电力系统时间同步检测技术

为保证时间同步装置在生产现场运行时的安全可靠性，在维护、改扩建时的可操作性，时间同步产品在研发、生产、准入、建设、验收等环节中都需要通过质量检测来保证品质的一致性。本章通过对时间同步检测技术的介绍，使读者了解各项检测对时间同步产品性能的影响，以及检测结果和参数对工程实践的指导意义。

4.1 时间同步检测方法

时间同步的准确度是时间同步检测的基本指标之一，对于它的测量读者可能会比较陌生。以我们熟悉的距离测量为例，两点间相对距离的测量误差主要由尺子刻度的误差决定。如果其中的一个点位于某个坐标系，用尺子除了可测量到两个点之间相对的距离外，另一个点也可通过该点与该坐标系建立联系。被测点与坐标系的绝对距离的测量误差除受尺子刻度影响外，还受参考点在坐标系上标识的误差影响。

回到时间的测量上，如图4-1所示，参考频率源就如同尺子刻度，作为计数脉冲的基准直接影响相对时间差的测量误差，参考时间源如同坐标系上的参考点，通过它使测量的相对时间差与某个法定时间系统相联系，在中国的电力系统中，引用的这个时间系统即北京时间（UTC+8）。

检测系统根据图4-2所示的结构构建，由一系列通用仪器设备组成。间隔计数器充当尺子和读数者的角色，负责比较测量两个1PPS的相对时间差；参考频率源作为尺子刻度的角色，提供计数脉冲；参考时间源作为参考坐标系，提供与北京时间的参考；当间隔计数器的计数准确度，参考频率源的频率准确度和参考时间源的时间准确度经过计量检定，整个测量过程便满足测试的溯源要求。在实际的测试中，由于应用在电力行业中的各种对时信号并不是简单的1PPS信号，因此往往还需要增加一个专用的信号解码器，将对时信号恢复为标准的1PPS信号。如图：光纤IRIG-B
被测对时信号 → 对时信号解码器 → PPS
参考时间源 → 间隔计数器 → 参考频率源

为了提高测试效率、方便操作与使用，相关厂家推出了时间频率测试仪。时间频率测试仪，将多个仪器整合在一起，配置专用测试统计分析软件，形成综合性的测试仪器，时间频率测试仪示意图如图4-3所示。这样的测试仪，具有功能齐全、携带方便、配置灵活、维护简单、测试接线方便等特点；减少了分布参数和连接接触问题带来的不确定性，不必频繁更换解码器，可大大提高检测效率和准确度，为测试实验室和测试现场所广泛采用。

4.1.1 主要测试设备

为了满足电力系统时间同步装置的功能性检测的需要，无论是实验室检测、还是现场检测，我们都需要配置相应的测试设备，来完成对时间同步装置的检测试验。
（1）标准时间源。其要求如下：
1）需经国家授权机构检定，通过量值传递并标定准确度的时间源，才能作为本地UTC时间源开展测试工作；
2）标准时间源相对于UTC时间的时间准确度应优于被测装置标称的时间准确度的1/4，应具有秒脉冲输出。
（2）时间频率测试仪。时间频率测试仪是时间同步测试的综合测试仪器，本身就是一台高精度时钟装置，配置相应的输入信号模块。用于测量被测试装置输出的各种类型时间同步信号的时间准确度和时间同步信息的正确性。一般包括标准时间单元、时间同步信号测量单元、时间同步信号仿真单元、记录、分析、配置单元等。对其要求如下：
1）应能测试以下类型（但不限于）时间同步信号；
①脉冲信号（PPS、PPM、PPH、PPD等）；
②IRIG-B信号；
③串行通信口对时信号；
④网络对时信号。
2）时间分辨率应优于10ns，测量精度应优于被测装置标称的时间准确度的1/4。
（3）时间间隔频率计数器。对其要求如下：
1）应可测量两路输入脉冲信号上升沿之间的时间差；
2）时间分辨率应优于10ns，测量精度应优于被测装置标称的时间准确度的1/4。
（4）卫星信号模拟器。用于模拟北斗卫星、GPS卫星等发送射频信号的设备。对其要求如下：
1）射频信号输出接口；
2）模拟器输出信号参数：
①输出功率：≥-183dBW；
②功率分辨率：优于0.2dB；
③功率准确度：优于0.7dB。
（5）示波器。对其要求如下：
1）信号输入：≥2路；
2）带宽：≥100MHz；
3）采样率：≥1.25G/s。
（6）万用表。应具有电压、电流大小指示，电阻值指示及通断音响指示。
（7）标准三相功率源。对其要求如下：
1）频率范围：45~55Hz，正弦；
2）信号幅值：0~220V可调；
3）频率误差：≤0.02%。

4.1.2 输出信号检测

在实际的生产现场，为了满足电力系统各类被控时设备以及从时钟的接口需要，电力系统时间同步装置提供多种电平和编码方式的输出信号，在检测过程中，需要对每种类型的输出信号实施测试，以确认被测信号接口是否达到精度要求。

（1）TTL对时接口测试。使用时间频率测试仪，对TTL对时接口测试的连接如图4-4所示，使用不超过3m的BNC接口的50Ω同轴电缆连接被测设备TTL接口，选取被测设备的PPS输出进行测试。1）测试内容：①IRIG-B（DC）码的秒准时沿与标准时间准时沿的误差；②IRIG-B（DC）码的秒准时沿的上升时间；③IRIG-B（DC）码的码元正脉宽，码元周期。
2）合格判据。根据DL/T 1100.1—2009中5.4.1的要求，其上升沿时间准确度（脉冲幅度的90%）应优于1μs，准时沿上升沿时间（脉冲幅度10%~90%）≤100ns。

（2）空接点对时接口测试。使用示波器测试空接点对时接口的测试电路如图4-5所示，用时间频率测试仪测试空接点对时接口的电路连接如图4-6所示，选取被测设备的PPS输出进行测试。使用不超过3m的电缆连接，测试系统应选择适当阻值的负载电阻，将空接点负载电流控制在2mA。空接点由分到合的跳变对应准时沿，因此负载电阻端电压的上升沿对应被测1PPS上升沿，可使用时间频率测试仪内置测量功能或示波器测量待测信号的上升时间（脉冲幅度10%~90%）。 1）测试内容：①空接点由打开到闭合的跳变对应准时沿；②用示波器测量被测设备输出信号的上升时间。
2）合格判据。根据DL/T 1100.1—2009中5.4.1的要求，其上升沿时间准确度应优于3μs，上升时间≤1μs。
（3）RS-422/RS-485对时接口测试。对RS-422/RS-485对时接口测试的连接如图4-7所示，选取被测设备的IRIG-B（DC）或1PPS的差分信号输出进行测试，使用不超过3m的屏蔽双绞线连接，等效输入负载电阻为100Ω；测试IRIG-B（DC）码时，测量模块中由IRIG-B码解码器、时间间隔频率计数器等功能模块组成，测得IRIG-B（DC）码秒准时沿和标准时间源的误差，并检验IRIG-B码中时间信息的正确性。（1）测试内容：①IRIG-B（DC）码秒准时沿和UTC基准时间的误差；②IRIG-B（DC）码的码元正脉宽、码元周期；③检验IRIG-B码和时间报文中时间信息的正确性，时间信息包括：本地时间信息、B码校验位、时区信息、时间质量信息（应使被测设备在锁定状态及守时保持状态之间切换，观察时间质量信息的变化）、闰秒标识信息、SBS信息。
2）合格判据。根据DL/T 1100.1—2009中5.4.1、5.4.2的要求，RS-422/RS-485对时接口的秒准时沿时间准确度应优于1μs。

（4）RS-232串行对时接口测试。RS-232串行对时接口测试连接如图4-8所示，使用不超过3m的屏蔽电缆连接被测设备，由于串行对时报文是从时钟端向被对时端单向传输，所以连接被测时钟设备的TX是必要的，波特率9600bit/s。用计算机或时间频率测试仪接收待测的串行口对时报文，从中解析出时间信息。（1）测试内容：①测量报文的起始发送时刻与UTC基准时间的误差；②检验报文中时间信息的正确性。
2）合格判据。根据DL/T 1100.1—2009中5.4.3的要求，编码格式和信息内容应符合标准条款的要求，其引导位标志的秒准时沿时间准确度应优于5ms。
（5）IRIG-B（AC）对时接口测试。IRIG-B编码（包括AC码、DC码）的格式测试包括以下时间信息的正确性：本地时间信息、校验位、时区信息、时间质量信息（应使待测时钟在锁定状态及守时保持状态之间切换，观察时间质量信息的变化）、闰秒标识信息（用卫星导航模拟器模拟闰秒事件）、SBS信息。
其编码格式应符合DL/T 1100.1附录B规定，本地时间信息应为北京时间，校验为奇校验，时区为+8，时间质量信息正常同步时为0x00，守时时按估计偏差和时钟切换要求在0x01~0x0b间变化，时钟故障时为0x0f，闰秒信息应在闰秒发生前一分钟内预告，并保持至在闰秒发生，在发生后第一秒撤销预告标志。
使用示波器检测IRIG-B（AC）码的测试连接如图4-9所示，使用时间频率测试仪检测IRIG-B（AC）码的测试连接如图4-10所示。使用不超过3m的电缆连接被测设备，用示波器或时间频率测试仪测量被测设备输出的交流调制IRIG-B信号，载波过零点为边沿标志。1）测试内容：①秒准时沿；②载波频率；③电压幅值范围；④调制比；⑤编码格式和信息内容。
2）合格判据。根据DL/T 1100.1—2009中5.4.2.2的要求，秒准时沿时间准确度应优于20μs，载波频率应为1×（100±1）%kHz，高电平幅值范围3~12Vp-p（10V为必选），调制比3；1~6；1（3；1为必选），输出阻抗应大于600Ω。
（6）IRIG-B（DC）编码测试。IRIG-B（DC）码的测试连接如图4-11所示。用示波器或时间频率测试仪测量IRIG-B（DC）码的秒准时沿与标准时间准时沿的误差，IRIG-B（DC）码的码元正脉宽、码元周期。1）测试内容：①秒准时沿；②码元正脉宽；③码元周期；④编码格式和信息内容。
2）合格判据。根据DL/T 1100.1—2009中5.4.2.1的要求，秒准时沿与标准时间准时沿的误差应优于1μs，IRIG-B（DC）码的码元正脉宽、码元周期与额定值的偏差应≤4μs。
（7）光纤对时接口测试。光纤对时接口的测试连接如图4-12所示，使用不超过3m的820nm单模光纤（ST连接器）连接被测设备，选取被测设备的IRIG-B（DC）或PPS输出进行测试。1）测试内容：①IRIG-B（DC）码秒准时沿和UTC基准时间的误差；②IRIG-B（DC）码的码元正脉宽、码元周期；③检验IRIG-B（DC）码和时间报文中时间信息的正确性，时间信息包括：本地时间信息、B码校验位、时区信息、时间质量信息（应使被测设备在锁定状态及守时保持状态之间切换，观察时间质量信息的变化）、闰秒标识信息、SBS信息；④检验1PPS和UTC基准时间的误差。
2）合格判据。其对时接口的秒准时沿时间准确度应优于1μs，按照IRIG-B（DC）的要求考核。

（8）NTP网络对时报文测试。NTP网络对时的测试连接如图4-13所示，待测设备工作在NTP服务器端模式，用不超过3m的网线与时间频率测试仪直连，测试仪工作在SNTP客户端模式。1）测试内容：①网络对时报文格式的正确性；②NTP对时信号的时间准确度。
2）合格判据。测试被测时钟设备的网络对时报文格式的正确性，其报文格式与交互应满足RFC2030要求；测试被测时钟设备的SNTP对时性能，准确度应优于10ms。

（9）PTP网络对时报文测试。根据待测设备的PTP工作模式，分为三种情况进行测试。

1）待测设备为工作在MASTER模式的OC：测试连接如图4-14所示，配置为P2P二步法，测试仪模拟PTP SLAVER模式的OC，建立正确的PTP协议交互后，将被测设备时间戳与基准时间的时间戳比较测出误差。2）待测设备为工作在SLAVE模式的OC（一般为被授时装置）：测试连接如图4-15所示，配置为P2P二步法，测试仪模拟PTP MASTER模式的OC，建立正确的PTP协议交互后，将被测设备时间戳与基准时间的时间戳比较测出误差。3）待测设备为TC设备（一般为交换机）：测试连接如图4-16所示，配置为P2P二步法，测试仪模拟标准的PTP MASTER OC经过被测设备（交换机），和模拟PTP SLAVER模式的OC建立正确的PTP协议交互后，将被测设备时间戳与基准时间的时间戳比较测出驻留时间的误差。测试内容和合格判据如下：
1）测试内容：①报文交互、报文格式；②时间准确度；③最佳主时钟选择；④抖动时间；⑤PTP时钟的功能：守时、时延补偿、自复位、状态显示、告警；⑥网络异常对PTP时钟的影响。
2）合格判据。PTP时钟的报文格式与交互应满足GB/T 25931（IEC 61588/1588）。

IEEE 1588）的要求；PTP主时钟应满足DL/T 1100.2中6.3.1的要求，PTP从时钟应满足DL/T 1100.2中6.3.3的要求；PTP时钟的性能应满足DL/T 1100.2中6.4的要求，时间准确度优于1μs，抖动时间≤200ns，能够选择最佳主时钟源。BMC状态切换时间应满足：①当活动主时钟断开时，时钟从静默状态到活动状态切换时间宜小于10s；②当活动主时钟状态改变时，时钟从静默状态到活动状态切换时间宜小于10s；③当出现更高等级时钟时，当前活动时钟从活动状态到静默状态切换时间宜小于10s。

4.1.3 守时性能测试

将时钟装置接入标准时钟源，使时钟装置进入锁定状态，保持2h后断开标准时钟源信号，此时时钟装置进入守时状态，继续连续运行12h。
（1）测试内容：守时状态下的时间准确度。
（2）合格判据。时钟装置在守时状态下，连续运行12h，准确度变化应优于1μs/h。GB/T 26866—2011中的4.2.4，是按照标准制订时，电力系统运行对时间同步的要求提出的；随着智能电网的建设发展，智能变电站系统运行对现场运行的时钟装置守时状态下的输出时间的准确性提出了新的要求，新的要求将在修订GB/T 26866时提出。

4.1.4 接收灵敏度测试

接收灵敏度测试的全部过程要在屏蔽室中完成，测试连接如图4-17所示。测试步骤如下：（1）将卫星信号模拟器的输出接上天线，被测试设备接上其标准配置的天线；
（2）根据被测试设备提供的接口类型，将被测试设备接入时间频率综合测试仪；

（3）用时间频率综合测试仪监视被测试设备输出的时间准确度；
（4）逐步调节卫星信号模拟器输出的功率，图中信号强度监测点的信号在-170dBW～-150dBW之间变化。
测试内容和合格判据如下：
（1）测试内容：①输出时间的准确度；②被测试设备输出信号源状态。
（2）合格判据。被测试设备能正确捕捉卫星信号模拟器的卫星信号，输出时间准确度满足DL/T 1100.1—2009中5.6 a）条款的要求；
1）接收器。
①接收灵敏度：捕获<-160dBW，跟踪<-163dBW；
②捕获时间：热启动时<2min；冷启动时<20min；
③时间准确度：优于1μs（PPS，相对于UTC）。
2）接收天线灵敏度：≤-163dBW。

4.1.5 状态指示测试

观测被测试设备相关信号指示，信号指示应满足DL/T 1100.1—2009中5.2i）条款的要求。
（1）电源状态指示，观察被测试设备的面板上电源状态指示是否正常。
（2）时钟同步信号输出指示，观察被测试设备的面板上时钟同步信号输出指示是否正常；断开外部时间基准信号，让被测试设备失步，观察指示是否正确。
（3）外部时间基准信号指示，观察被测试设备的外部时间基准信号指示是否正常，断开外部时间基准信号，观察被测试设备是否正确指示。
（4）当前使用的时间基准信号指示，观察被测试设备当前使用的时钟基准信号指示是否正常，切换外部时钟基准信号，观察被测试设备是否正确指示。
（5）年、月、日、时、分、秒（北京时间）指示，观察被测试设备的北京时间的年、月、日、时、分、秒的显示是否正常，并与标准时间源对比，观察显示是否正确。
（6）可见卫星数指示，将被测试设备接入卫星信号模拟器，在卫星信号模拟器上修改当前可见卫星配置，观察被测试设备卫星可见卫星数是否正确。

4.1.6 告警输出功能测试

对被测试设备，根据告警状态发生的条件，模拟告警状态，观察被测试设备的告警输出。
（1）测试内容：①电源中断告警；②故障状态（例如：失步）告警。
（2）合格判据。时间装置告警接点输出功能应满足DL/T 1100.1—2009中5.2j）条款的要求，通过告警接点输出，判断告警接点输出状态量的变化。

4.1.7 延时补偿检测

按主从方式配置时间同步系统，测量主时钟输出的PPS和从时钟输出的PPS之间的时间差。从时钟延时补偿通常有两种方式：①手动补偿；②自动补偿。补偿的目的是消除主时钟和从时钟之间的传输光纤的时间延迟。对应于自动补偿方式的从时钟，要测试三种以上长度组合条件下的传输延时补偿；对采用手动补偿方式的从时钟设定三个不同的补偿时间值进行测试。
（1）测试内容：①主时钟输出与从时钟输出之间的时间差；②手动补偿状态，设定补偿时间值，主时钟从时钟直连，测试主时钟与从时钟的时间差与设定补偿值的一致性；③自动补偿，选择不同长度的光纤，连接主时钟和从时钟，测试主时钟与从时钟的输出时间一致性。
（2）合格判据。从时钟补偿后输出时间值与主时钟的输出时间值的差<1μs。

4.1.8 电网频率测量测试

电力系统中，时钟装置通常会配置电网频率测量功能（选配功能），测量接入点的市电（220V AC）的频率，表征当前电网的频率。用标准三相源作为220V AC源，接入被测试时钟装置，同时接入万用表，以万用表测量值为基准，连接示意图如图4-18所示。
（1）测试内容：①被测试时钟装置的频率测量值；②被测试时钟装置的测量分辨率。
（2）合格判据。根据DL/T 1100.1中5.7的技术指标要求，被测试时钟装置的电网频率测量应满足：①测量有效范围：45.000～55.000Hz（五位科学记数，小数点后三位）；②测量分辨率：0.001Hz（用于EMS发电自动控制、频率按秒考核等）；③测量周期：1s。