基于北斗的智能電網RNSS授時及同步技術探討

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

智能電網是以特高壓為骨干網架，各級電網協調發展的堅強電網，涉及發電、輸電、變電、配電、用電、調度等各個環節，通過硬件基礎和技術手段實現智能電網的信息化、數字化、自動化和互動化。智能電網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。智能電網系統的建立和數字化電網的實現需要全網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，一旦GPS停止提供服務，將對電網安全造成極大影響。因此，我國在大力發展北斗衛星導航系統及相關產業。

中國北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System-"BDS")是我國自行研制的全球衛星定位與通信系統。是繼美國全球衛星定位系統(Global Positioning System-“GPS”)和俄羅斯全球衛星導航系統(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星導航系統。系統由空間端、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，已經初步具備區域導航、定位和授時能力，定位精度優于20m，授時精度優于100ns。

因此，結合我國國情，為滿足未來智能電網對時間同步的要求，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進行授時，以GPS授時作為輔助，并在此基礎上實現整個電網的時間同步[6-7]。

2.北斗RNSS授時工作原理

目前，北斗衛星導航系統的授時方法包括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生，授時精度高，系統容量大，保密性高。

圖1 RNSS授時原理圖

對于RNSS系統授時方法，與GPS授時方法類似，用戶設備只需接收衛星發播的RNSS導航信號，即可獲得北斗系統時間，然后將本地時間與北斗系統時間進行比較得到本地時鐘與北斗系統時間的偏差。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星，即可解算出位置與鐘差，實現定位與授時。另外，用戶鐘時間、衛星鐘時間、北斗系統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顆衛星的信息，在信號發射時刻，北斗時間與衛星鐘時間分別為tBT和tST，ItSB為第J顆衛星鐘與信號發射時刻北斗時間的偏差，可利用導航電文播發的星鐘參數進行修正；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。

假定是靜態用戶，已知用戶位置和衛星位置，那么靜止接收機可以根據單次偽距測量值解算出鐘差，從而實現授時。而對于移動用戶，在用戶位置和衛星位置未知時，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單次偽距測量值解算出鐘差，此時其授時精度主要受系統誤差源的影響。根據北斗系統的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的偏差。其授時精度可根據時間精度因子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的TDOP分布圖。

圖2 北斗二代系統TDOP分布圖

4.介紹基于北斗的智能電網RNSS授時及同步系統設計

現在的電力系統運行管理形成了以調度自動化系統為中心的主站系統[8-9]，電站監控(包括發電廠、變電站、開關站等)作為子系統，為實現高精度的授時方案，并有效提高授時系統的安全性和可靠性，本文針對智能電網典型的授時及時間同步需求，基于北斗二代系統及GPS系統，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RNSS授時系統分布

系統通常由分布在國網省級電力公司、地市級電力公司、縣級電力公司的多級系統組成。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；主站系統通過電力調度運行管理網絡互聯成為大型MIS，由于應用系統間信息交換的需要，系統之間是互聯的，所以接入的計算機數量大。

系統主要包括電能量采集裝置、負荷/用電監控終端裝置、電氣設備在線狀態檢測或自動記錄儀、控制/調度中心數字顯示時鐘、火電廠和水電廠等變電站計算機監控系統、監控與數據采集(SCADA)/EMS、電能計費系統(PBS)、繼電保護及保障信息管理系統、電力市場技術支持系統、負荷監控/用電管理系統、配電自動化管理系統、調度管理信息系統(DMIS)、企業管理系統(MIS)等。這些管理系統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，系統以北斗/GPS互為備用作為該系統的時鐘源，采用高穩恒溫晶體振蕩器(OCXO)作為本地時鐘，運用北斗和GPS雙模授時技術對高穩晶振進行校頻實現時鐘同步。如果北斗衛星系統和GPS系統都被干擾不能正常使用，高穩晶振自動進入保持狀態，繼續提供高精度頻率和時間信號輸出，以維持系統的正常工作。

4.2 基于IEEE 1588時間協議的軟件設計

系統是以網絡作為系統的信息交換媒介，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時間協議(PTP)來實現以太網的精確時間同步.網絡精密時鐘同步委員會在2002年底發布了適用于網絡化測量和控制系統的高精度網絡時鐘同步協議——IEEE 1588時間協議.該協議具有占用網絡帶寬小、對系統資源要求低、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，協議中各類同步報文均是基于用戶數據報協議與網絡協議(UDP/IP)多播報文發送，非常適合于在目前技術成熟的以太網上實現，是公認的最有發展前途的網絡時鐘同步協議。

對于要求精度更高的智能電網來說，IEEE 1588標準精確時間協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絡節點必須有一個包含實時時鐘的網絡接口，可以實現基于PTP協議棧的相關服務。

系統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送Sync報文，緊接著發送Follow_up報文，該報文攜帶上一個消息的實際發送時間t1，從時鐘記錄Sync報文的到達時間t2，隨后在t3時刻發送Delay_Rep報文給主時鐘，主時鐘記錄報文到達時間t4，并發送Delay_Resp報文把t4告知從時鐘。從時鐘根據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之間網絡傳輸的往返時延為 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次校時請求進行統計，往返網絡時延δ如圖4所示。由圖4中可以看出，90%以上的網絡時延小于到1ms，引起的網絡延時誤差小于±1ms。然而在實際測量中，系統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分布的，可以通過隨后的統計計算減小影響。另一方面，對于偶然出現的網絡時延較大的情況，包括時延嚴重不對稱的情況，通過在程序中設定網絡時延閾值 ，即當δ> 時，丟棄該時間信息包，重新發送校時請求，從而起到保證校時精度的作用。

圖4 網絡時延統計

5.總結

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

隨著智能電網、智能化變電站、智能用電等技術的不斷發展與應用，全網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運行中發揮基礎性的重要作用。

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