基于衛(wèi)星共視法的電網(wǎng)時頻測量及同步技術

趙 莎

(中國電力科學研究院，北京 100192)

基于衛(wèi)星共視法的電網(wǎng)時頻測量及同步技術

趙 莎

(中國電力科學研究院，北京 100192)

時間同步對電網(wǎng)的安全和管理有著重要影響，如何準確可靠地同步電網(wǎng)時間值得研究;為此，提出利用衛(wèi)星共視技術進行電網(wǎng)時間頻率的遠程校準、進而實現(xiàn)電網(wǎng)時間同步的方法;首先，提出電力系統(tǒng)的四級時間頻率溯源體系，明確了電網(wǎng)時間頻率溯源關系;其次，研究建立了可以滿足衛(wèi)星共視要求的時間頻率計量標準裝置，依托標準裝置，將衛(wèi)星共視技術應用于電力系統(tǒng)時間頻率遠程校準中，利用卡爾曼濾波算法去除干擾，并分析了基于衛(wèi)星共視技術的電網(wǎng)時間頻率同步方法;為定量評價提出方法的有效性，研究了采用提出的方法進行溯源時的時間不確定度和頻率不確定度;實驗及分析結果表明，提出的方法可以實現(xiàn)時間頻率量值的高精度遠程傳遞，從而保障電力系統(tǒng)中的時間同步。

時間同步；電力系統(tǒng)；衛(wèi)星共視；溯源；不確定度

0 引言

隨著社會對電力安全、電網(wǎng)管理要求的不斷提高，獲得準確的同步時間在電力系統(tǒng)中越來越重要[1]。分時電價使時間同步與企業(yè)生產(chǎn)和居民生活的成本密切相關[2]，同步相量測量裝置、雷電定位系統(tǒng)、行波故障測距裝置等電力設備要求對時精度優(yōu)于1 μs[3-4]，智能變電站對時鐘指標要求提高至500 ns。已有研究成果表明，時間同步誤差對電力系統(tǒng)會產(chǎn)生重要影響[5]，建立精確的時間同步系統(tǒng)已成為電力系統(tǒng)關注的重要內容。

專家學者對電力系統(tǒng)時間同步方法研究的主要思路可以分為兩類。第一類，利用衛(wèi)星導航系統(tǒng)同步時間[6]。通常使用的衛(wèi)星導航系統(tǒng)是北斗(BeiDou navigation satellite system，DBS)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)，主要依靠衛(wèi)星接收機的性能單向授時。已有文獻[7]采用了衛(wèi)星共視的方法，但沒有定量的分析。第二類，利用網(wǎng)絡同步時間[8-9]。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡授時采用網(wǎng)絡時間協(xié)議(network time protocol，NTP)，授時精度可達毫秒級[10]，以及基于同步數(shù)字體系(synchronous digital hierarchy,SDH)、采用精確時鐘同步協(xié)議(precision time synchronization protocol，PTP)的時間同步方法[1]，授時精度一般可達百納秒級[11]，但這種方法需要硬件支持，網(wǎng)絡改造成本大，且易受網(wǎng)絡環(huán)境影響，授時精度隨經(jīng)過網(wǎng)絡環(huán)境的惡化和網(wǎng)絡設備個數(shù)的增多而下降。

雖然已經(jīng)取得一些研究成果，但總體而言電力系統(tǒng)的時間同步系統(tǒng)仍不完善。首先，電力系統(tǒng)的時間同步系統(tǒng)沒有形成網(wǎng)絡，仍處于分散獨立的狀態(tài)，通常只能保證一個變電站或一座電廠范圍內的時間同步；其次，沒有建立電力系統(tǒng)時間參數(shù)的量值溯源體系，不能保證時間量值的準確統(tǒng)一；第三，沒有對時間同步方法進行分析，不能定量評價時間同步方法的準確程度。

針對上述問題，本文研究了電力系統(tǒng)中時間參數(shù)的量值溯源體系，研制了時間頻率計量標準裝置，提出利用衛(wèi)星共視技術實現(xiàn)整個電力系統(tǒng)時間網(wǎng)的遠程校準；進行了時間頻率標準裝置及校準方法的不確定度分析。實驗結果表明，提出的方法可以精確地實現(xiàn)電力系統(tǒng)內的時間頻率溯源，最終達到時間同步的的目的。

1 電力系統(tǒng)現(xiàn)有時間同步方法分析

目前，電力系統(tǒng)主要利用衛(wèi)星導航系統(tǒng)或網(wǎng)絡進行時間同步。

1.1 利用衛(wèi)星導航系統(tǒng)時間同步

目前電力設備利用衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行時間同步的方法，通常是采用DBS或GPS的時間信號作為時鐘源的單向授時法。這種方法原理簡單，在理想狀況下對授時精度的要求通常不高于1 μs[12]的電力設備可以滿足使用需求。

然而，在實際應用中，單向授時存在很大隱患及不確定性。這種方法的主要誤差來源可分為三大類[15]：衛(wèi)星誤差、傳播誤差和接收誤差。雖然接收機通過算法可以補償部分衛(wèi)星誤差和電離層折射、對流層折射的影響，但對環(huán)境突變及多路徑效應等無能為力，因此上述誤差仍對接收信號的準確可靠有很大影響。

另一方面，單向授時準確是基于接收機正常工作的前提，而實際電力設備通常工作在高溫、強電磁場等惡劣環(huán)境中，會加速接收機元器件的老化，導致接收機性能下降或接收故障。當接收機不能正常接收衛(wèi)星信號時，會依靠自身的晶振繼續(xù)輸出時間，此時無法判斷該信號是否已失去了導航系統(tǒng)時標。通常接收機晶振長期穩(wěn)定性不好，日積月累必然造成不可預見的對時偏差。

1.2 利用網(wǎng)絡時間同步

網(wǎng)絡時間同步通常選擇采用NTP協(xié)議或者PTP協(xié)議。

采用NTP協(xié)議的授時精度為毫秒級，對網(wǎng)絡設備沒有特殊要求，可以在廣域網(wǎng)內授時，適合用電管理系統(tǒng)主站、變電站監(jiān)控系統(tǒng)主站等對時精度為1 s的電力設備。但采用NTP協(xié)議網(wǎng)絡授時無法滿足微秒級電力系統(tǒng)設備的要求，且當網(wǎng)絡出現(xiàn)阻塞時授時的精度無法保證。

采用PTP協(xié)議的授時精度為百納秒級，可以滿足大部分電力系統(tǒng)設備的需要。但采用PTP協(xié)議授時需要能夠生成時間戳的硬件，同時PTP協(xié)議的授時精度仍會隨著經(jīng)過網(wǎng)絡設備個數(shù)的增多而下降，不適合廣域網(wǎng)內授時。

更重要的，無論采用衛(wèi)星單向授時法還是基于NTP協(xié)議或PTP協(xié)議的網(wǎng)絡授時法進行時間同步，均無法獲得實際的同步精度，換言之，電力系統(tǒng)現(xiàn)有同步方法只能假設設備時間可以達到理論精度。

2 基于衛(wèi)星共視法的時間溯源及同步方法

為有效監(jiān)控電力設備的時間參數(shù)，確保電網(wǎng)大范圍內時間的同步，本文提出建立電力系統(tǒng)時間參數(shù)的量值溯源體系，采用本地鐘守時并逐級傳遞進而同步電力系統(tǒng)時間的方法。

2.1 量值溯源體系圖

電力系統(tǒng)時間量值的溯源體系如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)時間量值的溯源體系

國家時間計量基準是我國時間量值的源頭，電力系統(tǒng)最高時間計量標準需向國家時間計量基準溯源。區(qū)域時間計量標準負責本區(qū)域范圍內時間的量值傳遞，區(qū)域時間計量標準向電力系統(tǒng)最高時間計量標準溯源。在各變電站、電廠和調度機構內可以設置工作計量時鐘，向區(qū)域時間計量標準溯源，為電力設備傳遞時間。圖1所示各級計量標準構成電力系統(tǒng)完整、合理的溯源鏈路體系，保證電力系統(tǒng)時間量值向上溯源到國家時間基準，向下傳遞到電力設備終端。

2.2 時間頻率計量標準裝置

本文建立的電力系統(tǒng)時間頻率計量標準裝置的構成如圖2所示。

圖2 時間頻率計量標準裝置圖

頻率標準產(chǎn)生頻率基準信號，經(jīng)過相位微躍計產(chǎn)生1 pps(pulse per second)信號和修正的頻率信號。分別經(jīng)過隔離放大器，可以將1 pps信號和頻率信號分別變?yōu)槎嗦沸盘?。衛(wèi)星接收機的輸入信號便取自隔離放大器，頻率信號作為接收機內部的參考頻率標準，1 pps信號同衛(wèi)星接收機經(jīng)天線接收的1 ppss信號進行比較，產(chǎn)生兩個1 pps信號之間的差。數(shù)據(jù)處理器利用獲得的這個差值進行以下兩方面運算：1)用作本地時間與衛(wèi)星時間的時間差，參與與其它時間設備的衛(wèi)星共視比對;2)計算出需要的頻率補償量，反饋給微躍計進行微調產(chǎn)生更準確的1 pps信號和頻率信號，作為本地時間，實現(xiàn)對時鐘系統(tǒng)的駕馭。雖然接收到的衛(wèi)星信號具有一定的抖動但長期穩(wěn)定度較好，而頻率標準短期穩(wěn)定度好但存在頻率漂移，因此，利用衛(wèi)星的秒脈沖信號駕馭時間系統(tǒng)，結合了頻率標準短期穩(wěn)定性好和衛(wèi)星信號長期穩(wěn)定性好的優(yōu)點，可以使本地的時間和頻率信號更加準確、穩(wěn)定。

2.3 基于衛(wèi)星共視法的遠程校準技術

衛(wèi)星共視法的原理如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星共視原理圖

假設時間設備A為計量標準設備，向時間設備B傳遞時間。設備A與設備B同時觀測同一顆或多顆衛(wèi)星，設備A和設備B分別同時記錄本站時鐘與衛(wèi)星時鐘的時間差。設備B將記錄的自身與衛(wèi)星時鐘的時間差通過公用網(wǎng)絡或其他方法傳遞給設備A，設備A將共視期間獲得的與衛(wèi)星時鐘的時間差與設備B傳輸來的數(shù)據(jù)比較，可以得出A、B兩地的時間偏差：

ΔtAB=(tA-tS)-(tB-tS)

(1)

式中，tA為A站參考時間，tB為B站參考時間，tS為衛(wèi)星時間。

實際上，在每一時刻設備A與設備B同時觀測到的衛(wèi)星不止一顆，采用式(2)的方法綜合衛(wèi)星數(shù)據(jù)：

(2)

式中，n為設備A與設備B同時觀測到的衛(wèi)星數(shù)，wi為第i顆衛(wèi)星對應的權重。依據(jù)衛(wèi)星的仰角確定wi，仰角越低，wi越小。

利用兩點時差法[13]可以計算出設備A和設備B之間的相對頻率偏差：

(3)

式中，ΔtAB1和ΔtAB2分別為t1時刻和t2時刻A站和B站的時間差，ΔfAB為A站和B站的頻率偏差，fA為A站頻率。頻率偏差的準確度與時間同步密切相關，因此頻率偏差也是衡量時間頻率標準裝置的一項重要指標。

事實上，式(3)計算的是t1時刻到t2時刻時間內的平均頻率，由于這段時間內的時間數(shù)據(jù)會存在噪聲，因此需要對時間數(shù)據(jù)進行降噪處理。本文采用卡爾曼濾波[14]的方式對觀測數(shù)據(jù)進行處理：

p(k)=p1(k)-b(k)p1(k)

(4)

式中，σw為建模噪聲，σv為觀測噪聲。

設備A把與設備B之間的時間偏差和頻率校準值返回給設備B，則可實現(xiàn)設備B時間頻率量值的溯源，即A、B兩地之間的時間同步。

采用衛(wèi)星共視的方法通過數(shù)據(jù)交換在國家時間計量基準與電力系統(tǒng)最高時間計量標準之間以及電力系統(tǒng)內各級時間計量標準之間很方便地實現(xiàn)遠程量值傳遞、溯源及比對，解除搬運設備的困擾，順應時間設備不間斷連續(xù)運行的需求。

2.4 衛(wèi)星共視法時間同步的分析

1)衛(wèi)星共視法將衛(wèi)星時間作為傳遞的媒介，衛(wèi)星誤差及傳播誤差基本可以消除，因為對于共視兩地這兩項誤差是相同的。接收機老化故障、多路徑效應等影響單向衛(wèi)星授時精度的誤差分量，在衛(wèi)星共視法中以本地時間與標準時間偏差的形式出現(xiàn)，均可以發(fā)現(xiàn)并予以處理。衛(wèi)星共視法是實現(xiàn)兩地鐘相對同步較為理想的方法，也是國際時間比對的手段之一。

2)衛(wèi)星共視法是一種量值溯源方法，與網(wǎng)絡授時法不同，衛(wèi)星共視法不是上級時間標準對下級時間標準的直接授時，而是比較兩個設備之間的時間差。例如，圖1中區(qū)域時間計量標準的時間值不是直接來自電力系統(tǒng)最高時間計量標準，而是通過衛(wèi)星共視法測定與電力系統(tǒng)最高計量標準時間值的偏差。

3)在電力系統(tǒng)現(xiàn)有的授時方法中，依靠提高時間獲取的準確度來保證時間的一致性。由于技術水平和工程成本的限制，利用現(xiàn)有方法在較高量級上保證時刻絕對值同步相當困難。但衛(wèi)星共視法的思路是準確獲得兩地時間偏差，通過建立區(qū)域間時間偏差的表格，確保大范圍內時間的準確一致。

4)由于需要獲得本地時間與衛(wèi)星時間的偏差，在利用衛(wèi)星共視法量值傳遞時首先應有本地時間。因此與現(xiàn)有只需要衛(wèi)星接收機的方案不同，電力系統(tǒng)最高時間計量標準、區(qū)域時間計量標準、工作計量時鐘均需要配置原子鐘或晶振以保持本地時間，同時能夠生成標準的CGGTTS標準格式文件，用于數(shù)據(jù)提取、運算比較。

5)由于衛(wèi)星共視法要求兩地能夠同時觀測到同一顆衛(wèi)星，該方法在半徑為4 000 km的范圍內完全適用。由于我國電網(wǎng)覆蓋范圍廣，網(wǎng)絡時間同步受信號傳輸距離限制，因此衛(wèi)星共視法是較適宜的實現(xiàn)遠距離校準和時間同步的方法。

2.5 時頻標準裝置及同步不確定度分析

2.5.1 時間偏差不確定度分析

1)由接收機時差校準不確定度引入的分量：上級校準證書給出，接收機時差的擴展不確定度為10.0 ns，包含因子k=2，故時間偏差的標準不確定度ut1為5.0 ns。

2)由接收機穩(wěn)定性引入的分量：根據(jù)接收機校準證書，接收機時間穩(wěn)定度為5.3 ns，即標準不確定度ut2為5.3ns。

4)由天線纜線延時校準引入的分量：校準證書給出延時測量的標準不確定度為0.3%，k=2，則標準不確定度ut4為0.2 ns。天線纜線延時在數(shù)據(jù)處理時予以修正。

6)由測試線延時校準引入的分量：測量的標準不確定度為0.3%，故時的延時標準不確定度為0.02 ns，可忽略不計。測試線纜線延時在數(shù)據(jù)處理時予以修正。

7)測量結果重復性引入的分量：由共視數(shù)據(jù)得到測量結果的標準偏差為0.85 ns，即標準不確定度ut6為0.85 ns。

8)由環(huán)境影響引入的分量：由于實驗室環(huán)境條件滿足規(guī)程要求，因此由環(huán)境引入的不確定度可以忽略不計。

則時間傳遞的標準不確定度由式(5)估算：

(5)

式中，uti為裝置各部分的時間偏差標準不確定度。

則可計算出時間偏差的標準不確定度uct為7.4 ns，取包含因子k=2，則CEPRI時間頻率標準裝置時間偏差的擴展不確定度為：U=14.8 ns。

2.5.2 頻率偏差不確定度分析

2)由校準不確定度引入的分量：校準證書給出相對頻率偏差的擴展不確定度為1.3×10-14，包含因子k=2，故由校準不確定度引入的標準不確定度uf2為0.7×10-14。

3)由銫原子鐘輸出頻率穩(wěn)定度引入的分量：根據(jù)銫原子鐘技術手冊，銫原子鐘輸出頻率穩(wěn)定度為1.0×10-14，即標準不確定度uf3為1.0×10-14。

4)由微躍計輸出頻率穩(wěn)定度引入的分量：根據(jù)相位微躍計的技術手冊，微躍計輸出頻率穩(wěn)定度為0.5×10-14，即標準不確定度uf4為0.5×10-14。

6)測量結果的重復性引入的分量：將取得的共視數(shù)據(jù)進行A類評定，可得頻率偏差的阿倫方差為2.0×10-14/d，即標準不確定度uf6為2.0×10-14。

7)由環(huán)境影響引入的分量：實驗室環(huán)境條件滿足規(guī)程要求，因此由環(huán)境引入的不確定度可以忽略不計。

CEPRI時間頻率標準裝置相對頻率偏差合成標準不確定度由下式估算：

(6)

式中，ufi為裝置各部分的相對頻率標準偏差不確定度。

根據(jù)不確定度合成公式計算，相對頻率偏差的合成標準不確定度ucf為5.0×10-14。取包含因子k=2，則CEPRI時間頻率標準裝置相對頻率偏差的擴展不確定度為：Urel=1.0×10-13。

3 實驗驗證

3.1 CEPRI計量標準裝置穩(wěn)定性

計量標準裝置的穩(wěn)定性對量值溯源的有效性有重要影響。圖5為截取的時間計量標準裝置15天的時間偏差穩(wěn)定性考核數(shù)據(jù)。

圖5 時間頻率計量標準裝置的穩(wěn)定性

由圖5可見，標準裝置在考核期間最大波動范圍在-10～0 ns之間，參與運算的數(shù)據(jù)為未經(jīng)過的原始數(shù)據(jù)，時間偏差的標準偏差為1.6 ns小于不確定度的十分之一，穩(wěn)定性良好。

3.2 衛(wèi)星共視比對

為驗證標準裝置原理及共視算法的有效性，在簡化儒略日57504～57553(即2016年4月26日～2016年6月15日)之間與中國計量科學研究院(NIM)進行了比對實驗，實驗結果如表1所示。在共視期間，CEPRI本地時間與UTC-NIM的平均時間差為1 ns，根據(jù)貝塞爾公式計算出時間差的標準偏差為2.9 ns；相對頻率偏差是采用兩點時差法根據(jù)相鄰兩天的時間差計算而來，見公式(7)，再將所有相對頻率偏差通過直線擬合法得出平均相對頻率偏差為1×10-15，由貝塞爾公式得出相對頻率偏差的標準偏差為2.1×10-14。

(7)

這里，TAB(i+1)和TABi分別為當日和前一日的時間偏差，τ0取一天。

表1 衛(wèi)星共視比對結果

3.3 比對結果的評價

比對結果通常用比對判據(jù)En值進行評價，En值又稱歸一化偏差，為實驗室之間比對結果差值與該差值的不確定度之比，當|En|值小于或等于1時比對結果符合要求。

根據(jù)CEPRI與NIM比對數(shù)據(jù)能夠得出：

式中，Ux為CEPRI時間偏差的不確定度，k=2；Uy為NIM時間偏差的不確定度，k=2。|En|值小于1，比對結果滿意。同理也可以獲得比較滿意的相對頻率偏差比對結果。

4 結論

本文提出了一種通過遠程校準進行量值溯源的方式實現(xiàn)電力系統(tǒng)時間同步的方法。將電力系統(tǒng)時間量值的溯源體系分為4個層次，建立了時間頻率計量標準裝置，采用衛(wèi)星共視的方法實現(xiàn)時間參數(shù)的溯源和同步，并分析了提出方法的不確定度，最后通過實驗比對得到驗證。實驗結果表明，本文提出的方法可以實現(xiàn)時間頻率的高精度溯源，從而可以實現(xiàn)大電網(wǎng)內時間量值的準確及同步。

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Research on Time Measurement and Synchronization Using Satellite Common-View in Power Grid

Zhao Sha

(China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

Time synchronization has a crucial impact on devices and management in power system. How to synchronize power grid time precisely is a difficult problem. To solve the problem, a time synchronization method based on time traceability using satellite common-view was proposed. Firstly, a four-layer time tracing system was put forward. Secondly, a time-frequency measurement standard device with satellite common view function was established. Then, the satellite common view technology was used in power system, and Kalman filter was adapted to decrease noises. The common view result showed that the time-frequency measurement standard device was stable and the proposed method was able to realize time traceability and synchronization. Ultimately, the uncertainty of time and frequency traceability using the proposed method was analyzed. The analysis showed that the proposed method can precisely disseminate the time value and effectively synchronize time in power system.

time synchronization; power system; satellite common view; traceability; uncertainty

2016-09-07；

2016-10-08。

趙 莎(1972-)，女，黑龍江大慶人，大學，主要從事時頻計量、電磁計量方向的研究。

1671-4598(2016)12-0049-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TM

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