时间同步是电力系统能够稳定运行的前提,时间同步系统为电力系统的正常工作提供了保障。随着电力系统的不断发展,电力系统时间同步技术也在不断更新换代,时间同步技术的成熟度决定了电力系统中时间的稳定性,从而关系到电力系统整体的稳定运行。随着电力系统规模的扩大以及更多智能化、分布式装置接入电网,电力系统中不同的设备和系统对时间同步精度的需求呈现出差异化。针对单一的某一种时间同步方式无法满足电力系统中各种各样的设备和系统对时间同步精度的要求这一情况,结合某公司关于电力系统的时间同步装置研究项目,本文研制了一种面向电力系统的时间同步装置,该装置结合了目前电力系统中常用的几种时间同步方式,具备覆盖广、精度高、稳定性强、支持多场景使用的特点,能够满足电力系统中绝大部分设备和系统的需求,并且与传统时间同步设备相比精度和稳定性更高。首先,研究了由电网各级时间同步系统共同构成的电力系统时间同步网,以及时间同步装置和时间信号传输介质,详细分析了三者的联系与组成结构,以及各部分的作用和工作原理。然后,提出了该时间同步装置具备的时间同步方式主要分为卫星导航系统授时、有线方式授时和网络对时协议授时。其中,卫星导航系统授时主要分为北斗卫星授时和GPS授时,有线方式授时主要分为秒脉冲授时和IRIG-B时间码授时,网络对时协议授时主要是基于PTP/NTP/SNTP协议的授时。对这几种时间同步方式的理论原理进行了系统地分析,针对每种时间同步方式的特性,可以应用在电力系统中不同的设备和系统,满足电力系统各个场景的应用需求,多种时间同步方式互备,可以提高电力系统的安全性与稳定性。该时间同步装置在进行功能设计时,将系统分为7个单元,包括时间信号接收单元、时间信号产生单元、时间信号输出单元、显示与操作单元、控制单元、底板和电源单元。其中,时间信号接收单元负责接收外部标准时间或卫星时间,外部标准时间的传输方式可为IRIG-B码、NTP或PTP,卫星时间输入方式为卫星模块的串口通信;时间信号产生单元负责将外部送入的1PPS信号作为基准信号,对收到的时间信号进行处理,利用锁相环原理校准装置内部晶振;时间信号输出单元将标准时间信号通过不同的接口输出,以便适应不同应用场景;显示与操作单元可实时查看装置的本地状态或修改参数配置,实现各项人机交互和界面显示功能;控制单元负责控制和管理各单元,收集本地所有单元状态并进行管理,同时保存系统运行日志;底板用于各功能模块之间通信,采用模块化可拔插式设计,各功能模块插件位置设计硬件接口地址;电源单元实现对装置整机的电源供电,采用双电源互备冗余的方式提供电源保障,提升系统可靠性。根据电力系统具体的使用要求,提出了该装置的具体功能以及要应用在电力系统需要满足的技术指标,方便后期验证装置的性能。该装置在硬件核心处理上采用FPGA芯片搭配ARM处理器的协同工作模式,对装置各功能单元的硬件结构进行设计、各种核心芯片的选型及电源辅助电路等进行了设计。该时间同步装置在进行实际原理图设计时,采用模块化设计方式,将装置分为4大模块,包括卫星信号接收模块、校频与管理模块、时间信号输出模块和显示与操作模块。首先,分析了每个模块的具体配置,并根据每个模块的工作原理和实现功能设计了模块之间的通信方式。其次,研究了IRIG-B码的码元特点与解码方式,设计了IRIG-B码的解码流程,在FPGA芯片中采用Verilog HDL硬件描述语言进行了相关功能的设计和仿真。设计了PTP网络授时方式的硬件电路结构,提出了装置内部通过恒温晶振提供高稳频率源的动态调整方式。时间信号经运算放大后,通过不同的接口输出,以便适应不同应用场景。每个输出的信号均采用物理隔离的方式,以提高系统的安全性。最后,对时间同步装置的机箱结构进行了设计,采用符合电力系统需求的架装式结构,适用于电网中不同厂站的使用、置换和升级。最后,对研制的时间同步装置进行相关功能指标验证,包括各种时间同步方式的精度验证,报文收发验证以及守时功能验证。实验结果显示该系统的时间同步方式均工作正常,指标精度可以满足电力系统对时间精度的要求,恒温晶振的守时精度可以在卫星信号丢失情况下保持较高指标。