北斗+GPS双源授时在五强溪水电厂的应用

陈金鑫，邓盛名，余 斌，李华喜，康志远

（1.国家电投水电产业创新中心，湖南 长沙 410004；2.湖南省水电智慧化工程技术研究中心，湖南 长沙 410004）

1 引言

水电厂电力时间同步即通过高精度、高可靠的时间同步系统为电厂内外部的自动设备及智能设备提供统一的时间基准[1]。时间同步可从源头上保证水电厂各生产运行环节的时间统一，从而提升紧急事故分析能力与机组稳定控制水平，提高水电厂生产运行效率和可靠性。目前水电厂广泛使用的时间同步系统大多基于GPS授时，普遍存在以下问题：由于GPS核心技术受控于美国，其授时的安全性与可靠性都缺乏保证；水电厂各装置或系统拥有各自独立的GPS时钟，相互之间存在数据壁垒，导致时间同步结果混乱[2]。北斗卫星导航系统由我国自主研发，核心技术完全掌握，其授时精度与安全性有更好的保障。采用北斗+GPS双源授时系统对现有水电厂的单GPS授时系统进行改造，对于逐渐摆脱国外技术依赖，增强水电厂时间同步系统的可靠性，推动关键设备自主可控化替代工作具有重大意义。

2 北斗卫星导航系统与GPS

北斗卫星导航系统由中国自主研发、独立运行，与现有的美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟Galileo系统并称为全球四大卫星导航系统[3]。北斗卫星导航系统主要由空间端、地面端和用户端3个部分组成。其中，空间端包括3颗静止轨道卫星、3颗倾斜地球轨道卫星和24颗中圆轨道卫星。地面端主要通过主控站、注入站和监测站接收来自B1、B2、B3频段的5个公开服务信号；用户端主要包括具备导航、定位、通信、授时等功能的北斗用户终端及兼容其他卫星导航系统的终端。北斗导航系统对其服务区内的用户可提供免费的定位、测速及授时服务，定位精度优于10 m，授时精度优于50 ns，测速精度优于0.2 m/s[4]。

GPS是当今世界上最为成熟稳定的全球定位系统，包括了24颗空间段卫星、覆盖全球的地面站和不计其数的用户终端[5，6]。GPS卫星采用了隶属于L波段的L1与L2载波信号，L波段的高频率载波特性能够保证多普勒频移和载波相位测定的准确性，从而提高卫星测速和定位的精度。GPS受控于美国军方，提供包括导航、定位、授时等军民两用的服务。目前，GPS在世界各大机场、港口等导航应用热点地区有着广泛的应用，在维持这些场所运行的安全性、可靠性等方面发挥了不可替代的作用。表1是北斗系统与GPS性能对比表。

表1 北斗与GPS性能对比表

可以看出，北斗系统与GPS相比整体上存在以下优势：在卫星数方面，北斗系统的卫星种类、数量高于GPS；在总体功能方面，北斗系统支持区域短报文与全球短报文功能，而GPS不具备此功能；在授时方面，北斗系统授时精度高，能提供比GPS更为精确的授时服务，授时方式先进，同时具备50 ns的单向授时精度和20 ns的双向授时精度。

3 卫星授时原理

授时是卫星导航系统的一项基本服务，具有受众面广、精确度高、稳定性强等优点，是目前水电厂主要的授时方法。其中，高精度的星载原子钟和地面监测站的高精度时间尺度是支撑授时技术实现的关键。以GPS为例，每一颗卫星上都搭载了原子钟，地面监控中心和主控中心也配置了原子钟，通过闭环校准系统能够保证各个卫星的星载原子钟与GPS主钟保持完全一致。

卫星授时的本质是将卫星作为时间基准源或转发中介，当用户接收卫星信号后，通过时延补偿等计算在本地还原得到原始时间。UTC(Universal Time Coordinated)即协调世界时是世界用户公用的时间同步基准，卫星导航系统各自拥有独立的系统时间，卫星系统时间与UTC时间的差值一般保持在一定范围内且为固定值。因此，当用户接收卫星信号时，可以通过定位、定时算法解算出接收机钟差从而恢复出导航系统的时间，再根据卫星导航系统与UTC时间的差值求得对应的UTC时间，从而实现时间同步。图1为卫星授时原理图。用户即指卫星接收终端的使用者，卫星1～卫星4代表了搭载各自原子钟系统的导航卫星。为实现用户的授时，需要先得到用户的三维位置坐标（X0，Y0，Z0）和用户时间与卫星系统时间的差值 ，具体计算可通过式（1）得到。

图1 卫星授时原理图

式中，R为伪距，表示用户与卫星的几何距离；c为光速；Δt为传播时延；（xi，yi，zi）（i=1,2,3,4）表示第i颗卫星的三维坐标；（x0，y0，z0）为用户接收机所在的三维坐标。

根据星历数据解算可以得到卫星的三维坐标，进而求得用户的三维坐标与传播时延，通过用户时间推导卫星系统的时间，就完成了用户的授时。

4 北斗+GPS双源授时系统应用

五强溪水电厂原有时间同步系统采用GPS单系统授时，存在以下问题：原授时系统服务接口数较少，随着水电厂设备日益增加无法满足服务扩展的需求；授时系统服役年限久、版本低，功能不够完善，没有实现全厂设备的时间同步；采用GPS单卫星系统授时，授时服务经常受到环境等因素制约，安全性与可靠性没有充分保障。为解决以上问题，采用北斗+GPS双源授时进行升级改造，提高时间同步系统的精确度与可靠性。图2为五强溪北斗+GPS双源授时系统图。

图2 强溪北斗+GPS双源授时系统图

五强溪北斗+GPS双源授时系统采用了北斗和GPS信号集中接收、分层、分布开放式的网络结构，包括信号层、授时层、扩展层和应用层。信号层主要用于获取原始卫星信号与网络时间服务，包括两组北斗天线和GPS天线，统一部署于副厂房楼顶用于接收卫星信号，每组天线均配置防雷保护器，信号层同时通过以太网接收NTP服务。授时层用于提供统一基准的授时服务，主要包括两台主时钟，每台时钟装置均配备北斗和GPS天线、热备交直流双电源、高精度恒温守时时钟，两台主时钟之间通过光纤互备，每台主钟均配备20路光纤输出端口，用于对外提供授时服务。根据电厂的工程布置和光纤敷设情况，授时层设在计算机监控机房。扩展层通过时钟扩展装置构成从站，全厂共设10台扩展装置（分别位于1～5号机旁小室、继保室、中控室、扩机厂房），每台扩展装置均配备两路光纤输入端口，用于接收主时钟提供的授时服务。应用层主要涉及需要进行时间同步服务的具体系统及设备，包括计算机监控系统LCU、PMU、励磁系统、调速器系统等。

北斗+GPS双源授时系统具备双源授时自动切换、运行状态智能分析、授时状态实时告警、多路网络独立IP、多类型服务接口、系统日志自主导出等特点。

（1）双源授时自动切换

优化信号接收，授时系统在工作时可根据实际搜星情况自动二选一选择北斗、GPS进行接收，且优选接收北斗卫星信号。双卫星信号授时模式有利于保证授时服务的精确性与容错率，增强授时系统的稳定性与可靠性。

（2）运行状态智能分析

系统根据实时搜星结果与卫星信号质量对当前的授时可靠性进行分析并给出当前状态等级，并结合历史运行信息进行关联规则挖掘，为系统优化提供辅助性建议。运行状态智能分析基于大数据及人工智能算法进行数据分析，有利于授时系统的优化与改进，为运维人员工作提供决策依据。

（3）授时状态实时告警

系统的告警功能主要包括电源异常告警、B码信号异常告警、GPS/北斗信号异常告警等，及时对授时服务可能出现的问题进行反馈。多源多路告警功能有利于对授时系统突发状况进行快速定位，重点解决，减少系统故障维护时间。

（4）多路网络独立IP

系统采用以太网方式输出NTP服务作为时间同步服务器，对上位机网络中的设备进行统一校时。多路网络独立IP功能可设置装置的IP地址，当卫星信号丢失时，作为二级时间服务器，提高系统突发情况反应能力，保证系统的应急授时能力。

（5）多类型服务接口

系统具有丰富的接口：支持光纤对时输出接口，通过光纤进行对时；支持多路RS232、RS485输出，波特率（1200，2400，4800，9600）可自主设置；支持IRIG-B格式输出，包括直流偏置输出与正弦调制输出；支持秒脉冲、分脉冲、时脉冲等多路脉冲输出；支持DCF77格式输出，支持西门子、施耐德等主流厂商的对时信号。丰富的接口有利于提升授时系统不同型号、不同类型设备的兼容能力，为实现全厂设备的时间同步提供服务接口支撑。

（6）系统日志自主导出

系统将历史运行信息及操作日志以结构化与非结构化形式存储在本地服务器数据库，并支持关键信息自主组装与快速导出，方便运行人员进行相关分析。

5 结语

采用北斗+GPS双源授时系统对五强溪原有授时系统进行升级改造，经运行检验，改造后系统安全可靠，效果良好。北斗系统替代GPS是保障国家安全的本质要求，也是推动自主创新的必然趋势，五强溪北斗+GPS双源授时应用实践对行业内相关项目的开展具有一定的借鉴意义。