系統(tǒng)的SDH光纖網絡一般設有時鐘同步網絡，各個變電站的SDH節(jié)點都有BITS設備或時鐘板恢復精密時鐘，這些SDH網絡時鐘源通常采用銫原子鐘或銣原子鐘作為全局基準時鐘，其頻率精度完全能滿足時間同步系統(tǒng)守時要求，利用這些頻率資源，可實現變電站時間同步系統(tǒng)低成本、精密的守時。

1同步數字體系特性分析

在變電站中有豐富的E1資源，E1的數據位發(fā)送時鐘派生自SDH網絡的基準時鐘，從E1信號中恢復2.048MHz信號作為時間同步裝置的基準頻率源，從裝置設計及工程應用上都具有良好的適應性。本文的守時方案就是基于SDH網絡派生的E1信號為基礎進行設計和分析的。

變電站的E1信號發(fā)送時鐘雖然派生自SDH基準銫原子鐘或銣原子鐘，但是基準時鐘會在SDH時鐘網絡傳輸過程中隨著節(jié)點的增加而品質逐漸變差，從而對精度產生影響，為此需要分析其傳輸特性和技術指標。

綜上所述，影響時間同步裝置守時精度的因數僅為頻率源的頻率精度，而對頻率信號的其它指標要求較低。從SDH網絡派生的E1線路信號，其發(fā)送時鐘正具有頻率精度高，而其它指標相對較差的特點，將其作為精密守時頻率源是非常合適的。

2.精密時間同步守時方案

采用SDH網絡上的E1信號內嵌時鐘作為守時頻率源[8]，須對現有的時間同步裝置進行升級改造。在通信技術領域，時鐘的恢復、切換和幀解碼技術等已非常成熟，有大量芯片可以直接使用。如不考慮工程上設備的升級與兼容性，滿足系統(tǒng)工程化應用的需求，設計了圖1所示方案：

如圖1所示，時鐘同步裝置接入SSM幀，由E1的物理層接口PHY恢復E1線路時鐘后，在FPGA內軟件編程實現幀解碼、信號處理和計時，輸出以裝置恒溫晶振頻率為基準，整秒周期的計數值以及SSM信息給原時間同步裝置，接口可以采用如串口、SPI等任意接口，E1線路接口可作為一個單獨的插件增加到原設備中。時間同步裝置中的E1線路頻率守時仍然依靠恒溫晶振工作，不存在時鐘源切換的問題，精密守時主要依靠軟件實現。

3.精密守時方案驗證

筆者根據上述方法對自有的時間同步裝置進行了改造：增加了E1接口板件，升級了時間同步裝置的軟件，并對精密守時功能進行了較為完整的功能測試。

試驗開始前，確認BITS設備、時間同步設備、時間同步測試儀均已跟蹤GPS，信號良好。確認時間同步測試儀內置銣鐘馴服狀態(tài)已在穩(wěn)定狀態(tài)，啟動測試儀記錄功能，斷開時間同步設備GPS天線，使其進入守時狀態(tài)。連續(xù)七天記錄時間偏差值（性能測試需要，臨時禁用時間同步設備的SSM判別功能）。

由七天連續(xù)試驗的結果可見，最大偏差120nS，時間漂移峰峰（p-p）值160nS，守時性能完全達到且遠遠高于1uS/天的要求，驗證了本文方法的可行性。

4.精密守時方案實測

為了驗證精密守時方法在實際現場的功能正確性與驗證守時的精度，對改造后的時間同步設備進行了現場試用。

時間同步設備接入來自變電站SDH設備的E1-SSM幀（裝置僅接收），其它信號按變電站時間同步設備標準要求接入，用同樣方法記錄守時時間偏差。

通過現場測試時間偏差曲線可以看出，最大偏差280nS，時間漂移峰峰（p-p）值約420nS。與實驗室測試相比，自守時時間精度稍差一些，應與SDH網絡的運行情況有關；但與恒溫晶振自守時情況相比，長時間守時性能則大為改善，完全滿足電力系統(tǒng)中最高1uS/天的守時精度的要求。

5.結論

本文驗證了使用SDH網絡上的頻率資源作為變電站時間同步系統(tǒng)精密守時頻率源的可行性，設計的方案充分考慮了與現有設備的兼容性要求?，F場試驗表明本文的精密守時方法能夠滿足電力系統(tǒng)設備最高守時精度要求，與其它地面時間同步方案[9]相比，不需要建設專用的對時網絡或者系統(tǒng)，具有結構簡單、成本低、工程施工方便、維護簡潔的的優(yōu)點，具有良好的工程應用前景。

參考文獻：

[1] 田鳴，王瑞清. 基于GPS校準的數字式守時鐘守時算法研究[J].計算機與數字工程，2011，03，12-16

[2] 中華人民共和國電力行業(yè)標準.DL/T 280-2012電力系統(tǒng)同步相量測量裝置通用技術條件[S].

[3] 孫洪武，馬濤，葛紅舞，焦群. SDH光通信系統(tǒng)E1通道時間傳遞特性測試分析[J].電力系統(tǒng)通信，