论文部分内容阅读
【摘要】针对目前智能电网建设中授时及时间同步系统存在的问题，结合未来智能电网对高精度、高可靠性授时及时钟同步的要求，采用北斗为主、GPS为辅作对智能电网进行授时。以北斗RNSS授时技术为核心，根据智能电网运行模式，给出了授时及时间同步配置方案，并采用IEEE 1588时间协议实现全网的时间同步。对授时精度、时间同步系统的误差进行了分析与讨论，根据主、从时钟同步误差，提出了设置时延阈值并通过统计计算来消除干扰的计算方法，有效地提高了智能电网授时及时间同步精度。
1.前言
智能电网是以特高压为骨干网架，各级电网协调发展的坚强电网，涉及发电、输电、变电、配电、用电、调度等各个环节，通过硬件基础和技术手段实现智能电网的信息化、数字化、自动化和互动化。智能电网将先进的传感量测技术、信息通信技术、自动控制技术、分析决策技术与能源电力技术结合，形成一个可观测、可控制、实时分析与决策、自适应和自愈的系统。智能电网系统的建立和数字化电网的实现需要全网时间同步的紧密支持，对时间的要求非常高[1-3]。目前，基本上都是采用美国GPS进行授时[3-5]，技术及服务严重依赖于美国GPS系统，一旦GPS停止提供服务，将对电网安全造成极大影响。因此，我国在大力发展北斗卫星导航系统及相关产业。
中国北斗卫星导航系统（BeiDou Naviga-tion Satellite System-"BDS"）是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统。是继美国全球卫星定位系统（Global Positioning System-“GPS”）和俄罗斯全球卫星导航系统（Глоба льная навигацио нная спу тниковая систе ма-“GLONASS”）之后第三个成熟的卫星导航系统。系统由空间端、地面端和用户端组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度优于20m，授时精度优于100ns。
因此，结合我国国情，为满足未来智能电网对时间同步的要求，以及摆脱对GPS授时的过度依赖，提出利用北斗RNSS授时技术对智能电网进行授时，以GPS授时作为辅助，并在此基础上实现整个电网的时间同步[6-7]。
2.北斗RNSS授时工作原理
目前，北斗卫星导航系统的授时方法包括RDSS双向授时、RDSS单向授时和RNSS授时三种方法。其中RDSS双向授时采用有源授时方法，授时精度高，但系统容量小，保密性较差；RDSS单向授时需要已知用户位置，授时精度较低，并且系统容量小，保密性较差；RNSS授时过程中定位和钟差信息可以同时产生，授时精度高，系统容量大，保密性高。
图1 RNSS授时原理图
对于RNSS系统授时方法，与GPS授时方法类似，用户设备只需接收卫星发播的RNSS导航信号，即可获得北斗系统时间，然后将本地时间与北斗系统时间进行比较得到本地时钟与北斗系统时间的偏差。如果测站坐标已知，并且精度可靠，那么只要接收到一颗卫星的信号即可进行精确授时。如果测站坐标未知，RNSS接收机只要能够接收到四颗或四颗以上卫星，即可解算出位置与钟差，实现定位与授时。另外，用户钟时间、卫星钟时间、北斗系统时间之间的关系如图1所示。
在图1中，假定接收机接收到第j颗卫星的信息，在信号发射时刻，北斗时间与卫星钟时间分别为tBT和tST，ItSB为第J颗卫星钟与信号发射时刻北斗时间的偏差，可利用导航电文播发的星钟参数进行修正；在接收机采样时刻，北斗时间与用户钟时间分别为tBR和tUR，ItUB为利用第j颗卫星得到的用户钟与接收机采样时刻北斗时间的偏差。为接收机测量到的伪距。于是有：
（1）
式中，为第j颗卫星到接收机的真实空间距离；c为光速；是卫星钟差、硬件延迟、接收机噪声、电离层误差和对流层误差等的总和。令，，则第j颗北斗卫星信号计算可得到的用户钟差估计值为：
（2）
通过式2，就可以计算得出利用第j颗卫星得到的用户钟与北斗时间的偏差ItUB，由就得到了接收机采样时刻的北斗时间tBR。
假定是静态用户，已知用户位置和卫星位置，那么静止接收机可以根据单次伪距测量值解算出钟差，从而实现授时。而对于移动用户，在用户位置和卫星位置未知时，还是采用前面介绍的方法进行计算，对多颗卫星列出方程组，需要解算观测方程组，以便确定接收机时钟的偏差。
3.北斗RNSS授时精度
假定用户位置已知的情况下，静止接收机可以根据单次伪距测量值解算出钟差，此时其授时精度主要受系统误差源的影响。根据北斗系统的UERE值，可以计算其授时精度大概为23.7ns。
假定用户位置未知的情况下，用户需要解算观测方程组，才能得出接收机时钟与北斗系统的偏差。其授时精度可根据时间精度因子TDOP值估算，计算公式如式3及式4。图2给出了北斗二代系统的TDOP分布图。
（3）
（4）
图2 北斗二代系统TDOP分布图
4.介绍基于北斗的智能电网RNSS授时及同步系统设计
现在的电力系统运行管理形成了以调度自动化系统为中心的主站系统[8-9]，电站监控（包括发电厂、变电站、开关站等）作为子系统，为实现高精度的授时方案，并有效提高授时系统的安全性和可靠性，本文针对智能电网典型的授时及时间同步需求，基于北斗二代系统及GPS系统，提出北斗/GPS高精度授时与时间同步技术总体方案，如图3所示。
图3 北斗/GPS高精度授时及时间同步方案
4.1 基于北斗的智能电网RNSS授时系统分布
系统通常由分布在国网省级电力公司、地市级电力公司、县级电力公司的多级系统组成。所管理的电压等级、管理的范围和用户不同，因此各司其职，完成综合管理功能；主站系统通过电力调度运行管理网络互联成为大型MIS，由于应用系统间信息交换的需要，系统之间是互联的，所以接入的计算机数量大。 系统主要包括电能量采集装置、负荷/用电监控终端装置、电气设备在线状态检测或自动记录仪、控制/调度中心数字显示时钟、火电厂和水电厂等变电站计算机监控系统、监控与数据采集（SCADA）/EMS、电能计费系统（PBS）、继电保护及保障信息管理系统、电力市场技术支持系统、负荷监控/用电管理系统、配电自动化管理系统、调度管理信息系统（DMIS）、企业管理系统（MIS）等。这些管理系统对时间精度的要求为秒级，授时精度达到s即可。
由图3可知，系统以北斗/GPS互为备用作为该系统的时钟源，采用高稳恒温晶体振荡器（OCXO）作为本地时钟，运用北斗和GPS双模授时技术对高稳晶振进行校频实现时钟同步。如果北斗卫星系统和GPS系统都被干扰不能正常使用，高稳晶振自动进入保持状态，继续提供高精度频率和时间信号输出，以维持系统的正常工作。
4.2 基于IEEE 1588时间协议的软件设计
系统是以网络作为系统的信息交换媒介，因此，在时间同步软件中，为提高广域时间同步精度，采用IEEE 1588时间协议（PTP）来实现以太网的精确时间同步.网络精密时钟同步委员会在2002年底发布了适用于网络化测量和控制系统的高精度网络时钟同步协议——IEEE 1588时间协议.该协议具有占用网络带宽小、对系统资源要求低、具有良好的开放性和互操作性、非常便于各种时钟接收设备的兼容等优点，而且采用时间分布机制和时间调度概念，客户机可使用普通振荡器，通过软件调度与主控机的主时钟保持同步，过程简单可靠，能够达到亚微秒级的同步精度；另外，协议中各类同步报文均是基于用户数据报协议与网络协议（UDP/IP）多播报文发送，非常适合于在目前技术成熟的以太网上实现，是公认的最有发展前途的网络时钟同步协议。
对于要求精度更高的智能电网来说，IEEE 1588标准精确时间协议顺应了报文同步的趋势，它借鉴了NTP技术，但其在硬件上要求每个网络节点必须有一个包含实时时钟的网络接口，可以实现基于PTP协议栈的相关服务。
系统以省调时钟为主时钟，市调、县调为从时钟。主时钟周期性地给从时钟发送Sync报文，紧接着发送Follow_up报文，该报文携带上一个消息的实际发送时间t1，从时钟记录Sync报文的到达时间t2，随后在t3时刻发送Delay_Rep报文给主时钟，主时钟记录报文到达时间t4，并发送Delay_Resp报文把t4告知从时钟。从时钟根据4个时间信息计算出时间偏差offset=[（t2-t1）+（t3-t4）]/2；传输延迟Delay=[（t2-t1）+（t4-t3）]/2。从时钟利用计算出来的时间偏差修改本地时间，从而达到与主时钟同步。但是，由于网络时延的存在，这种时间同步方式不可靠，同步精度也不高。
为了提高时间同步精度及可靠性，需要设置时延阈值并通过统计计算来消除干扰。假定主时钟A与从时钟B之间时差值为θ，A和B之间网络传输的往返时延为和，则有：
（5）
这里网络时延分两种情况，对称与不对称。当网络路径对称时有，即查询信息包和回复时间信息包在网上传播的时间相同，则由式（1）可得：
（6）
但是大部分的时候是不对称的[7，8]。无法由公式1计算出时差。因此，网络时延δ及其不对称性对时差的影响是主要的。
对10000次校时请求进行统计，往返网络时延δ如图4所示。由图4中可以看出，90%以上的网络时延小于到1ms，引起的网络延时误差小于±1ms。然而在实际测量中，系统时间的测量误差一般为±10ms。因此，测量误差也是影响结果的主要因素，但是测量误差是随机正态分布的，可以通过随后的统计计算减小影响。另一方面，对于偶然出现的网络时延较大的情况，包括时延严重不对称的情况，通过在程序中设定网络时延阈值，即当δ>时，丢弃该时间信息包，重新发送校时请求，从而起到保证校时精度的作用。
图4 网络时延统计
5.总结
授时及精确时钟同步技术对未来智能电网的建设具有十分重要的意义，针对目前智能电网建设中授时及时间同步系统存在的问题，结合未来智能电网对高精度、高可靠性授时及时钟同步的要求，采用北斗为主、GPS为辅作对智能电网进行授时。以北斗RNSS授时技术为核心，根据智能电网运行模式，给出了授时及时间同步配置方案，并采用IEEE 1588时间协议实现全网的时间同步。对授时精度、时间同步系统的误差进行了分析与讨论，根据主、从时钟同步误差，提出了设置时延阈值并通过统计计算来消除干扰的计算方法，有效地提高了智能电网授时及时间同步精度。
随着智能电网、智能化变电站、智能用电等技术的不断发展与应用，全网时间同步技术将成为一项必备技术，其必然在未来智能电网运行中发挥基础性的重要作用。
参考文献
[1]余贻鑫，栾文鹏.智能电网述评[J].中国电机工程学报，2009，29（34）：1-8.
[2]徐志强，雷雨田，张可人，等.智能变电站中智能组件的时间测试方法[J].电网技术，2011，35（12）：8-13.
[3]李泽文，杨京渝，彭曙蓉，冯科.智能电网高精度时间同步方法[J].电力科学与技术学报，2011，26（3）：35-39.
[4]赵东艳，原义栋，石磊，张海峰.用于智能电网建设的北斗/GPS高精度授时方案关键技术[J].电网技术，2013，37（9）： 2621-2625.
[5]Rehtanz C，Bertsch J.Wide area measurement and protection system for emergency voltage stability[C].//Power Engineering Society Winter Meeting.New York，USA：IEEE，2002：842-847.
[6]胡春阳，焦群.电网时间统一系统可行性研究[J].电力系统通信，2011，1.
[7]汪洋，赵宏波，先毅，陈吉吉，滕玲，卢利峰.高精度时间同步系统的应用和发展[J].电力系统通信，2011，1：16-20.
[8]吴为，汤涌，孙华东，等.基于广域量测信息的电力系统暂态稳定研究综述[J].电网技术，2012，36（9）：81-87.
[9]唐岚，吴军基.基于电网脆弱性和经济性的PMU最优配置新方法[J].电网技术，2012，36（8）：260-264.
1.前言
智能电网是以特高压为骨干网架，各级电网协调发展的坚强电网，涉及发电、输电、变电、配电、用电、调度等各个环节，通过硬件基础和技术手段实现智能电网的信息化、数字化、自动化和互动化。智能电网将先进的传感量测技术、信息通信技术、自动控制技术、分析决策技术与能源电力技术结合，形成一个可观测、可控制、实时分析与决策、自适应和自愈的系统。智能电网系统的建立和数字化电网的实现需要全网时间同步的紧密支持，对时间的要求非常高[1-3]。目前，基本上都是采用美国GPS进行授时[3-5]，技术及服务严重依赖于美国GPS系统，一旦GPS停止提供服务，将对电网安全造成极大影响。因此，我国在大力发展北斗卫星导航系统及相关产业。
中国北斗卫星导航系统（BeiDou Naviga-tion Satellite System-"BDS"）是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统。是继美国全球卫星定位系统（Global Positioning System-“GPS”）和俄罗斯全球卫星导航系统（Глоба льная навигацио нная спу тниковая систе ма-“GLONASS”）之后第三个成熟的卫星导航系统。系统由空间端、地面端和用户端组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度优于20m，授时精度优于100ns。
因此，结合我国国情，为满足未来智能电网对时间同步的要求，以及摆脱对GPS授时的过度依赖，提出利用北斗RNSS授时技术对智能电网进行授时，以GPS授时作为辅助，并在此基础上实现整个电网的时间同步[6-7]。
2.北斗RNSS授时工作原理
目前，北斗卫星导航系统的授时方法包括RDSS双向授时、RDSS单向授时和RNSS授时三种方法。其中RDSS双向授时采用有源授时方法，授时精度高，但系统容量小，保密性较差；RDSS单向授时需要已知用户位置，授时精度较低，并且系统容量小，保密性较差；RNSS授时过程中定位和钟差信息可以同时产生，授时精度高，系统容量大，保密性高。
图1 RNSS授时原理图
对于RNSS系统授时方法，与GPS授时方法类似，用户设备只需接收卫星发播的RNSS导航信号，即可获得北斗系统时间，然后将本地时间与北斗系统时间进行比较得到本地时钟与北斗系统时间的偏差。如果测站坐标已知，并且精度可靠，那么只要接收到一颗卫星的信号即可进行精确授时。如果测站坐标未知，RNSS接收机只要能够接收到四颗或四颗以上卫星，即可解算出位置与钟差，实现定位与授时。另外，用户钟时间、卫星钟时间、北斗系统时间之间的关系如图1所示。
在图1中，假定接收机接收到第j颗卫星的信息，在信号发射时刻，北斗时间与卫星钟时间分别为tBT和tST，ItSB为第J颗卫星钟与信号发射时刻北斗时间的偏差，可利用导航电文播发的星钟参数进行修正；在接收机采样时刻，北斗时间与用户钟时间分别为tBR和tUR，ItUB为利用第j颗卫星得到的用户钟与接收机采样时刻北斗时间的偏差。为接收机测量到的伪距。于是有：
（1）
式中，为第j颗卫星到接收机的真实空间距离；c为光速；是卫星钟差、硬件延迟、接收机噪声、电离层误差和对流层误差等的总和。令，，则第j颗北斗卫星信号计算可得到的用户钟差估计值为：
（2）
通过式2，就可以计算得出利用第j颗卫星得到的用户钟与北斗时间的偏差ItUB，由就得到了接收机采样时刻的北斗时间tBR。
假定是静态用户，已知用户位置和卫星位置，那么静止接收机可以根据单次伪距测量值解算出钟差，从而实现授时。而对于移动用户，在用户位置和卫星位置未知时，还是采用前面介绍的方法进行计算，对多颗卫星列出方程组，需要解算观测方程组，以便确定接收机时钟的偏差。
3.北斗RNSS授时精度
假定用户位置已知的情况下，静止接收机可以根据单次伪距测量值解算出钟差，此时其授时精度主要受系统误差源的影响。根据北斗系统的UERE值，可以计算其授时精度大概为23.7ns。
假定用户位置未知的情况下，用户需要解算观测方程组，才能得出接收机时钟与北斗系统的偏差。其授时精度可根据时间精度因子TDOP值估算，计算公式如式3及式4。图2给出了北斗二代系统的TDOP分布图。
（3）
（4）
图2 北斗二代系统TDOP分布图
4.介绍基于北斗的智能电网RNSS授时及同步系统设计
现在的电力系统运行管理形成了以调度自动化系统为中心的主站系统[8-9]，电站监控（包括发电厂、变电站、开关站等）作为子系统，为实现高精度的授时方案，并有效提高授时系统的安全性和可靠性，本文针对智能电网典型的授时及时间同步需求，基于北斗二代系统及GPS系统，提出北斗/GPS高精度授时与时间同步技术总体方案，如图3所示。
图3 北斗/GPS高精度授时及时间同步方案
4.1 基于北斗的智能电网RNSS授时系统分布
系统通常由分布在国网省级电力公司、地市级电力公司、县级电力公司的多级系统组成。所管理的电压等级、管理的范围和用户不同，因此各司其职，完成综合管理功能；主站系统通过电力调度运行管理网络互联成为大型MIS，由于应用系统间信息交换的需要，系统之间是互联的，所以接入的计算机数量大。 系统主要包括电能量采集装置、负荷/用电监控终端装置、电气设备在线状态检测或自动记录仪、控制/调度中心数字显示时钟、火电厂和水电厂等变电站计算机监控系统、监控与数据采集（SCADA）/EMS、电能计费系统（PBS）、继电保护及保障信息管理系统、电力市场技术支持系统、负荷监控/用电管理系统、配电自动化管理系统、调度管理信息系统（DMIS）、企业管理系统（MIS）等。这些管理系统对时间精度的要求为秒级，授时精度达到s即可。
由图3可知，系统以北斗/GPS互为备用作为该系统的时钟源，采用高稳恒温晶体振荡器（OCXO）作为本地时钟，运用北斗和GPS双模授时技术对高稳晶振进行校频实现时钟同步。如果北斗卫星系统和GPS系统都被干扰不能正常使用，高稳晶振自动进入保持状态，继续提供高精度频率和时间信号输出，以维持系统的正常工作。
4.2 基于IEEE 1588时间协议的软件设计
系统是以网络作为系统的信息交换媒介，因此，在时间同步软件中，为提高广域时间同步精度，采用IEEE 1588时间协议（PTP）来实现以太网的精确时间同步.网络精密时钟同步委员会在2002年底发布了适用于网络化测量和控制系统的高精度网络时钟同步协议——IEEE 1588时间协议.该协议具有占用网络带宽小、对系统资源要求低、具有良好的开放性和互操作性、非常便于各种时钟接收设备的兼容等优点，而且采用时间分布机制和时间调度概念，客户机可使用普通振荡器，通过软件调度与主控机的主时钟保持同步，过程简单可靠，能够达到亚微秒级的同步精度；另外，协议中各类同步报文均是基于用户数据报协议与网络协议（UDP/IP）多播报文发送，非常适合于在目前技术成熟的以太网上实现，是公认的最有发展前途的网络时钟同步协议。
对于要求精度更高的智能电网来说，IEEE 1588标准精确时间协议顺应了报文同步的趋势，它借鉴了NTP技术，但其在硬件上要求每个网络节点必须有一个包含实时时钟的网络接口，可以实现基于PTP协议栈的相关服务。
系统以省调时钟为主时钟，市调、县调为从时钟。主时钟周期性地给从时钟发送Sync报文，紧接着发送Follow_up报文，该报文携带上一个消息的实际发送时间t1，从时钟记录Sync报文的到达时间t2，随后在t3时刻发送Delay_Rep报文给主时钟，主时钟记录报文到达时间t4，并发送Delay_Resp报文把t4告知从时钟。从时钟根据4个时间信息计算出时间偏差offset=[（t2-t1）+（t3-t4）]/2；传输延迟Delay=[（t2-t1）+（t4-t3）]/2。从时钟利用计算出来的时间偏差修改本地时间，从而达到与主时钟同步。但是，由于网络时延的存在，这种时间同步方式不可靠，同步精度也不高。
为了提高时间同步精度及可靠性，需要设置时延阈值并通过统计计算来消除干扰。假定主时钟A与从时钟B之间时差值为θ，A和B之间网络传输的往返时延为和，则有：
（5）
这里网络时延分两种情况，对称与不对称。当网络路径对称时有，即查询信息包和回复时间信息包在网上传播的时间相同，则由式（1）可得：
（6）
但是大部分的时候是不对称的[7，8]。无法由公式1计算出时差。因此，网络时延δ及其不对称性对时差的影响是主要的。
对10000次校时请求进行统计，往返网络时延δ如图4所示。由图4中可以看出，90%以上的网络时延小于到1ms，引起的网络延时误差小于±1ms。然而在实际测量中，系统时间的测量误差一般为±10ms。因此，测量误差也是影响结果的主要因素，但是测量误差是随机正态分布的，可以通过随后的统计计算减小影响。另一方面，对于偶然出现的网络时延较大的情况，包括时延严重不对称的情况，通过在程序中设定网络时延阈值，即当δ>时，丢弃该时间信息包，重新发送校时请求，从而起到保证校时精度的作用。
图4 网络时延统计
5.总结
授时及精确时钟同步技术对未来智能电网的建设具有十分重要的意义，针对目前智能电网建设中授时及时间同步系统存在的问题，结合未来智能电网对高精度、高可靠性授时及时钟同步的要求，采用北斗为主、GPS为辅作对智能电网进行授时。以北斗RNSS授时技术为核心，根据智能电网运行模式，给出了授时及时间同步配置方案，并采用IEEE 1588时间协议实现全网的时间同步。对授时精度、时间同步系统的误差进行了分析与讨论，根据主、从时钟同步误差，提出了设置时延阈值并通过统计计算来消除干扰的计算方法，有效地提高了智能电网授时及时间同步精度。
随着智能电网、智能化变电站、智能用电等技术的不断发展与应用，全网时间同步技术将成为一项必备技术，其必然在未来智能电网运行中发挥基础性的重要作用。
参考文献
[1]余贻鑫，栾文鹏.智能电网述评[J].中国电机工程学报，2009，29（34）：1-8.
[2]徐志强，雷雨田，张可人，等.智能变电站中智能组件的时间测试方法[J].电网技术，2011，35（12）：8-13.
[3]李泽文，杨京渝，彭曙蓉，冯科.智能电网高精度时间同步方法[J].电力科学与技术学报，2011，26（3）：35-39.
[4]赵东艳，原义栋，石磊，张海峰.用于智能电网建设的北斗/GPS高精度授时方案关键技术[J].电网技术，2013，37（9）： 2621-2625.
[5]Rehtanz C，Bertsch J.Wide area measurement and protection system for emergency voltage stability[C].//Power Engineering Society Winter Meeting.New York，USA：IEEE，2002：842-847.
[6]胡春阳，焦群.电网时间统一系统可行性研究[J].电力系统通信，2011，1.
[7]汪洋，赵宏波，先毅，陈吉吉，滕玲，卢利峰.高精度时间同步系统的应用和发展[J].电力系统通信，2011，1：16-20.
[8]吴为，汤涌，孙华东，等.基于广域量测信息的电力系统暂态稳定研究综述[J].电网技术，2012，36（9）：81-87.
[9]唐岚，吴军基.基于电网脆弱性和经济性的PMU最优配置新方法[J].电网技术，2012，36（8）：260-264.