基于卫星共视法的电网时频测量及同步技术

赵 莎

(中国电力科学研究院，北京 100192)

基于卫星共视法的电网时频测量及同步技术

赵 莎

(中国电力科学研究院，北京 100192)

时间同步对电网的安全和管理有着重要影响，如何准确可靠地同步电网时间值得研究;为此，提出利用卫星共视技术进行电网时间频率的远程校准、进而实现电网时间同步的方法;首先，提出电力系统的四级时间频率溯源体系，明确了电网时间频率溯源关系;其次，研究建立了可以满足卫星共视要求的时间频率计量标准装置，依托标准装置，将卫星共视技术应用于电力系统时间频率远程校准中，利用卡尔曼滤波算法去除干扰，并分析了基于卫星共视技术的电网时间频率同步方法;为定量评价提出方法的有效性，研究了采用提出的方法进行溯源时的时间不确定度和频率不确定度;实验及分析结果表明，提出的方法可以实现时间频率量值的高精度远程传递，从而保障电力系统中的时间同步。

时间同步；电力系统；卫星共视；溯源；不确定度

0 引言

随着社会对电力安全、电网管理要求的不断提高，获得准确的同步时间在电力系统中越来越重要[1]。分时电价使时间同步与企业生产和居民生活的成本密切相关[2]，同步相量测量装置、雷电定位系统、行波故障测距装置等电力设备要求对时精度优于1 μs[3-4]，智能变电站对时钟指标要求提高至500 ns。已有研究成果表明，时间同步误差对电力系统会产生重要影响[5]，建立精确的时间同步系统已成为电力系统关注的重要内容。

专家学者对电力系统时间同步方法研究的主要思路可以分为两类。第一类，利用卫星导航系统同步时间[6]。通常使用的卫星导航系统是北斗(BeiDou navigation satellite system，DBS)和全球卫星定位系统(global positioning system，GPS)，主要依靠卫星接收机的性能单向授时。已有文献[7]采用了卫星共视的方法，但没有定量的分析。第二类，利用网络同步时间[8-9]。传统的网络授时采用网络时间协议(network time protocol，NTP)，授时精度可达毫秒级[10]，以及基于同步数字体系(synchronous digital hierarchy,SDH)、采用精确时钟同步协议(precision time synchronization protocol，PTP)的时间同步方法[1]，授时精度一般可达百纳秒级[11]，但这种方法需要硬件支持，网络改造成本大，且易受网络环境影响，授时精度随经过网络环境的恶化和网络设备个数的增多而下降。

虽然已经取得一些研究成果，但总体而言电力系统的时间同步系统仍不完善。首先，电力系统的时间同步系统没有形成网络，仍处于分散独立的状态，通常只能保证一个变电站或一座电厂范围内的时间同步；其次，没有建立电力系统时间参数的量值溯源体系，不能保证时间量值的准确统一；第三，没有对时间同步方法进行分析，不能定量评价时间同步方法的准确程度。

针对上述问题，本文研究了电力系统中时间参数的量值溯源体系，研制了时间频率计量标准装置，提出利用卫星共视技术实现整个电力系统时间网的远程校准；进行了时间频率标准装置及校准方法的不确定度分析。实验结果表明，提出的方法可以精确地实现电力系统内的时间频率溯源，最终达到时间同步的的目的。

1 电力系统现有时间同步方法分析

目前，电力系统主要利用卫星导航系统或网络进行时间同步。

1.1 利用卫星导航系统时间同步

目前电力设备利用卫星导航系统进行时间同步的方法，通常是采用DBS或GPS的时间信号作为时钟源的单向授时法。这种方法原理简单，在理想状况下对授时精度的要求通常不高于1 μs[12]的电力设备可以满足使用需求。

然而，在实际应用中，单向授时存在很大隐患及不确定性。这种方法的主要误差来源可分为三大类[15]：卫星误差、传播误差和接收误差。虽然接收机通过算法可以补偿部分卫星误差和电离层折射、对流层折射的影响，但对环境突变及多路径效应等无能为力，因此上述误差仍对接收信号的准确可靠有很大影响。

另一方面，单向授时准确是基于接收机正常工作的前提，而实际电力设备通常工作在高温、强电磁场等恶劣环境中，会加速接收机元器件的老化，导致接收机性能下降或接收故障。当接收机不能正常接收卫星信号时，会依靠自身的晶振继续输出时间，此时无法判断该信号是否已失去了导航系统时标。通常接收机晶振长期稳定性不好，日积月累必然造成不可预见的对时偏差。

1.2 利用网络时间同步

网络时间同步通常选择采用NTP协议或者PTP协议。

采用NTP协议的授时精度为毫秒级，对网络设备没有特殊要求，可以在广域网内授时，适合用电管理系统主站、变电站监控系统主站等对时精度为1 s的电力设备。但采用NTP协议网络授时无法满足微秒级电力系统设备的要求，且当网络出现阻塞时授时的精度无法保证。

采用PTP协议的授时精度为百纳秒级，可以满足大部分电力系统设备的需要。但采用PTP协议授时需要能够生成时间戳的硬件，同时PTP协议的授时精度仍会随着经过网络设备个数的增多而下降，不适合广域网内授时。

更重要的，无论采用卫星单向授时法还是基于NTP协议或PTP协议的网络授时法进行时间同步，均无法获得实际的同步精度，换言之，电力系统现有同步方法只能假设设备时间可以达到理论精度。

2 基于卫星共视法的时间溯源及同步方法

为有效监控电力设备的时间参数，确保电网大范围内时间的同步，本文提出建立电力系统时间参数的量值溯源体系，采用本地钟守时并逐级传递进而同步电力系统时间的方法。

2.1 量值溯源体系图

电力系统时间量值的溯源体系如图1所示。

图1 电网时间量值的溯源体系

国家时间计量基准是我国时间量值的源头，电力系统最高时间计量标准需向国家时间计量基准溯源。区域时间计量标准负责本区域范围内时间的量值传递，区域时间计量标准向电力系统最高时间计量标准溯源。在各变电站、电厂和调度机构内可以设置工作计量时钟，向区域时间计量标准溯源，为电力设备传递时间。图1所示各级计量标准构成电力系统完整、合理的溯源链路体系，保证电力系统时间量值向上溯源到国家时间基准，向下传递到电力设备终端。

2.2 时间频率计量标准装置

本文建立的电力系统时间频率计量标准装置的构成如图2所示。

图2 时间频率计量标准装置图

频率标准产生频率基准信号，经过相位微跃计产生1 pps(pulse per second)信号和修正的频率信号。分别经过隔离放大器，可以将1 pps信号和频率信号分别变为多路信号。卫星接收机的输入信号便取自隔离放大器，频率信号作为接收机内部的参考频率标准，1 pps信号同卫星接收机经天线接收的1 ppss信号进行比较，产生两个1 pps信号之间的差。数据处理器利用获得的这个差值进行以下两方面运算：1)用作本地时间与卫星时间的时间差，参与与其它时间设备的卫星共视比对;2)计算出需要的频率补偿量，反馈给微跃计进行微调产生更准确的1 pps信号和频率信号，作为本地时间，实现对时钟系统的驾驭。虽然接收到的卫星信号具有一定的抖动但长期稳定度较好，而频率标准短期稳定度好但存在频率漂移，因此，利用卫星的秒脉冲信号驾驭时间系统，结合了频率标准短期稳定性好和卫星信号长期稳定性好的优点，可以使本地的时间和频率信号更加准确、稳定。

2.3 基于卫星共视法的远程校准技术

卫星共视法的原理如图3所示。

图3 卫星共视原理图

假设时间设备A为计量标准设备，向时间设备B传递时间。设备A与设备B同时观测同一颗或多颗卫星，设备A和设备B分别同时记录本站时钟与卫星时钟的时间差。设备B将记录的自身与卫星时钟的时间差通过公用网络或其他方法传递给设备A，设备A将共视期间获得的与卫星时钟的时间差与设备B传输来的数据比较，可以得出A、B两地的时间偏差：

ΔtAB=(tA-tS)-(tB-tS)

(1)

式中，tA为A站参考时间，tB为B站参考时间，tS为卫星时间。

实际上，在每一时刻设备A与设备B同时观测到的卫星不止一颗，采用式(2)的方法综合卫星数据：

(2)

式中，n为设备A与设备B同时观测到的卫星数，wi为第i颗卫星对应的权重。依据卫星的仰角确定wi，仰角越低，wi越小。

利用两点时差法[13]可以计算出设备A和设备B之间的相对频率偏差：

(3)

式中，ΔtAB1和ΔtAB2分别为t1时刻和t2时刻A站和B站的时间差，ΔfAB为A站和B站的频率偏差，fA为A站频率。频率偏差的准确度与时间同步密切相关，因此频率偏差也是衡量时间频率标准装置的一项重要指标。

事实上，式(3)计算的是t1时刻到t2时刻时间内的平均频率，由于这段时间内的时间数据会存在噪声，因此需要对时间数据进行降噪处理。本文采用卡尔曼滤波[14]的方式对观测数据进行处理：

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

(4)

式中，σw为建模噪声，σv为观测噪声。

设备A把与设备B之间的时间偏差和频率校准值返回给设备B，则可实现设备B时间频率量值的溯源，即A、B两地之间的时间同步。

采用卫星共视的方法通过数据交换在国家时间计量基准与电力系统最高时间计量标准之间以及电力系统内各级时间计量标准之间很方便地实现远程量值传递、溯源及比对，解除搬运设备的困扰，顺应时间设备不间断连续运行的需求。

2.4 卫星共视法时间同步的分析

1)卫星共视法将卫星时间作为传递的媒介，卫星误差及传播误差基本可以消除，因为对于共视两地这两项误差是相同的。接收机老化故障、多路径效应等影响单向卫星授时精度的误差分量，在卫星共视法中以本地时间与标准时间偏差的形式出现，均可以发现并予以处理。卫星共视法是实现两地钟相对同步较为理想的方法，也是国际时间比对的手段之一。

2)卫星共视法是一种量值溯源方法，与网络授时法不同，卫星共视法不是上级时间标准对下级时间标准的直接授时，而是比较两个设备之间的时间差。例如，图1中区域时间计量标准的时间值不是直接来自电力系统最高时间计量标准，而是通过卫星共视法测定与电力系统最高计量标准时间值的偏差。

3)在电力系统现有的授时方法中，依靠提高时间获取的准确度来保证时间的一致性。由于技术水平和工程成本的限制，利用现有方法在较高量级上保证时刻绝对值同步相当困难。但卫星共视法的思路是准确获得两地时间偏差，通过建立区域间时间偏差的表格，确保大范围内时间的准确一致。

4)由于需要获得本地时间与卫星时间的偏差，在利用卫星共视法量值传递时首先应有本地时间。因此与现有只需要卫星接收机的方案不同，电力系统最高时间计量标准、区域时间计量标准、工作计量时钟均需要配置原子钟或晶振以保持本地时间，同时能够生成标准的CGGTTS标准格式文件，用于数据提取、运算比较。

5)由于卫星共视法要求两地能够同时观测到同一颗卫星，该方法在半径为4 000 km的范围内完全适用。由于我国电网覆盖范围广，网络时间同步受信号传输距离限制，因此卫星共视法是较适宜的实现远距离校准和时间同步的方法。

2.5 时频标准装置及同步不确定度分析

2.5.1 时间偏差不确定度分析

1)由接收机时差校准不确定度引入的分量：上级校准证书给出，接收机时差的扩展不确定度为10.0 ns，包含因子k=2，故时间偏差的标准不确定度ut1为5.0 ns。

2)由接收机稳定性引入的分量：根据接收机校准证书，接收机时间稳定度为5.3 ns，即标准不确定度ut2为5.3ns。

4)由天线缆线延时校准引入的分量：校准证书给出延时测量的标准不确定度为0.3%，k=2，则标准不确定度ut4为0.2 ns。天线缆线延时在数据处理时予以修正。

6)由测试线延时校准引入的分量：测量的标准不确定度为0.3%，故时的延时标准不确定度为0.02 ns，可忽略不计。测试线缆线延时在数据处理时予以修正。

7)测量结果重复性引入的分量：由共视数据得到测量结果的标准偏差为0.85 ns，即标准不确定度ut6为0.85 ns。

8)由环境影响引入的分量：由于实验室环境条件满足规程要求，因此由环境引入的不确定度可以忽略不计。

则时间传递的标准不确定度由式(5)估算：

(5)

式中，uti为装置各部分的时间偏差标准不确定度。

则可计算出时间偏差的标准不确定度uct为7.4 ns，取包含因子k=2，则CEPRI时间频率标准装置时间偏差的扩展不确定度为：U=14.8 ns。

2.5.2 频率偏差不确定度分析

2)由校准不确定度引入的分量：校准证书给出相对频率偏差的扩展不确定度为1.3×10-14，包含因子k=2，故由校准不确定度引入的标准不确定度uf2为0.7×10-14。

3)由铯原子钟输出频率稳定度引入的分量：根据铯原子钟技术手册，铯原子钟输出频率稳定度为1.0×10-14，即标准不确定度uf3为1.0×10-14。

4)由微跃计输出频率稳定度引入的分量：根据相位微跃计的技术手册，微跃计输出频率稳定度为0.5×10-14，即标准不确定度uf4为0.5×10-14。

6)测量结果的重复性引入的分量：将取得的共视数据进行A类评定，可得频率偏差的阿伦方差为2.0×10-14/d，即标准不确定度uf6为2.0×10-14。

7)由环境影响引入的分量：实验室环境条件满足规程要求，因此由环境引入的不确定度可以忽略不计。

CEPRI时间频率标准装置相对频率偏差合成标准不确定度由下式估算：

(6)

式中，ufi为装置各部分的相对频率标准偏差不确定度。

根据不确定度合成公式计算，相对频率偏差的合成标准不确定度ucf为5.0×10-14。取包含因子k=2，则CEPRI时间频率标准装置相对频率偏差的扩展不确定度为：Urel=1.0×10-13。

3 实验验证

3.1 CEPRI计量标准装置稳定性

计量标准装置的稳定性对量值溯源的有效性有重要影响。图5为截取的时间计量标准装置15天的时间偏差稳定性考核数据。

图5 时间频率计量标准装置的稳定性

由图5可见，标准装置在考核期间最大波动范围在-10～0 ns之间，参与运算的数据为未经过的原始数据，时间偏差的标准偏差为1.6 ns小于不确定度的十分之一，稳定性良好。

3.2 卫星共视比对

为验证标准装置原理及共视算法的有效性，在简化儒略日57504～57553(即2016年4月26日～2016年6月15日)之间与中国计量科学研究院(NIM)进行了比对实验，实验结果如表1所示。在共视期间，CEPRI本地时间与UTC-NIM的平均时间差为1 ns，根据贝塞尔公式计算出时间差的标准偏差为2.9 ns；相对频率偏差是采用两点时差法根据相邻两天的时间差计算而来，见公式(7)，再将所有相对频率偏差通过直线拟合法得出平均相对频率偏差为1×10-15，由贝塞尔公式得出相对频率偏差的标准偏差为2.1×10-14。

(7)

这里，TAB(i+1)和TABi分别为当日和前一日的时间偏差，τ0取一天。

表1 卫星共视比对结果

3.3 比对结果的评价

比对结果通常用比对判据En值进行评价，En值又称归一化偏差，为实验室之间比对结果差值与该差值的不确定度之比，当|En|值小于或等于1时比对结果符合要求。

根据CEPRI与NIM比对数据能够得出：

式中，Ux为CEPRI时间偏差的不确定度，k=2；Uy为NIM时间偏差的不确定度，k=2。|En|值小于1，比对结果满意。同理也可以获得比较满意的相对频率偏差比对结果。

4 结论

本文提出了一种通过远程校准进行量值溯源的方式实现电力系统时间同步的方法。将电力系统时间量值的溯源体系分为4个层次，建立了时间频率计量标准装置，采用卫星共视的方法实现时间参数的溯源和同步，并分析了提出方法的不确定度，最后通过实验比对得到验证。实验结果表明，本文提出的方法可以实现时间频率的高精度溯源，从而可以实现大电网内时间量值的准确及同步。

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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。

赵 莎(1972-)，女，黑龙江大庆人，大学，主要从事时频计量、电磁计量方向的研究。

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

TM

A