張子皿，袁平路

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

準(zhǔn)確的時(shí)間基準(zhǔn)是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證，北京中水科水電科技開發(fā)有限公司監(jiān)控系統(tǒng)事業(yè)部自主研發(fā)的BSS-3系列衛(wèi)星同步時(shí)鐘在水電站已有多年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在水利行業(yè)有良好的口碑，系列定型的模塊包括：脈沖空接點(diǎn)對(duì)時(shí)模塊，IRIG-B 碼對(duì)時(shí)模塊，串口對(duì)時(shí)模塊，PTP對(duì)時(shí)模塊，恒溫守時(shí)模塊，NTP時(shí)間服務(wù)器模塊。為了提高BSS-3系列衛(wèi)星同步時(shí)鐘的電磁兼容性能，對(duì)時(shí)鐘電路板卡的設(shè)計(jì)進(jìn)行了改造升級(jí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)后電路板卡的電磁兼容性得到明顯提高，時(shí)鐘系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定。

1 BSS-3系列衛(wèi)星同步時(shí)鐘裝置介紹

BSS-3系列衛(wèi)星同步時(shí)鐘是采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間發(fā)送的裝置。目前通常采用北斗系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)。北斗授時(shí)時(shí)鐘基于我國(guó)的“北斗二號(hào)”系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)高精度的授時(shí)功能，時(shí)間精度優(yōu)于50 ns。GPS時(shí)鐘基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，當(dāng)GPS衛(wèi)星信號(hào)接收器在收到并鎖定至少4顆衛(wèi)星之后，衛(wèi)星接收器解算設(shè)備所處的地理位置和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，其授時(shí)精度可以達(dá)到20 ns以內(nèi)。目前，大型水電廠通常要求北斗、GPS雙衛(wèi)星接收系統(tǒng)，而且北斗信號(hào)優(yōu)先，為全廠各系統(tǒng)提供高精度的時(shí)間基準(zhǔn)。

時(shí)鐘裝置由標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱、電源模塊、接收天線、衛(wèi)星信號(hào)接收模塊、對(duì)時(shí)信號(hào)輸出模塊等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 時(shí)鐘裝置結(jié)構(gòu)圖

目前水電廠對(duì)時(shí)系統(tǒng)主流的衛(wèi)星時(shí)鐘對(duì)時(shí)方案設(shè)計(jì)都是采用一套主時(shí)鐘系統(tǒng)或兩套熱備的主時(shí)鐘，例如北斗+GPS雙信號(hào)接收作為主時(shí)鐘，根據(jù)設(shè)備的分布位置和數(shù)量，配置多臺(tái)二級(jí)時(shí)鐘裝置組成水電廠全廠統(tǒng)一授時(shí)系統(tǒng)，完成全廠各系統(tǒng)的對(duì)時(shí)任務(wù)。衛(wèi)星同步時(shí)鐘具有高精度守時(shí)模塊，當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)不好或收不到衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，仍可保證高質(zhì)量的對(duì)時(shí)信號(hào)輸出。

2 衛(wèi)星時(shí)鐘電磁兼容優(yōu)化設(shè)計(jì)

在電子裝置中，電子干擾現(xiàn)象是普遍存在的，例如通過共電源地產(chǎn)生的共地阻抗干擾，通過電感或電容產(chǎn)生的耦合干擾，還有高頻電子元件產(chǎn)生的輻射干擾等。為了解決裝置的電磁干擾問題，對(duì)衛(wèi)星時(shí)鐘母板、脈沖板、B碼485板、PTP板進(jìn)行電路改造升級(jí)，將各板卡電磁兼容性（EMC）從2級(jí)提高到4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[1]，具體電路設(shè)計(jì)如下。

2.1 電路設(shè)計(jì)

電源模塊的輸出電壓為DC 5 V，但是在系統(tǒng)中，單片機(jī)CPU的工作電壓為3.3 V，衛(wèi)星接收模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊的工作電壓為3.0～5.0 V，這幾個(gè)模塊的電壓各不相同，為了減少公共電源及公共阻抗的耦合，提高電源的可靠性和抗干擾性，保證各部分正常工作[2，3]，電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 減少電容耦合示意圖

在充分考慮電磁兼容和性能的情況下，將主CPU升級(jí)，主頻從1 MHz提高到72 MHz，時(shí)鐘同步裝置的進(jìn)出線也增加了防浪涌護(hù)設(shè)計(jì)。電源端增加TVS管（電源口首次測(cè)試未表現(xiàn)出故障，不過為了增強(qiáng)電源端口的抗干擾性能，也增加了必要的防護(hù)）和防倒插二極管（防止正負(fù)極接反造成的無法正常工作）。改進(jìn)后的電路如圖3所示。

圖3 增加防護(hù)后的電源入口電路

信號(hào)端增加TVS管，在信號(hào)總線通道中增加自恢復(fù)保險(xiǎn)絲和限流二極管以提高系統(tǒng)可靠性。改進(jìn)后的電路如圖4所示。

圖4 增加防護(hù)后的信號(hào)入口電路

2.2 電磁兼容設(shè)計(jì)

本裝置采用4層電路板，通過設(shè)置專用電源層和接地層為系統(tǒng)提供了最短的回流路線以此來抑制共模干擾，并增加了對(duì)地放電電容，信號(hào)端進(jìn)行了光電隔離處理?？紤]到模塊在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，消耗功率較大，為了降低其對(duì)周圍器件的電磁干擾，將之放在電路板邊緣處，而且在其周圍盡量少放敏感元件。盡量降低接地的阻抗，通過適度加寬地線的寬度可以進(jìn)一步減小接地阻抗，并把數(shù)字部分電路的去耦電容、電感和模擬部分電路的去耦電容、電感分開一定距離布置[4]。

3 試驗(yàn)測(cè)試情況

衛(wèi)星時(shí)鐘同步裝置的EMC試驗(yàn)檢測(cè)是委托中國(guó)電力科學(xué)研究院進(jìn)行的，具有國(guó)家認(rèn)可的檢測(cè)資質(zhì)。

衛(wèi)星時(shí)鐘同步裝置通過了電磁兼容性能檢測(cè)、振蕩波抗擾度檢測(cè)（3～4級(jí)）、電快速瞬變脈沖群抗擾度檢測(cè)（4級(jí)）、工頻磁場(chǎng)抗擾度檢測(cè)（5級(jí)）、脈沖磁場(chǎng)抗擾度檢測(cè)（5級(jí)）、阻尼振蕩磁場(chǎng)抗擾度檢測(cè)（5級(jí)）、射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度檢測(cè)（3級(jí)），其中檢測(cè)電壓等級(jí)±0.5～6 kV，輻射干擾30 MHz～1 GHz，傳導(dǎo)干擾140 kHz～40 MHz，試驗(yàn)結(jié)果滿足電磁兼容EMC判據(jù)3～5級(jí)要求，等級(jí)可達(dá)ClassA。

4 結(jié)論

本項(xiàng)目分析了BSS-3系列衛(wèi)星同步時(shí)鐘系統(tǒng)結(jié)合造成電磁干擾的因素，對(duì)BSS-3系列衛(wèi)星同步時(shí)鐘提出了整體的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，給出了關(guān)鍵環(huán)節(jié)的電路設(shè)計(jì)和電路板抗干擾設(shè)計(jì)，時(shí)鐘裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)后，板卡電路工作更加穩(wěn)定，生產(chǎn)成本得到了降低，更加符合規(guī)模化生產(chǎn)的要求。