一种电力时间同步系统鲁棒控制的系统及方法

摘要

本发明涉及一种电力时间同步系统鲁棒控制的系统及方法，时间同步系统包括至少两个的主时钟装置和从时钟装置，主时钟装置之间通过光纤互连；主时钟装置通过光纤与从时钟装置互联；时间同步系统由主时钟装置接收外部时源信号，保证外部时源信号的安全可靠即保证主时钟装置时源选择的安全可靠，主时钟装置由依次连接的时钟接收单元、时钟单元和输出单元组成，时间同步系统在所述时钟接收单元和时钟单元上设置可靠性判断模块。本发明从时间同步系统信号源入手，通过引入多个外部时源并对输入时源的信号安全性进行判断，杜绝外部不稳定信号的干扰或者恶意篡改的输入时源信号，从而选出最为可靠的时源作为主时钟装置的同步时源，确保主时钟装置时源信号的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及自动化设备测试技术领域，具体涉及一种电力时间同步系统鲁棒控制的系统及方法。

背景技术

电网的各级调度机构、发电厂、变电站、集控中心等都需要一个统一精确的时间基准以满足各种系统(如调度自动化系统、能量管理系统、生产信息管理系统、监控系统)和设备(如继电保护装置、智能电子设备、时间顺序记录SOE、厂站自动控制设备、安全稳定控制装置、故障滤波器)对时间同步的要求，确保实时数据采集时间一致性，提高线路故障测距、相量和功角动态测量、机组和电网参数校验的准确性，从而提高电网事故分析和稳定控制的水平，提高电网运行效率和可靠性。电力系统时间同步的准确性是保障电力系统运行控制和故障分析的重要基础条件，时间同步系统作为站内的授时源其安全可靠性至关重要。

电力时间同步系统主要包括主时钟装置和从时钟装置。主时钟装置利用卫星信号进行授时时，必须利用天线从开放的空间接收卫星信号，在接收真实卫星信号的同时，无法避免接收到虚假的卫星信号(欺骗信号)，如果接收单元不能识别欺骗信号，把欺骗信号当成真实信号，利用欺骗信号进行授时，势必得到错误的时间，造成严重后果。此外，主时钟装置存在仅有一个外部同步时源可靠性低的问题；多个外部时源可靠选择问题；输出信号不连续等问题，致使主时钟装置及对时间准确度依赖程度较高的装置无法正常工作，并因为无准确的事件发生时间从而影响在事故发生后的事故分析。从时钟装置接收主时钟发出的时间同步信号进行同步，同步完成后为被授时设备提供时间同步信号。然而目前在应用过程中缺少对时间同步系统内部装置的监测，当某一装置时间同步异常时，会影响系统输出时间信号的可靠性。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种电力时间同步系统鲁棒控制的系统及方法，本发明从时间同步系统信号源入手，通过引入多个外部时源并对输入时源的信号安全性进行判断，杜绝外部不稳定信号的干扰或者恶意篡改的输入时源信号，从而选出最为可靠的时源作为主时钟装置的同步时源，确保主时钟装置时源信号的可靠性。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明涉及一种电力时间同步系统鲁棒控制的系统，其改进之处在于，所述时间同步系统包括至少两个主时钟装置和从时钟装置，所述主时钟装置之间通过光纤互联；每一主时钟装置均通过光纤分别与各从时钟装置互联；所述时间同步系统由主时钟装置接收外部时源信号，保证外部时源信号的安全可靠即保证主时钟装置时源选择的安全可靠；所述主时钟装置由依次连接的时钟接收单元、时钟单元和输出单元组成，所述时间同步系统在所述时钟接收单元和时钟单元上设置可靠性判断模块。

进一步地，所述时钟接收单元包括卫星信号接收模块、有线信号接收模块和可靠性判断模块；所述可靠性判断模块为信号安全性判断模块；

所述卫星接收模块用于接收至少两种外部输入的卫星信号；

所述有线信号接收模块用于接收至少一种外部输入的有线时间信号(如IRIG-B码信号)；

所述信号安全性判断模块用于对输入信号的安全性进行判断；

对于外部输入的卫星信号，通过检测比较卫星信号功率、卫星可见星的变化、星历参数更新频度和幅度、载波频率、码速率及其变化率、卫星信号数量变化、伪距残差及定位偏差等，排除外部的欺骗式干扰和压制式干扰信号；对于外部输入的有线时间信号，通过检测输入信号的连续性、校验位、校验方式、时间质量排除不稳定的不可靠的时间源信号，从而提高外部输入信号的安全性。

进一步地，所述时钟单元由晶振模块、时源管理模块、本地时间模块和信息管理模块组成；所述时源管理模块用于比较外部有效时源和本地时间的时间偏差，并选择出最为可靠的时源作为同步时源驯服晶振并同步本地时间；

若在系统上电初始化阶段，在选出同步时源后，所述主时钟装置同步外部时源时间；若系统完成初始化后，当本地时间和选出的同步时源时间偏差大于1us时，时源管理模块用于控制本地时间逐步逼近同步时源时间，采取逐步跟近的方式，跟进幅度不大于1us/s，从而满足电力被授时设备的应用需求；

所述信息管理模块用于处理各个主时钟装置之间的信息交换与命令交互，并对信息进行分析汇总。

进一步地，所述输出单元用于将主时钟装置同步后的时间信号通过不同的信号模块转换为不同类型的时间输出信号；

所述输出单元包括用于输出电力应用信号的IRIG-B码信号模块、脉冲信号模块、串口报文信号模块和网络报文信号模块；电力应用的输出信号包括：所述IRIG-B码信号模块用于输出IRIG-B码信号，所述脉冲信号模块用于输出脉冲信号，所述串口报文信号模块用于输出串口报文信号，所述网络报文信号模块用于输出网络报文信号。

本发明还提供一种应用电力时间同步系统的实现方法，其改进之处在于，所述实现方法包括：

步骤1：采用双主时钟装置的时间同步系统；

步骤2：从时钟装置接收安全可靠的信号，双主时钟装置接收外部时源信号并完成同步；

步骤3：主时钟装置监测时间同步系统各个装置的输出信号以确定故障装置；

步骤4：确定时间同步系统的输出的信号和主时钟装置的时间偏差。

进一步地，所述步骤1中，当所述时间同步系统采用双主时钟装置时，两个双主时钟装置互为冗余，当某一主时钟装置接收卫星信号时源故障无法同步时，另一主时钟装置为故障主时钟提供时源信息，确保双主时钟装置正常工作。

进一步地，所述步骤2中，每个从时钟装置接收两个主时钟的IRIG-B信号，当其中一个主时钟装置信号故障时，从时钟装置自动切换到另一主时钟装置信号上，确保从时钟装置接收到安全可靠的信号。

进一步地，所述步骤3中，通过主时钟装置监测时间同步系统各个装置的输出信号以确定故障装置，采用在原有接线基础上通过光口波分复用技术实现信息通信，光纤连接的双方在收发不同波长情况下均采用同样的波分复用光模块，在发送光B码的同时，监测对方发来的反馈信息，捕获其上升沿时间准确度及信息解码。

进一步地，所述步骤4中，在两个主始终装置接收外部时源信号并完成同步后，其中一个主时钟装置接收到另一个主时钟装置和各个从时钟装置输出的IRIG-B码信号，并算出各个从时钟装置输出的信号和其中一个主时钟装置的时间偏差，分别记为：Δt11,Δt12,Δt13……Δt1n；同理，主时钟2可以接收到主时钟1和各个从时钟输出的IRIG-B码信号并计算出偏差，分别记为：Δt21,Δt22,Δt23……Δt2n，Δt11和Δt21分别为其中一个主时钟装置和另一个主时钟装置测得的两个主时钟装置之间的偏差，其余均为测得的两个主时钟装置和从时钟装置的偏差，其中一个主时钟装置和另一个主时钟装置通过网络同步计算得出的偏差信息，且其中一个主时钟装置充当时间同步系统的管理者，另一个主时钟装置充当备用管理者，当其中一个主时钟装置管理工作异常时，由另一个主时钟装置完成系统的管理工作。

为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

1.本发明提供的一种电力时间同步系统鲁棒控制的系统及其实现方法，保证时间同步系统外部输入时源的安全可靠，通过从时间同步系统信号源入手，通过引入多个外部时源并对输入时源的信号安全性进行判断，杜绝外部不稳定信号的干扰或者恶意篡改的输入时源信号，从而选出最为可靠的时源作为主时钟装置的同步时源，确保主时钟装置时源信号的可靠性；另一方面通过鲁棒控制实现时间同步系统的闭环，主时钟装置利用光口波分复用技术对时间同步系统各个装置进行监测，及时发现时间同步异常的时钟装置并对其进行调整，从而确保电力授时的安全可靠。即使在外部时源发生跳变的特殊情况下，通过软件控制方式控制时间同步系统输出时间信号的连续稳定性。

通过增加主时钟装置外部时源输入数量提高主时钟装置时源的选择性，利用信号安全性模块防止欺骗式干扰和压制式干扰信号影响主时钟装置的同步时源，杜绝一些恶意输入信号的欺骗，时源控制模块可以从多个外部时源信号中选择出最为安全可靠的时间同步时源，保证主时钟装置的正常工作，从而为从时钟提供时间同步信号，从信号源上保证系统的安全。

2.保证时间同步系统内部运行安全可靠。

通过鲁棒控制使时间同步系统形成闭环，利用主时钟装置监测并管理时间同步系统中各个装置，一旦发现问题及时产生告警信息，并通过监测数据及信息对故障装置进行补偿和调整使其输出可靠的时间信号，保证系统内部运行安全。同时，时源控制模块根据选择的同步时源时间和本地时间采取逐步跟进的方式同步本地时间，避免输出的时间信号发生跳变，提高时钟装置的整体可靠性，从而为整个电力系统被授时装置提供安全可靠的时间同步信号。

附图说明

图1是本发明提供的主时钟装置结构图；

图2是本发明提供的时间同步系统闭环示意图；

图3是本发明提供的光口波分复用的结构图；

图4是本发明提供的智能变电站主时钟装置应用示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

实施例一

本发明提出了一种电力时间同步系统鲁棒控制的系统及其实现方法，通过该方法从时间同步系统信号源入手，通过引入多个外部时源并对输入时源的信号安全性进行判断，杜绝外部不稳定信号的干扰或者恶意篡改的输入时源信号，从而选出最为可靠的时源作为主时钟装置的同步时源，确保主时钟装置时源信号的可靠性；另一方面通过鲁棒控制实现时间同步系统的闭环，主时钟装置利用光口波分复用技术对时间同步系统各个装置进行监测，及时发现时间同步异常的时钟装置并对其进行调整，从而确保电力授时的安全可靠。即使在外部时源发生跳变的特殊情况下，通过软件控制方式控制时间同步系统输出时间信号的连续稳定性。

如图1所示，为本发明提供的主时钟装置结构图，时间同步系统由主时钟装置接收外部时源信号，为了保证外部时源信号的安全可靠即应保证主时钟装置时源选择的安全可靠。主时钟装置主要由时钟接收单元、时钟单元和输出单元组成，具体见图1所示。本文主要通过在接收单元和时钟单元增加可靠性判断模块以提供主时钟装置的整体安全可靠性。

时钟接收单元由卫星接收模块和有线时间信号输入模块、信号安全性判断模块组成。卫星接收模块应接收至少两种卫星信号，有线时间信号输入模块应至少接收一种有线时间信号(如IRIG-B码信号)。通过提高主时钟装置外部输入时源的数量，提高主时钟装置时源信号的多选择性，避免单一时源故障导致装置无法工作的问题。同时，增加信号安全性判断模块对输入信号的安全性进行判断。对于外部输入的卫星信号，通过检测比较卫星信号功率、卫星可见星的变化、星历参数更新频度和幅度、载波频率、码速率及其变化率、卫星信号数量变化、伪距残差及定位偏差等，排除外部的欺骗式干扰和压制式干扰信号；对于外部输入的有线时间信号，通过检测输入信号的连续性、校验位、校验方式、时间质量等排除不稳定的不可靠的时间源信号，从而提高外部输入信号的安全性。

时钟单元由晶振模块、时源管理模块、本地时间和信息管理模块组成。时源管理模块用于比较外部有效时源和本地时间的时间偏差，从而选择出最为可靠的时源作为同步时源驯服晶振并同步本地时间。若在装置上电初始化阶段，在选出同步时源后，主时钟装置应迅速同步外部时源时间；若装置完成初始化后，当本地时间和选出的同步时源时间偏差大于1us时，时源管理模块应控制本地时间逐步逼近同步时源时间，避免产生瞬间的大步跟进，应采取逐步跟近的方式，跟进幅度不应大于1us/s，从而满足电力被授时装置的应用需求。信息管理模块用于处理各个时钟之间的信息交换与命令交互，并对信息进行分析汇总等。

输出单元用于将时钟装置同步后的时间信号通过不同的模块转换为不同类型的时间输出信号，电力应用的输出信号主要分为：IRIG-B码信号、脉冲信号、串口报文信号、网络报文信号等。

外部时源信号的安全可靠从信号源上保证系统的安全可靠，但是无法保证系统内部故障导致的时间同步异常，因此，本文进一步通过闭环来确保整个系统的安全可靠。

实施例二

本发明还提供一种电力时间同步系统鲁棒控制的系统的实现方法，基于鲁棒控制的时间同步系统闭环设计与实现，实现方法包括：

步骤1：采用双主时钟装置的时间同步系统；

步骤2：从时钟装置接收安全可靠的信号，双主时钟装置接收外部时源信号并完成同步；

步骤3：主时钟装置监测时间同步系统各个装置的输出信号以确定故障装置；

步骤4：确定时间同步系统的输出的信号和主时钟装置的时间偏差。

主时钟1和主时钟2之间通过光纤连接获取彼此的对时偏差，并通过网络的方式同步信息，主时钟1和主时钟2分别通过光纤和各个从时钟连接，通过波分复用技术获取各个从时钟装置输出信号的偏差，当发现偏差过大的装置时，主时钟通过网络下发命令对该装置进行调整，最大程度上恢复输出信号的可靠性。主时钟1作为系统的管理者，主时钟2作为备用管理者，当主时钟1故障时，由主时钟2完成对系统的监控和管理，确保时间同步系统的安全可靠，从而使时间同步系统形成闭环，具体如图2所示。

图3中时钟装置使用波分复用光模块，一方发送波长为850nm，接收波长为1510nm；另一方使用同样的波分复用光模块，发送波长为1510nm，接收波长为850nm。两种波长的光纤信号在同一根光纤内同时传输，互不影响。

具体的：

步骤1中，时间同步系统采用双主时钟配置，如图2所示。主时钟1和主时钟2之间通过光纤互连并发送IRIG-B信息，当某一主时钟接收卫星信号时源故障无法同步时，另一主时钟可为故障主时钟提供时源信息，从而确保两个主时钟正常工作。

步骤2中，每个主时钟和从时钟也通过光纤互连，每个从时钟接收两个主时钟的IRIG-B信号，当其中一个主时钟信号故障时，从时钟可以自动切换到另一主时钟信号上，确保从时钟接收到安全可靠的信号。

步骤3中，接收到的时源信号安全可靠不能保证时钟装置输出的信号安全可靠，因此，本发明设计通过主时钟监测时间同步系统各个装置的输出信号以确定故障装置，为了避免增加接线，在原有接线基础上通过光口波分复用技术实现信息通信，光纤连接的双方在收发不同波长情况下均采用同样的波分复用光模块，在发送光B码的同时，也监测对方发来的反馈信息，捕获其上升沿时间准确度及信息解码，如一方发送波长为850nm，接收波长为1510nm；另一方使用同样的波分复用光模块，发送波长为1510nm，接收波长为850nm，具体如图3所示。

步骤4中，在主时钟1和主时钟2接收外部时源信号并完成同步后，主时钟1可以接收到主时钟2和各个从时钟输出的IRIG-B码信号，并可以算出各个装置输出的信号和主时钟1的时间偏差，分别记为：Δt11,Δt12,Δt13……Δt1n；同理，主时钟2可以接收到主时钟1和各个从时钟输出的IRIG-B码信号并可计算出偏差，分别记为：Δt21,Δt22,Δt23……Δt2n，Δt11和Δt21分别为主时钟1和主时钟2测得的两个主时钟之间的偏差，其余均为测得的各个从时钟和主时钟的偏差，主时钟1和主时钟2通过网络同步计算得出的偏差信息，且主时钟1充当时间同步系统的管理者，主时钟2充当备用管理者，当主时钟1管理工作异常时，由主时钟2完成系统的管理工作。按照《电力系统时间同步系统技术规范》要求，时钟装置输出的IRIG-B时间准确度应优于1μs，因此在时间同步系统正常工作条件下，无论Δt11,Δt12,Δt13……Δt1n还是Δt21,Δt22,Δt23……Δt2n的绝对值都应不大于1μs。若某一时刻发现Δt1n和Δt2n(n>1)都大于1μs，则表示时钟n时间同步异常，此时，主时钟1产生告警信息并发送命令获取时钟n当前时源选择信息，若选择的时源为主时钟1，主时钟则将Δt1n发送给时钟装置n，时钟装置n获取偏差后对输出信号补偿Δt1n，且采用步进的补偿方式避免产生大的跳动；若时钟n选择的时源为主时钟2，则主时钟1将Δt2n发送给时钟n，按照同样的方式进行补偿，从而保证时间同步异常的装置也能输出可靠的时间信号。

实施例三

图4为智能变电站时间同步系统典型应用实例，主时钟1和主时钟2互为备用，主时钟1为站控层设备提供时间同步信号，从时钟接收主时钟1和主时钟2输出的IRIG-B信号并在完成同步后为测控装置和保护装置提供对时信号。

本发明可应用于智能变电站内时间同步系统的设计，应用示意图如图4所示。主时钟装置部署于站控层，并采用双主时钟配置，其中主时钟1为主钟，主时钟2为备钟，通过关联IRIG-B信号实现双主时钟的通信。按照本文的设计，时钟装置应接收外部的GPS信号、BDS信号、有线输入信号作为主时钟装置的输入时源，通过信号安全性判断模块排除恶意的欺骗信号，通过时源管理模块从输入的有效时源中选择出最为可靠的时源作为同步时源同步本地时间。当完成同步后，主时钟装置输出NTP信号和IRIG-B码信号为站内设备进行同步。站控层的监控主机、网关机等接收主时钟发出的NTP信号作为装置的同步时间信号，测控装置和保护装置接收时钟装置输出的IRIG-B码信号作为装置的时间同步信号。对于大规模的变电站，可在各个小室部署从时钟，从时钟接收主时钟的IRIG-B码信号实现从时钟的同步，同步后输出IRIG-B码信号为小室内的测控装置、保护装置提供同步时间信号。主时钟装置中的时源管理模块会实时比较外部时源时间和本地时间的差值，即使在外部时源时间发生跳变的时候，保护时钟装置的输出信号连续稳定，逐步逼近选择的外部时间信号，从而避免输出信号的跳变，保证被授时装置能够接收到可靠连续的时间信号。在整个时间同步系统中，通过鲁棒控制保证系统输入的信号源的安全可靠，在系统内部使主时钟装置作为时间同步系统的管理端，监测系统中各个装置的时间同步状态，当发现时间同步异常的装置时，主时钟会产生告警信息并通过鲁棒控制对时间同步异常的装置进行参数调整以确保时间同步系统时间信号的安全可靠输出。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。