基于時(shí)頻遷移辨識(shí)的電力時(shí)間同步設(shè)備偽授時(shí)防控

文 博，陳祉薇

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.國(guó)網(wǎng)湖北送變電工程有限公司，湖北 武漢 430060）

0 引言

電力時(shí)間同步設(shè)備，集成了衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)和導(dǎo)航定位應(yīng)用，可以提供“統(tǒng)一時(shí)間、統(tǒng)一空間”服務(wù)，是智能電網(wǎng)安全精益運(yùn)營(yíng)重要基礎(chǔ)［1-15］。

目前，異常衛(wèi)星發(fā)出的虛假衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)（以下簡(jiǎn)稱“偽授時(shí)”）能夠引起時(shí)間同步設(shè)備輸出授時(shí)信號(hào)的時(shí)間值跳變和時(shí)頻特性改變，可能導(dǎo)致調(diào)控主站偏離調(diào)度計(jì)劃，甚至發(fā)出錯(cuò)誤調(diào)控指令，從而危害電網(wǎng)穩(wěn)定、機(jī)組安全運(yùn)行［16-25］。

本文綜合時(shí)間同步設(shè)備結(jié)構(gòu)原理、偽授時(shí)信號(hào)特征分析，研究了時(shí)間同步設(shè)備的偽授時(shí)防控技術(shù)［26-30］。實(shí)現(xiàn)了多源判決、故障隔離的時(shí)間同步設(shè)備偽授時(shí)防控功能，并現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證了偽授時(shí)防控技術(shù)可行性。

1 時(shí)間同步系統(tǒng)及時(shí)頻辨識(shí)原理

1.1 時(shí)間同步系統(tǒng)簡(jiǎn)介

電力時(shí)間同步設(shè)備，可依據(jù)衛(wèi)星信號(hào)或主站授時(shí)信號(hào)為站域時(shí)鐘源，主要以以太網(wǎng)、IRIG-B 授時(shí)信號(hào)統(tǒng)一主、子站范圍內(nèi)的二次設(shè)備時(shí)鐘，時(shí)間同步系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 電力時(shí)間同步系統(tǒng)Fig.1 Power time synchronization system

時(shí)間同步設(shè)備內(nèi)部，可大致劃分為授時(shí)輸入、信號(hào)處理和授時(shí)輸出等3個(gè)部分，如圖2所示。

圖2 時(shí)間同步設(shè)備內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Internal circuit structure of time synchronization equipment

授時(shí)信號(hào)輸入電路，一般為分別接入北斗、GPS、IRIG-B授時(shí)信號(hào)類型的集成或分離方式的電路，通常分別將輸入授時(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)換為TTL 和串口信號(hào)，輸出至?xí)r鐘信號(hào)處理電路；時(shí)鐘信號(hào)處理電路，一般按北斗、GPS、IRIG-B優(yōu)先級(jí)順序選擇工作時(shí)鐘源，同步內(nèi)部時(shí)鐘、處理生成授時(shí)報(bào)文和控制電路接口信號(hào)，連接至授時(shí)信號(hào)輸出電路；授時(shí)信號(hào)輸出電路，依據(jù)授時(shí)報(bào)文和電路接口信號(hào)轉(zhuǎn)換成各種授時(shí)信號(hào)輸出。

1.2 時(shí)頻辨識(shí)原理簡(jiǎn)介

時(shí)間同步設(shè)備，通常采用IRIG-B信號(hào)作為精密授時(shí)信號(hào)，向二次設(shè)備（測(cè)量、控制、保護(hù)等）授時(shí)。其中，IRIG-B信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的時(shí)頻特性應(yīng)一致，一般用起始沿精度誤差衡量，大都要求誤差小于1 μs，并且IRIG-B信號(hào)攜帶的時(shí)間信息值也應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)一致。

授時(shí)信號(hào)輸入電路，一般可直接采用相應(yīng)授時(shí)模塊的實(shí)現(xiàn)方式，大多可處理為輸出至處理電路的兩種內(nèi)部信號(hào)：

1）頻率脈沖信號(hào)（1PPS），TTL 標(biāo)準(zhǔn)電平形式、1次/s且與標(biāo)準(zhǔn)1PPS信號(hào)時(shí)頻特性相符；

2）串行信號(hào)（簡(jiǎn)稱，NMEA 信號(hào)），通常電平遵循RS232標(biāo)準(zhǔn)、導(dǎo)航電文信息幀采用NMEA標(biāo)準(zhǔn)，攜帶的時(shí)間信息值通常表述最近超前本NMEA 信號(hào)的1PPS起始沿時(shí)刻。

偽授時(shí)導(dǎo)致模塊異常輸出，影響設(shè)備授時(shí)信號(hào)正常輸出，一般可劃分為3種類型：

1）無1PPS 或/和NMEA 信號(hào)失效（如，波特率改變、數(shù)據(jù)幀不完整），目前大多數(shù)設(shè)備的處理電路一般都能辨識(shí)并及時(shí)切換至其它時(shí)鐘源輸入電路，并保障設(shè)備輸出平穩(wěn)、正確并發(fā)出告警；

2）1PPC信號(hào)時(shí)頻特征相對(duì)1PPS時(shí)間異步（如，相位、頻率改變），可導(dǎo)致授時(shí)輸出逐步偏離標(biāo)準(zhǔn)要求；

3）NMEA 信號(hào)攜帶的時(shí)間值異常，可引起授時(shí)輸出攜帶的時(shí)間值跳變或停滯。

如圖3 所示，可基于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步信號(hào)（NTC、IRIG-B）時(shí)頻特性以及時(shí)鐘走時(shí)連續(xù)性，通過監(jiān)測(cè)1PPS 的時(shí)頻特征（f、α）結(jié)合NMEA 信號(hào)響應(yīng)遲延離散度（β）及其攜帶的導(dǎo)航定位信息，可以辨識(shí)出偽授時(shí)。通過在時(shí)間同步設(shè)備輸入端口施加偽信號(hào)，考核Δ 與標(biāo)準(zhǔn)要求的一致性，可檢測(cè)時(shí)間同步設(shè)備偽授時(shí)防控能力。

圖3 偽授時(shí)的時(shí)頻特性辨識(shí)原理Fig.3 Identification principle of time-frequency characteristic of pseudo timing

基于信號(hào)時(shí)頻特征分析的偽授時(shí)欺騙辨識(shí)，既可以防控偽授時(shí)欺騙、干擾，也防御了外部故障授時(shí)（IRIG-B時(shí)鐘源）影響。

2 基于多源比對(duì)的設(shè)備偽授時(shí)防控

在時(shí)間同步設(shè)備內(nèi)部，輸入電路和處理電路之間，增加偽授時(shí)防控時(shí)頻分析回路（多源診斷模塊），如圖4所示，通過時(shí)間特征和頻率特性檢測(cè)，供處理電路實(shí)現(xiàn)多源選擇和作出時(shí)間源異常判決。

圖4 偽授時(shí)防控結(jié)構(gòu)原理Fig.4 Structure principle of pseudo timing prevention

2.1 時(shí)間特征防偽檢測(cè)

時(shí)間同步設(shè)備時(shí)間檢測(cè)如圖5 所示，時(shí)間同步設(shè)備對(duì)各路輸入源信號(hào)進(jìn)行解碼，對(duì)解析后的時(shí)間碼信息與本地時(shí)間進(jìn)行比較，攜帶異常時(shí)間信息的時(shí)間源將被標(biāo)識(shí)和屏蔽。

圖5 多源偽時(shí)間信息診斷原理圖1Fig.5 Schematic diagram I of multi-source pseudo time information diagnosis

當(dāng)異常時(shí)間源恢復(fù)正常后，診斷模塊仍將進(jìn)行一段時(shí)間的跟蹤識(shí)別，直到確認(rèn)該異常時(shí)間源穩(wěn)定、可靠才允許參與多源選擇邏輯運(yùn)算。

時(shí)間信息檢查診斷模塊完成常規(guī)時(shí)間源時(shí)間信息的解碼校驗(yàn)，以及時(shí)間源有效性檢查工作。若時(shí)間信息檢查無異常則通知可信時(shí)間源授權(quán)認(rèn)證可信，認(rèn)證后的可信時(shí)間輸入源參與多源選擇邏輯運(yùn)算。

2.2 時(shí)頻特征防偽檢測(cè)

時(shí)間同步設(shè)備時(shí)頻檢測(cè)如圖6 所示，對(duì)各路輸入源信號(hào)的脈沖時(shí)刻信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)捕捉，對(duì)其脈沖間隔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)結(jié)合設(shè)備本地對(duì)下一次脈沖來臨的預(yù)測(cè)時(shí)刻，診斷出該輸入源的有效性，診斷模塊檢測(cè)到與本地時(shí)刻不一致的脈沖信號(hào)將被視為無效信號(hào)。

圖6 多源偽時(shí)間信息診斷原理圖2Fig.6 Schematic diagram II of multi-source pseudo time information diagnosis

時(shí)刻基準(zhǔn)脈沖檢查診斷模塊完成了常規(guī)時(shí)間源時(shí)刻基準(zhǔn)脈沖的采樣和時(shí)間源時(shí)刻基準(zhǔn)脈沖有效性檢查工作，檢查無異常則通知可信時(shí)間源授權(quán)認(rèn)證可信，認(rèn)證后的可信時(shí)間輸入源參與多源選擇邏輯運(yùn)算。

2.3 時(shí)頻特征異常隔離

設(shè)備本地經(jīng)過與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步過的脈沖基準(zhǔn)模塊獨(dú)立運(yùn)行，診斷模塊實(shí)時(shí)校驗(yàn)外部時(shí)間源時(shí)刻脈沖準(zhǔn)確度，其有效性判斷結(jié)果最終傳遞至主控單元處理。

設(shè)備輸入源有效性判決，主要取決于時(shí)間信息檢查診斷有效性標(biāo)識(shí)、時(shí)刻基準(zhǔn)脈沖檢查診斷有效性標(biāo)識(shí)兩個(gè)部分的辨識(shí)。

外部時(shí)間源最終有效性判決結(jié)果，如表1所示，由以上兩個(gè)模塊的有效性標(biāo)識(shí)與運(yùn)算得出。

表1 偽授時(shí)、故障授時(shí)輸入源有效性判決真值表Table 1 Operating status of SCSM input source validity judgment truth table

任何一個(gè)時(shí)間源有效性標(biāo)識(shí)失效均可導(dǎo)致該路時(shí)間源無效，并且將不會(huì)參與到后續(xù)多源判決邏輯運(yùn)算當(dāng)中。

3 偽授時(shí)防控能力現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

在湖北宜昌110 kV 沙灣變電站工程中應(yīng)用了基于時(shí)頻遷移辨識(shí)原理的偽授時(shí)防控能力時(shí)鐘設(shè)備。現(xiàn)場(chǎng)二次系統(tǒng)采用了新型智能時(shí)間同步裝置AT-6800E和站配時(shí)間同步裝置HC695作為站內(nèi)對(duì)時(shí)系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)配置如圖7所示。

圖7 時(shí)間同步裝置現(xiàn)場(chǎng)配置圖Fig.7 Onsite configuration diagram of time synchronization device

現(xiàn)場(chǎng)通過時(shí)頻遷移器，分別對(duì)裝置進(jìn)行跳秒和跳年時(shí)間信息異常測(cè)試，檢驗(yàn)裝置防御時(shí)間信息遷移的能力，在試驗(yàn)開始后每遷移5 ms（即時(shí)頻變化0.005 Hz，約間隔8?20?），記錄當(dāng)前時(shí)間值、“記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)”，在開始至遷移50 ms 時(shí)（即，時(shí)頻變化0.05 Hz、約試驗(yàn)起始后83?20?），記錄當(dāng)前時(shí)間值。

發(fā)生遷移時(shí)，AT-6800E 智能時(shí)間同步系統(tǒng)時(shí)間信息正常，裝置自守時(shí)，HC695 主時(shí)鐘時(shí)間信息異常，裝置無動(dòng)作，驗(yàn)證了基于時(shí)頻遷移辨識(shí)原理的偽授時(shí)防控能力時(shí)鐘設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)預(yù)防時(shí)頻遷移攻擊上的優(yōu)勢(shì)，保障變電站內(nèi)設(shè)備在攻擊發(fā)生期間安全運(yùn)行。

具體數(shù)據(jù)記錄比對(duì)分析，如表2所示。

表2 試驗(yàn)期間時(shí)鐘檢查情況表Table 2 Time check table during test

4 結(jié)語

本文研究了電力系統(tǒng)時(shí)間同步設(shè)備的偽授時(shí)防控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多源精準(zhǔn)判決、故障邏輯隔離，并現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證了偽授時(shí)防控技術(shù)可行性，解決了電力時(shí)間同步設(shè)備在偽授時(shí)防控方面存在的安全性問題，有效支撐了智能電網(wǎng)安全精益運(yùn)行。