段翔兮，馮世林，李小鵬，吳 杰，高藝文， 龍 呈

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院， 四川 成都 610041)

0 引 言

隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，作為樞紐型、平臺(tái)型和開放型的電力物聯(lián)網(wǎng)將不止融合電網(wǎng)相關(guān)信息，還會(huì)實(shí)現(xiàn)用戶信息、外部信息等多源信息接入、融合。而統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)、精確的時(shí)間標(biāo)注是高效融合應(yīng)用上述信息并保障數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要要求，為平臺(tái)層和應(yīng)用層的建設(shè)、數(shù)據(jù)的變現(xiàn)業(yè)務(wù)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，電力系統(tǒng)的測(cè)控、保護(hù)不只局限于就地，而是跨區(qū)域的廣域測(cè)量和廣域保護(hù)，支撐智能電網(wǎng)的各種高級(jí)應(yīng)用都需要整個(gè)電網(wǎng)的斷面數(shù)據(jù)作為應(yīng)用基礎(chǔ)，這就要求相關(guān)的一次設(shè)備對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間是精確同步的[1-2]。

目前，電力系統(tǒng)常規(guī)使用的對(duì)時(shí)方式是在調(diào)控中心、變電站、發(fā)電廠各自部署時(shí)間同步系統(tǒng)來(lái)保證各自區(qū)域內(nèi)的設(shè)備所使用的時(shí)間是同步的，所用時(shí)間來(lái)源均為北斗或GPS單向授時(shí)，不可溯源，其可信度取決于時(shí)間傳遞各個(gè)環(huán)節(jié)的正確性，時(shí)間同步精度不達(dá)標(biāo)甚至?xí)r間錯(cuò)誤等問(wèn)題往往是在后期數(shù)據(jù)分析中才被發(fā)現(xiàn)。

基于衛(wèi)星共視技術(shù)實(shí)現(xiàn)的衛(wèi)星共視授時(shí)裝置可以經(jīng)濟(jì)、高效、便捷地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高準(zhǔn)確度時(shí)間同步。而利用衛(wèi)星共視授時(shí)裝置組建的天基時(shí)間同步網(wǎng)，可以快捷地實(shí)現(xiàn)調(diào)控中心與變電站、調(diào)控中心之間、變電站之間的高準(zhǔn)確度跨區(qū)域時(shí)間同步，并能夠解決標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞的溯源問(wèn)題。

1 衛(wèi)星共視的基本原理

所謂“共視”就是2個(gè)不同位置的觀測(cè)者，在同一時(shí)刻觀測(cè)同一顆衛(wèi)星。也就是在一顆衛(wèi)星的視角內(nèi)，地球上任何2個(gè)地點(diǎn)的時(shí)鐘可以利用同時(shí)收到的同一顆衛(wèi)星的時(shí)間信號(hào)進(jìn)行時(shí)間、頻率的對(duì)比和同步[3]。

兩地時(shí)鐘之間的時(shí)間差可通過(guò)式(1)、式(2)和式(3)求得，式(1)中ΔtASV為A地時(shí)鐘時(shí)間tA減去衛(wèi)星時(shí)間tSV，再減去路徑延時(shí)dA，式(2)中ΔtBSV同理。式(3)中ΔtAB為兩地時(shí)鐘之間的時(shí)間差，由式(1)減去式(2)得到。

ΔtASV=tA-tSV-dA

(1)

ΔtBSV=tB-tSV-dB

(2)

ΔtAB=(tA-tB)-(dA-dB)

(3)

通過(guò)式(3)，降低了2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)所共有的誤差，但不能消除傳輸中的星歷誤差，通過(guò)估算衛(wèi)星的位置將星歷誤差減到最小。

式(4)為校頻的基本公式。

(4)

式中：Δf/f為相對(duì)頻偏；τ為校頻的時(shí)間間隔[4]。

假設(shè)A為主站，B為子站，通過(guò)式(4)得出的頻率差調(diào)整子站的銣鐘(頻標(biāo)源)的頻率，使得與主站的頻率差小于某一閾值，同時(shí)調(diào)整子站的秒沿起點(diǎn)，最終使子站時(shí)間溯源到主站，實(shí)現(xiàn)兩站的時(shí)間同步[3]。

如圖1所示，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星和用戶之間的偽距和時(shí)差進(jìn)行分析，以縮小星歷誤差、對(duì)流層和電離層的延時(shí)誤差。

圖1 時(shí)差及偽距的測(cè)量

鑒于GPS時(shí)間與接收機(jī)時(shí)鐘產(chǎn)生的時(shí)間不同，以δtu(t)表示接收機(jī)的時(shí)鐘鐘差，對(duì)應(yīng)于信號(hào)接收時(shí)間tu的GPS時(shí)間為t，將GPS時(shí)間為t的接收機(jī)時(shí)鐘tu記為tu(t)[5]，則

tu(t)=t+δtu(t)

(5)

因?yàn)楦鱾€(gè)衛(wèi)星時(shí)鐘與GPS時(shí)間并不是嚴(yán)格同步。GPS時(shí)間t與衛(wèi)星時(shí)鐘t(s)(t)存在以下關(guān)系：

t(s)(t)=t+δt(s)(t)

(6)

式中，δt(s)(t)為衛(wèi)星時(shí)鐘鐘差。

為了確保衛(wèi)星的時(shí)鐘與GPS時(shí)間同步，衛(wèi)星時(shí)鐘在GPS時(shí)間為t時(shí)的衛(wèi)星鐘差Δt(s)描述成一個(gè)二次式：

Δt(s)=af0+af1(t-toc)+af2(t-toc)2

(7)

式中，af0、af1、af2和toc均由衛(wèi)星導(dǎo)航電文的第一數(shù)據(jù)塊給出。

衛(wèi)星時(shí)鐘的校正量還應(yīng)該包括相對(duì)論相應(yīng)的校正量Δtr。

(8)

式中：es為衛(wèi)星導(dǎo)軌偏心率；as為導(dǎo)軌長(zhǎng)半徑；Ek為偏近點(diǎn)角；F為常數(shù)。

單頻接收機(jī)還應(yīng)該考慮群波延時(shí)校正值TGD，它也由衛(wèi)星導(dǎo)航電文的第一數(shù)據(jù)塊給出。因此，對(duì)于L1單頻接收機(jī)衛(wèi)星時(shí)鐘總的鐘差值δt(s)為

δt(s)=Δt(s)+Δtr-TGD

(9)

設(shè)GPS信號(hào)到接收機(jī)的傳播時(shí)間為τ，GPS時(shí)間與衛(wèi)星時(shí)鐘在信號(hào)發(fā)射時(shí)刻(t-τ)時(shí)的關(guān)系可表達(dá)為

t(s)(t-τ)=t-τ+δt(s)(t-τ)

(10)

偽距ρ(t)為

ρ(t)=c[tu(t)-t(s)(t-τ)]

(11)

在大氣折射效應(yīng)的作用下，信號(hào)的實(shí)際傳播由以真空光速c穿過(guò)兩點(diǎn)之間的幾何距離r所需的時(shí)間和大氣折射造成的傳播延時(shí)兩部分組成，大氣折射造成的延時(shí)被分解成對(duì)流層延時(shí)T(t)和電離層延時(shí)I(t)兩部分，即：

(12)

將式(5)、式(10)和式(12)代入式(11)，得[6]

ρ(t)=r(t-τ,τ)+c[δtu(t)-δt(s)(t-τ)]+cI(t)+cT(t)+εp(t)

(13)

式中，引入了一個(gè)值未知的偽距測(cè)量噪聲量εp(t)。

2 衛(wèi)星共視授時(shí)裝置

2.1 衛(wèi)星共視授時(shí)裝置原理

圖2給出了主站(國(guó)家授時(shí)中心)與子站通過(guò)衛(wèi)星共視對(duì)比方法實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的原理示意圖。

圖2 衛(wèi)星共視方法實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的原理

在主站和子站分別設(shè)置衛(wèi)星共視授時(shí)裝置接收北斗衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星的相關(guān)信息，每秒提取1個(gè)脈沖(1PPS)，計(jì)數(shù)器每秒輸出一個(gè)時(shí)差值以實(shí)現(xiàn)時(shí)間溯源同步于國(guó)家授時(shí)中的協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)[7-8]。

2.2 衛(wèi)星共視授時(shí)裝置功能

1)高精度授時(shí)、高穩(wěn)定度守時(shí)

共視授時(shí)準(zhǔn)確度優(yōu)于10 ns，守時(shí)性能優(yōu)于50 ns/h、1.5 μs/d。

2)靈活的授時(shí)工作模式

裝置可工作于3種授時(shí)模式：共視授時(shí)模式、單向授時(shí)模式和內(nèi)部守時(shí)模式，授時(shí)模式可以根據(jù)工作條件自適應(yīng)切換，也可以固定某一種授時(shí)模式。

3)多元化的共視數(shù)據(jù)鏈路選擇

共視數(shù)據(jù)鏈路可以選擇GPRS、網(wǎng)絡(luò)或串口。

4)時(shí)間基準(zhǔn)輸入通道延遲補(bǔ)償可調(diào)

各時(shí)間基準(zhǔn)源(無(wú)線或有線)輸入分通道延遲補(bǔ)償可調(diào)，保證輸入基準(zhǔn)源切換時(shí)內(nèi)部時(shí)間基準(zhǔn)平滑一致。

5)輸出時(shí)間信號(hào)通道延遲補(bǔ)償可調(diào)

輸出時(shí)間信號(hào)分通道延遲補(bǔ)償可調(diào)，保證各被授時(shí)設(shè)備的時(shí)間精確同步。

6)便捷的狀態(tài)及日志查詢

便捷查詢告警接點(diǎn)、各輸入/輸出時(shí)間信號(hào)、網(wǎng)口、串口、衛(wèi)星(北斗和GPS)、GPRS等裝置接口狀態(tài)，提供多達(dá)1000條裝置日志查詢，準(zhǔn)確了解裝置的運(yùn)行狀態(tài)。

7)支持后臺(tái)系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理

通過(guò)后臺(tái)管理系統(tǒng)可對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，如狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、日志讀取等。

3 天基時(shí)間同步網(wǎng)

3.1 天基時(shí)間同步網(wǎng)架構(gòu)

電力系統(tǒng)天基時(shí)間同步網(wǎng)是利用衛(wèi)星共視授時(shí)裝置，以調(diào)控中心為主站實(shí)現(xiàn)的調(diào)控中心之間、調(diào)控中心與變電站、變電站之間的一主多從的時(shí)間同步網(wǎng)。

以省級(jí)時(shí)間同步網(wǎng)為例，如圖3所示。通過(guò)衛(wèi)星共視，省調(diào)時(shí)間同步系統(tǒng)時(shí)鐘溯源(同步)于中國(guó)國(guó)家授時(shí)中心(位于陜西臨潼)，兩臺(tái)衛(wèi)星共視授時(shí)裝置分別部署兩地，裝置之間通過(guò)公共鏈路(如GPRS)交換數(shù)據(jù)。各省屬地調(diào)、變電站的時(shí)間同步系統(tǒng)的時(shí)鐘溯源(同步)于省調(diào)時(shí)間同步系統(tǒng)，位于地調(diào)、變電站的衛(wèi)星共視授時(shí)裝置通過(guò)SDH傳輸網(wǎng)(電力調(diào)度數(shù)據(jù)專網(wǎng))與省調(diào)衛(wèi)星共視授時(shí)裝置實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

圖3中，實(shí)現(xiàn)了省級(jí)時(shí)間同步網(wǎng)的時(shí)間同步于北京時(shí)間(源于中國(guó)國(guó)家授時(shí)中心)，如果將虛框去掉，則可以實(shí)現(xiàn)以省調(diào)時(shí)間同步系統(tǒng)為基準(zhǔn)源的區(qū)域時(shí)間同步網(wǎng)。

圖3 基于共視原理的天基時(shí)間同步網(wǎng)

由于在調(diào)度中心、變電站運(yùn)行的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、二次設(shè)備的信息交互都是在內(nèi)網(wǎng)中完成，而國(guó)家授時(shí)中心與電網(wǎng)公司沒(méi)有內(nèi)網(wǎng)連接，只能通過(guò)公網(wǎng)(GPRS)交互信息，因此，為滿足安全防護(hù)要求，衛(wèi)星共視授時(shí)裝置與省調(diào)時(shí)間同步系統(tǒng)采用光纖IRIG-B(DC)碼時(shí)間信號(hào)傳遞時(shí)間。

采用衛(wèi)星共視原理實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，特別適合于不同區(qū)域的個(gè)別變電站與省調(diào)時(shí)鐘同步，即實(shí)現(xiàn)各孤立節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步。比如，在廣域保護(hù)中，為實(shí)現(xiàn)廣域保護(hù)所涉及的變電站間的時(shí)間同步，通過(guò)衛(wèi)星共視的手段最便捷。也就是說(shuō)，在特高壓互聯(lián)的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)中，衛(wèi)星共視是目前最理想的實(shí)現(xiàn)跨地域的時(shí)間同步的方法。

3.2 天基時(shí)間同步網(wǎng)管理系統(tǒng)

天基時(shí)間同步網(wǎng)管理系統(tǒng)是通過(guò)網(wǎng)管的方式，對(duì)網(wǎng)內(nèi)的衛(wèi)星共視授時(shí)裝置、時(shí)間同步裝置等設(shè)備進(jìn)行參數(shù)、狀態(tài)、日志等信息進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。系統(tǒng)可遠(yuǎn)程配置被管理設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)，并對(duì)其工況、功能、性能、日志等匯總信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析處理，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

管理系統(tǒng)與現(xiàn)有調(diào)度自動(dòng)化主站軟件采用一體化設(shè)計(jì)，作為主站軟件的一個(gè)功能模塊運(yùn)行，通信規(guī)約采用符合現(xiàn)有遠(yuǎn)動(dòng)通信規(guī)約的方式。管理系統(tǒng)應(yīng)具備強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)分析功能，支持橫向比對(duì)和縱向比對(duì)?？蓪?duì)設(shè)備的本地時(shí)間、GPS時(shí)間、北斗時(shí)間、地面時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和趨勢(shì)圖繪制。通過(guò)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控，運(yùn)行管理人員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題，從而提高時(shí)間同步網(wǎng)內(nèi)設(shè)備功能的正確性、穩(wěn)定性，最大限度保證設(shè)備正常運(yùn)行。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)衛(wèi)星共視技術(shù)基本原理的分析，給出了衛(wèi)星共視授時(shí)裝置的模型，并基于該模型搭建了基于衛(wèi)星共視的天基時(shí)間同步網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)，其授時(shí)精度優(yōu)于10 ns，滿足電網(wǎng)系統(tǒng)的時(shí)間與國(guó)家授時(shí)中心的授時(shí)允許誤差，滿足電網(wǎng)跨區(qū)域時(shí)間同步應(yīng)用需求。采用一體化設(shè)計(jì)的管理系統(tǒng)軟件可對(duì)管理區(qū)域內(nèi)的衛(wèi)星共視授時(shí)裝置、時(shí)間同步裝置等設(shè)備進(jìn)行故障率、故障類型、性能統(tǒng)計(jì)，從而提高時(shí)間同步網(wǎng)內(nèi)設(shè)備功能的正確性、穩(wěn)定性，最大限度保證設(shè)備正常運(yùn)行。