一种新型的时钟监测管理系统设计

1 引言

随着电力系统的快速发展，对时间同步的要求越来越高，需要更加准确、安全、可靠的时钟源，为电力系统各类设备提供精准的时间。目前电力系统中未实现全网统一授时，而是各站独立设立时间同步系统，各自为区域内设备授时，各级时间同步系统的时间偏差直接造成被授时设备的时间存在偏差。各分站时钟未统一进行监测、管理，出现偏差后无法实时感知并告警。特别在电力系统智能变电站中，各类装置需要时间同步，以保证各类装置动作顺序正确且适应电信号以光速运行的环境条件，如果时间不同步，严重情况下有可能将造成系统瘫痪[1]。

针对以上情况，本文提出了一种新的时钟监控管理方式，通过对各级时间同步系统的时间精确度进行统一监测，对过大的时间偏差进行及时预警和排除，确保电力生产的稳定运行。

2 系统组成及应用

时钟监测管理系统由中心站时钟管理设备、分站时钟监测单元和时钟监测管理系统软件组成。

系统主要在中心站部署一套时钟管理设备及时钟监测管理系统软件，完成对下辖的各级站点的时间同步信息进行统一的采集、监测、管理、统计、分析及预警等。各分站分别部署一套时钟监测单元及分站时钟监测软件，完成对本地时间信号的采集、测量和初步分析；将采集到的本地时间信号与接收到的中心站基准时钟进行比对，同时将结果通过SDH通信网络上传至中心站时钟管理设备，再由时钟监测管理系统软件完成数据的后续处理。系统的原理框图和应用框图如图1、图2所示。

系统的原理框图如图1所示。

图1 时钟监测管理系统原理框图

图2 时钟监测管理系统应用图

3 设备方案

3.1 硬件方案设计

时钟监测单元包括主功能模块、时钟信号采集模块、电源模块三部分，其组成框图如图3所示。

图3 设备组成框图

设备各模块的功能描述如下。

（1）主功能模块：主功能模块为设备的核心单元，包括处理器、存储和内存3个核心部件，主要完成整体控制、信息交互、任务调度等功能。

（2）时钟信号采集模块：主要完成时间信号的采集。

（3）电源模块：主要完成设备所需电源的转换，为设备内部各板卡工作提供所需电压。

3.1.1 主功能模块设计

主功能模块为设备的核心单元，主要功能模块包括主板、内存、存储。其模块示意如图4所示。

图4 主功能模块电路板设计图

主功能模块的主要功能如下。

（1）完成数据的处理及传输；

（2）完成设备状态收集管理、业务配置、告警管理等；

（3）支持异常断电数据安全保护；

（4）支持BCH ECC纠错能力66bit/1KB；

（5）支持静态和动态损耗均衡算法。

3.1.2 时钟信号采集模块设计

时钟信号采集模块由数据处理单元、信号输出单元、IRIG-B码输入单元、脉冲输入单元、时间报文输入单元和NTP/PTP网络输入单元等组成。时钟信号采集模块组成框图如图5、图6所示。

图5 时钟信号采集单元原理组成框图

图6 时钟信号采集单元电路板设计图

（1）数据处理单元：完成数据的处理、GPS/北斗、脉冲和IRIG-B码同步电路的发生；

（2）信号接收单元：完成外部中心时钟的接收（包括北斗、GPS、IRIG-B码等）；

（3）信号输出单元：完成本地数据的输出，输出的接口类型包括NTP/PTP、IRIG-B码、RS-422/485接口等。

（4）脉冲输入单元：完成对脉冲信号的输入采集。

（5）时间报文输入单元：完成对时间报文信号的输入采集。

（6）NTP/PTP网络输入单元：通过NTP/PTP网络协议完成对网络对时信号的输入采集。

（7）IRIG-B码输入单元：完成对IRIG-B码信号的输入采集。

3.2 软件方案设计

3.2.1 软件概述

时钟监测管理系统软件主要完成对时钟检测设备的配置管理、状态监控、数据采集、数据存储、告警管理、统计分析和远程升级维护功能，通过图形化的方式，直观的反应各分站的时间同步状态、时钟监测设备状态，方便用户对时间偏差过大的站点进行故障定位和提前感知预警，保障电力系统的稳定运行。

3.2.2 软件组成

时钟监测管理系统软件由中心站时钟监控管理软件和分站时钟监测单元软件组成。中心站时钟监控管理软件主要完成对时间监测系统的参数配置，监控各分站的时间同步状态以及监测设备状态，存储各分站点上报的采集信息，查看告警信息、采集信息统计分析和远程升级维护功能。分站时钟监测单元软件主要完成对本站的参数配置，采集时间同步信息和设备状态，并上报中心站时钟监控管理软件。时钟监测管理系统软件应用框图如图7所示。

图7 时钟监测软件应用框图

3.2.3 中心站时钟监控管理软件

3.2.3.1 软件功能

中心站时钟监控管理软件主要由配置管理、状态监控、数据存储、告警管理、统计分析、远程升级维护等功能组成。其软件功能组成图如图8所示。

图8 中心站时钟监控管理软件功能组成图

（1）配置管理：具备对系统中各监测设备的参数、分站信息、时间偏差阈值配置功能；

（2）状态监控：具备各分站时间同步状态、各监测设备状态、时间偏差告警的监控功能；

（3）数据存储：具备对各分站采集上报的信息进行汇聚，并打标分类储存，以便用户能快速查询、统计关注的信息；

（4）告警管理：具备查询、导出、删除历史告警信息，查看当前告警信息功能。

（5）统计分析：具备通过时间段、设备类型、站点名称、统计类型等条件，统计出监测设备的历史告警次数、时差最大值、最小值等信息，并提供导出功能；

（6）远程升级维护：具备监控各分站时钟监测单元软件版本、设备状态，远程更新分站时钟监测单元程序的功能。

3.2.3.2 业务流程（如图9所示）

图9 中心站时钟监控管理软件业务流程

（1）配置系统参数信息（各分站名称、监测设备IP、时间偏差阈值等信息）；

（2）启动监控模式，中心站管理软件向各分站时钟监测单元软件发送监控指令；

（3）接收各分站的上报的信息，并分类打标存储，对接收到信息进行分析处理，在界面视图上，呈现各分站的时间同步状态、设备参数、告警等信息；

（4）用户可以根据需要，查看历史状态信息或者统计历史采集信息；

（5）如果分站时钟监测单元软件版本有更新，可以通过远程升级维护功能进行远程更新。

3.2.4 分站时钟监测单元软件

3.2.4.1 软件功能

分站时钟监测单元软件主要由配置管理、数据采集功能组成。其功能组成图如图10所示。

图10 分站时钟监测管理软件功能组成

（1）配置管理：具备本站的系统参数信息；

（2）数据采集：采集本站监测设备状态、参数、本地时钟、中心时钟，分析计算时间偏差值，将判断结果和设备参数上报中心站时钟监控管理软件；

（3）远程升级维护：具备远程下载更新分站时钟监测管理软件功能。

3.2.4.2 业务流程（如图11所示）

（1）配置系统参数信息（监听端口、监测设备IP、中心站IP地址等信息）；

图11 分站时钟监测单元软件业务流程

（2）启动接收站点指令线程，当收到中心站监控指令，启动采集本站数据线程，当收到中心站停止指令，停止采集本站数据线程状态复位；

（3）分析处理采集信息，将本地时钟与中心时钟进行比对，判断偏差值是否大于阈值，将判断结果和设备参数上报中心站时钟监控软件。

4 结束语

本文提出的新型时钟监测管理系统，一是解决了对各级时间同步系统的时间精确度进行统一监测，对过大的时间偏差进行及时预警和排除，确保了电力生产的稳定运行，得到了有效的保障措施。二是解决了系统中各分变电站的授时时间（精度）与主变电站的本地基准时间之间的偏差，对主站与从站间的漂移（频偏）时间进行校正并保持精密同步，进一步提高系统的时间同步精度，实现全电网时间统一。