基于同步數(shù)字體系的精密守時(shí)方案的研究

王伏亮 王寧 葛永高

摘 要：隨著時(shí)間同步技術(shù)的發(fā)展，目前電力時(shí)間同步系統(tǒng)的守時(shí)性能參差不齊，部分二次設(shè)備（如功角測量、行波故障測距等設(shè)備）時(shí)間同步精度無法滿足要求。本文提出了采用同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy，簡稱SDH）網(wǎng)絡(luò)精密時(shí)間同步設(shè)備守時(shí)方法，設(shè)計(jì)了與現(xiàn)有設(shè)備兼容的實(shí)現(xiàn)方案，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場性能驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明本文所提出的精密守時(shí)方法具有良好的性能以及工程應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：Synchronous Digital Hierarchy；時(shí)鐘；守時(shí)；BITS設(shè)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(diào)度端采用GPS/北斗衛(wèi)星時(shí)標(biāo)驅(qū)動(dòng)建立全網(wǎng)統(tǒng)一時(shí)間。在衛(wèi)星信號故障、天線受損或者空間電磁場干擾時(shí)，時(shí)間同步裝置內(nèi)部通常采用自有恒溫晶振驅(qū)動(dòng)來保持走時(shí)的精確性，但工程上大量使用的普通恒溫晶振其長時(shí)間運(yùn)行時(shí)時(shí)間精度難以保證。

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

目前，在電力系統(tǒng)的SDH光纖網(wǎng)絡(luò)一般設(shè)有時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)變電站的SDH節(jié)點(diǎn)都有BITS設(shè)備或時(shí)鐘板恢復(fù)精密時(shí)鐘，這些SDH網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘源通常采用銫原子鐘或銣原子鐘作為全局基準(zhǔn)時(shí)鐘，其頻率精度完全能滿足時(shí)間同步系統(tǒng)守時(shí)要求，利用這些頻率資源，可實(shí)現(xiàn)變電站時(shí)間同步系統(tǒng)低成本、精密的守時(shí)。

1同步數(shù)字體系特性分析

在變電站中有豐富的E1資源，E1的數(shù)據(jù)位發(fā)送時(shí)鐘派生自SDH網(wǎng)絡(luò)的基準(zhǔn)時(shí)鐘，從E1信號中恢復(fù)2.048MHz信號作為時(shí)間同步裝置的基準(zhǔn)頻率源，從裝置設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用上都具有良好的適應(yīng)性。本文的守時(shí)方案就是基于SDH網(wǎng)絡(luò)派生的E1信號為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析的。

變電站的E1信號發(fā)送時(shí)鐘雖然派生自SDH基準(zhǔn)銫原子鐘或銣原子鐘，但是基準(zhǔn)時(shí)鐘會在SDH時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中隨著節(jié)點(diǎn)的增加而品質(zhì)逐漸變差，從而對精度產(chǎn)生影響，為此需要分析其傳輸特性和技術(shù)指標(biāo)。

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

2.精密時(shí)間同步守時(shí)方案

采用SDH網(wǎng)絡(luò)上的E1信號內(nèi)嵌時(shí)鐘作為守時(shí)頻率源[8]，須對現(xiàn)有的時(shí)間同步裝置進(jìn)行升級改造。在通信技術(shù)領(lǐng)域，時(shí)鐘的恢復(fù)、切換和幀解碼技術(shù)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(shè)備的升級與兼容性，滿足系統(tǒng)工程化應(yīng)用的需求，設(shè)計(jì)了圖1所示方案：

如圖1所示，時(shí)鐘同步裝置接入SSM幀，由E1的物理層接口PHY恢復(fù)E1線路時(shí)鐘后，在FPGA內(nèi)軟件編程實(shí)現(xiàn)幀解碼、信號處理和計(jì)時(shí)，輸出以裝置恒溫晶振頻率為基準(zhǔn)，整秒周期的計(jì)數(shù)值以及SSM信息給原時(shí)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(gè)單獨(dú)的插件增加到原設(shè)備中。時(shí)間同步裝置中的E1線路頻率守時(shí)仍然依靠恒溫晶振工作，不存在時(shí)鐘源切換的問題，精密守時(shí)主要依靠軟件實(shí)現(xiàn)。

3.精密守時(shí)方案驗(yàn)證

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

試驗(yàn)開始前，確認(rèn)BITS設(shè)備、時(shí)間同步設(shè)備、時(shí)間同步測試儀均已跟蹤GPS，信號良好。確認(rèn)時(shí)間同步測試儀內(nèi)置銣鐘馴服狀態(tài)已在穩(wěn)定狀態(tài)，啟動(dòng)測試儀記錄功能，斷開時(shí)間同步設(shè)備GPS天線，使其進(jìn)入守時(shí)狀態(tài)。連續(xù)七天記錄時(shí)間偏差值（性能測試需要，臨時(shí)禁用時(shí)間同步設(shè)備的SSM判別功能）。

由七天連續(xù)試驗(yàn)的結(jié)果可見，最大偏差120nS，時(shí)間漂移峰峰（p-p）值160nS，守時(shí)性能完全達(dá)到且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1uS/天的要求，驗(yàn)證了本文方法的可行性。

4.精密守時(shí)方案實(shí)測

為了驗(yàn)證精密守時(shí)方法在實(shí)際現(xiàn)場的功能正確性與驗(yàn)證守時(shí)的精度，對改造后的時(shí)間同步設(shè)備進(jìn)行了現(xiàn)場試用。

時(shí)間同步設(shè)備接入來自變電站SDH設(shè)備的E1-SSM幀（裝置僅接收），其它信號按變電站時(shí)間同步設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)要求接入，用同樣方法記錄守時(shí)時(shí)間偏差。

通過現(xiàn)場測試時(shí)間偏差曲線可以看出，最大偏差280nS，時(shí)間漂移峰峰（p-p）值約420nS。與實(shí)驗(yàn)室測試相比，自守時(shí)時(shí)間精度稍差一些，應(yīng)與SDH網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況有關(guān)；但與恒溫晶振自守時(shí)情況相比，長時(shí)間守時(shí)性能則大為改善，完全滿足電力系統(tǒng)中最高1uS/天的守時(shí)精度的要求。

5.結(jié)論

本文驗(yàn)證了使用SDH網(wǎng)絡(luò)上的頻率資源作為變電站時(shí)間同步系統(tǒng)精密守時(shí)頻率源的可行性，設(shè)計(jì)的方案充分考慮了與現(xiàn)有設(shè)備的兼容性要求。現(xiàn)場試驗(yàn)表明本文的精密守時(shí)方法能夠滿足電力系統(tǒng)設(shè)備最高守時(shí)精度要求，與其它地面時(shí)間同步方案[9]相比，不需要建設(shè)專用的對時(shí)網(wǎng)絡(luò)或者系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、工程施工方便、維護(hù)簡潔的的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的工程應(yīng)用前景。

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