湖南省計(jì)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(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)，涉及發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度等各個(gè)環(huán)節(jié)，通過硬件基礎(chǔ)和技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化和互動(dòng)化。智能電網(wǎng)將先進(jìn)的傳感量測技術(shù)、信息通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、分析決策技術(shù)與能源電力技術(shù)結(jié)合，形成一個(gè)可觀測、可控制、實(shí)時(shí)分析與決策、自適應(yīng)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(shí)現(xiàn)需要全網(wǎng)時(shí)間同步的緊密支持，對(duì)時(shí)間的要求非常高[1-3]。目前，基本上都是采用美國GPS進(jìn)行授時(shí)[3-5]，技術(shù)及服務(wù)嚴(yán)重依賴于美國GPS系統(tǒng)，一旦GPS停止提供服務(wù)，將對(duì)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(dǎo)航系統(tǒng)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)。

中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)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(dǎo)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(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)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(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并具短報(bào)文通信能力，已經(jīng)初步具備區(qū)域?qū)Ш?、定位和授時(shí)能力，定位精度優(yōu)于20m，授時(shí)精度優(yōu)于100ns。

因此，結(jié)合我國國情，為滿足未來智能電網(wǎng)對(duì)時(shí)間同步的要求，以及擺脫對(duì)GPS授時(shí)的過度依賴，提出利用北斗RNSS授時(shí)技術(shù)對(duì)智能電網(wǎng)進(jìn)行授時(shí)，以GPS授時(shí)作為輔助，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)整個(gè)電網(wǎng)的時(shí)間同步[6-7]。

2.北斗RNSS授時(shí)工作原理

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

圖1 RNSS授時(shí)原理圖

對(duì)于RNSS系統(tǒng)授時(shí)方法，與GPS授時(shí)方法類似，用戶設(shè)備只需接收衛(wèi)星發(fā)播的RNSS導(dǎo)航信號(hào)，即可獲得北斗系統(tǒng)時(shí)間，然后將本地時(shí)間與北斗系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行比較得到本地時(shí)鐘與北斗系統(tǒng)時(shí)間的偏差。如果測站坐標(biāo)已知，并且精度可靠，那么只要接收到一顆衛(wèi)星的信號(hào)即可進(jìn)行精確授時(shí)。如果測站坐標(biāo)未知，RNSS接收機(jī)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(shí)現(xiàn)定位與授時(shí)。另外，用戶鐘時(shí)間、衛(wèi)星鐘時(shí)間、北斗系統(tǒng)時(shí)間之間的關(guān)系如圖1所示。

在圖1中，假定接收機(jī)接收到第j顆衛(wèi)星的信息，在信號(hào)發(fā)射時(shí)刻，北斗時(shí)間與衛(wèi)星鐘時(shí)間分別為tBT和tST，ItSB為第J顆衛(wèi)星鐘與信號(hào)發(fā)射時(shí)刻北斗時(shí)間的偏差，可利用導(dǎo)航電文播發(fā)的星鐘參數(shù)進(jìn)行修正；在接收機(jī)采樣時(shí)刻，北斗時(shí)間與用戶鐘時(shí)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(jī)采樣時(shí)刻北斗時(shí)間的偏差。 為接收機(jī)測量到的偽距。于是有：

通過式2，就可以計(jì)算得出利用第j顆衛(wèi)星得到的用戶鐘與北斗時(shí)間的偏差I(lǐng)tUB，由就得到了接收機(jī)采樣時(shí)刻的北斗時(shí)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(jī)可以根據(jù)單次偽距測量值解算出鐘差，從而實(shí)現(xiàn)授時(shí)。而對(duì)于移動(dòng)用戶，在用戶位置和衛(wèi)星位置未知時(shí)，還是采用前面介紹的方法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)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(jī)時(shí)鐘的偏差。

3.北斗RNSS授時(shí)精度

假定用戶位置已知的情況下，靜止接收機(jī)可以根據(jù)單次偽距測量值解算出鐘差，此時(shí)其授時(shí)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(jì)算其授時(shí)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(jī)時(shí)鐘與北斗系統(tǒng)的偏差。其授時(shí)精度可根據(jù)時(shí)間精度因子TDOP值估算，計(jì)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(shí)及同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)在的電力系統(tǒng)運(yùn)行管理形成了以調(diào)度自動(dòng)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(guān)站等)作為子系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)高精度的授時(shí)方案，并有效提高授時(shí)系統(tǒng)的安全性和可靠性，本文針對(duì)智能電網(wǎng)典型的授時(shí)及時(shí)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(shí)與時(shí)間同步技術(shù)總體方案，如圖3所示。

圖3 北斗/GPS高精度授時(shí)及時(shí)間同步方案

4.1 基于北斗的智能電網(wǎng)RNSS授時(shí)系統(tǒng)分布

系統(tǒng)通常由分布在國網(wǎng)省級(jí)電力公司、地市級(jí)電力公司、縣級(jí)電力公司的多級(jí)系統(tǒng)組成。所管理的電壓等級(jí)、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(diào)度運(yùn)行管理網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)成為大型MIS，由于應(yīng)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(jì)算機(jī)數(shù)量大。

系統(tǒng)主要包括電能量采集裝置、負(fù)荷/用電監(jiān)控終端裝置、電氣設(shè)備在線狀態(tài)檢測或自動(dòng)記錄儀、控制/調(diào)度中心數(shù)字顯示時(shí)鐘、火電廠和水電廠等變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(SCADA)/EMS、電能計(jì)費(fèi)系統(tǒng)(PBS)、繼電保護(hù)及保障信息管理系統(tǒng)、電力市場技術(shù)支持系統(tǒng)、負(fù)荷監(jiān)控/用電管理系統(tǒng)、配電自動(dòng)化管理系統(tǒng)、調(diào)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(duì)時(shí)間精度的要求為秒級(jí)，授時(shí)精度達(dá)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(shí)鐘源，采用高穩(wěn)恒溫晶體振蕩器(OCXO)作為本地時(shí)鐘，運(yùn)用北斗和GPS雙模授時(shí)技術(shù)對(duì)高穩(wěn)晶振進(jìn)行校頻實(shí)現(xiàn)時(shí)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(dòng)進(jìn)入保持狀態(tài)，繼續(xù)提供高精度頻率和時(shí)間信號(hào)輸出，以維持系統(tǒng)的正常工作。

4.2 基于IEEE 1588時(shí)間協(xié)議的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)是以網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的信息交換媒介，因此，在時(shí)間同步軟件中，為提高廣域時(shí)間同步精度，采用IEEE 1588時(shí)間協(xié)議(PTP)來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的精確時(shí)間同步.網(wǎng)絡(luò)精密時(shí)鐘同步委員會(huì)在2002年底發(fā)布了適用于網(wǎng)絡(luò)化測量和控制系統(tǒng)的高精度網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步協(xié)議——IEEE 1588時(shí)間協(xié)議.該協(xié)議具有占用網(wǎng)絡(luò)帶寬小、對(duì)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(shí)鐘接收設(shè)備的兼容等優(yōu)點(diǎn)，而且采用時(shí)間分布機(jī)制和時(shí)間調(diào)度概念，客戶機(jī)可使用普通振蕩器，通過軟件調(diào)度與主控機(jī)的主時(shí)鐘保持同步，過程簡單可靠，能夠達(dá)到亞微秒級(jí)的同步精度；另外，協(xié)議中各類同步報(bào)文均是基于用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(UDP/IP)多播報(bào)文發(fā)送，非常適合于在目前技術(shù)成熟的以太網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)，是公認(rèn)的最有發(fā)展前途的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步協(xié)議。

對(duì)于要求精度更高的智能電網(wǎng)來說，IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)精確時(shí)間協(xié)議順應(yīng)了報(bào)文同步的趨勢，它借鑒了NTP技術(shù)，但其在硬件上要求每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必須有一個(gè)包含實(shí)時(shí)時(shí)鐘的網(wǎng)絡(luò)接口，可以實(shí)現(xiàn)基于PTP協(xié)議棧的相關(guān)服務(wù)。

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

為了提高時(shí)間同步精度及可靠性，需要設(shè)置時(shí)延閾值并通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算來消除干擾。假定主時(shí)鐘A與從時(shí)鐘B之間時(shí)差值為θ，A和B之間網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐禃r(shí)延為 和 ，則有：

但是大部分的時(shí)候是不對(duì)稱的[7，8]。無法由公式1計(jì)算出時(shí)差。因此，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延δ及其不對(duì)稱性對(duì)時(shí)差的影響是主要的。

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

圖4 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延統(tǒng)計(jì)

5.總結(jié)

授時(shí)及精確時(shí)鐘同步技術(shù)對(duì)未來智能電網(wǎng)的建設(shè)具有十分重要的意義，針對(duì)目前智能電網(wǎng)建設(shè)中授時(shí)及時(shí)間同步系統(tǒng)存在的問題，結(jié)合未來智能電網(wǎng)對(duì)高精度、高可靠性授時(shí)及時(shí)鐘同步的要求，采用北斗為主、GPS為輔作對(duì)智能電網(wǎng)進(jìn)行授時(shí)。以北斗RNSS授時(shí)技術(shù)為核心，根據(jù)智能電網(wǎng)運(yùn)行模式，給出了授時(shí)及時(shí)間同步配置方案，并采用IEEE 1588時(shí)間協(xié)議實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的時(shí)間同步。對(duì)授時(shí)精度、時(shí)間同步系統(tǒng)的誤差進(jìn)行了分析與討論，根據(jù)主、從時(shí)鐘同步誤差，提出了設(shè)置時(shí)延閾值并通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算來消除干擾的計(jì)算方法，有效地提高了智能電網(wǎng)授時(shí)及時(shí)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(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，全網(wǎng)時(shí)間同步技術(shù)將成為一項(xiàng)必備技術(shù)，其必然在未來智能電網(wǎng)運(yùn)行中發(fā)揮基礎(chǔ)性的重要作用。

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