基于衛星共視技術的泛在電力物聯網時間同步網

段翔兮，馮世林，李小鵬，吳 杰，高藝文， 龍 呈

(國網四川省電力公司電力科學研究院， 四川 成都 610041)

0 引 言

隨著泛在電力物聯網建設的穩步推進，作為樞紐型、平臺型和開放型的電力物聯網將不止融合電網相關信息，還會實現用戶信息、外部信息等多源信息接入、融合。而統一的時間基準、精確的時間標注是高效融合應用上述信息并保障數據質量的重要要求，為平臺層和應用層的建設、數據的變現業務打下堅實基礎。同時，電力系統的測控、保護不只局限于就地，而是跨區域的廣域測量和廣域保護，支撐智能電網的各種高級應用都需要整個電網的斷面數據作為應用基礎，這就要求相關的一次設備對應的數據采集時間是精確同步的[1-2]。

目前，電力系統常規使用的對時方式是在調控中心、變電站、發電廠各自部署時間同步系統來保證各自區域內的設備所使用的時間是同步的，所用時間來源均為北斗或GPS單向授時，不可溯源，其可信度取決于時間傳遞各個環節的正確性，時間同步精度不達標甚至時間錯誤等問題往往是在后期數據分析中才被發現。

基于衛星共視技術實現的衛星共視授時裝置可以經濟、高效、便捷地實現遠距離高準確度時間同步。而利用衛星共視授時裝置組建的天基時間同步網，可以快捷地實現調控中心與變電站、調控中心之間、變電站之間的高準確度跨區域時間同步，并能夠解決標準量值傳遞的溯源問題。

1 衛星共視的基本原理

所謂“共視”就是2個不同位置的觀測者，在同一時刻觀測同一顆衛星。也就是在一顆衛星的視角內，地球上任何2個地點的時鐘可以利用同時收到的同一顆衛星的時間信號進行時間、頻率的對比和同步[3]。

兩地時鐘之間的時間差可通過式(1)、式(2)和式(3)求得，式(1)中ΔtASV為A地時鐘時間tA減去衛星時間tSV，再減去路徑延時dA，式(2)中ΔtBSV同理。式(3)中ΔtAB為兩地時鐘之間的時間差，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)

通過式(3)，降低了2個觀測點所共有的誤差，但不能消除傳輸中的星歷誤差，通過估算衛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為相對頻偏；τ為校頻的時間間隔[4]。

假設A為主站，B為子站，通過式(4)得出的頻率差調整子站的銣鐘(頻標源)的頻率，使得與主站的頻率差小于某一閾值，同時調整子站的秒沿起點，最終使子站時間溯源到主站，實現兩站的時間同步[3]。

如圖1所示，通過對衛星和用戶之間的偽距和時差進行分析，以縮小星歷誤差、對流層和電離層的延時誤差。

圖1 時差及偽距的測量

鑒于GPS時間與接收機時鐘產生的時間不同，以δtu(t)表示接收機的時鐘鐘差，對應于信號接收時間tu的GPS時間為t，將GPS時間為t的接收機時鐘tu記為tu(t)[5]，則

tu(t)=t+δtu(t)

(5)

因為各個衛星時鐘與GPS時間并不是嚴格同步。GPS時間t與衛星時鐘t(s)(t)存在以下關系：

t(s)(t)=t+δt(s)(t)

(6)

式中，δt(s)(t)為衛星時鐘鐘差。

為了確保衛星的時鐘與GPS時間同步，衛星時鐘在GPS時間為t時的衛星鐘差Δt(s)描述成一個二次式：

Δt(s)=af0+af1(t-toc)+af2(t-toc)2

(7)

式中，af0、af1、af2和toc均由衛星導航電文的第一數據塊給出。

衛星時鐘的校正量還應該包括相對論相應的校正量Δtr。

(8)

式中：es為衛星導軌偏心率；as為導軌長半徑；Ek為偏近點角；F為常數。

單頻接收機還應該考慮群波延時校正值TGD，它也由衛星導航電文的第一數據塊給出。因此，對于L1單頻接收機衛星時鐘總的鐘差值δt(s)為

δt(s)=Δt(s)+Δtr-TGD

(9)

設GPS信號到接收機的傳播時間為τ，GPS時間與衛星時鐘在信號發射時刻(t-τ)時的關系可表達為

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)

在大氣折射效應的作用下，信號的實際傳播由以真空光速c穿過兩點之間的幾何距離r所需的時間和大氣折射造成的傳播延時兩部分組成，大氣折射造成的延時被分解成對流層延時T(t)和電離層延時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，引入了一個值未知的偽距測量噪聲量εp(t)。

2 衛星共視授時裝置

2.1 衛星共視授時裝置原理

圖2給出了主站(國家授時中心)與子站通過衛星共視對比方法實現時間同步的原理示意圖。

圖2 衛星共視方法實現時間同步的原理

在主站和子站分別設置衛星共視授時裝置接收北斗衛星和GPS衛星的相關信息，每秒提取1個脈沖(1PPS)，計數器每秒輸出一個時差值以實現時間溯源同步于國家授時中的協調世界時(UTC)[7-8]。

2.2 衛星共視授時裝置功能

1)高精度授時、高穩定度守時

共視授時準確度優于10 ns，守時性能優于50 ns/h、1.5 μs/d。

2)靈活的授時工作模式

裝置可工作于3種授時模式：共視授時模式、單向授時模式和內部守時模式，授時模式可以根據工作條件自適應切換，也可以固定某一種授時模式。

3)多元化的共視數據鏈路選擇

共視數據鏈路可以選擇GPRS、網絡或串口。

4)時間基準輸入通道延遲補償可調

各時間基準源(無線或有線)輸入分通道延遲補償可調，保證輸入基準源切換時內部時間基準平滑一致。

5)輸出時間信號通道延遲補償可調

輸出時間信號分通道延遲補償可調，保證各被授時設備的時間精確同步。

6)便捷的狀態及日志查詢

便捷查詢告警接點、各輸入/輸出時間信號、網口、串口、衛星(北斗和GPS)、GPRS等裝置接口狀態，提供多達1000條裝置日志查詢，準確了解裝置的運行狀態。

7)支持后臺系統遠程管理

通過后臺管理系統可對設備進行遠程管理，如狀態監控、參數設置、日志讀取等。

3 天基時間同步網

3.1 天基時間同步網架構

電力系統天基時間同步網是利用衛星共視授時裝置，以調控中心為主站實現的調控中心之間、調控中心與變電站、變電站之間的一主多從的時間同步網。

以省級時間同步網為例，如圖3所示。通過衛星共視，省調時間同步系統時鐘溯源(同步)于中國國家授時中心(位于陜西臨潼)，兩臺衛星共視授時裝置分別部署兩地，裝置之間通過公共鏈路(如GPRS)交換數據。各省屬地調、變電站的時間同步系統的時鐘溯源(同步)于省調時間同步系統，位于地調、變電站的衛星共視授時裝置通過SDH傳輸網(電力調度數據專網)與省調衛星共視授時裝置實現數據交換。

圖3中，實現了省級時間同步網的時間同步于北京時間(源于中國國家授時中心)，如果將虛框去掉，則可以實現以省調時間同步系統為基準源的區域時間同步網。

圖3 基于共視原理的天基時間同步網

由于在調度中心、變電站運行的計算機系統、二次設備的信息交互都是在內網中完成，而國家授時中心與電網公司沒有內網連接，只能通過公網(GPRS)交互信息，因此，為滿足安全防護要求，衛星共視授時裝置與省調時間同步系統采用光纖IRIG-B(DC)碼時間信號傳遞時間。

采用衛星共視原理實現時間同步，特別適合于不同區域的個別變電站與省調時鐘同步，即實現各孤立節點的時間同步。比如，在廣域保護中，為實現廣域保護所涉及的變電站間的時間同步，通過衛星共視的手段最便捷。也就是說，在特高壓互聯的堅強電網中，衛星共視是目前最理想的實現跨地域的時間同步的方法。

3.2 天基時間同步網管理系統

天基時間同步網管理系統是通過網管的方式，對網內的衛星共視授時裝置、時間同步裝置等設備進行參數、狀態、日志等信息進行遠程管理。系統可遠程配置被管理設備各項參數，并對其工況、功能、性能、日志等匯總信息進行統計分析處理，并進行數據存儲。

管理系統與現有調度自動化主站軟件采用一體化設計，作為主站軟件的一個功能模塊運行，通信規約采用符合現有遠動通信規約的方式。管理系統應具備強大的統計分析功能，支持橫向比對和縱向比對。可對設備的本地時間、GPS時間、北斗時間、地面時間進行統計分析和趨勢圖繪制。通過對設備狀態的監控，運行管理人員能及時發現問題解決問題，從而提高時間同步網內設備功能的正確性、穩定性，最大限度保證設備正常運行。

4 結 語

通過對衛星共視技術基本原理的分析，給出了衛星共視授時裝置的模型，并基于該模型搭建了基于衛星共視的天基時間同步網試驗系統，其授時精度優于10 ns，滿足電網系統的時間與國家授時中心的授時允許誤差，滿足電網跨區域時間同步應用需求。采用一體化設計的管理系統軟件可對管理區域內的衛星共視授時裝置、時間同步裝置等設備進行故障率、故障類型、性能統計，從而提高時間同步網內設備功能的正確性、穩定性，最大限度保證設備正常運行。