電力系統(tǒng)中基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用

摘 要：當(dāng)前，我國電力系統(tǒng)時間同步更多的依賴于GPS全球定位系統(tǒng)，隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)逐步建設(shè)完善，已完全具備在電力系統(tǒng)中使用的可行性，本文通過介紹北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的授時技術(shù)，并結(jié)合電力系統(tǒng)實(shí)際，分析認(rèn)為基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中時間同步方面的應(yīng)用是完全可行的。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；電力系統(tǒng)；時間同步；授時

對于一個進(jìn)入信息社會的現(xiàn)代化大國，導(dǎo)航定位和授時系統(tǒng)是最重要的，而且也是最關(guān)鍵的國家基礎(chǔ)設(shè)施之一。

目前的衛(wèi)星授時同步技術(shù)主要有美國的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)

GLONASS、中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)和歐盟的伽利略全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，現(xiàn)階段國內(nèi)電力企業(yè)主要依賴全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS時間同步技術(shù)，但GPS受美國限制，且GPS是免費(fèi)使用，因此可靠性低，自主性差。為了滿足電力生產(chǎn)業(yè)務(wù)及管理業(yè)務(wù)等方面對時間的需求和安全需要，有必要對北斗衛(wèi)星授時時間同步技術(shù)進(jìn)行研究和推廣應(yīng)用。本文將通過介紹北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時技術(shù)，給出基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在電力系統(tǒng)授時中的應(yīng)用。

1 電力系統(tǒng)中授時技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

現(xiàn)階段GPS的授時功能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用是重要和普遍的。電力系統(tǒng)中如微機(jī)保護(hù)及安全自動化系統(tǒng)、遠(yuǎn)動及微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)度自動化系統(tǒng)、故障錄波器、事故記錄儀等許多自動化裝置，采用的時間源都來自于GPS系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)作為精度最高的時間發(fā)布系統(tǒng)之一，其最高精度可達(dá)20ns。但是，美國對民用用戶不承擔(dān)責(zé)任，不保證民用GPS時鐘的精度和可靠性。且民用GPS接收機(jī)接收到的GPS時鐘信號因星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)誤差、跟蹤衛(wèi)星過少、誤差等因素的影響，精度和穩(wěn)定性難以得到保證。在衛(wèi)星失鎖或衛(wèi)星時鐘實(shí)驗(yàn)跳變的條件下，GPS時鐘誤差可達(dá)幾十甚至上百ms。因此急需找到一個可靠有效的時間發(fā)布系統(tǒng)來替代GPS系統(tǒng)完成電力系統(tǒng)中時間同步的任務(wù)。

2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時原理介紹

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是由我國獨(dú)立自主研制開發(fā)，不受他國的控制和限制，其可用性、可依賴性和安全性更有保障。其具有快速定位、簡短通信和精密授時三大功能。本文將主要對精密授時功能進(jìn)行主要的介紹。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)具有單向和雙向2種授時功能，根據(jù)不同的精度要求，利用定時用戶終端，完成與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)之間的時間和頻率同步，提供單向授時l00ns和雙向授時20ns的時間同步精度。

2.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的單向授時原理

在單向授時模式下，用戶機(jī)不需要與地面中心站進(jìn)行交互，但需已知接收機(jī)精密坐標(biāo)，從而可計(jì)算出衛(wèi)星信號傳輸時延，經(jīng)修正得出本地精確的時間。中心控制站精確保持的標(biāo)準(zhǔn)北斗時間，并定時播發(fā)授時信息，為定時用戶提供時延修正值。標(biāo)準(zhǔn)時間信息經(jīng)過中心站到衛(wèi)星的上行傳輸延遲、衛(wèi)星到用戶機(jī)的下行延遲以及其它各種延遲傳送到用戶機(jī)，用戶機(jī)通過接收導(dǎo)航電文及相關(guān)信息自主計(jì)算出鐘差并修正本地時間，使本地時間和北斗時間同步，系統(tǒng)設(shè)計(jì)授時指標(biāo)為l00ns。

2.2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的雙向授時原理

雙向定時的所有信息處理都在中心控制站進(jìn)行，用戶機(jī)只需把接收的時標(biāo)信號返回即可。中心站系統(tǒng)在T0時刻發(fā)送時標(biāo)信號ST0，該時標(biāo)信號經(jīng)過延遲τ1后到達(dá)衛(wèi)星，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)后經(jīng)τ2到達(dá)定時用戶機(jī)，用戶機(jī)對接收到的信號進(jìn)行的處理，也可看做信號轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)τ3的傳播時延到達(dá)衛(wèi)星，衛(wèi)星把接收的信號轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)τ4的傳播時延傳送回中心站系統(tǒng)。也即表示時間T0的時標(biāo)信號ST0，最終在T0+τ1+τ2+τ3+τ4時刻重新回到中心站系統(tǒng)。中心站系統(tǒng)把接收時標(biāo)信號的時間與發(fā)射時刻相減，得到雙向傳播時延時τ1+τ2+τ3+τ4，除以2得到從中心站到用戶機(jī)的單向傳播時延。中心站把這個單向傳播時延發(fā)送給用戶機(jī)，定時用戶機(jī)接收到的時標(biāo)信號及單向傳播時延計(jì)算出本地鐘與中心控制系統(tǒng)時間的差值△ε，修正本地時鐘，使之與中心控制系統(tǒng)的時問同步。

2.3 兩種授時方式的對比分析

·從雙向定時和單向定時的原理介紹中可以看出，雙向定時和單向定時的主要差別在于從中心站系統(tǒng)到用戶機(jī)傳播時延的獲取方式：單向定時用系統(tǒng)廣播的衛(wèi)星位置信息按照一定的計(jì)算模型由用戶機(jī)自主計(jì)算單向傳播時延，衛(wèi)星位置誤差、建模誤差都會影響該時延的估計(jì)精度，從而影響最終的定時精度；雙向定時無需知道用戶機(jī)位置和衛(wèi)星位置，通過來回雙向傳播時間除以2的方式獲取，更精確的反映了各種延遲信息，因此其估計(jì)精度較高。在北斗系統(tǒng)中單向定時精度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)值為l00ns，雙向定時為20ns。

·單向定時需要事先計(jì)算用戶機(jī)的位置。雙向定時無需知道用戶機(jī)的位置，所有處理都在中心站系統(tǒng)完成。

·單向定時由于采用被動方式進(jìn)行，不占用系統(tǒng)容量。而雙向定時是通過與中心站交互的方式來進(jìn)行定時，因此會占用系統(tǒng)容量，受到一定的限制。

3 電力系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性分析

通過上述1介紹，我們認(rèn)識在當(dāng)前電力系統(tǒng)中時間同步問題上，雖然對GPS授時的使用已相當(dāng)成熟，但是，我們也認(rèn)識到依靠GPS全球定位系統(tǒng)給電力系統(tǒng)授時的嚴(yán)重不足。

通過上述2介紹，我們了解了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的授時技術(shù)，認(rèn)識到北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

·北斗授時精度優(yōu)于20～100ns，精確度高；

·授時系統(tǒng)及設(shè)備工作穩(wěn)定可靠，干擾小；

·系統(tǒng)具有多種輸出方式；

·整體裝置便攜低耗；

·應(yīng)用范圍廣泛，可可靠應(yīng)用于航空、航海、陸上交通、科學(xué)考察、極地探險、設(shè)備巡檢和系統(tǒng)監(jiān)控等方面。

通過分析北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時的特點(diǎn)，并結(jié)合我國電力系統(tǒng)實(shí)際情況得知，北斗授時技術(shù)已初步滿足在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的以下幾點(diǎn)需求條件：

⑴覆蓋范圍。現(xiàn)階段北斗系統(tǒng)組網(wǎng)已實(shí)現(xiàn)覆蓋我國全部地區(qū)，并已覆蓋到周邊國家。已完全可以滿足我國電網(wǎng)全國聯(lián)網(wǎng)的需求。也進(jìn)一步滿足了我國與周邊國家在電力方面的交流需求。

⑵授時精度。現(xiàn)階段北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供授時的精度達(dá)到20～100ns，其中單向授時精度為100ns，雙向授時精度為20ns，考慮到電力系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行特點(diǎn)，同時接收時間的設(shè)備數(shù)量和分布的廣泛性，結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時技術(shù)的特點(diǎn)，可選擇單向授時方式，雖然單向授時方式的精度相對差一點(diǎn)，但是對于現(xiàn)階段電力系統(tǒng)的使用以足夠滿足同步相量測量裝置對同步信號的要求。

⑶可靠性。現(xiàn)階段北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建立與運(yùn)行已經(jīng)歷了長時間的考驗(yàn)，一直處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，從可靠性方面來講，目前已經(jīng)具備在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的條件。

⑷安全性。當(dāng)前電力系統(tǒng)中使用的GPS方式的時間同步技術(shù)，最大的憂患之處在于GPS掌握在美國手中，一旦遇到突發(fā)狀態(tài)，授時的可靠性和可信性將大打折扣，甚至?xí)霈F(xiàn)電力系統(tǒng)時間同步中斷的可能性。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國獨(dú)立完成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的系統(tǒng)，實(shí)際的運(yùn)行和使用完全不受他國的控制和限制，安全性有極大的保障，完全滿足電力系統(tǒng)在時間同步安全性方面的要求。

通過以上幾點(diǎn)結(jié)合電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行需求分析，得知，電力系統(tǒng)中應(yīng)用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時功能完成全網(wǎng)的時間同步是完全可行的，而且從長遠(yuǎn)角度來講北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在我國電力系統(tǒng)中的積極應(yīng)用更會保障我國互聯(lián)電網(wǎng)安全方面具有主動權(quán)。

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