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

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
[9] [8]
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。
DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2013.09.006
第 37 卷 第 9 期 2013 年 9 月 文章编号：1000-3673（2013）09-2621-05
电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号：TM 734 文献标志码：A
Vol. 37 No. 9 Sep. 2013 学科代码：47ห้องสมุดไป่ตู้·4054
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
2622
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 ，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 ，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。
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。
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
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