基于同步数字体系的精密守时方案的研究

王伏亮 王宁 葛永高

摘 要：随着时间同步技术的发展，目前电力时间同步系统的守时性能参差不齐，部分二次设备（如功角测量、行波故障测距等设备）时间同步精度无法满足要求。本文提出了采用同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，简称SDH）网络精密时间同步设备守时方法，设计了与现有设备兼容的实现方案，并进行了实验室和现场性能验证，试验结果表明本文所提出的精密守时方法具有良好的性能以及工程应用前景。

关键词：Synchronous Digital Hierarchy；时钟；守时；BITS设备

0 引言

目前电力系统主要通过在发电厂、变电站或者调度端采用GPS/北斗卫星时标驱动建立全网统一时间。在卫星信号故障、天线受损或者空间电磁场干扰时，时间同步装置内部通常采用自有恒温晶振驱动来保持走时的精确性，但工程上大量使用的普通恒温晶振其长时间运行时时间精度难以保证。

由于功角测量、行波故障测距等设备要求时间精度<1uS，考虑到设备故障恢复、检修所需的时间，守时精度达到1uS/天是必要的。为此，就长时间守时功能而言，需要更高稳定度的频率源才能满足运行要求。

目前，在电力系统的SDH光纤网络一般设有时钟同步网络，各个变电站的SDH节点都有BITS设备或时钟板恢复精密时钟，这些SDH网络时钟源通常采用铯原子钟或铷原子钟作为全局基准时钟，其频率精度完全能满足时间同步系统守时要求，利用这些频率资源，可实现变电站时间同步系统低成本、精密的守时。

1同步数字体系特性分析

在变电站中有丰富的E1资源，E1的数据位发送时钟派生自SDH网络的基准时钟，从E1信号中恢复2.048MHz信号作为时间同步装置的基准频率源，从装置设计及工程应用上都具有良好的适应性。本文的守时方案就是基于SDH网络派生的E1信号为基础进行设计和分析的。

变电站的E1信号发送时钟虽然派生自SDH基准铯原子钟或铷原子钟，但是基准时钟会在SDH时钟网络传输过程中随着节点的增加而品质逐渐变差，从而对精度产生影响，为此需要分析其传输特性和技术指标。

综上所述，影响时间同步装置守时精度的因数仅为频率源的频率精度，而对频率信号的其它指标要求较低。从SDH网络派生的E1线路信号，其发送时钟正具有频率精度高，而其它指标相对较差的特点，将其作为精密守时频率源是非常合适的。

2.精密时间同步守时方案

采用SDH网络上的E1信号内嵌时钟作为守时频率源[8]，须对现有的时间同步装置进行升级改造。在通信技术领域，时钟的恢复、切换和帧解码技术等已非常成熟，有大量芯片可以直接使用。如不考虑工程上设备的升级与兼容性，满足系统工程化应用的需求，设计了图1所示方案：

如图1所示，时钟同步装置接入SSM帧，由E1的物理层接口PHY恢复E1线路时钟后，在FPGA内软件编程实现帧解码、信号处理和计时，输出以装置恒温晶振频率为基准，整秒周期的计数值以及SSM信息给原时间同步装置，接口可以采用如串口、SPI等任意接口，E1线路接口可作为一个单独的插件增加到原设备中。时间同步装置中的E1线路频率守时仍然依靠恒温晶振工作，不存在时钟源切换的问题，精密守时主要依靠软件实现。

3.精密守时方案验证

笔者根据上述方法对自有的时间同步装置进行了改造：增加了E1接口板件，升级了时间同步装置的软件，并对精密守时功能进行了较为完整的功能测试。

试验开始前，确认BITS设备、时间同步设备、时间同步测试仪均已跟踪GPS，信号良好。确认时间同步测试仪内置铷钟驯服状态已在稳定状态，启动测试仪记录功能，断开时间同步设备GPS天线，使其进入守时状态。连续七天记录时间偏差值（性能测试需要，临时禁用时间同步设备的SSM判别功能）。

由七天连续试验的结果可见，最大偏差120nS，时间漂移峰峰（p-p）值160nS，守时性能完全达到且远远高于1uS/天的要求，验证了本文方法的可行性。

4.精密守时方案实测

为了验证精密守时方法在实际现场的功能正确性与验证守时的精度，对改造后的时间同步设备进行了现场试用。

时间同步设备接入来自变电站SDH设备的E1-SSM帧（装置仅接收），其它信号按变电站时间同步设备标准要求接入，用同样方法记录守时时间偏差。

通过现场测试时间偏差曲线可以看出，最大偏差280nS，时间漂移峰峰（p-p）值约420nS。与实验室测试相比，自守时时间精度稍差一些，应与SDH网络的运行情况有关；但与恒温晶振自守时情况相比，长时间守时性能则大为改善，完全满足电力系统中最高1uS/天的守时精度的要求。

5.结论

本文验证了使用SDH网络上的频率资源作为变电站时间同步系統精密守时频率源的可行性，设计的方案充分考虑了与现有设备的兼容性要求。现场试验表明本文的精密守时方法能够满足电力系统设备最高守时精度要求，与其它地面时间同步方案[9]相比，不需要建设专用的对时网络或者系统，具有结构简单、成本低、工程施工方便、维护简洁的的优点，具有良好的工程应用前景。

参考文献：

[1] 田鸣，王瑞清. 基于GPS校准的数字式守时钟守时算法研究[J].计算机与数字工程，2011，03，12-16

[2] 中华人民共和国电力行业标准.DL/T 280-2012电力系统同步相量测量装置通用技术条件[S].

[3] 孙洪武，马涛，葛红舞，焦群. SDH光通信系统E1通道时间传递特性测试分析[J].电力系统通信，