京準電鐘：變電站北斗衛(wèi)星授時系統(tǒng)改造方案探討

京準電鐘：變電站北斗衛(wèi)星授時系統(tǒng)改造方案探討

一、改造背景與必要性

1.1 安全可控需求

在全球政治經(jīng)濟形勢復(fù)雜多變的當下，電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。傳統(tǒng)的 GPS 授時系統(tǒng)依賴國外技術(shù)，存在諸多安全隱患。例如，在特殊國際形勢下，國外有可能對 GPS 信號進行干擾或限制，導(dǎo)致電力系統(tǒng)授時出現(xiàn)偏差甚至中斷。而北斗授時系統(tǒng)采用國產(chǎn)化元器件和操作系統(tǒng)，通信協(xié)議自主可控，從根本上保障了電力系統(tǒng)的信息安全，符合國家電網(wǎng)安全要求，降低了外部攻擊風險，為電力系統(tǒng)的可靠運行筑牢了安全防線。

1.2 精度與可靠性提升

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對時間同步精度的要求日益提高。北斗授時精度可達 20-50 納秒，相較于 GPS 的 100 納秒，精度優(yōu)勢明顯。在一些對時間精度要求極高的電力業(yè)務(wù)場景中，如故障錄波、繼電保護等，高精度的時間同步能夠更準確地記錄故障發(fā)生時間和順序，為后續(xù)的故障分析和處理提供精準依據(jù)，有助于快速恢復(fù)電力供應(yīng)，減少停電損失。同時，北斗系統(tǒng)支持雙北斗冗余模式（“北斗 + 北斗”），這種冗余設(shè)計避免了單點故障風險。即使某一衛(wèi)星信號受到干擾或出現(xiàn)故障，另一路信號仍能確保授時的連續(xù)性和穩(wěn)定性，大大提升了授時系統(tǒng)的可靠性。

1.3 政策驅(qū)動

國家相關(guān)政策對電力系統(tǒng)的時間同步安全高度重視。《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》明確指出，早期建設(shè)的電力設(shè)施需升級為北斗對時系統(tǒng)，以消除對 GPS 的依賴風險。這一政策要求體現(xiàn)了國家從戰(zhàn)略層面保障電力系統(tǒng)安全的決心，推動了變電站北斗授時系統(tǒng)改造工作的全面開展。各電力企業(yè)積極響應(yīng)政策號召，加快推進改造項目，確保電力系統(tǒng)的時間同步符合國家政策標準，提升整個電力行業(yè)的安全性和穩(wěn)定性。

二、核心功能需求

2.1 單北斗信號接收

為確保數(shù)據(jù)源的絕對安全，變電站北斗授時系統(tǒng)應(yīng)完全摒棄 GPS，僅依賴北斗衛(wèi)星信號。通過先進的信號接收技術(shù)和算法，精準捕獲和解析北斗衛(wèi)星信號，將其作為唯一的時間基準來源。這樣可以避免因使用 GPS 信號而帶來的潛在安全風險，確保授時系統(tǒng)不受國外技術(shù)制約，實現(xiàn)真正意義上的自主可控。

2.2 時間監(jiān)測與告警

實時監(jiān)測各設(shè)備的對時偏差是保障授時系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。系統(tǒng)應(yīng)具備高精度的時間監(jiān)測能力，能夠?qū)崟r獲取站內(nèi)所有設(shè)備的時間信息，并與標準時間進行比對，當對時偏差超過設(shè)定閾值（偏差精度可達 1 微秒）時，立即觸發(fā)告警機制。告警信息可通過多種方式及時通知運維人員，如站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)彈窗提示、短信提醒、郵件通知等。運維人員可根據(jù)告警信息迅速定位問題設(shè)備，及時進行排查和處理，確保整個變電站設(shè)備的時間同步精度在正常范圍內(nèi)。

2.3 抗干擾能力

在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，授時信號容易受到各種干擾，影響授時精度和可靠性。因此，北斗授時系統(tǒng)必須具備強大的抗干擾能力。通過集成欺騙干擾信號識別功能，能夠有效識別和抵御惡意信號攻擊，如欺騙信號、干擾信號等。采用先進的濾波技術(shù)、信號加密技術(shù)和抗干擾算法，對接收的北斗衛(wèi)星信號進行預(yù)處理和優(yōu)化，提高信號的信噪比，確保在惡劣電磁環(huán)境下仍能穩(wěn)定、準確地接收和處理授時信號，保障授時系統(tǒng)的正常運行。

2.4 遠程管理平臺

構(gòu)建統(tǒng)一的遠程管理平臺，實現(xiàn)對主時鐘、從時鐘、監(jiān)測鐘等設(shè)備狀態(tài)的集中監(jiān)測和管理。平臺應(yīng)具備友好的用戶界面，實時顯示各設(shè)備的運行狀態(tài)、時間同步狀態(tài)、衛(wèi)星鎖定數(shù)量及設(shè)備對時精度等關(guān)鍵信息。同時，支持遠程控制功能，運維人員可通過平臺對設(shè)備進行參數(shù)設(shè)置、時鐘校準、設(shè)備重啟等操作，極大提高了運維效率。此外，平臺還應(yīng)具備完善的日志記錄功能，詳細記錄設(shè)備的操作歷史、告警信息等，便于后續(xù)的故障分析和系統(tǒng)優(yōu)化。通過遠程管理平臺，可實現(xiàn)對變電站北斗授時系統(tǒng)的全方位、智能化管理，降低運維成本，提升系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

三、技術(shù)方案與設(shè)備選型

3.1 主時鐘雙重化配置

主時鐘作為整個授時系統(tǒng)的核心設(shè)備，采用雙機冗余設(shè)計至關(guān)重要。以京準電鐘為例，其支持雙北斗輸入，具備卓越的守時性能，守時誤差小于 1 微秒 / 小時，能夠滿足 220kV 及以上變電站對高精度時間同步的嚴苛需求。在實際運行中，兩臺主時鐘互為備用，當一臺主時鐘出現(xiàn)故障時，另一臺主時鐘能夠無縫切換，繼續(xù)為站內(nèi)設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的授時信號，確保授時系統(tǒng)的不間斷運行。同時，主時鐘的擴展輸出支持 IRIG - B 碼、NTP/PTP、脈沖信號等多種接口類型，可適配不同設(shè)備的對時要求，兼容性強，能夠與變電站內(nèi)各種自動化設(shè)備實現(xiàn)良好對接。

3.2 衛(wèi)星授時安全隔離裝置

衛(wèi)星授時安全隔離裝置部署于主時鐘信號接收端，起著保障授時信號可靠性與抗干擾能力的關(guān)鍵作用。該裝置通過硬件隔離技術(shù)，將衛(wèi)星信號接收模塊與主時鐘內(nèi)部其他電路進行有效隔離，防止外部干擾信號通過電源、數(shù)據(jù)線等途徑進入主時鐘，影響授時精度。同時，采用先進的信號校驗算法，對接收的衛(wèi)星信號進行實時校驗，確保信號的準確性和完整性。一旦檢測到異常信號，立即采取相應(yīng)措施，如阻斷異常信號傳輸、發(fā)出告警信息等，從而有效保障授時信號的質(zhì)量和安全性，為變電站設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的時間基準。

3.3 統(tǒng)一管理平臺建設(shè)

統(tǒng)一管理平臺集成了主時鐘、從時鐘及監(jiān)測設(shè)備等信息，是實現(xiàn)授時系統(tǒng)智能化管理的核心。平臺實時顯示時間同步狀態(tài)，通過直觀的圖形界面展示各設(shè)備與標準時間的同步情況，便于運維人員快速了解系統(tǒng)整體運行狀態(tài)。同時，準確顯示衛(wèi)星鎖定數(shù)量，讓運維人員及時掌握衛(wèi)星信號接收情況，判斷授時系統(tǒng)的可靠性。設(shè)備對時精度也在平臺上清晰呈現(xiàn)，運維人員可根據(jù)精度數(shù)據(jù)對設(shè)備進行調(diào)整和優(yōu)化。平臺支持日志記錄功能，詳細記錄設(shè)備的運行日志、操作日志、告警日志等，為故障排查和系統(tǒng)優(yōu)化提供詳實的數(shù)據(jù)支持。此外，還具備遠程升級功能，可通過網(wǎng)絡(luò)遠程對設(shè)備的軟件進行升級，確保設(shè)備始終運行在最新、最穩(wěn)定的狀態(tài)，提高系統(tǒng)的整體性能和安全性。

3.4 高精度授時網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

構(gòu)建高精度授時網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是實現(xiàn)全站設(shè)備時間同步的關(guān)鍵。在站控層，采用 SNTP/NTP 網(wǎng)絡(luò)對時方式，利用網(wǎng)絡(luò)的廣泛覆蓋性和便捷性，將主時鐘的時間信號快速、準確地傳輸?shù)秸究貙拥母鱾€設(shè)備，實現(xiàn)站控層設(shè)備的時間同步。在間隔層和過程層，根據(jù)設(shè)備的具體特點和對時精度要求，采用 IRIG - B 碼或 IEEE 1588 協(xié)議進行對時。IRIG - B 碼具有高精度、抗干擾能力強等優(yōu)點，適用于對時精度要求較高的設(shè)備；IEEE 1588 協(xié)議則利用網(wǎng)絡(luò)傳輸時間信號，具有靈活性高、易于部署等優(yōu)勢。通過合理選擇對時方式，確保全站時間同步精度優(yōu)于 1 微秒，滿足電力系統(tǒng)對時間同步精度的嚴格要求，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供有力保障。

四、實施步驟

4.1 設(shè)備替換

淘汰老舊的 GPS 授時裝置，這是實現(xiàn)北斗授時系統(tǒng)改造的第一步。老舊 GPS 授時裝置不僅存在安全隱患，而且隨著技術(shù)的發(fā)展，其授時精度和可靠性已難以滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的需求。更換為北斗主時鐘，如安徽京準 HR - 901B，該設(shè)備具備高精度授時能力和良好的穩(wěn)定性，同時配備配套的安全隔離裝置，有效保障授時信號的安全可靠傳輸。在設(shè)備替換過程中，需嚴格按照設(shè)備安裝手冊進行操作，確保新設(shè)備的正確安裝和調(diào)試，同時對舊設(shè)備進行妥善拆除和回收處理。

4.2 雙北斗冗余部署

將原有 “GPS + 北斗” 模式升級為雙北斗授時模式，是提升系統(tǒng)容錯能力的重要舉措。在雙北斗冗余部署過程中，需合理規(guī)劃衛(wèi)星天線的安裝位置，確保兩個北斗天線都能接收到良好的衛(wèi)星信號，且相互之間不會產(chǎn)生干擾。同時，對主時鐘設(shè)備進行相應(yīng)的配置調(diào)整，使其能夠同時接收和處理兩路北斗衛(wèi)星信號。通過雙北斗冗余部署，當其中一路北斗信號出現(xiàn)異常時，另一路信號能夠立即接替工作，保障授時系統(tǒng)的不間斷運行，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

4.3 信號調(diào)試與校準

信號調(diào)試與校準是確保授時信號穩(wěn)定性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在天線安裝方面，應(yīng)選擇開闊場地，避免周圍建筑物、樹木等對衛(wèi)星信號的遮擋，同時采取抗干擾設(shè)計，如對天線進行屏蔽處理、合理布線等，減少電磁干擾對信號的影響。在傳輸延時補償方面，通過精確測量信號傳輸路徑的長度和信號傳輸速度，計算出信號傳輸延時，并在主時鐘設(shè)備中進行相應(yīng)的補償設(shè)置，確保設(shè)備接收到的時間信號準確無誤。此外，還需對授時系統(tǒng)進行全面的調(diào)試和測試，包括信號強度測試、對時精度測試、抗干擾測試等，及時發(fā)現(xiàn)并解決信號傳輸過程中出現(xiàn)的問題，保障授時信號的穩(wěn)定可靠傳輸。

4.4 平臺聯(lián)調(diào)與驗證

完成設(shè)備安裝和信號調(diào)試后，進行平臺聯(lián)調(diào)與驗證工作。測試各設(shè)備的對時精度，如故障錄波器要求對時精度≤1μs，保護裝置要求對時精度≤10ms，確保所有設(shè)備的對時精度滿足電力系統(tǒng)的運行要求。對統(tǒng)一管理平臺進行全面測試，驗證其各項功能的正確性和穩(wěn)定性，包括設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測功能、時間同步狀態(tài)顯示功能、遠程控制功能、日志記錄功能等。在平臺聯(lián)調(diào)與驗證過程中，模擬各種可能出現(xiàn)的故障情況，如衛(wèi)星信號中斷、主時鐘故障、從時鐘故障等，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)情況和恢復(fù)能力，確保系統(tǒng)在各種復(fù)雜情況下都能正常運行。通過嚴格的平臺聯(lián)調(diào)與驗證，完成全站時間同步驗證，確保變電站北斗授時系統(tǒng)能夠投入正式運行，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供可靠的時間保障。

五、典型案例

5.1 電力雙北斗改造

某地區(qū)成功完成 6 座 35kV 變電站的 “北斗 + 北斗” 授時升級。在改造過程中，嚴格按照上述技術(shù)方案和實施步驟進行操作。首先，對老舊的授時裝置進行替換，安裝了性能優(yōu)良的北斗主時鐘及安全隔離裝置。然后，精心部署雙北斗冗余系統(tǒng)，確保衛(wèi)星信號接收的穩(wěn)定性。通過仔細的信號調(diào)試與校準，優(yōu)化了信號傳輸路徑，補償了傳輸延時。最后，經(jīng)過全面的平臺聯(lián)調(diào)與驗證，測試了各設(shè)備的對時精度，均滿足設(shè)計要求。改造后，授時精度達 20 納秒，顯著提升了電網(wǎng)穩(wěn)定性。在后續(xù)的運行過程中，系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的可靠性和抗干擾能力，有效減少了因時間同步問題導(dǎo)致的電力故障，為地區(qū)電力供應(yīng)的穩(wěn)定可靠提供了有力保障。

5.2 風電場改造項目

某風電場采用京準電鐘 HR - 901B 裝置進行升壓站設(shè)備的授時改造。該裝置具備強大的授時功能和靈活的接口配置，能夠滿足風電場升壓站多種設(shè)備的對時需求。在實施過程中，同樣注重設(shè)備替換、雙北斗冗余部署、信號調(diào)試與校準以及平臺聯(lián)調(diào)與驗證等環(huán)節(jié)。通過改造，實現(xiàn)了升壓站設(shè)備全覆蓋，同步精度優(yōu)于 1μs。同時，借助統(tǒng)一管理平臺的遠程監(jiān)測與故障分析功能，運維人員能夠?qū)崟r掌握設(shè)備的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在問題。在風電場復(fù)雜的電磁環(huán)境下，該授時系統(tǒng)穩(wěn)定運行，為風電場的安全高效運行提供了準確的時間基準，提高了風電場的整體運行效率和可靠性。

六、優(yōu)勢與效益

6.1 安全性

北斗授時系統(tǒng)采用國產(chǎn)化芯片與操作系統(tǒng)，從根本上消除了外部攻擊風險。相較于依賴國外技術(shù)的 GPS 授時系統(tǒng)，北斗系統(tǒng)在信息安全方面具有顯著優(yōu)勢。在電力系統(tǒng)面臨日益嚴峻的網(wǎng)絡(luò)安全威脅的背景下，使用北斗授時系統(tǒng)能夠有效保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，防止因外部攻擊導(dǎo)致的時間同步異常，進而避免電力事故的發(fā)生，維護國家能源安全和社會穩(wěn)定。

6.2 經(jīng)濟性

國產(chǎn)設(shè)備成本優(yōu)勢明顯，以安徽京準科技北斗衛(wèi)星授時為例，售價僅為 3 -5萬元，而進口同類方案成本約為其 2-3 倍。在大規(guī)模的變電站北斗授時系統(tǒng)改造項目中，采用國產(chǎn)設(shè)備能夠大幅降低設(shè)備采購成本。同時，國產(chǎn)設(shè)備的定制化擴展能力強，可根據(jù)不同變電站的實際需求進行靈活配置，減少不必要的功能冗余，進一步降低成本。此外，國產(chǎn)設(shè)備在后期維護和技術(shù)支持方面具有響應(yīng)速度快、成本低的優(yōu)勢，能夠有效降低運維成本，提高電力企業(yè)的經(jīng)濟效益。

6.3 可擴展性

北斗授時系統(tǒng)具有良好的可擴展性，能夠適配智能電網(wǎng)、新能源電站等多種新興電力應(yīng)用場景。隨著 5G、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力領(lǐng)域的逐步融合應(yīng)用，對時間同步精度和系統(tǒng)智能化管理的要求將越來越高。北斗授時系統(tǒng)能夠與這些新技術(shù)無縫對接，通過不斷升級和優(yōu)化系統(tǒng)功能，滿足未來電力系統(tǒng)發(fā)展的需求。例如，在智能電網(wǎng)中，高精度的時間同步是實現(xiàn)分布式能源精準調(diào)度、電力市場交易公平公正的基礎(chǔ)；在新能源電站中，時間同步對于保障光伏、風電等新能源設(shè)備的協(xié)同運行和電能質(zhì)量監(jiān)測至關(guān)重要。北斗授時系統(tǒng)的可擴展性為電力系統(tǒng)的持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展提供了有力支撐。

七、總結(jié)

變電站北斗授時系統(tǒng)改造是電力系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型進程中的關(guān)鍵一環(huán)，其重要性不言而喻。通過國產(chǎn)化設(shè)備替換，徹底擺脫對國外技術(shù)的依賴，從源頭上保障了電力系統(tǒng)的安全。雙北斗冗余設(shè)計極大地提升了授時系統(tǒng)的可靠性，確保在各種復(fù)雜環(huán)境下都能穩(wěn)定提供高精度時間基準。統(tǒng)一管理平臺建設(shè)實現(xiàn)了對授時系統(tǒng)的智能化、集中化管理，提高了運維效率，降低了運維成本。這些措施綜合作用，顯著提升了電網(wǎng)的安全性和運行效率。

在具體實施過程中，必須充分結(jié)合站點的實際情況，包括電壓等級、設(shè)備接口類型及精度需求等。不同電壓等級的變電站對授時精度的要求有所差異，例如，220kV 及以上變電站通常對授時精度要求更為嚴苛，需要選擇性能更優(yōu)的主時鐘設(shè)備和更精密的授時網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。設(shè)備接口類型的多樣性也決定了在選擇授時設(shè)備和配置對時方式時，要確保設(shè)備之間的兼容性和匹配性。根據(jù)精度需求合理調(diào)整信號調(diào)試、校準以及設(shè)備選型等環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)最佳的改造效果。

隨著電力技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，北斗授時系統(tǒng)在電力領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊。未來，應(yīng)持續(xù)關(guān)注北斗技術(shù)的發(fā)展動態(tài)，不斷優(yōu)化和完善變電站北斗授時系統(tǒng)改造方案，推動電力系統(tǒng)向更加安全、高效、智能的方向發(fā)展，為經(jīng)濟社會的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展提供堅實的電力保障。

審核編輯 黃宇