第37卷 第9期 电 网 技 术 Vol. 37 No. 9 2013年9月 Power System Technology Sep. 2013 文章编号：1000-3673（2013）09-2621-05 中图分类号：TM 734 文献标志码：A 学科代码：470·4054 用于智能电网建设的北斗/GPS 高精度授时方案关键技术 赵东艳，原义栋，石磊，张海峰 （北京南瑞智芯微电子科技有限公司，北京市 海淀区 100192） Key Technology in Beidou/GPS High-Precision Time Service Scheme for Smart Grid Construction ZHAO Dongyan, YUAN Yidong, SHI Lei, ZHANG Haifeng (Beijing NARI Smart Chip Microelectronics Co., Ltd., Haidian District, Bejing 100192, China) ABSTRACT: To effectively ensure the precision of time reference of the whole grid and gradually gets rid of the dependence of smart grid operation on global positioning system (GPS), based on GPS, the first and the second generation of Beidou navigation system a tri-mode dual-channel high-precision time service scheme that can be used to the construction of smart grids is proposed, and the SOC chip implementation for the proposed time service scheme is put forward, by which not only the potential safety hazard can be eliminated, but also the troubles in product volume and cost can be effectively resolved. In the viewpoint of hardware implementation, the feasibility and advancement of the proposed high-precision time service scheme as well as the prospect of applying it in smart grids are analyzed. According to present operation situation of the second generation of Beidou system and complex application environment of power grids, in the proposed time service scheme the relatively matured first generation of Beidou navigation system is used as the main clock source, meanwhile it is compatible with GPS and the second generation of Beidou navigation system, therefore the dual-channel time service mode, by which the time service by GPS and the first and the second generation of Beidou navigation system can be independently performed, is implemented, and the time base of time service in the two channels can be combined and resolved. The time service accuracy of the proposed scheme can reach up to 15ns, namely 1σ, and the time accuracy can reach up to 1μs/h, and thus the proposed high-precision time service scheme can completely satisfy the demand of smart grid construction. KEY WORDS: smart grid; Beidou navigation system; GPS; time service 摘要：为有效保障智能电网全网时间基准的精度，并逐渐摆脱电网运行对全球定位系统(global positioning system，GPS)的依赖性，提出了可用于智能电网建设的基于北斗一代系统、北斗二代系统、GPS系统的三模双通道高精度授时方案，提出了该授时系统的SOC芯片实现方案，不但可以消除安全隐患，而且可以有效解决产品成本和体积的问题。从硬件实现的角度分析了高精度授时方案的可行性、先进性及其在智能电网中的应用前景。该授时方案针对北斗卫星导航系统运行现状和电力系统复杂的应用环境，采用较成熟的北斗一代作为主时钟源，同时兼容北斗二代和GPS，可实现北斗一代系统、北斗二代系统和GPS系统独立授时的双通道运行方式，且各通道授时时基可实现组合解算，授时精度最高可达15 ns(1)，守时精度可达1 s/h，完全可以满足智能电网建设的需求。 关键词：智能电网；北斗系统；GPS；授时 0 引言 随着电网系统的大区域互联[1]和广域动态测量系统(wide area measurement system，WAMS)[2]的逐步建立，基于广域同步采样数据可切实提高继电保护装置、故障测距装置、变电站一次设备状态监测装置、安全稳定控制系统、WAMS系统算法的准确性和应用的广泛性[3]。而同步相量测量装置(phasor measurement unit，PMU)[4]作为广域动态测量系统的核心终端装置，测量精度较高，并且其采样基于广域同步时钟，要求各类装置和系统基于统一的时间基准运行，以确保线路故障测距以及电网事故分析和稳定控制水平，提高运行效率及其可靠性[5-6]。 随着北斗卫星导航系统的建设与完善，基于北斗系统开展在电力系统授时方面的应用已是大势所趋。目前在电力应用领域中的授时产品主要以全球定位系统(global positioning system，GPS)[7]和北斗一代系统为主。GPS系统由美国军方控制，对于国家安全存在巨大隐患；北斗一代系统虽然可实现DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2013.09.0062622 赵东艳等：用于智能电网建设的北斗/GPS高精度授时方案关键技术 Vol. 37 No. 9 双向授时，授时精度可达20 ns，但其用户容量受到极大限制[8]，不利于授时系统的大范围推广。北斗二代系统可实现单向授时，授时精度为100 ns，可满足电力领域大多数的应用需求[9]，但对于时间精度要求较高的应用无法满足，而且目前该类应用方案主要以分立元件搭建的系统为主，实现成本高，体积大，应用受限。 本文提出可用于智能电网建设的基于北斗一代系统、北斗二代系统、GPS系统的三模双通道高精度授时方案。该方案可实现北斗一代系统+北斗二代系统、北斗一代系统+GPS的双通道运行模式，且各通道授时时基可实现组合解算，大大提高了系统授时的精度。此外，还提出了该授时系统的SOC芯片实现方案，不但可以消除安全隐患，而且可以有效解决产品成本和体积的问题。该授时方案的应用可保证授时终端即使处于恶劣环境或受遮挡环境下也能输出精确稳定的时钟信号，对于建设坚强智能电网，保障电网安全稳定运行具有重要意义。 1 北斗和GPS系统概述 GPS是目前世界上最成熟的全球定位系统，由36颗空间卫星、分布全球的地面站和数目庞大的用户终端组成。除了现有美国军方负责管理的卫星和地面监测系统，卫星定位增强系统也遍布美国本土和国际热点区域。世界各大机场、港口等导航应用热点地区的GPS辅助定位设施也在保障其安全和可靠的运行。 北斗卫星导航系统是我国自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。北斗系统由空间段、地面段和用户段3部分组成：空间段包括5颗静止轨道卫星(geostationary orbit，GEO)和30颗非静止轨道卫星(倾斜地球同步轨道IGSO和中高地球轨道MEO)；地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站；用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。北斗卫星导航系统分为卫星无线电测定系统(radio determination satellite system，RDSS)和卫星无线电导航系统(radio navigation satellite system，RNSS) 2种模式[10]。 RDSS采用主动定位方式，先由用户终端主动向地面控制中心发出定位请求(入站)，地面控制中心根据用户请求信号测量并计算出用户到2颗卫星的距离，并根据中心存储的数字高程地图或用户请求中所带的测高信息算出用户到地心的距离，再由这3个距离按3球交会测量原理进行定位解算，然后将解算结果上星广播(出站)由该用户终端接收，这样就完成了与GPS精度相当的快速实时定位过程。通过这种出入站信号的传输和信息转发，北斗系统还实现了其每次多达100个以上汉字的简短数字报文通信和几十纳秒级精度的精密授时功能。RNSS采用无源定位方式，通过地面运控系统监测整个导航系统的卫星位置并同步卫星时钟，从而保证卫星星历的信息准确。该方式与美国GPS系统以及欧洲Galileo系统的原理相同，最大的特点是系统的容量理论上不受限，隐蔽性强。 随着北斗卫星导航系统完成了在亚太区组网并正式提供服务，北斗芯片、终端及上下游软硬件等产业链环节研发和产业化取得积极进展，这些都为北斗卫星导航系统在行业领域应用推广奠定了坚实的基础。目前，除了在军用系统中的使用以外，我国的智能电网、道路交通管理、铁路智能交通、海运、水运、航空、特殊货物运输监管、应急救援、气象服务、精细农业、精密授时等领域的北斗应用示范都在抓紧建设实施。 2 北斗/GPS卫星授时方案 2.1 北斗/GPS高精度授时总体方案 目前多数授时产品采用的授时方案是基于国外厂商成熟的GPS模块与北斗一代单向授时模块进行组合，2个模块独立解算，通过某种方法选择一个系统的授时信息和1PPS(秒脉冲)信号输出[11]。该模式不同源的观测数据不能共用，在城市峡谷地区或部分天空被遮蔽出现卫星数少和几何因子差等情况时，其可用性和可靠性就可能受到影响，而且数据不能共用，也就不能充分发挥2个导航系统的优势来进行完好性监测。此外，在出现外界故意或无意干扰、故意降低服务精度、卫星健康状况等情况时，其可靠性、安全性无法得到保障。 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，本文针对电力系统典型的授时应用需求，基于GPS系统、北斗一代系统和北斗二代系统，提出北斗/GPS高精度授时与同步技术总体方案，如图1所示。 总体方案包括省级调度中心，市级调度中心和电网终端3部分，高精度的授时主要基于其中的电力系统时间同步服务器，时间同步实时监测系统以及北斗/GPS卫星授时系统。利用该授时方案可大大提高电力系统广域同步采样的可靠性。
