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2008 中国国际供电会议1北斗卫星在电力系统授时中的研究陈炯聪1，张道杰2，高新华11. 广东电网公司电力科学研究院，广州，510600；2. 深圳市双合电脑系统股份有限公司摘 要：利用卫星进行授时，有着精度高、受环境干扰小、实时性好等优点，其在授时研究和应用领域有着广泛和美好的前景。
GPS 是目前应用最为广泛的卫星定位授时系统，但仅仅依靠GPS 授时会存在两方面问题，一是手段单一，再则我国没有自主控制权。
我国从80年代开始就着手研究双星定位系统，己于2003年成功完成“北斗一号”卫星定位系统的构建工作。
本文在对北斗卫星系统简介的基础上，分析北斗卫星时间同步系统在我国电力系统中应用的必要性和可行性。
介绍了结合北斗卫星时钟信号和OCXO 特性 的1PPS 提供给电力授时的理论和实现方法。
并设计实现了一种基于单片机和北斗卫星OEM 板的卫星同步时钟装置。
它由北斗OEM 接收机、中央处理单元和输出接口组成。
利用OEM 接收机提供的北斗卫星标准时间信号，通过中央处理单元对数据的处理驯服OCXO ，使输出的1PPS 具有良好的长稳、短稳特性。
输出 的1PPS 秒脉冲信号可同步电网内运行的各时钟，保证电网内所有时钟的高精度同步运行。
这种新的时钟同步方法具有实现手段简单、范围大、精度高、不受地理和气候条件限制等诸多优点，是理想的时钟同步方法。
利用北斗卫星同步时钟装置，对所属范围各厂站的保护系统、故障录波系统进行统一的随时的时钟校对，该课题对电网自动化水平的提高，特别是对事故分析、故障测距、稳定判断与控制技术的发展有重要的意义。
关键词：单片机；北斗；电力系统；同步时钟1. 北斗卫星简介北斗导航定位系统是由中国自主建设的卫星系统，1994年正式立项，2003年双星导航定位系统正式投入使用。
北斗导航定位系统由空间卫星、地面中心控制系统和用户终端组成。
1.1 空间部分空间部分由两颗地球同步的导航卫星和一颗在轨备用卫星组成。
工程技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald9①作者简介：王磊（1986—），男，满族，河北保定人，本科，工程师，研究方向：电力勘察、电网信息系统。
DOI：10.16660/ki.1674-098X.2018.24.009北斗导航定位在城市电网服务链中的应用研究①王磊(北京京电电力工程设计有限公司 北京 100070)摘 要：在我国传统电网向智能电网迈进过程中，对卫星定位技术提出了更高的要求。
而基于北斗导航定位的城市电网服务系统具有稳定、可靠、精确、安全等优良特点。
因此，本文以北斗导航定位系统为研究对象，北斗导航定位、GPS卫星技术在电力系统应用情况进行了对比分析，介绍了北斗导航定位在城市电网服务链中应用优势，阐述了北斗导航定位在城市电网服务链中的具体应用，以期为北斗卫星技术在电力系统中应用价值的充分发挥提供有效的借鉴。
关键词：北斗导航定位 城市电网 服务链中图分类号：P228 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2018)08(c)-0009-02北斗导航定位系统是我国自行研制的全球卫星定位、通信系统，其主要包括空间端、用户端、地面端几个模块，可为全球不同地区用户提供全天候实时服务。
同时北斗导航定位系统独特的短报文通信能力，也可以提高定位精度在5.0m以内，控制授时精度在100.0ns以内，进一步提高我国与周边地区授时定位服务效率。
因此，对北斗导航定位在城市电网服务链中应用进行适当分析具有非常重要的意义。
1 北斗导航定位与GPS卫星技术对比以北斗二号为例，一方面，北斗导航定位系统具有快速定位、全天候提供全球导航信息的特点；而GPS系统主要由24颗地球同步卫星构成，其可每间隔1.0～3.0s为用户提供经纬度、时间、高度及速度信息。
另一方面，GPS卫星技术在我国城市电网服务链中应用较早，其是现阶段城市电网内部应用较广泛的时间同步技术。
电力系统北斗卫星授时应用系列标准一、介绍1. 电力系统北斗卫星授时应用系列标准是指在电力系统内部和与电力系统相关的设备中，利用北斗卫星进行时间同步和授时的应用标准系列。
2. 本标准系列的制定旨在规范电力系统中利用北斗卫星进行授时的方法和要求，保障电力系统各设备之间的时间同步准确性，提高电力系统的运行稳定性和安全性。
二、标准内容1. 标准适用范围本标准系列适用于电力系统内部设备之间的时间同步和授时，以及与电力系统相关联的设备中利用北斗卫星进行授时的应用。
具体包括发电机组、变电站设备、线路保护装置、智能电网设备等。
2. 标准分类和编号本标准系列按照具体应用场景和设备类型进行分类，分别制定相应的标准编号和内容。
3. 标准要求(1) 时间同步精度要求：规定了不同类型设备之间的时间同步精度要求，确保设备之间的时间同步误差控制在合理范围内。
(2) 数据传输安全性要求：对利用北斗卫星进行授时的数据传输安全性进行规范，防范可能的信息安全风险。
(3) 设备接口和通信协议要求：制定了设备接口标准和通信协议标准，确保不同设备之间的授时信息传输和接收的兼容性和稳定性。
4. 标准制定依据本标准系列的制定依据包括国家有关标准、行业技术规范和市场需求，结合北斗卫星技术的发展和应用现状进行综合考量。
5. 标准制定流程标准的制定流程包括需求调研、技术方案研究、征求意见、评审修改等环节，确保标准内容的科学性、合理性和适用性。
6. 标准应用指南本标准系列制定了相应的应用指南，指导电力系统设备的实际授时应用，对具体操作步骤和注意事项进行规范。
三、标准意义1. 保障电力系统安全稳定运行电力系统中各设备间的时间同步对系统运行至关重要，准确的授时可以避免设备之间的相互干扰和误操作，提高系统的安全稳定性。
2. 推动北斗卫星在电力领域的应用利用北斗卫星进行授时在电力系统中具有广阔的应用前景，本标准系列的制定有助于推动北斗卫星技术在电力领域的应用和推广。
电力北斗应用及商业化运营展望摘要：电力北斗是在北斗系统提供正常的定位、测速和授时服务的基础上，为授权用户提供更高精度分米级导航定位服务，从而提高北斗系统的服务性能。
关键词：电力北斗应用；商业化；运营引言中国北斗卫星导航系统的发展经历了三个阶段：北斗一号、北斗二号和北斗三号。
与其他三个全球导航系统不同的是，北斗二号和北斗三号都采用地球同步轨道卫星GEO、中圆地球轨道卫星MEO和倾斜地球同步轨道卫星IGSO三种不同轨道星座，从而保证在中国区域内有更多的卫星分布。
北斗导航系统在轨卫星数量达到44颗，其中北斗二号卫星14颗、北斗三号卫星30颗。
北斗卫星导航系统远远超过其他的卫星导航系统，大大提升了复杂场景下的可视卫星数，提高了复杂场景如城市峡谷、树荫下的可用性和精度。
跟踪到的BDS卫星数几乎是其他三大卫星导航系统跟踪到的卫星数之和，可见BDS在亚太地区具有其他卫星导航系统无可比拟的优越性。
可用卫星数量直接关系到最终卫星定位的可用性和精度，可用卫星越多，可用性就越高，定位精度也越高。
1电力北斗应用及商业化运营1.1导航定位北斗卫星导航系统接收机采用的定位算法决定了它能提供的定位精度。
对于米级定位精度需求的用户，单点定位SPP就可以满足要求。
差分定位DGNSS和星基增强SBAS则可以提供亚米级定位服务。
精密单点定位PPP可以提供分米级定位服务。
RTK可以提供厘米级精度服务。
高校采购不同定位精度的接收机可以满足不同的项目需求，给学生实习创造不同的实习条件，让学生学习不同的定位算法。
一般把只能提供SPP，SBAS和DGNSS服务的接收机归类为导航型接收机，而可以提供RTK和PPP服务的接收机归类为测量型接收机或高精度接收机。
导航型接收机主要用于车载导航、林业渔业、智能手机、共享单车、消费类无人机等只需米级定位精度的设备上；而测量测绘、精细农业、智能机器人、专业无人机、智能驾驶、形变监测等应用则需要高精度接收机。
《利用GPS授时实现电力系统广域时间同步》篇一一、引言随着电力系统规模的扩大和复杂性的增加，广域时间同步成为了保证电力系统稳定运行的重要环节。
GPS（全球定位系统）授时技术以其高精度、高稳定性的特点，成为了实现电力系统广域时间同步的最佳选择。
本文将详细探讨GPS授时技术的基本原理、应用优势及在电力系统中的应用方案。
二、GPS授时技术的基本原理GPS授时技术主要通过GPS卫星发送的信号实现。
其工作原理主要分为三部分：卫星信号的发射与接收、信号的传输与处理以及时间的输出与同步。
首先，GPS卫星以固定的频率发送包含时间信息的信号。
这些信号被地面设备接收后，经过处理，可以获取到精确的时间信息。
其次，通过信号的传输与处理，地面设备可以将这些时间信息实时地传输给电力系统中的各个节点。
最后，通过时间的输出与同步，各个节点可以与主时钟保持一致，从而实现广域时间同步。
三、GPS授时在电力系统中的应用优势1. 高精度：GPS授时技术可以提供纳秒级的时间精度，保证了电力系统各个节点的时钟准确同步。
2. 高稳定性：GPS授时技术不受外界干扰，具有很高的稳定性，能够保证电力系统的稳定运行。
3. 易于维护：利用GPS授时技术可以实现集中化管理，便于维护和故障排除。
四、电力系统中的GPS授时应用方案1. 搭建GPS授时系统：在电力系统中搭建独立的GPS授时系统，接收并处理GPS信号，提供准确的时间信息。
2. 广域时间同步网络构建：利用搭建的GPS授时系统，构建广域时间同步网络，将时间信息实时传输到电力系统的各个节点。
3. 时间同步协议设计：根据电力系统的需求，设计合适的时间同步协议，确保各个节点之间的时间同步。
4. 系统调试与优化：对搭建的GPS授时系统和广域时间同步网络进行调试和优化，确保其稳定、可靠地运行。
五、实际应用案例分析以某大型电力系统为例，采用GPS授时技术实现广域时间同步。
通过搭建独立的GPS授时系统，成功地将纳秒级精度的时间信息实时传输到电力系统的各个节点。
北斗卫星在电力系统授时中的应用研究摘要：分析授时技术的发展及电力系统授时的现状，在对北斗卫星简介的基础上，论述北斗卫星时间同步系统在我国电力系统中应用的必要性和可行性。
提出一种结合北斗卫星时钟信号和恒温晶振OCXO特性的1PPS秒脉冲提供给电力授时的原理和实现方法。
设计一种卫星同步时钟装置，该装置由北斗OEM接收机、中央处理单元和输出接口组成。
利用OEM接收机提供的北斗卫星标准时间信号，通过中央处理单元对数据的处理驯服OCXO，输出的1PPS 秒脉冲信号具有良好的长稳、短稳特性，可同步电网内时钟的高精度运行。
该方法具有实现手段简单、精度高、不受地理和气候条件限制等诸多优点，是理想的时钟同步方法。
关键词：北斗卫星；锁相环；授时；电力系统自动化0 引言随着国民经济的发展，电能的需求量不断增加、电能质量以及供电可靠性的要求越来越高；电力系统的自动化和安全运行的要求也更高，实时监控以及故障后分析对统一时钟的要求越来越迫切[1]。
故障录波装置及数字化变电站中使用的电子式互感器，在时间同步精度上都有很高要求[2]。
电力网时间的精确和统一成为提高电力系统自动化和安全运行的重要因素。
进入20世纪80年代后，随着微机保护在电力系统中的大量应用，尤其是各级电网调度自动化的相继建立，电力网对于时间精确和统一的要求越来越迫切了。
传统的无线电授时包括北美的WWVB，中国的BPC，以及Loran-C(Long Range Navigation)和OMEGA导航系统等[3]，他们大多采用通过10-100 kHz 的载波信号传输时间信息，精度在1 ms以内，其主要问题是载波信号在变电站内容易受到电晕放电的严重干扰，精度难以保证，且接收器的建设及维护费用较高[4]。
利用卫星对电力系统授时，有精度高、受环境干扰小、实时性好等优点。
GPS(global position system)是美国研制的导航、授时和定位系统，是世界上应用范围最广、精度最高的时间发布系统之一，其最高精度可达20 ns[5-8]。
但是，美国对民用用户不承担责任，不保证民用GPS时钟的精度和可靠性[6]。
且民用GPS接收机接收到的GPS时钟信号因星历误差、卫星钟差、接收机误差、跟踪卫星过少误差等因素的影响，精度和稳定性难以得到保证[9-11]。
在卫星失锁或卫星时钟实验跳变的条件下，GPS时钟误差达几十甚至上百ms[10]。
随着变电站自动化系统(substation automation system，SAS)走向网络化，变电站通信网络和系统技术标准IEC61850得到电力行业的广泛认可。
利用以太网进行网络对时也引起人们的关注。
网络时间协议NTP(Network Time Protocol)和简单网络时间协议SNTP(Simple Network Time Protocol)是使用最普遍的国际互联网时间传输协议。
IEC61850中规定的时间同步协议就是SNTP，其精度可以保持在1ms内[12]。
但现行的协议算法并不成熟，文献[12-14]为了获得更高的时间精度，设计的算法较复杂，实现难度大，并且在算法的效率和系统的稳定性上还需要进一步提高。
传统的时间同步方法不能满足当今电力系统发展的要求，电力系统仍需新的更稳定更可靠的时钟同步方法，本文探讨了北斗卫星应用于电力系统授时的必要性和可行性，并设计了一种基于微处理器和北斗卫星信号接收器(OEM板)的卫星同步时钟装置，提高了时钟源的精度和可靠性，可用于厂站的保护系统、故障录波系统时钟同步，提高了电网自动化水平。
1 北斗卫星应用于电力系统的可行性分析北斗卫星导航定位系统是由“两弹一星”功勋奖章获得者陈芳允院士提出的，1994年正式立项，2003年双星导航定位系统正式投入使用。
北斗导航定位系统由空间卫星、地面中心控制系统和用户终端组成。
(1)空间部分由两颗地球同步的导航卫星和一颗在轨备用卫星组成。
3颗卫星距地面约36000km，分别位于赤道面东经80度、140度和110.5度(备份卫星)。
其任务是完成中心控制系统和用户收发机之间的双向无线电信号转发。
(2)地面中心控制系统由一个中心控制站、若干卫星定轨标校站、差分定位标校站和测高标校站组成，是北斗定位导航系统的控制和管理中心，是北斗导航定位系统的中枢，由信号收发分系统、信息处理分系统、时间分系统、监控分系统和信道监控分系统等组成。
(3)用户终端由信号接收天线、混频和放大电路、发射装置、信息输入键盘和显示器等组成。
根据执行任务的不同用户终端分为：通信终端、卫星测轨终端、差分定位标校终端、和授时终端等。
北斗卫星导航系统由我国独立自主研制开发，不受他国的控制和限制，其可用性、可依赖性和安全性更有保障。
该系统的授时精度为单向无源授时100ns 和双向有源授时20ns ，该系统是区域性导航系统，其设计目的是为我国及周边地域服务。
北斗卫星信号的覆盖范围是北纬5°~55°和东经70°~140°之间的区域，包括我国大陆、台湾等岛屿和海域及我国周边的部分国家和地区，在此范围内能够全天候全天时地提供高精度定位、授时和短报文通信服务。
北斗卫星信号的服务范围已完全覆盖了我国电力系统所包含的区域。
此外，由于北斗卫星位于赤道上空36000km 的静止轨道，接收机相对卫星的可工作仰角范围为10°~75°，遮蔽角小，信号不易被接收机附近的高大物体遮蔽，该特点特别适合于我国一些高山地区的变电站同步授时，北斗卫星导航系统应用于我国电力系统授时领域前景广阔。
2 北斗卫星同步时钟装置对时秒脉冲1PPS 的实现系统要得到高稳定度的时间频率基准源，分析输入信号和输出信号有如下特性：北斗卫星接收机输出的1PPS 秒脉冲是远距离传输的信号，因而引入大量的噪声，造成了信号的抖动。
据实验数据卫星秒脉冲的抖动一般可以达到±50ns 。
标准频率源必须满足以下几个基本指标： 频率准确度：o f f f -=∆ （1）频率相对准确度：oo o f f f f f -=∆（2）上式中o f 为标称频率；f 为实际振荡器频率。
长期频率稳定度是指较长时间间隔内相对频率准确度的变化，这个时间间隔指几个月、几天、几小时、分、秒以上。
长期频率不稳定的原因主要是电压、电流变化，电路参数的不稳定，电路老化等。
统计值表征为：∑=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆=n 1i 2o i o n f f f f n 1σ （3） 上式中n 为测量次数；io f f ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆为第i 次测量的相对频率准确度；⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆o f f 为n 个测量数据的相对平均值。
短期频率稳定度，指秒或微秒内的随机频率变化，是频率瞬间的无规则变化。
短期稳定度在频域上又称为相位抖动或相位噪声。
引起短稳不稳的原因主要是频率源内部噪声。
电路内部噪声主要来源于电阻的热噪声以及有源器件内部的噪声。
在本系统中压控振荡器噪声主要有白噪声、1/f 闪烁噪声、相位噪声和电源噪声。
抖动或相位噪声一般在时域中分析，设瞬时相位：()()()t t f 2t t t o o θπθωφ+=+= （4）瞬时频率：()()()dtt d 21f dt t d 21t f o θπφπ+== （5） 瞬时频偏：()dtt d 21f θπ=∆ （6）定义短期频率稳定度：of f Y(t)∆=（7） 这个量无法直接测量，只能测到某一段时间内的平均值。
一般用A11an(阿仑)方差的概念表征瞬时频率稳定度：22221201011()lim ()lim ()2nyj j n x j f f n f στ-→→∞==-∑ （8） 上式中，τ为每次测量的取样时间；o f 为标称频率；n 为测量组数；j=1，2，3…n 。
温度频率稳定度是指当温度每变化1℃，频率的相对准确度的变化情况。
频率稳定度的单位一般是“ppm ”(一百万分之一)，温度频率稳定度的单位是ppm/℃。
标准频率源要求长稳和短稳的性能均优良，且温度补偿性能好。
北斗1PPS 秒脉冲具有优良的长稳性能，在频域上表现为低频噪声很小。
但秒脉冲信号却含有大量的高频噪声，严重的影响了它的短稳性能，造成了秒脉冲信号的时域抖动。
而普通振荡器有着优良的短稳性能，在频域上表现为高频噪声功率水平极低，但低频噪声功率却很高。
恒温晶振在同一温度范围内频率稳定度一般为±0.0001~0.5ppm。
把这两个信号的优点结合起来就能构成一个优良的标准频率源。
3 锁相环理论和系统软硬件实现3.1 锁相环理论及系统数学模型锁相环系统对输入信号有着优良的跟踪和锁定功能，可用它来实现北斗卫星秒脉冲对10M晶振频率源的驯服，得到高精度的标准频率源。
3.1.1 锁相环(PLL)基本原理锁相环(Phase Locked Loop)是一个相位负反馈控制系统，由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)、电压控制振荡器(VCO)和分频器(Divider)四个部分组成。
锁相环的典型结构如下图所示：图1 锁相环典型结构框图Fig.1 Typical Structure block diagram of PLL本文所设计系统的原理结构如图2 所示。
由五部分组成，分别为时间间隔测量装置、控制算法、D/A、恒温晶振和分频器。
时间间隔测量装置是系统测量关键部件，其测量精度直接影响着系统的最终控制精度。
控制算法部分是系统的核心控制部分，对系统性能的改善与调节起着决定性的作用。
D/A 为数/模转换装置，将控制算法部分输出的数字信号转化成模拟信号，对恒温晶振进行控制。
恒温晶振是本系统的控制对象，其短稳性能决定了系统最佳的短稳性能。
分频器分频产生秒脉冲信号，与接收机标准秒脉冲比较。
图2 系统框图Fig.2 System block diagram3.1.2 系统各部分的相位模型为了对系统进行分析和设计，需要对系统进行建模。
本系统是数模混合系统，为简化分析，设：a.系统内的噪声频率远大于参考信号频率；b.参考信号的频率要远高于环路的闭环带宽。
则认为系统是线性连续的，系统各部分的相位模型如下：（1）时间间隔测量装置的相位模型设北斗卫星接收器方波标准秒脉冲在一个周期T内的总相位值为π2，标准秒脉冲信号同分频信号的时间间隔为t∆，标准秒脉冲信号的瞬时相位设为refθ，分频信号的瞬时相位设为divθ。
标准秒脉冲同分频信号的瞬时相位差值为eθ，则有下式成立：()edivrefTTtθπθθπ⋅=-⋅=∆22（9）本系统中标准秒脉冲周期T为1s，系统时间间隔测量装置的测量精度小于1ns，因此有：edensektTtθθπθπ⋅=⋅=∆⇒⋅⋅=⋅∆21010210999（10）上式中，dk为相位增益系数；nst∆为纳秒级的时间间隔测量值。
