BDS多模授时技术在电力时间同步装置中的应用

王 宇，陈 伟，范晓东

(1.中电科第三十八研究所，合肥 230088；2.安徽四创电子股份有限公司，合肥 230031)

0 引言

电力时间同步装置是电力二次系统中进行实时数据采集、控制、事故追忆和事故分析的基础，是电力系统安全运行的重要组成部分，而电力系统的安全运行事关国家安全。电力系统的全网时间同步主要是采用时间同步装置对网络内各时钟进行高精度授时，时间同步装置采用的时钟源和授时算法会直接影响所属网络授时的精确性和可靠性，而目前的时间同步装置基本上都依赖全球定位系统(global positioning system，GPS)进行授时，鉴于GPS时间隶属于美国，GPS信号精度受美国军方控制，不能保证时刻提供准确可靠、性能稳定的卫星授时信号[1-2]。虽然近年来北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)不断增强卫星组网，实用性持续提高，向大部分亚太地区提供区域连续授时、定位、导航等服务[3]，在时间同步装置中得到广泛应用，授时和定位精度随着组网卫星的数量增加也在同步提高。此外，在BDS/GPS卫星授时的基础上引入其他授时源并能够提供精度高、可靠性好、性能稳定的授时系统也十分必要，而靶场仪器组串行时间码(B type format of inter-range instrumentation group，IRIG-B)提供了满足需要的时间同步方式，成为时间同步装置采用的授时码型，该时间稳定可靠、精度高[4-5]。因此，本文在GPS卫星授时的基础上，提出了基于BDS的多模授时技术的国产电力时间同步装置。

1 多模授时方法

本文提出的多模授时是指时间同步装置同时具有BDS、GPS和B码3种模式的授时功能。BDS由我国自主研发，是继美国的GPS和俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(global navigation satellite system，GLONASS)之后第3个全球卫星导航系统，提供单双向授时、定位、测速及短报文通信服务[6]。B码授时模式是从外部输入的IRIG-B码获取标准时钟信号信息。通过应用BDS、GPS和B码多模授时技术拓展时钟源，显著提高了授时设备的可靠性和安全性。下面分别就3种模式各自的特点及组合的优势进行阐述。

1.1 卫星授时

卫星导航系统必须运行在十分精确的时间条件下，所以系统可以能够提供精确的时间信息，卫星导航接收机定位成功后定时输出秒脉冲信号(pulse per second，PPS)，将2台接收机送出的PPS信号送给鉴相计数器，鉴相计数器测量出相邻2个秒脉冲之间的时间间隔，经过统计滤波便可算出时间同步的精度。目前，国内主要应用领域的卫星导航授时设备主要有GPS和BDS 2种类型。通常通过卫星授时同步时间的方法有单站法和共视法2种，共视法的授时精度高于单站法。BDS授时有卫星无线电测定业务 (radio determination satellite service，RDSS)单向授时、RDSS双向授时以及卫星无线电导航业务(radio navigation satellite service，RNSS)授时3种方式。BDS的RDSS单向授时精度约为100 ns，RDSS双向授时精度约为20 ns[7]，RNSS授时精度约为50 ns[8]。GPS授时只有RNSS一种方式。GPS单站法的授时精度约为20～500 ns，GPS共视法授时精度则能达到5～20 ns[9]。电力系统对时间同步装置的时间同步要求为1 μs以内，故时间同步装置采用GPS单站法或BDS单站法法授时都可满足电力系统的使用需求。

1.2 B码授时

靶场仪器组(Inter Range Instrumentation Group，IRIG)源自美国军队靶场的时间同步[4-5，10]，靶场中的时间设备为航天、测控以及常规武器系统试验提供标准时间。IRIG-B时码(简称B码)是1种串行时码，由IRIG下属的电信组(Telecommunication Group，TCG)制定，后来在应用时间系统中被广泛采用。B码包括2种码型：交流码 (AC码)和 直流码(DC码)。交流码的传输距离比直流码远，但是电路较复杂，精度较低。当传输距离较远时采用交流码(AC码)，同步精度一般为10～20 ms，当传输距离近时则采用直流码(DC码)，同步精度可达几十纳秒。因此，B码采用直流码(DC码)授时可满足电力系统对时间同步装置的时间同步要求。

1.3 多模授时优势

我国电力时间同步装置单采用卫星授时存在如下问题[11-14]：1)美国的GPS系统是由美国国防部控制，其他国家使用该系统不具有自主性，存在国家安全隐患。美国曾经通过增加随机干扰码、故意降低GPS精度、甚至对某个特定地区停止发送GPS信号等多种手段，破坏一些地区的GPS可用性；2)目前世界还不太平，美国把很多国家列为危险国家，战争发生的可能性没有消除，很可能导致GPS在中国或其他一些国家不可用；3)BDS/GPS卫星授时在某些特殊情况下信号暂时消失，或者卫星接收机工作不正常，会降低授时精度甚至授时错误。B码时间系统作为授时的时间同步标准，具有高可靠性、通用规范和应用灵活等特点，若采用BDS、GPS和B码时间系统，即能实现时间同步装置自主授时，又能在某种时钟源不可授时的情况下通过备选源正常工作，将显著的提高时间同步装置的可靠性和安全性。

2 系统架构

本系统主要采用“驯服+多模授时”的机制，主要包括时钟源接收单元、数据处理单元、驯服单元、信号输出单元和电源转换单元，如图1所示。时钟源接收单元包括B码接收模块、BDS接收模块和GPS接收模块，分别接收IRIG-B时码信号、BDS卫星信号和GPS卫星信号，从信号解析中分别解析出时间信息，然后将这3种外部时间信息送入数据处理单元，数据处理单元根据多模授时算法择优选出外部时间信息并转换成标准世界协调时(coordinated universal time，UTC)时间，并将相应的秒脉冲信号送入驯服单元，本地时钟经驯服单元驯服后得到稳定标准的本地秒脉冲，并送入数据处理单元，数据处理单元根据输入的本地秒脉冲同步将UTC时间送入信号输出单元，以此得到高精度授时时间。

2.1 时钟源接收单元

时钟源接收单元包括B码接收模块、BDS接收模块和GPS接收模块，分别接收IRIG-B直流码、BDS卫星时间和GPS卫星时间。

B码接收模块主要是光电转换电路，将通过光纤来的光信号IRIG-B码转换成电信号DC码，并送入数据处理单元；

BDS接收模块采用U-blox公司OEM模块，通过天线接收BDS卫星信号，并根据规范转换成标准的NEMA0183信息(即BTOD)送出，同时送出秒脉冲信号1PPS(即BPPS)。此处采用TD3020T模块，其是泰斗微电子推出的支持BD2/GPS双模授时定位模块，授时精度可达30 ns；

GPS接收模块采用GPS OEM模块，通过天线接收GPS卫星信号，并根据规范转换成标准的NEMA0183信息(即GTOD)送出，同时送出秒脉冲信号PPS(即GPPS)。此处采用LEA-M8T模块，其是U-blox 推出的支持BDS/GPS等多模卫星授时定位模块，授时精度可达20 ns。

时钟源接收单元还包括1个重要的部分，就是时钟源自动无缝切换单元。自动是指时钟源切换的自主性，而无缝则是指切换的平滑性。时钟源的切换策略的优劣，直接表现为时间脉冲输出的抖动性能。

2.2 驯服单元

驯服单元根据输入的参考秒脉冲得到符合指标的高稳本地秒脉冲。驯服后，当外部参考秒脉冲丢失，该单元仍然输出满足指标要求的秒脉冲信号，其工作原理如图2所示。

鉴于BDS/GPS OEM模块产生的PPS的精度小于100 ns，但是却有良好的长期稳定性。而恒温晶振具有比较高的短期稳定性。驯服单元结合二者优点，产生一个精度与稳定度均达到指标要求的时间标准。

驯服单元里主要包含驯服模块，其主要由相位/频率测量、滤波处理/频率预测、数模转换和本振频率产生五个部分组成。驯服单元本质上是一个锁相环。其将外部时钟源优选的秒脉冲信号作为该模块的PPS参考输入。该模块将参考PPS与本地振荡器产生的PPS进行相位/频率测量。由于温度变化等原因通常会使得参考PPS相位存在一定的抖动，会造成授时精度的恶化，通过对本地振荡器的频率和PPS相位输出进行自适应滤波得到频率和相位的估计值，然后通过反馈控制本地振荡器产生得到输出PPS相位。重复上述过程，最终可由本地晶振产生得到与标准时间同步的精确PPS信号。在无外部PPS参考源输入时，模块进入守时状态，为系统提供准确的时间标准。

这里采用天马电讯科技CM5503时钟模块，该模块秒脉冲输出守时能力小于3.5 μs，秒脉冲精度约为50 ns，脉冲宽度100 ms，具有频率锁定快、准确度高的特点。

2.3 数据处理单元

数据处理单元主要完成秒B码解码、时钟源优选，PPS无缝切换，并同步输出标准时间和秒脉冲，实现高精度授时。该单元核心芯片采用Microsemi公司的SmartFusion2[15-16]系列芯片M2S010，采用最新65 nm工艺制造。该芯片的片上系统包括Flash架构的FPGA，以及内部集成166 MHz的Cortex-M3的硬核处理器。硬核处理器不占用FPGA的逻辑资源，为用户提供高安全性、高可靠性及超低功耗的双核处理器功能[4-5]。

首先，数据处理单元接收B码流并通过FPGA中B码解码模块根据IRIG-B码协议解算出当前B码时间信息(即RBTOD)和B码秒脉冲信号(即RBPPS)；并将接收到的BDS秒脉冲信号(即BPPS)、GPS秒脉冲信号(即GPPS)和RBPPS送入优选模块，得到可用性最优的PPS，并送给驯服单元；

同时，数据处理单元通过Cortex-M3微处理器中的授时模块接收来自外部的BDS时间信息BTOD和GPS时间信息GTOD，并接收来自B码解码模块的B码时间信息RBTOD，进行解析转换得到标准的UTC时间，根据高精度授时算法得到有效的UTC时间；

若3种外部时钟源都丢失，则数据处理单元通过Cortex-M3微处理器中的守时模块进入守时模式，得到可靠的本地UTC时间，并通过Cortex-M3微处理器对输入本地秒脉冲的响应，同步输出UTC时间，实现高精度的对外授时功能。

2.4 信号输出单元

信号输出单元包括状态指示模块和输出接口电平转换模块，状态指示模块是根据输入的信号指示系统的供电情况及工作状态；输出接口电平转换模块是通过串口电平转换电路，实现UTC时间串口输出，及单引脚电平输出，实现本地高稳秒脉冲输出，对外直接实现时间和秒脉冲的校准。

2.5 电源转换单元

电源转换单元为整个时间同步装置的各个功能模块供电。可以接受的外部电源类型有220 V交流、110 V交流、110 V直流以及48 V直流，然后转换成+12、+5、+3 V等直流电源。驯服单元对供电电源的纹波特别敏感，为此采用低噪声的线性电源供电。此外，电源转换单元还具备热切换和双备份，极大地提高该装置全天候授时的可靠性。

3 多模高精度授时算法

本方案软件结构主要是基于SmartFusion2芯片的FPGA及Cortex-M3微处理器进行设计，其中FPGA部分主要负责系统复位电路构建、MSS的构建、PPS优选模块构建和B码解码模块构建，MSS主要负责来自BDS接收模块和GPS接收模块的NEMA0183信息接收和解析、来自B码解码模块的B码时间信息的接收和解析、高精度授时算法实现、授时输出和状态指示等。本系统的BDS、GPS和B码3种授时模式互为备份，其授时模式选择如图3所述。

本系统分别接收BDS信息、GPS信息和B码信息，得到BDS时间和BDS秒脉冲、GPS时间和GPS秒脉冲及B码时间和B码秒脉冲，并判定各模式得到的时间和秒脉冲的有效性，以BDS为最高优先级，若BDS时间和BDS秒脉冲有效，则系统进入BDS模式，以BDS时间为系统时间，BDS秒脉冲作为驯服单元的参考输入，此时系统在响应本地秒脉冲的同时同步输出系统时间，实现BDS模式的高精度授时；若BDS时间和BDS秒脉冲无效，则判定GPS时间和GPS秒脉冲有效，则系统进入GPS模式，以GPS时间为系统时间，GPS秒脉冲作为驯服单元的参考输入，此时系统在响应本地秒脉冲的同时同步输出系统时间，实现GPS模式的高精度授时；若GPS时间和GPS秒脉冲无效，则判定B码时间和B码秒脉冲有效，则系统进入B码模式，以B码时间为系统时间，B码秒脉冲作为驯服单元的参考输入，此时系统在响应本地秒脉冲的同时同步输出系统时间，实现B码模式的高精度授时；若B码时间和B码秒脉冲也无效，则系统进入守时模式，在系统响应本地秒脉冲的同时，系统时间自动加1 s，并同步输出系统时间，从而得到不受外部干扰的精确的授时时间，实现高精度授时功能。

4 系统应用

基于SmartFusion2芯片的设计方案中，FPGA部分以Libero SoC v11.0作为软件开发平台，采用Verilog HDL硬件描述语言实现设计。Cortex-M3微处理器系统MSS部分则采用Microsemi SoftConsole IDE v3.4作为编程软件开发平台，IRIG-B码信号由上海某公司的时间同步装置提供。根据本设计方案，接上BDS天线、GPS天线和IRIG-B码信号，系统上电。采用高精度频率计数器对系统进行测量，测得结果表明本系统的实际精度约为100 ns。

不论外部时钟源是否丢失，本系统输出的授时时间和标准秒脉冲边沿对齐，且误差小于600 μs，满足误差5 ms的指标。

性能比较如表1所示，所输出的时间误差和秒脉冲精度满足时间同步装置相应的指标要求。

表1 性能比较

5 结束语

本文分析了基于BDS卫星导航系统的电力时间同步装置的使用现状以及存在问题，阐述了基于BDS多模授时技术的时间同步装置的基本原理，提出在GPS卫星授时的基础上增加BDS和IRIG-B时码的多模授时技术，通过在某省电力时间同步装置上进行技术验证，该时间同步装置完全满足电力高精度时间同步的指标需求，消除了传统单GPS时间同步装置对电力系统可能存在的安全隐患，明显提升了设备的自主性、可靠性和安全性。随着授时技术的日益发展和时间同步装置的广泛应用，多模高精度授时技术具有实际的应用意义。