趙 莎

(中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192)

基于衛(wèi)星共視法的電網(wǎng)時(shí)頻測(cè)量及同步技術(shù)

趙 莎

(中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192)

時(shí)間同步對(duì)電網(wǎng)的安全和管理有著重要影響，如何準(zhǔn)確可靠地同步電網(wǎng)時(shí)間值得研究;為此，提出利用衛(wèi)星共視技術(shù)進(jìn)行電網(wǎng)時(shí)間頻率的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)時(shí)間同步的方法;首先，提出電力系統(tǒng)的四級(jí)時(shí)間頻率溯源體系，明確了電網(wǎng)時(shí)間頻率溯源關(guān)系;其次，研究建立了可以滿足衛(wèi)星共視要求的時(shí)間頻率計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，依托標(biāo)準(zhǔn)裝置，將衛(wèi)星共視技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)時(shí)間頻率遠(yuǎn)程校準(zhǔn)中，利用卡爾曼濾波算法去除干擾，并分析了基于衛(wèi)星共視技術(shù)的電網(wǎng)時(shí)間頻率同步方法;為定量評(píng)價(jià)提出方法的有效性，研究了采用提出的方法進(jìn)行溯源時(shí)的時(shí)間不確定度和頻率不確定度;實(shí)驗(yàn)及分析結(jié)果表明，提出的方法可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間頻率量值的高精度遠(yuǎn)程傳遞，從而保障電力系統(tǒng)中的時(shí)間同步。

時(shí)間同步；電力系統(tǒng)；衛(wèi)星共視；溯源；不確定度

0 引言

隨著社會(huì)對(duì)電力安全、電網(wǎng)管理要求的不斷提高，獲得準(zhǔn)確的同步時(shí)間在電力系統(tǒng)中越來越重要[1]。分時(shí)電價(jià)使時(shí)間同步與企業(yè)生產(chǎn)和居民生活的成本密切相關(guān)[2]，同步相量測(cè)量裝置、雷電定位系統(tǒng)、行波故障測(cè)距裝置等電力設(shè)備要求對(duì)時(shí)精度優(yōu)于1 μs[3-4]，智能變電站對(duì)時(shí)鐘指標(biāo)要求提高至500 ns。已有研究成果表明，時(shí)間同步誤差對(duì)電力系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生重要影響[5]，建立精確的時(shí)間同步系統(tǒng)已成為電力系統(tǒng)關(guān)注的重要內(nèi)容。

專家學(xué)者對(duì)電力系統(tǒng)時(shí)間同步方法研究的主要思路可以分為兩類。第一類，利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同步時(shí)間[6]。通常使用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是北斗(BeiDou navigation satellite system，DBS)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)，主要依靠衛(wèi)星接收機(jī)的性能單向授時(shí)。已有文獻(xiàn)[7]采用了衛(wèi)星共視的方法，但沒有定量的分析。第二類，利用網(wǎng)絡(luò)同步時(shí)間[8-9]。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)授時(shí)采用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(network time protocol，NTP)，授時(shí)精度可達(dá)毫秒級(jí)[10]，以及基于同步數(shù)字體系(synchronous digital hierarchy,SDH)、采用精確時(shí)鐘同步協(xié)議(precision time synchronization protocol，PTP)的時(shí)間同步方法[1]，授時(shí)精度一般可達(dá)百納秒級(jí)[11]，但這種方法需要硬件支持，網(wǎng)絡(luò)改造成本大，且易受網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響，授時(shí)精度隨經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的惡化和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備個(gè)數(shù)的增多而下降。

雖然已經(jīng)取得一些研究成果，但總體而言電力系統(tǒng)的時(shí)間同步系統(tǒng)仍不完善。首先，電力系統(tǒng)的時(shí)間同步系統(tǒng)沒有形成網(wǎng)絡(luò)，仍處于分散獨(dú)立的狀態(tài)，通常只能保證一個(gè)變電站或一座電廠范圍內(nèi)的時(shí)間同步；其次，沒有建立電力系統(tǒng)時(shí)間參數(shù)的量值溯源體系，不能保證時(shí)間量值的準(zhǔn)確統(tǒng)一；第三，沒有對(duì)時(shí)間同步方法進(jìn)行分析，不能定量評(píng)價(jià)時(shí)間同步方法的準(zhǔn)確程度。

針對(duì)上述問題，本文研究了電力系統(tǒng)中時(shí)間參數(shù)的量值溯源體系，研制了時(shí)間頻率計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，提出利用衛(wèi)星共視技術(shù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)電力系統(tǒng)時(shí)間網(wǎng)的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)；進(jìn)行了時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置及校準(zhǔn)方法的不確定度分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的方法可以精確地實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)內(nèi)的時(shí)間頻率溯源，最終達(dá)到時(shí)間同步的的目的。

1 電力系統(tǒng)現(xiàn)有時(shí)間同步方法分析

目前，電力系統(tǒng)主要利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)間同步。

1.1 利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間同步

目前電力設(shè)備利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間同步的方法，通常是采用DBS或GPS的時(shí)間信號(hào)作為時(shí)鐘源的單向授時(shí)法。這種方法原理簡(jiǎn)單，在理想狀況下對(duì)授時(shí)精度的要求通常不高于1 μs[12]的電力設(shè)備可以滿足使用需求。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，單向授時(shí)存在很大隱患及不確定性。這種方法的主要誤差來源可分為三大類[15]：衛(wèi)星誤差、傳播誤差和接收誤差。雖然接收機(jī)通過算法可以補(bǔ)償部分衛(wèi)星誤差和電離層折射、對(duì)流層折射的影響，但對(duì)環(huán)境突變及多路徑效應(yīng)等無能為力，因此上述誤差仍對(duì)接收信號(hào)的準(zhǔn)確可靠有很大影響。

另一方面，單向授時(shí)準(zhǔn)確是基于接收機(jī)正常工作的前提，而實(shí)際電力設(shè)備通常工作在高溫、強(qiáng)電磁場(chǎng)等惡劣環(huán)境中，會(huì)加速接收機(jī)元器件的老化，導(dǎo)致接收機(jī)性能下降或接收故障。當(dāng)接收機(jī)不能正常接收衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，會(huì)依靠自身的晶振繼續(xù)輸出時(shí)間，此時(shí)無法判斷該信號(hào)是否已失去了導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)標(biāo)。通常接收機(jī)晶振長(zhǎng)期穩(wěn)定性不好，日積月累必然造成不可預(yù)見的對(duì)時(shí)偏差。

1.2 利用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步

網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步通常選擇采用NTP協(xié)議或者PTP協(xié)議。

采用NTP協(xié)議的授時(shí)精度為毫秒級(jí)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備沒有特殊要求，可以在廣域網(wǎng)內(nèi)授時(shí)，適合用電管理系統(tǒng)主站、變電站監(jiān)控系統(tǒng)主站等對(duì)時(shí)精度為1 s的電力設(shè)備。但采用NTP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)授時(shí)無法滿足微秒級(jí)電力系統(tǒng)設(shè)備的要求，且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)阻塞時(shí)授時(shí)的精度無法保證。

采用PTP協(xié)議的授時(shí)精度為百納秒級(jí)，可以滿足大部分電力系統(tǒng)設(shè)備的需要。但采用PTP協(xié)議授時(shí)需要能夠生成時(shí)間戳的硬件，同時(shí)PTP協(xié)議的授時(shí)精度仍會(huì)隨著經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備個(gè)數(shù)的增多而下降，不適合廣域網(wǎng)內(nèi)授時(shí)。

更重要的，無論采用衛(wèi)星單向授時(shí)法還是基于NTP協(xié)議或PTP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)授時(shí)法進(jìn)行時(shí)間同步，均無法獲得實(shí)際的同步精度，換言之，電力系統(tǒng)現(xiàn)有同步方法只能假設(shè)設(shè)備時(shí)間可以達(dá)到理論精度。

2 基于衛(wèi)星共視法的時(shí)間溯源及同步方法

為有效監(jiān)控電力設(shè)備的時(shí)間參數(shù)，確保電網(wǎng)大范圍內(nèi)時(shí)間的同步，本文提出建立電力系統(tǒng)時(shí)間參數(shù)的量值溯源體系，采用本地鐘守時(shí)并逐級(jí)傳遞進(jìn)而同步電力系統(tǒng)時(shí)間的方法。

2.1 量值溯源體系圖

電力系統(tǒng)時(shí)間量值的溯源體系如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)時(shí)間量值的溯源體系

國(guó)家時(shí)間計(jì)量基準(zhǔn)是我國(guó)時(shí)間量值的源頭，電力系統(tǒng)最高時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)需向國(guó)家時(shí)間計(jì)量基準(zhǔn)溯源。區(qū)域時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)負(fù)責(zé)本區(qū)域范圍內(nèi)時(shí)間的量值傳遞，區(qū)域時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)向電力系統(tǒng)最高時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)溯源。在各變電站、電廠和調(diào)度機(jī)構(gòu)內(nèi)可以設(shè)置工作計(jì)量時(shí)鐘，向區(qū)域時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)溯源，為電力設(shè)備傳遞時(shí)間。圖1所示各級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成電力系統(tǒng)完整、合理的溯源鏈路體系，保證電力系統(tǒng)時(shí)間量值向上溯源到國(guó)家時(shí)間基準(zhǔn)，向下傳遞到電力設(shè)備終端。

2.2 時(shí)間頻率計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置

本文建立的電力系統(tǒng)時(shí)間頻率計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的構(gòu)成如圖2所示。

圖2 時(shí)間頻率計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置圖

頻率標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生頻率基準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)過相位微躍計(jì)產(chǎn)生1 pps(pulse per second)信號(hào)和修正的頻率信號(hào)。分別經(jīng)過隔離放大器，可以將1 pps信號(hào)和頻率信號(hào)分別變?yōu)槎嗦沸盘?hào)。衛(wèi)星接收機(jī)的輸入信號(hào)便取自隔離放大器，頻率信號(hào)作為接收機(jī)內(nèi)部的參考頻率標(biāo)準(zhǔn)，1 pps信號(hào)同衛(wèi)星接收機(jī)經(jīng)天線接收的1 ppss信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生兩個(gè)1 pps信號(hào)之間的差。數(shù)據(jù)處理器利用獲得的這個(gè)差值進(jìn)行以下兩方面運(yùn)算：1)用作本地時(shí)間與衛(wèi)星時(shí)間的時(shí)間差，參與與其它時(shí)間設(shè)備的衛(wèi)星共視比對(duì);2)計(jì)算出需要的頻率補(bǔ)償量，反饋給微躍計(jì)進(jìn)行微調(diào)產(chǎn)生更準(zhǔn)確的1 pps信號(hào)和頻率信號(hào)，作為本地時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘系統(tǒng)的駕馭。雖然接收到的衛(wèi)星信號(hào)具有一定的抖動(dòng)但長(zhǎng)期穩(wěn)定度較好，而頻率標(biāo)準(zhǔn)短期穩(wěn)定度好但存在頻率漂移，因此，利用衛(wèi)星的秒脈沖信號(hào)駕馭時(shí)間系統(tǒng)，結(jié)合了頻率標(biāo)準(zhǔn)短期穩(wěn)定性好和衛(wèi)星信號(hào)長(zhǎng)期穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，可以使本地的時(shí)間和頻率信號(hào)更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定。

2.3 基于衛(wèi)星共視法的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)

衛(wèi)星共視法的原理如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星共視原理圖

假設(shè)時(shí)間設(shè)備A為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，向時(shí)間設(shè)備B傳遞時(shí)間。設(shè)備A與設(shè)備B同時(shí)觀測(cè)同一顆或多顆衛(wèi)星，設(shè)備A和設(shè)備B分別同時(shí)記錄本站時(shí)鐘與衛(wèi)星時(shí)鐘的時(shí)間差。設(shè)備B將記錄的自身與衛(wèi)星時(shí)鐘的時(shí)間差通過公用網(wǎng)絡(luò)或其他方法傳遞給設(shè)備A，設(shè)備A將共視期間獲得的與衛(wèi)星時(shí)鐘的時(shí)間差與設(shè)備B傳輸來的數(shù)據(jù)比較，可以得出A、B兩地的時(shí)間偏差：

ΔtAB=(tA-tS)-(tB-tS)

(1)

式中，tA為A站參考時(shí)間，tB為B站參考時(shí)間，tS為衛(wèi)星時(shí)間。

實(shí)際上，在每一時(shí)刻設(shè)備A與設(shè)備B同時(shí)觀測(cè)到的衛(wèi)星不止一顆，采用式(2)的方法綜合衛(wèi)星數(shù)據(jù)：

(2)

式中，n為設(shè)備A與設(shè)備B同時(shí)觀測(cè)到的衛(wèi)星數(shù)，wi為第i顆衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的權(quán)重。依據(jù)衛(wèi)星的仰角確定wi，仰角越低，wi越小。

利用兩點(diǎn)時(shí)差法[13]可以計(jì)算出設(shè)備A和設(shè)備B之間的相對(duì)頻率偏差：

(3)

式中，ΔtAB1和ΔtAB2分別為t1時(shí)刻和t2時(shí)刻A站和B站的時(shí)間差，ΔfAB為A站和B站的頻率偏差，fA為A站頻率。頻率偏差的準(zhǔn)確度與時(shí)間同步密切相關(guān)，因此頻率偏差也是衡量時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

事實(shí)上，式(3)計(jì)算的是t1時(shí)刻到t2時(shí)刻時(shí)間內(nèi)的平均頻率，由于這段時(shí)間內(nèi)的時(shí)間數(shù)據(jù)會(huì)存在噪聲，因此需要對(duì)時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理。本文采用卡爾曼濾波[14]的方式對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：

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

(4)

式中，σw為建模噪聲，σv為觀測(cè)噪聲。

設(shè)備A把與設(shè)備B之間的時(shí)間偏差和頻率校準(zhǔn)值返回給設(shè)備B，則可實(shí)現(xiàn)設(shè)備B時(shí)間頻率量值的溯源，即A、B兩地之間的時(shí)間同步。

采用衛(wèi)星共視的方法通過數(shù)據(jù)交換在國(guó)家時(shí)間計(jì)量基準(zhǔn)與電力系統(tǒng)最高時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)之間以及電力系統(tǒng)內(nèi)各級(jí)時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)之間很方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程量值傳遞、溯源及比對(duì)，解除搬運(yùn)設(shè)備的困擾，順應(yīng)時(shí)間設(shè)備不間斷連續(xù)運(yùn)行的需求。

2.4 衛(wèi)星共視法時(shí)間同步的分析

1)衛(wèi)星共視法將衛(wèi)星時(shí)間作為傳遞的媒介，衛(wèi)星誤差及傳播誤差基本可以消除，因?yàn)閷?duì)于共視兩地這兩項(xiàng)誤差是相同的。接收機(jī)老化故障、多路徑效應(yīng)等影響單向衛(wèi)星授時(shí)精度的誤差分量，在衛(wèi)星共視法中以本地時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間偏差的形式出現(xiàn)，均可以發(fā)現(xiàn)并予以處理。衛(wèi)星共視法是實(shí)現(xiàn)兩地鐘相對(duì)同步較為理想的方法，也是國(guó)際時(shí)間比對(duì)的手段之一。

2)衛(wèi)星共視法是一種量值溯源方法，與網(wǎng)絡(luò)授時(shí)法不同，衛(wèi)星共視法不是上級(jí)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)對(duì)下級(jí)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的直接授時(shí)，而是比較兩個(gè)設(shè)備之間的時(shí)間差。例如，圖1中區(qū)域時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間值不是直接來自電力系統(tǒng)最高時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，而是通過衛(wèi)星共視法測(cè)定與電力系統(tǒng)最高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間值的偏差。

3)在電力系統(tǒng)現(xiàn)有的授時(shí)方法中，依靠提高時(shí)間獲取的準(zhǔn)確度來保證時(shí)間的一致性。由于技術(shù)水平和工程成本的限制，利用現(xiàn)有方法在較高量級(jí)上保證時(shí)刻絕對(duì)值同步相當(dāng)困難。但衛(wèi)星共視法的思路是準(zhǔn)確獲得兩地時(shí)間偏差，通過建立區(qū)域間時(shí)間偏差的表格，確保大范圍內(nèi)時(shí)間的準(zhǔn)確一致。

4)由于需要獲得本地時(shí)間與衛(wèi)星時(shí)間的偏差，在利用衛(wèi)星共視法量值傳遞時(shí)首先應(yīng)有本地時(shí)間。因此與現(xiàn)有只需要衛(wèi)星接收機(jī)的方案不同，電力系統(tǒng)最高時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、區(qū)域時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、工作計(jì)量時(shí)鐘均需要配置原子鐘或晶振以保持本地時(shí)間，同時(shí)能夠生成標(biāo)準(zhǔn)的CGGTTS標(biāo)準(zhǔn)格式文件，用于數(shù)據(jù)提取、運(yùn)算比較。

5)由于衛(wèi)星共視法要求兩地能夠同時(shí)觀測(cè)到同一顆衛(wèi)星，該方法在半徑為4 000 km的范圍內(nèi)完全適用。由于我國(guó)電網(wǎng)覆蓋范圍廣，網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步受信號(hào)傳輸距離限制，因此衛(wèi)星共視法是較適宜的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離校準(zhǔn)和時(shí)間同步的方法。

2.5 時(shí)頻標(biāo)準(zhǔn)裝置及同步不確定度分析

2.5.1 時(shí)間偏差不確定度分析

1)由接收機(jī)時(shí)差校準(zhǔn)不確定度引入的分量：上級(jí)校準(zhǔn)證書給出，接收機(jī)時(shí)差的擴(kuò)展不確定度為10.0 ns，包含因子k=2，故時(shí)間偏差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度ut1為5.0 ns。

2)由接收機(jī)穩(wěn)定性引入的分量：根據(jù)接收機(jī)校準(zhǔn)證書，接收機(jī)時(shí)間穩(wěn)定度為5.3 ns，即標(biāo)準(zhǔn)不確定度ut2為5.3ns。

4)由天線纜線延時(shí)校準(zhǔn)引入的分量：校準(zhǔn)證書給出延時(shí)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.3%，k=2，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度ut4為0.2 ns。天線纜線延時(shí)在數(shù)據(jù)處理時(shí)予以修正。

6)由測(cè)試線延時(shí)校準(zhǔn)引入的分量：測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.3%，故時(shí)的延時(shí)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.02 ns，可忽略不計(jì)。測(cè)試線纜線延時(shí)在數(shù)據(jù)處理時(shí)予以修正。

7)測(cè)量結(jié)果重復(fù)性引入的分量：由共視數(shù)據(jù)得到測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.85 ns，即標(biāo)準(zhǔn)不確定度ut6為0.85 ns。

8)由環(huán)境影響引入的分量：由于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件滿足規(guī)程要求，因此由環(huán)境引入的不確定度可以忽略不計(jì)。

則時(shí)間傳遞的標(biāo)準(zhǔn)不確定度由式(5)估算：

(5)

式中，uti為裝置各部分的時(shí)間偏差標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

則可計(jì)算出時(shí)間偏差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uct為7.4 ns，取包含因子k=2，則CEPRI時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置時(shí)間偏差的擴(kuò)展不確定度為：U=14.8 ns。

2.5.2 頻率偏差不確定度分析

2)由校準(zhǔn)不確定度引入的分量：校準(zhǔn)證書給出相對(duì)頻率偏差的擴(kuò)展不確定度為1.3×10-14，包含因子k=2，故由校準(zhǔn)不確定度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uf2為0.7×10-14。

3)由銫原子鐘輸出頻率穩(wěn)定度引入的分量：根據(jù)銫原子鐘技術(shù)手冊(cè)，銫原子鐘輸出頻率穩(wěn)定度為1.0×10-14，即標(biāo)準(zhǔn)不確定度uf3為1.0×10-14。

4)由微躍計(jì)輸出頻率穩(wěn)定度引入的分量：根據(jù)相位微躍計(jì)的技術(shù)手冊(cè)，微躍計(jì)輸出頻率穩(wěn)定度為0.5×10-14，即標(biāo)準(zhǔn)不確定度uf4為0.5×10-14。

6)測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性引入的分量：將取得的共視數(shù)據(jù)進(jìn)行A類評(píng)定，可得頻率偏差的阿倫方差為2.0×10-14/d，即標(biāo)準(zhǔn)不確定度uf6為2.0×10-14。

7)由環(huán)境影響引入的分量：實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件滿足規(guī)程要求，因此由環(huán)境引入的不確定度可以忽略不計(jì)。

CEPRI時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置相對(duì)頻率偏差合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度由下式估算：

(6)

式中，ufi為裝置各部分的相對(duì)頻率標(biāo)準(zhǔn)偏差不確定度。

根據(jù)不確定度合成公式計(jì)算，相對(duì)頻率偏差的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度ucf為5.0×10-14。取包含因子k=2，則CEPRI時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置相對(duì)頻率偏差的擴(kuò)展不確定度為：Urel=1.0×10-13。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 CEPRI計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置穩(wěn)定性

計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的穩(wěn)定性對(duì)量值溯源的有效性有重要影響。圖5為截取的時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置15天的時(shí)間偏差穩(wěn)定性考核數(shù)據(jù)。

圖5 時(shí)間頻率計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的穩(wěn)定性

由圖5可見，標(biāo)準(zhǔn)裝置在考核期間最大波動(dòng)范圍在-10～0 ns之間，參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)為未經(jīng)過的原始數(shù)據(jù)，時(shí)間偏差的標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.6 ns小于不確定度的十分之一，穩(wěn)定性良好。

3.2 衛(wèi)星共視比對(duì)

為驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)裝置原理及共視算法的有效性，在簡(jiǎn)化儒略日57504～57553(即2016年4月26日～2016年6月15日)之間與中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(NIM)進(jìn)行了比對(duì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。在共視期間，CEPRI本地時(shí)間與UTC-NIM的平均時(shí)間差為1 ns，根據(jù)貝塞爾公式計(jì)算出時(shí)間差的標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.9 ns；相對(duì)頻率偏差是采用兩點(diǎn)時(shí)差法根據(jù)相鄰兩天的時(shí)間差計(jì)算而來，見公式(7)，再將所有相對(duì)頻率偏差通過直線擬合法得出平均相對(duì)頻率偏差為1×10-15，由貝塞爾公式得出相對(duì)頻率偏差的標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.1×10-14。

(7)

這里，TAB(i+1)和TABi分別為當(dāng)日和前一日的時(shí)間偏差，τ0取一天。

表1 衛(wèi)星共視比對(duì)結(jié)果

3.3 比對(duì)結(jié)果的評(píng)價(jià)

比對(duì)結(jié)果通常用比對(duì)判據(jù)En值進(jìn)行評(píng)價(jià)，En值又稱歸一化偏差，為實(shí)驗(yàn)室之間比對(duì)結(jié)果差值與該差值的不確定度之比，當(dāng)|En|值小于或等于1時(shí)比對(duì)結(jié)果符合要求。

根據(jù)CEPRI與NIM比對(duì)數(shù)據(jù)能夠得出：

式中，Ux為CEPRI時(shí)間偏差的不確定度，k=2；Uy為NIM時(shí)間偏差的不確定度，k=2。|En|值小于1，比對(duì)結(jié)果滿意。同理也可以獲得比較滿意的相對(duì)頻率偏差比對(duì)結(jié)果。

4 結(jié)論

本文提出了一種通過遠(yuǎn)程校準(zhǔn)進(jìn)行量值溯源的方式實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)時(shí)間同步的方法。將電力系統(tǒng)時(shí)間量值的溯源體系分為4個(gè)層次，建立了時(shí)間頻率計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，采用衛(wèi)星共視的方法實(shí)現(xiàn)時(shí)間參數(shù)的溯源和同步，并分析了提出方法的不確定度，最后通過實(shí)驗(yàn)比對(duì)得到驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的方法可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間頻率的高精度溯源，從而可以實(shí)現(xiàn)大電網(wǎng)內(nèi)時(shí)間量值的準(zhǔn)確及同步。

[1]滕 玲，高 強(qiáng)，汪 洋,等．電力頻率同步網(wǎng)與時(shí)間同步網(wǎng)兩網(wǎng)合一可行性研究[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2015，39(1)：294-298．

[2]羅志坤，滕召勝，廉振榮，等．基于GPS的電能計(jì)量裝置時(shí)鐘測(cè)試系統(tǒng)[J]．儀器儀表學(xué)報(bào)，2009，30(7)：1492-1497．

[3]Macii D，Dario Petri，Alessandro Zorat．Accuracy analysis and enhancement of DFT-basedsynchrophasorestimators in off-nominal conditions[J]．IEEE Trans on Instrumentation and Measurement，2012，61(10)：2653-2664．

[4]梁 睿，靳 征，王 哲，等．消除單端行波測(cè)距死區(qū)的煤礦電網(wǎng)故障定位[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2013，38(9)：543-548．

[5]劉 洋，張道農(nóng)，于躍海，等．時(shí)間同步誤差對(duì)電力自動(dòng)化系統(tǒng)影響的定量分析[J]．電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26(3)：15-19．

[6]李澤文，楊京渝，彭曙蓉，等．智能電網(wǎng)高精度時(shí)間同步方法[J]．電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26(3)：35-39．

[7]趙當(dāng)麗，胡永輝，翟慧生，等．基于衛(wèi)星共視技術(shù)的電網(wǎng)時(shí)間同步[J]．電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26(3)：20-24．

[8]李萬林，丁 鼎，何迎利，等．智能變電站統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)授時(shí)服務(wù)器堅(jiān)強(qiáng)架構(gòu)研究[J]．電力系統(tǒng)通信，2010，31(212)：5-9．

[9]Giustina D D， Ferrari P, Flammini A, et al.Experimental characterization of time synchronization over a heterogeneous network for Smart Grids[A]. International workshop on AMPS[C]. Aachen，Germany：IEEE，2013：1-6．

[10]李德駿，汪 港，楊燦軍，等．基于NTP和IEEE1588海底觀測(cè)網(wǎng)時(shí)間同步系統(tǒng)[J]．浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2014，48(1)：1-7．

[11]Carta A, Locci N, Muscas C，et al．GPS and IEEE 1588 synchronization for the measurement of synchrophasors in electric power systems[J]．Computer Standards & Interfaces, 2011(3)：176-181．

[12]DL/T 1100.1-2009，電力系統(tǒng)的時(shí)間同步系統(tǒng)(第1部分-技術(shù)規(guī)范)[S].

[13]楊 俊，單慶曉．衛(wèi)星授時(shí)原理與應(yīng)用[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013．

[14]趙光宙. 信號(hào)分析與處理[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[15]劉基余. GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法 [M]. 北京：科學(xué)出版社.

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。

趙 莎(1972-)，女，黑龍江大慶人，大學(xué)，主要從事時(shí)頻計(jì)量、電磁計(jì)量方向的研究。

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

TM

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