2023年11月30日发(作者:)

第26卷第3期

2011年9月

电力科学与技术学报

J0URNAL OF ELECTRIC POWER SCIENCE AND TECHNOLOGY

VO1.Z6 NO.3

Sep.2011

基于卫星共视技术的电网时间同步

赵当丽,胡永辉,翟慧生,马红皎

(中国科学院国家授时中心,陕西西安710600)

摘 要:针对电网系统对时间同步的要求,提出一种基于GPS/:L斗卫星共视技术的远距离时间比对和传递方法,

实现电网系统的高精度时间同步和频率校准.详细介绍该系统的软、硬件设计和数据处理算法,并给出国家电网所

有一级基准时钟与国家标准时间UTC(NTSC)的共视数据分析结果:GPS模式下的共视比对精度优于5 ns,北斗

模式下共视比对精度优于15 ns.数据结果表明:采用该技术能够实现电网系统全网范围内高精度、高稳定性、高可

靠性的时间统一.

关 键 词:卫星共视;时间同步;频率校准;电网

中图分类号:TM761 .2 文献标识码:A 文章编号:1673—9140(2011)03—0020—05

Power grids time synchrOnizati0n with satellite common‘view technology

ZHAO Dang—li,HU Yong—hui,ZHAI Hui—sheng,MA Hong—jao

(National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences,Xi’an 710600,China)

Abstract:In view ofme synchronization requirementsor power grids,a remote tme comparison

and transmission method based on the satellte Common.View technology i presented in this pa—

per.The method can realze high—precision tme synchronizaton and frequency calbration.Thi

paperntroduces design ofhe software and hardware,and data processing algorihm.Based on

Primary Reference clocks of power grid and local Coordinate Universal Time of National Time

Service Center UTC(NTSC),the common-view(CV)data analysis results show that CV based

me synchronization error iess than 5 ns using GPS,and iess than 1 as using Bei—Dou.The

echnology can implement high accuracy, stabity and relabity time synchronization for the

whole power system

Key words:satelte common—view;time synchronization;frequency calbration;power grids

卫星共视法时间频率传递是目前时间频率远距

离量值传递的主要方法之一.卫星共视技术用于各

时间实验室之间的比对手段已有很多年历史.随着

科学技术的发展,高精度的时间和频率传递在国民

经济发展中的地位日趋重要,在国民经济建设和高

新技术产业诸如通信、电力、交通、高速数字网同步

收稿日期:2011—05一O1

基金项目:中国科学院西部之光(2008 YB 02);国家电网电力科学研究院基金(0712KF1613)

通讯作者:赵当丽(1975一),女,硕士,高级工程师,主要从事GPS、北斗卫星共视的高精度时间传递、时间同步的研究;E-mail:zdl@ntsc.ac ̄cn

第26卷第3期 赵当丽,等:基于卫星共视技术的电网时间同步 21

等领域需要高精度时间和频率同步[1].由于卫星共

视技术设备价格便宜、定时精度高以及使用方便的

特点,逐步应用于国家安全、通信、电力等领域,实现 时间内相对频率的平均偏差:

远距离时钟同步和频率校准.

电网时间统一系统的目的是为了满足电网系统

各个节点的时间需求,实现全电网范围的时间统一.

若在某一时刻测得 AB( ),经过一段时间r,

即t +r时刻测得A tAB(£ +r),则可求出2台钟在r

厂A一厂B △ AB(£ )一△ AB( f+r)

=:

GPS共视比对的优点是将可能出现的某些误

差减到最小.卫星时钟误差会被全部消除,原因是两

主要采用中国UTC(NTSC)为时间频率基准,其他

时间频率系统(例如GPS等)为第三方参考,通过时

地接收机的这一误差是共同的.但是不能消除传输

间传递、时间频率同步和守时技术的应用,达到统一

电网一级基准时间频率参量的目的.然后再向分布

在电网中各个节点上的各种测量控制系统、自动化

系统、管理信息系统发布标准时间和标准频率,以实

现整个电网范围内时间和频率参量的统一.

GPS共视原理

所谓“共视”(Common View)就是2个不同位

置的观测者,在同一时刻观测同一颗GPS卫星.其

含义是在一颗GPS卫星的视角内,地球上任何2个

地点的钟可以利用同时收到的同一颗卫星的时间信

号进行时间比对和同步[].

GPS共视原理如图1所示,设A地点的钟时间

为tB地点的钟时间为tGPS时间为t

A,B两地时差测量原理(没考虑对时延误差修

正):两地的GPS定时接收机在同一个共视时间表

作用下,在同一时刻接收同一颗GPS卫星信号,接

收机输出代表GPS时间的秒脉冲,送至接收机内置

的时间间隔计数器,与本地钟输出的秒脉冲比较,

A地得到其时刻差AtAGPs—tA—t。 。,同时,在B地

得到其时刻差△ BG s=tB—t。 A,B两地的数据通

过通信网进行交换,可得2台钟之间的时间差:

△ AGPs一△tBGPs=:tA—tB一△£AB. (1)

GPS

图1 GPS共视原理

Figure 1 GPS common-view principle

数据中的星历误差,只能将星历误差减至最小,其大

小取决于两地间的几何条件.

与卫星双向时间同步相类似,在2个相距很远

的不同观测者在同一时刻观测同一颗GPS卫星,得

到与卫星钟的差值后,通过互联网实时相互传递双

方的卫星共视数据.对数据进行统计处理,就可以得

到两地之间的时钟差.根据处理结果对各自的钟差

进行改正,即可实现两地之间的时间同步.

2 电网时间统一系统的设计

电网时间统一系统的结构如图2所示,主要由

时间频率基准、基准传递网络、(区域)时间中心系

统、中心层网络、授时网络(时间同步网络)以及本地

时间分配系统等部分组成.

虚线为[nternet通信线路

电网时问一级中心:

独立时问频率基准

统一全电网范围的时间

有线授时网络层:

连接区域时间中心

和时间接收点的通

信网络。用于授时.

传递时间数据.

?_———— 接授时的时间节点

图2 电网时间统一系统结构

Figure 2 Power system time synchronization system

时间频率基准采用中国科学院国家授时中心保

持的标准时间和标准频率.中国科学院国家授时中

心负责确定和保持的中国原子时系统TA(NTSC)

和协调世界时UTC(NTSC)处于国际先进水平,并

代表中国参加国际原子时合作[].它是由一组高精

度铯原子钟通过精密比对和计算实现,并通过GPS

共视比对、卫星双向法(TWSTFT)比对等手段与国

22

际原子时间标准相联系,对国际原子时的保持做出

贡献,目前的稳定度为10 ,准确度为l0 。.

GPS、北斗星历数据和计数器数据的同时,完成译

码、共视数据处理、共视数据传递和比对、存储和动

态显示数据等任务.但在多线程的应用中,存在同一

资源访问冲突的问题,为避免数据共享冲突,必须建 路,电网系统一级基准时钟之间(电网时间一级中心

立同步机制,如:互斥量、临界区和事件对象等来协 与电网时间区域中心)采用光通信系统来完成比对

基准传递网络是电网时间统一系统的通信线

数据传递,电网系统一级基准时钟与国家授时中心

调多线程的并行工作,确保任意时刻只有一个线程

访问共享资源.系统软件采用的多线程及同步控制

机制如图3所示,共视数据处理主线程启用接收机

之间通过Internet网络实现共视数据传递和交换.

时间中心系统由高精度频率标准(守时时钟)、

基准传递系统接收机、时间比对系统及时间同步分

发系统组成.其功能包括:①实现与时间频率基准的

同步;②处理接收时间频率基准过程中的噪声和信

号干扰的影响,保证信号接收的准确性;③为本区域

电网提供时间频率基准,在同步间隔期间负责保持

时间频率基准的准确度和稳定度;④实现各个相关

中心之间时间频率基准的比对,保持各个相关中心

之间时间频率基准偏差在允许范围之内.

电网时间统一系统授时中心层由多个授时中

心、基准传递系统和连接各个中心的通信网络组成,

通过比对基准点与各个中心之间以及各个中心之间

的时间频率,确保中心层内各个中心与基准点的时

间频率差控制在允许的范围之内,实现各个中心的

时间频率同步及各个中心时间的统一.

电网时间统一系统授时网络层是所有授时网络

的统称.每一个授时网络是由一个授时中心和与其

直接连接的多个时间接收点组成,该授时中心通过

同步技术将中心的时间频率基准传递到每一个时间

接收点.每一个授时网络负责统一网络覆盖区域内

的时间,通过授时网络层将全电网的时间统一到各

个时间中心,再通过时间中心层统一到时间基准,通

过两层的结构达到统一全电网时间的目的.

本地时间分配系统通过时间同步网络将时间频

率基准同步分发到本区域电网内的每一个用户终端

(时间接收点).

电网时间统一系统软件设计

电网时间统一系统软件主要采用多线程技术和

数据滤波方法对卫星星历信息、计数器数据等信息

进行采集、译码并做相关的数据处理,最终实现快速

高精度的时间同步.

3.1多线程技术

根据GPS、北斗数据传输的实时性和连续性的

特点,采用多线程技术同时运行各进程,从而在采集

数据实时译码子线程和接收机数据采集子线程,这

2个子线程一直运行,其他子线程通过译码子线程

进行控制,线程之间的共享资源通过临界区和互斥

量等实现同步.这种多任务之间的同步控制策略不

仅提高了CPU的利用率,而且提高了程序的执行

效率,最终保证共视数据处理的准确性和实时性,

现高精度的卫星共视时间比对.

共视数据处理

主线程

临界区 f接收机数据实时 f临界区,f接收机数据

译码子线程 I采集子线程

事件控制

计数器数据

卫星数据处理l 共视数据传递和

采集子线程 比对子线程

事件控制\ /事件控制

..。..........

........If..

l信息显示及文件

存储子线程

图3卫星共视数据处理的多线程

Figure 3 Diagram of satellite common-view

data processing

3.2数据滤波方法

由于在接收GPS、北斗信号时存在各种干扰,

因此需用平滑算法滤除共视数据中的干扰.国际上

比较流行的是Vondrak算法,在国际原子时合作中

使用了该算法.

Vondrak平滑法是一种曲线拟合方法,目的是

消除测量资料中的随机误差.这种方法在未知拟合

函数形式的情况下,能对测量资料进行合理的平滑.

Vondrak平滑法实质上具有单边滤波器的功能,在

数据处理中可作为数字滤波器使用,此方法由捷克

斯洛克天文学家J.Vondrak于1969年提出[].

设时间因数t 的测量资料为z (i—l,2,…,

第26卷第3期 赵当丽,等:基于卫星共视技术的电网时间同步 23

N),Vondrak方法平滑测量数据的基本原理:[

计数器、共视数据处理软件和本地钟等组成[].共视

Q—F+ 。S—min. (3)

比对切换开关主要用来切换GPS和北斗接收机信

式中 F一∑Pz:一x1。,其中,:为待求的平

号,包括切换接收机的串口信号和秒脉冲信号.电子

;1

计数器以卫星(GPS或北斗)秒脉冲为开门信号,本

滑值,P 是测量数据的权重,F为Vondrak平滑法的

地钟(或铷钟)秒脉冲为关门信号,测量2个秒脉冲

拟合度,表示对测量资料直接计权拟合的要求;S—

之间的时差数据,且每秒输出一个时差值.

N-

:(z:S表示对平滑值三阶差分平方和的要

其工作过程:中国科学院国家授时中心作为该

=1

系统的主站,电网系统的一级基准时钟作为副站,副

求,如果一条曲线的三阶差分很小,则这条曲线十

分光滑,因此,S为平滑度,它反映了待求的平滑曲

站采用受控铷原子钟作为时间基准.主站和副站进

线总体上的平滑程度; 是一个给定的正系数,它

行共视比对时,各站同时接收GPS或北斗卫星信

在平滑过程中调整拟合度和平滑度之间的关系.极

号,按照CCTF推荐的共视数据处理标准化算法和

端情况下,当 一∞时,要使式(3)达极小值,必须使

格式进行数据处理,得到本地钟与卫星参考钟的差

s一0,这时Vondrak平滑法得到的是一条光滑的二

值,然后通过GPRS通信网进行数据交换和数据传

次抛物线.相反,若 。一O,要使式(3)达极小值,必

输,产生共视比对结果△T,即两地钟差.再设定一

须使F一0,这时得到的是一条逼近测量数据的光滑

个同步误差门限,用△GATE表示,当共视比对结果

A个

曲线.

△T超过AGATE时,利用校频公式

A T

4 电网时间统一系统的时间同步结果

_ (AT 和△T 分别为i时刻和i+t时刻

时间同步就是使本地的时间与标准时间一致,

得到的共视比对数据,t为时间间隔),计算出这段

或者利用一个参考标准使不同地点的时间一致,换

时间铷钟相对国家授时中心主钟的频率差,按照频

言之,就是实现标准时间信号、信息的异地复制 ].

率调整范围[胡对铷原子钟进行频率补偿,控制其频

目前,常用的时间同步方式主要分为天基和地

率偏移,从而实现国家电网系统一级基准时钟与国

面链路2种.天基是指接收GPS/ ̄g斗等卫星授时

家授时中心标准时间的时间同步.即相当于将国家

信号获得时间信息,进行时间同步.电网时间统一系

授时中心所保持的国家标准时间UTC(NTSC)搬

统采用天基方式依据卫星共视技术建立电网系统所

到电网系统的一级基准时钟用户,换言之,就是实现

有一级基准时钟与国家授时中心之间的多点对一点

国家授时中心标准时间信号的异地复制,有效地保

的时间同步,其硬件结构如图4所示,主要由GPS

证了电网系统高精度、高稳定、安全、可靠的工作.

接收机、北斗接收机、卫星信号切换开关、电子

目前,电网时间统一系统主要由1个主站(临潼

GPS jE斗卫犀

国家授时中心)和3个副站(上海、重庆、南京的电网

级基准时钟站)组成.自2007年以来,系统在无人

值守的情况下运行稳定、可靠,且获得较好的共视比

对结果(表l,图5).表1给出了2011年4月1—3

日GPS共视模式下,国家电网系统在上海站的电网

GPS/ ̄t斗接收机l厂] 。厂] GPS/ ̄t斗接收机

级基准时钟UTC(K)与中国科学院国家授时

卫星信号切换开关H数据

星信号切换开关

表I UTC(K)与UTC(NTSC)的共视比对结果分析

磊_ 软件

二=

电子计数器

Table 1 CV data analysis of UTC(K)一UTC(NTSC)

f10MHzf1 PPS

0.1 ns

本地钟 铷钟

主站 副站

图4电网时间统一系统硬件结构

Figure 4 Hardware structure of power system

time synchronization system

24 2011年9月

∞盘_o,一量z—u .一)l— Ln

啪如。蜘

统各个节点的时间需求,最终实现电网全范围的时

间统一.

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分析结果.图5为其中一天GPS共视模式下UTC

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介绍了该系统的设计和数据处理算法,并给出了电

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[4]于跃海,张道农,胡永辉,等.电力系统时间同步方案 [6]

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