湖南省計量檢測研究院 劉良江 李慶先 曹雄恒 彭正梁

1.前言

智能電網(wǎng)是以特高壓為骨干網(wǎng)架，各級電網(wǎng)協(xié)調發(fā)展的堅強電網(wǎng)，涉及發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調度等各個環(huán)節(jié)，通過硬件基礎和技術手段實現(xiàn)智能電網(wǎng)的信息化、數(shù)字化、自動化和互動化。智能電網(wǎng)將先進的傳感量測技術、信息通信技術、自動控制技術、分析決策技術與能源電力技術結合，形成一個可觀測、可控制、實時分析與決策、自適應和自愈的系統(tǒng)。智能電網(wǎng)系統(tǒng)的建立和數(shù)字化電網(wǎng)的實現(xiàn)需要全網(wǎng)時間同步的緊密支持，對時間的要求非常高[1-3]。目前，基本上都是采用美國GPS進行授時[3-5]，技術及服務嚴重依賴于美國GPS系統(tǒng)，一旦GPS停止提供服務，將對電網(wǎng)安全造成極大影響。因此，我國在大力發(fā)展北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)及相關產(chǎn)業(yè)。

中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System-"BDS")是我國自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)。是繼美國全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Positioning System-“GPS”)和俄羅斯全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Г л о б а л ь н а я н а в и г а ц и о н н а я с п у т н и к о в а я с и с т е м а-“GLONASS”)之后第三個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。系統(tǒng)由空間端、地面端和用戶端組成，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并具短報文通信能力，已經(jīng)初步具備區(qū)域導航、定位和授時能力，定位精度優(yōu)于20m，授時精度優(yōu)于100ns。

因此，結合我國國情，為滿足未來智能電網(wǎng)對時間同步的要求，以及擺脫對GPS授時的過度依賴，提出利用北斗RNSS授時技術對智能電網(wǎng)進行授時，以GPS授時作為輔助，并在此基礎上實現(xiàn)整個電網(wǎng)的時間同步[6-7]。

2.北斗RNSS授時工作原理

目前，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的授時方法包括RDSS雙向授時、RDSS單向授時和RNSS授時三種方法。其中RDSS雙向授時采用有源授時方法，授時精度高，但系統(tǒng)容量小，保密性較差；RDSS單向授時需要已知用戶位置，授時精度較低，并且系統(tǒng)容量小，保密性較差；RNSS授時過程中定位和鐘差信息可以同時產(chǎn)生，授時精度高，系統(tǒng)容量大，保密性高。

圖1 RNSS授時原理圖

對于RNSS系統(tǒng)授時方法，與GPS授時方法類似，用戶設備只需接收衛(wèi)星發(fā)播的RNSS導航信號，即可獲得北斗系統(tǒng)時間，然后將本地時間與北斗系統(tǒng)時間進行比較得到本地時鐘與北斗系統(tǒng)時間的偏差。如果測站坐標已知，并且精度可靠，那么只要接收到一顆衛(wèi)星的信號即可進行精確授時。如果測站坐標未知，RNSS接收機只要能夠接收到四顆或四顆以上衛(wèi)星，即可解算出位置與鐘差，實現(xiàn)定位與授時。另外，用戶鐘時間、衛(wèi)星鐘時間、北斗系統(tǒng)時間之間的關系如圖1所示。

在圖1中，假定接收機接收到第j顆衛(wèi)星的信息，在信號發(fā)射時刻，北斗時間與衛(wèi)星鐘時間分別為tBT和tST，ItSB為第J顆衛(wèi)星鐘與信號發(fā)射時刻北斗時間的偏差，可利用導航電文播發(fā)的星鐘參數(shù)進行修正；在接收機采樣時刻，北斗時間與用戶鐘時間分別為tBR和tUR，ItUB為利用第j顆衛(wèi)星得到的用戶鐘與接收機采樣時刻北斗時間的偏差。 為接收機測量到的偽距。于是有：

通過式2，就可以計算得出利用第j顆衛(wèi)星得到的用戶鐘與北斗時間的偏差ItUB，由就得到了接收機采樣時刻的北斗時間tBR。

假定是靜態(tài)用戶，已知用戶位置和衛(wèi)星位置，那么靜止接收機可以根據(jù)單次偽距測量值解算出鐘差，從而實現(xiàn)授時。而對于移動用戶，在用戶位置和衛(wèi)星位置未知時，還是采用前面介紹的方法進行計算，對多顆衛(wèi)星列出方程組，需要解算觀測方程組，以便確定接收機時鐘的偏差。

3.北斗RNSS授時精度

假定用戶位置已知的情況下，靜止接收機可以根據(jù)單次偽距測量值解算出鐘差，此時其授時精度主要受系統(tǒng)誤差源的影響。根據(jù)北斗系統(tǒng)的UERE值，可以計算其授時精度大概為23.7ns。

假定用戶位置未知的情況下，用戶需要解算觀測方程組，才能得出接收機時鐘與北斗系統(tǒng)的偏差。其授時精度可根據(jù)時間精度因子TDOP值估算，計算公式如式3及式4。圖2給出了北斗二代系統(tǒng)的TDOP分布圖。

圖2 北斗二代系統(tǒng)TDOP分布圖

4.介紹基于北斗的智能電網(wǎng)RNSS授時及同步系統(tǒng)設計

現(xiàn)在的電力系統(tǒng)運行管理形成了以調度自動化系統(tǒng)為中心的主站系統(tǒng)[8-9]，電站監(jiān)控(包括發(fā)電廠、變電站、開關站等)作為子系統(tǒng)，為實現(xiàn)高精度的授時方案，并有效提高授時系統(tǒng)的安全性和可靠性，本文針對智能電網(wǎng)典型的授時及時間同步需求，基于北斗二代系統(tǒng)及GPS系統(tǒng)，提出北斗/GPS高精度授時與時間同步技術總體方案，如圖3所示。

圖3 北斗/GPS高精度授時及時間同步方案

4.1 基于北斗的智能電網(wǎng)RNSS授時系統(tǒng)分布

系統(tǒng)通常由分布在國網(wǎng)省級電力公司、地市級電力公司、縣級電力公司的多級系統(tǒng)組成。所管理的電壓等級、管理的范圍和用戶不同，因此各司其職，完成綜合管理功能；主站系統(tǒng)通過電力調度運行管理網(wǎng)絡互聯(lián)成為大型MIS，由于應用系統(tǒng)間信息交換的需要，系統(tǒng)之間是互聯(lián)的，所以接入的計算機數(shù)量大。

系統(tǒng)主要包括電能量采集裝置、負荷/用電監(jiān)控終端裝置、電氣設備在線狀態(tài)檢測或自動記錄儀、控制/調度中心數(shù)字顯示時鐘、火電廠和水電廠等變電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)、監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(SCADA)/EMS、電能計費系統(tǒng)(PBS)、繼電保護及保障信息管理系統(tǒng)、電力市場技術支持系統(tǒng)、負荷監(jiān)控/用電管理系統(tǒng)、配電自動化管理系統(tǒng)、調度管理信息系統(tǒng)(DMIS)、企業(yè)管理系統(tǒng)(MIS)等。這些管理系統(tǒng)對時間精度的要求為秒級，授時精度達到s即可。

由圖3可知，系統(tǒng)以北斗/GPS互為備用作為該系統(tǒng)的時鐘源，采用高穩(wěn)恒溫晶體振蕩器(OCXO)作為本地時鐘，運用北斗和GPS雙模授時技術對高穩(wěn)晶振進行校頻實現(xiàn)時鐘同步。如果北斗衛(wèi)星系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)都被干擾不能正常使用，高穩(wěn)晶振自動進入保持狀態(tài)，繼續(xù)提供高精度頻率和時間信號輸出，以維持系統(tǒng)的正常工作。

4.2 基于IEEE 1588時間協(xié)議的軟件設計

系統(tǒng)是以網(wǎng)絡作為系統(tǒng)的信息交換媒介，因此，在時間同步軟件中，為提高廣域時間同步精度，采用IEEE 1588時間協(xié)議(PTP)來實現(xiàn)以太網(wǎng)的精確時間同步.網(wǎng)絡精密時鐘同步委員會在2002年底發(fā)布了適用于網(wǎng)絡化測量和控制系統(tǒng)的高精度網(wǎng)絡時鐘同步協(xié)議——IEEE 1588時間協(xié)議.該協(xié)議具有占用網(wǎng)絡帶寬小、對系統(tǒng)資源要求低、具有良好的開放性和互操作性、非常便于各種時鐘接收設備的兼容等優(yōu)點，而且采用時間分布機制和時間調度概念，客戶機可使用普通振蕩器，通過軟件調度與主控機的主時鐘保持同步，過程簡單可靠，能夠達到亞微秒級的同步精度；另外，協(xié)議中各類同步報文均是基于用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議與網(wǎng)絡協(xié)議(UDP/IP)多播報文發(fā)送，非常適合于在目前技術成熟的以太網(wǎng)上實現(xiàn)，是公認的最有發(fā)展前途的網(wǎng)絡時鐘同步協(xié)議。

對于要求精度更高的智能電網(wǎng)來說，IEEE 1588標準精確時間協(xié)議順應了報文同步的趨勢，它借鑒了NTP技術，但其在硬件上要求每個網(wǎng)絡節(jié)點必須有一個包含實時時鐘的網(wǎng)絡接口，可以實現(xiàn)基于PTP協(xié)議棧的相關服務。

系統(tǒng)以省調時鐘為主時鐘，市調、縣調為從時鐘。主時鐘周期性地給從時鐘發(fā)送Sync報文，緊接著發(fā)送Follow_up報文，該報文攜帶上一個消息的實際發(fā)送時間t1，從時鐘記錄Sync報文的到達時間t2，隨后在t3時刻發(fā)送Delay_Rep報文給主時鐘，主時鐘記錄報文到達時間t4，并發(fā)送Delay_Resp報文把t4告知從時鐘。從時鐘根據(jù)4個時間信息計算出時間偏差offset=[(t2-t1)+(t3-t4)]/2；傳輸延遲Delay=[(t2-t1)+(t4-t3)]/2。從時鐘利用計算出來的時間偏差修改本地時間，從而達到與主時鐘同步。但是，由于網(wǎng)絡時延的存在，這種時間同步方式不可靠，同步精度也不高。

為了提高時間同步精度及可靠性，需要設置時延閾值并通過統(tǒng)計計算來消除干擾。假定主時鐘A與從時鐘B之間時差值為θ，A和B之間網(wǎng)絡傳輸?shù)耐禃r延為 和 ，則有：

但是大部分的時候是不對稱的[7，8]。無法由公式1計算出時差。因此，網(wǎng)絡時延δ及其不對稱性對時差的影響是主要的。

對10000次校時請求進行統(tǒng)計，往返網(wǎng)絡時延δ如圖4所示。由圖4中可以看出，90%以上的網(wǎng)絡時延小于到1ms，引起的網(wǎng)絡延時誤差小于±1ms。然而在實際測量中，系統(tǒng)時間的測量誤差一般為±10ms。因此，測量誤差也是影響結果的主要因素，但是測量誤差是隨機正態(tài)分布的，可以通過隨后的統(tǒng)計計算減小影響。另一方面，對于偶然出現(xiàn)的網(wǎng)絡時延較大的情況，包括時延嚴重不對稱的情況，通過在程序中設定網(wǎng)絡時延閾值 ，即當δ> 時，丟棄該時間信息包，重新發(fā)送校時請求，從而起到保證校時精度的作用。

圖4 網(wǎng)絡時延統(tǒng)計

5.總結

授時及精確時鐘同步技術對未來智能電網(wǎng)的建設具有十分重要的意義，針對目前智能電網(wǎng)建設中授時及時間同步系統(tǒng)存在的問題，結合未來智能電網(wǎng)對高精度、高可靠性授時及時鐘同步的要求，采用北斗為主、GPS為輔作對智能電網(wǎng)進行授時。以北斗RNSS授時技術為核心，根據(jù)智能電網(wǎng)運行模式，給出了授時及時間同步配置方案，并采用IEEE 1588時間協(xié)議實現(xiàn)全網(wǎng)的時間同步。對授時精度、時間同步系統(tǒng)的誤差進行了分析與討論，根據(jù)主、從時鐘同步誤差，提出了設置時延閾值并通過統(tǒng)計計算來消除干擾的計算方法，有效地提高了智能電網(wǎng)授時及時間同步精度。

隨著智能電網(wǎng)、智能化變電站、智能用電等技術的不斷發(fā)展與應用，全網(wǎng)時間同步技術將成為一項必備技術，其必然在未來智能電網(wǎng)運行中發(fā)揮基礎性的重要作用。

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