北斗+GPS雙源授時(shí)在五強(qiáng)溪水電廠的應(yīng)用

陳金鑫，鄧盛名，余 斌，李華喜，康志遠(yuǎn)

（1.國(guó)家電投水電產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

1 引言

水電廠電力時(shí)間同步即通過(guò)高精度、高可靠的時(shí)間同步系統(tǒng)為電廠內(nèi)外部的自動(dòng)設(shè)備及智能設(shè)備提供統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)[1]。時(shí)間同步可從源頭上保證水電廠各生產(chǎn)運(yùn)行環(huán)節(jié)的時(shí)間統(tǒng)一，從而提升緊急事故分析能力與機(jī)組穩(wěn)定控制水平，提高水電廠生產(chǎn)運(yùn)行效率和可靠性。目前水電廠廣泛使用的時(shí)間同步系統(tǒng)大多基于GPS授時(shí)，普遍存在以下問(wèn)題：由于GPS核心技術(shù)受控于美國(guó)，其授時(shí)的安全性與可靠性都缺乏保證；水電廠各裝置或系統(tǒng)擁有各自獨(dú)立的GPS時(shí)鐘，相互之間存在數(shù)據(jù)壁壘，導(dǎo)致時(shí)間同步結(jié)果混亂[2]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由我國(guó)自主研發(fā)，核心技術(shù)完全掌握，其授時(shí)精度與安全性有更好的保障。采用北斗+GPS雙源授時(shí)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有水電廠的單GPS授時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行改造，對(duì)于逐漸擺脫國(guó)外技術(shù)依賴，增強(qiáng)水電廠時(shí)間同步系統(tǒng)的可靠性，推動(dòng)關(guān)鍵設(shè)備自主可控化替代工作具有重大意義。

2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由中國(guó)自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行，與現(xiàn)有的美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟Galileo系統(tǒng)并稱為全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[3]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要由空間端、地面端和用戶端3個(gè)部分組成。其中，空間端包括3顆靜止軌道衛(wèi)星、3顆傾斜地球軌道衛(wèi)星和24顆中圓軌道衛(wèi)星。地面端主要通過(guò)主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站接收來(lái)自B1、B2、B3頻段的5個(gè)公開(kāi)服務(wù)信號(hào)；用戶端主要包括具備導(dǎo)航、定位、通信、授時(shí)等功能的北斗用戶終端及兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的終端。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)其服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶可提供免費(fèi)的定位、測(cè)速及授時(shí)服務(wù)，定位精度優(yōu)于10 m，授時(shí)精度優(yōu)于50 ns，測(cè)速精度優(yōu)于0.2 m/s[4]。

GPS是當(dāng)今世界上最為成熟穩(wěn)定的全球定位系統(tǒng)，包括了24顆空間段衛(wèi)星、覆蓋全球的地面站和不計(jì)其數(shù)的用戶終端[5，6]。GPS衛(wèi)星采用了隸屬于L波段的L1與L2載波信號(hào)，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(cè)定的準(zhǔn)確性，從而提高衛(wèi)星測(cè)速和定位的精度。GPS受控于美國(guó)軍方，提供包括導(dǎo)航、定位、授時(shí)等軍民兩用的服務(wù)。目前，GPS在世界各大機(jī)場(chǎng)、港口等導(dǎo)航應(yīng)用熱點(diǎn)地區(qū)有著廣泛的應(yīng)用，在維持這些場(chǎng)所運(yùn)行的安全性、可靠性等方面發(fā)揮了不可替代的作用。表1是北斗系統(tǒng)與GPS性能對(duì)比表。

表1 北斗與GPS性能對(duì)比表

可以看出，北斗系統(tǒng)與GPS相比整體上存在以下優(yōu)勢(shì)：在衛(wèi)星數(shù)方面，北斗系統(tǒng)的衛(wèi)星種類、數(shù)量高于GPS；在總體功能方面，北斗系統(tǒng)支持區(qū)域短報(bào)文與全球短報(bào)文功能，而GPS不具備此功能；在授時(shí)方面，北斗系統(tǒng)授時(shí)精度高，能提供比GPS更為精確的授時(shí)服務(wù)，授時(shí)方式先進(jìn)，同時(shí)具備50 ns的單向授時(shí)精度和20 ns的雙向授時(shí)精度。

3 衛(wèi)星授時(shí)原理

授時(shí)是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一項(xiàng)基本服務(wù)，具有受眾面廣、精確度高、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是目前水電廠主要的授時(shí)方法。其中，高精度的星載原子鐘和地面監(jiān)測(cè)站的高精度時(shí)間尺度是支撐授時(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。以GPS為例，每一顆衛(wèi)星上都搭載了原子鐘，地面監(jiān)控中心和主控中心也配置了原子鐘，通過(guò)閉環(huán)校準(zhǔn)系統(tǒng)能夠保證各個(gè)衛(wèi)星的星載原子鐘與GPS主鐘保持完全一致。

衛(wèi)星授時(shí)的本質(zhì)是將衛(wèi)星作為時(shí)間基準(zhǔn)源或轉(zhuǎn)發(fā)中介，當(dāng)用戶接收衛(wèi)星信號(hào)后，通過(guò)時(shí)延補(bǔ)償?shù)扔?jì)算在本地還原得到原始時(shí)間。UTC(Universal Time Coordinated)即協(xié)調(diào)世界時(shí)是世界用戶公用的時(shí)間同步基準(zhǔn)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)各自擁有獨(dú)立的系統(tǒng)時(shí)間，衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間與UTC時(shí)間的差值一般保持在一定范圍內(nèi)且為固定值。因此，當(dāng)用戶接收衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，可以通過(guò)定位、定時(shí)算法解算出接收機(jī)鐘差從而恢復(fù)出導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)間，再根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與UTC時(shí)間的差值求得對(duì)應(yīng)的UTC時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。圖1為衛(wèi)星授時(shí)原理圖。用戶即指衛(wèi)星接收終端的使用者，衛(wèi)星1～衛(wèi)星4代表了搭載各自原子鐘系統(tǒng)的導(dǎo)航衛(wèi)星。為實(shí)現(xiàn)用戶的授時(shí)，需要先得到用戶的三維位置坐標(biāo)（X0，Y0，Z0）和用戶時(shí)間與衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間的差值 ，具體計(jì)算可通過(guò)式（1）得到。

圖1 衛(wèi)星授時(shí)原理圖

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

根據(jù)星歷數(shù)據(jù)解算可以得到衛(wèi)星的三維坐標(biāo)，進(jìn)而求得用戶的三維坐標(biāo)與傳播時(shí)延，通過(guò)用戶時(shí)間推導(dǎo)衛(wèi)星系統(tǒng)的時(shí)間，就完成了用戶的授時(shí)。

4 北斗+GPS雙源授時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用

五強(qiáng)溪水電廠原有時(shí)間同步系統(tǒng)采用GPS單系統(tǒng)授時(shí)，存在以下問(wèn)題：原授時(shí)系統(tǒng)服務(wù)接口數(shù)較少，隨著水電廠設(shè)備日益增加無(wú)法滿足服務(wù)擴(kuò)展的需求；授時(shí)系統(tǒng)服役年限久、版本低，功能不夠完善，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)全廠設(shè)備的時(shí)間同步；采用GPS單衛(wèi)星系統(tǒng)授時(shí)，授時(shí)服務(wù)經(jīng)常受到環(huán)境等因素制約，安全性與可靠性沒(méi)有充分保障。為解決以上問(wèn)題，采用北斗+GPS雙源授時(shí)進(jìn)行升級(jí)改造，提高時(shí)間同步系統(tǒng)的精確度與可靠性。圖2為五強(qiáng)溪北斗+GPS雙源授時(shí)系統(tǒng)圖。

圖2 強(qiáng)溪北斗+GPS雙源授時(shí)系統(tǒng)圖

五強(qiáng)溪北斗+GPS雙源授時(shí)系統(tǒng)采用了北斗和GPS信號(hào)集中接收、分層、分布開(kāi)放式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括信號(hào)層、授時(shí)層、擴(kuò)展層和應(yīng)用層。信號(hào)層主要用于獲取原始衛(wèi)星信號(hào)與網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)，包括兩組北斗天線和GPS天線，統(tǒng)一部署于副廠房樓頂用于接收衛(wèi)星信號(hào)，每組天線均配置防雷保護(hù)器，信號(hào)層同時(shí)通過(guò)以太網(wǎng)接收NTP服務(wù)。授時(shí)層用于提供統(tǒng)一基準(zhǔn)的授時(shí)服務(wù)，主要包括兩臺(tái)主時(shí)鐘，每臺(tái)時(shí)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(shí)時(shí)鐘，兩臺(tái)主時(shí)鐘之間通過(guò)光纖互備，每臺(tái)主鐘均配備20路光纖輸出端口，用于對(duì)外提供授時(shí)服務(wù)。根據(jù)電廠的工程布置和光纖敷設(shè)情況，授時(shí)層設(shè)在計(jì)算機(jī)監(jiān)控機(jī)房。擴(kuò)展層通過(guò)時(shí)鐘擴(kuò)展裝置構(gòu)成從站，全廠共設(shè)10臺(tái)擴(kuò)展裝置（分別位于1～5號(hào)機(jī)旁小室、繼保室、中控室、擴(kuò)機(jī)廠房），每臺(tái)擴(kuò)展裝置均配備兩路光纖輸入端口，用于接收主時(shí)鐘提供的授時(shí)服務(wù)。應(yīng)用層主要涉及需要進(jìn)行時(shí)間同步服務(wù)的具體系統(tǒng)及設(shè)備，包括計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)LCU、PMU、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速器系統(tǒng)等。

北斗+GPS雙源授時(shí)系統(tǒng)具備雙源授時(shí)自動(dòng)切換、運(yùn)行狀態(tài)智能分析、授時(shí)狀態(tài)實(shí)時(shí)告警、多路網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立IP、多類型服務(wù)接口、系統(tǒng)日志自主導(dǎo)出等特點(diǎn)。

（1）雙源授時(shí)自動(dòng)切換

優(yōu)化信號(hào)接收，授時(shí)系統(tǒng)在工作時(shí)可根據(jù)實(shí)際搜星情況自動(dòng)二選一選擇北斗、GPS進(jìn)行接收，且優(yōu)選接收北斗衛(wèi)星信號(hào)。雙衛(wèi)星信號(hào)授時(shí)模式有利于保證授時(shí)服務(wù)的精確性與容錯(cuò)率，增強(qiáng)授時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

（2）運(yùn)行狀態(tài)智能分析

系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)搜星結(jié)果與衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量對(duì)當(dāng)前的授時(shí)可靠性進(jìn)行分析并給出當(dāng)前狀態(tài)等級(jí)，并結(jié)合歷史運(yùn)行信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘，為系統(tǒng)優(yōu)化提供輔助性建議。運(yùn)行狀態(tài)智能分析基于大數(shù)據(jù)及人工智能算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，有利于授時(shí)系統(tǒng)的優(yōu)化與改進(jìn)，為運(yùn)維人員工作提供決策依據(jù)。

（3）授時(shí)狀態(tài)實(shí)時(shí)告警

系統(tǒng)的告警功能主要包括電源異常告警、B碼信號(hào)異常告警、GPS/北斗信號(hào)異常告警等，及時(shí)對(duì)授時(shí)服務(wù)可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行反饋。多源多路告警功能有利于對(duì)授時(shí)系統(tǒng)突發(fā)狀況進(jìn)行快速定位，重點(diǎn)解決，減少系統(tǒng)故障維護(hù)時(shí)間。

（4）多路網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立IP

系統(tǒng)采用以太網(wǎng)方式輸出NTP服務(wù)作為時(shí)間同步服務(wù)器，對(duì)上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一校時(shí)。多路網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立IP功能可設(shè)置裝置的IP地址，當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)丟失時(shí)，作為二級(jí)時(shí)間服務(wù)器，提高系統(tǒng)突發(fā)情況反應(yīng)能力，保證系統(tǒng)的應(yīng)急授時(shí)能力。

（5）多類型服務(wù)接口

系統(tǒng)具有豐富的接口：支持光纖對(duì)時(shí)輸出接口，通過(guò)光纖進(jìn)行對(duì)時(shí)；支持多路RS232、RS485輸出，波特率（1200，2400，4800，9600）可自主設(shè)置；支持IRIG-B格式輸出，包括直流偏置輸出與正弦調(diào)制輸出；支持秒脈沖、分脈沖、時(shí)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(duì)時(shí)信號(hào)。豐富的接口有利于提升授時(shí)系統(tǒng)不同型號(hào)、不同類型設(shè)備的兼容能力，為實(shí)現(xiàn)全廠設(shè)備的時(shí)間同步提供服務(wù)接口支撐。

（6）系統(tǒng)日志自主導(dǎo)出

系統(tǒng)將歷史運(yùn)行信息及操作日志以結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化形式存儲(chǔ)在本地服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)，并支持關(guān)鍵信息自主組裝與快速導(dǎo)出，方便運(yùn)行人員進(jìn)行相關(guān)分析。

5 結(jié)語(yǔ)

采用北斗+GPS雙源授時(shí)系統(tǒng)對(duì)五強(qiáng)溪原有授時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，經(jīng)運(yùn)行檢驗(yàn)，改造后系統(tǒng)安全可靠，效果良好。北斗系統(tǒng)替代GPS是保障國(guó)家安全的本質(zhì)要求，也是推動(dòng)自主創(chuàng)新的必然趨勢(shì)，五強(qiáng)溪北斗+GPS雙源授時(shí)應(yīng)用實(shí)踐對(duì)行業(yè)內(nèi)相關(guān)項(xiàng)目的開(kāi)展具有一定的借鑒意義。