電力系統中基于北斗衛星導航系統的應用

摘 要：當前，我國電力系統時間同步更多的依賴于GPS全球定位系統，隨著我國北斗衛星導航系統逐步建設完善，已完全具備在電力系統中使用的可行性，本文通過介紹北斗衛星系統的授時技術，并結合電力系統實際，分析認為基于北斗衛星導航系統在電力系統中時間同步方面的應用是完全可行的。

關鍵詞：北斗衛星導航系統；電力系統；時間同步；授時

對于一個進入信息社會的現代化大國，導航定位和授時系統是最重要的，而且也是最關鍵的國家基礎設施之一。

目前的衛星授時同步技術主要有美國的全球衛星導航系統、俄羅斯的全球導航衛星系統

GLONASS、中國的北斗衛星導航定位系統和歐盟的伽利略全球導航定位系統，現階段國內電力企業主要依賴全球衛星定位系統GPS時間同步技術，但GPS受美國限制，且GPS是免費使用，因此可靠性低，自主性差。為了滿足電力生產業務及管理業務等方面對時間的需求和安全需要，有必要對北斗衛星授時時間同步技術進行研究和推廣應用。本文將通過介紹北斗衛星導航系統授時技術，給出基于北斗衛星導航系統在電力系統授時中的應用。

1 電力系統中授時技術應用現狀

現階段GPS的授時功能在電力系統中的應用是重要和普遍的。電力系統中如微機保護及安全自動化系統、遠動及微機監控系統、調度自動化系統、故障錄波器、事故記錄儀等許多自動化裝置，采用的時間源都來自于GPS系統。GPS系統作為精度最高的時間發布系統之一，其最高精度可達20ns。但是，美國對民用用戶不承擔責任，不保證民用GPS時鐘的精度和可靠性。且民用GPS接收機接收到的GPS時鐘信號因星歷誤差、衛星鐘差、接收機誤差、跟蹤衛星過少、誤差等因素的影響，精度和穩定性難以得到保證。在衛星失鎖或衛星時鐘實驗跳變的條件下，GPS時鐘誤差可達幾十甚至上百ms。因此急需找到一個可靠有效的時間發布系統來替代GPS系統完成電力系統中時間同步的任務。

2 北斗衛星導航系統授時原理介紹

北斗衛星導航系統是由我國獨立自主研制開發，不受他國的控制和限制，其可用性、可依賴性和安全性更有保障。其具有快速定位、簡短通信和精密授時三大功能。本文將主要對精密授時功能進行主要的介紹。

北斗導航系統具有單向和雙向2種授時功能，根據不同的精度要求，利用定時用戶終端，完成與北斗導航系統之間的時間和頻率同步，提供單向授時l00ns和雙向授時20ns的時間同步精度。

2.1 北斗衛星導航系統的單向授時原理

在單向授時模式下，用戶機不需要與地面中心站進行交互，但需已知接收機精密坐標，從而可計算出衛星信號傳輸時延，經修正得出本地精確的時間。中心控制站精確保持的標準北斗時間，并定時播發授時信息，為定時用戶提供時延修正值。標準時間信息經過中心站到衛星的上行傳輸延遲、衛星到用戶機的下行延遲以及其它各種延遲傳送到用戶機，用戶機通過接收導航電文及相關信息自主計算出鐘差并修正本地時間，使本地時間和北斗時間同步，系統設計授時指標為l00ns。

2.2 北斗衛星導航系統的雙向授時原理

雙向定時的所有信息處理都在中心控制站進行，用戶機只需把接收的時標信號返回即可。中心站系統在T0時刻發送時標信號ST0，該時標信號經過延遲τ1后到達衛星，經衛星轉發器轉發后經τ2到達定時用戶機，用戶機對接收到的信號進行的處理，也可看做信號轉發，經τ3的傳播時延到達衛星，衛星把接收的信號轉發，經τ4的傳播時延傳送回中心站系統。也即表示時間T0的時標信號ST0，最終在T0+τ1+τ2+τ3+τ4時刻重新回到中心站系統。中心站系統把接收時標信號的時間與發射時刻相減，得到雙向傳播時延時τ1+τ2+τ3+τ4，除以2得到從中心站到用戶機的單向傳播時延。中心站把這個單向傳播時延發送給用戶機，定時用戶機接收到的時標信號及單向傳播時延計算出本地鐘與中心控制系統時間的差值△ε，修正本地時鐘，使之與中心控制系統的時問同步。

2.3 兩種授時方式的對比分析

·從雙向定時和單向定時的原理介紹中可以看出，雙向定時和單向定時的主要差別在于從中心站系統到用戶機傳播時延的獲取方式：單向定時用系統廣播的衛星位置信息按照一定的計算模型由用戶機自主計算單向傳播時延，衛星位置誤差、建模誤差都會影響該時延的估計精度，從而影響最終的定時精度；雙向定時無需知道用戶機位置和衛星位置，通過來回雙向傳播時間除以2的方式獲取，更精確的反映了各種延遲信息，因此其估計精度較高。在北斗系統中單向定時精度的系統設計值為l00ns，雙向定時為20ns。

·單向定時需要事先計算用戶機的位置。雙向定時無需知道用戶機的位置，所有處理都在中心站系統完成。

·單向定時由于采用被動方式進行，不占用系統容量。而雙向定時是通過與中心站交互的方式來進行定時，因此會占用系統容量，受到一定的限制。

3 電力系統中應用的可行性分析

通過上述1介紹，我們認識在當前電力系統中時間同步問題上，雖然對GPS授時的使用已相當成熟，但是，我們也認識到依靠GPS全球定位系統給電力系統授時的嚴重不足。

通過上述2介紹，我們了解了北斗衛星導航系統的授時技術，認識到北斗衛星導航系統授時技術具有如下特點：

·北斗授時精度優于20～100ns，精確度高；

·授時系統及設備工作穩定可靠，干擾小；

·系統具有多種輸出方式；

·整體裝置便攜低耗；

·應用范圍廣泛，可可靠應用于航空、航海、陸上交通、科學考察、極地探險、設備巡檢和系統監控等方面。

通過分析北斗衛星導航系統授時的特點，并結合我國電力系統實際情況得知，北斗授時技術已初步滿足在電力系統中應用的以下幾點需求條件：

⑴覆蓋范圍。現階段北斗系統組網已實現覆蓋我國全部地區，并已覆蓋到周邊國家。已完全可以滿足我國電網全國聯網的需求。也進一步滿足了我國與周邊國家在電力方面的交流需求。

⑵授時精度。現階段北斗衛星導航系統提供授時的精度達到20～100ns，其中單向授時精度為100ns，雙向授時精度為20ns，考慮到電力系統實際的運行特點，同時接收時間的設備數量和分布的廣泛性，結合北斗衛星導航系統授時技術的特點，可選擇單向授時方式，雖然單向授時方式的精度相對差一點，但是對于現階段電力系統的使用以足夠滿足同步相量測量裝置對同步信號的要求。

⑶可靠性。現階段北斗衛星導航系統的建立與運行已經歷了長時間的考驗，一直處于穩定的工作狀態，從可靠性方面來講，目前已經具備在電力系統中應用的條件。

⑷安全性。當前電力系統中使用的GPS方式的時間同步技術，最大的憂患之處在于GPS掌握在美國手中，一旦遇到突發狀態，授時的可靠性和可信性將大打折扣，甚至會出現電力系統時間同步中斷的可能性。北斗衛星導航系統是我國獨立完成具有自主知識產權的系統，實際的運行和使用完全不受他國的控制和限制，安全性有極大的保障，完全滿足電力系統在時間同步安全性方面的要求。

通過以上幾點結合電力系統的實際運行需求分析，得知，電力系統中應用北斗衛星導航系統授時功能完成全網的時間同步是完全可行的，而且從長遠角度來講北斗衛星導航系統在我國電力系統中的積極應用更會保障我國互聯電網安全方面具有主動權。

[參考文獻]

[1]王文瑜.基于北斗衛星的授時系統研制.北京郵電大學，2008，3.

[2]廣嘉電子.北斗一號授時技術及在電力系統中的應用.中國電子商情，2008，5：70-73.

[3]姜彤，艾琳，楊以涵.北斗導航系統及其在電力系統中的應用.華東電力.2009，4：611-613.