GNSS在时间同步中的应用

【摘要】介绍了时间、授时系统的基本概念，论述了gnss时间系统定位、定时和校频的原理，最后详细描述了GNSS在电网时间同步中的应用和其在电网调度自动化系统时钟同步中的应用。充分展示了GNSS在完成实时时间同步，达到全电网时间统一的任务中具有十分重要的意义。

【关键词】GNSS；电力；时间同步；应用

1.引言

为保证电网安全、经济运行，各种以计算机技术和通信技术为基础的自动化装置在电力系统得到广泛应用，这些装置的正常工作和作用的发挥，离不开统一的全网时间基准。电网运行瞬息万变，发生事故后更要及时处理，这些同样也需要以统一的时间为基准。自动化装置内部都带有实时时钟，其固有误差难以避免，随着运行时间的增加，积累误差会越来越大，从而失去正确的时间计量作用，因此，如何对实时时钟实现时间同步，达到全网的时间统一，长期以来一直是电力系统追求的目标。

2.时间的基本概念

2.1 时间

（1）时间（周期）与频率互为倒数关系，两者密不可分，时间标准的基础是频率标准，因此，晶体振荡也称为“时基振荡器”。时钟是由频标加上分频电路和钟面显示装置构成的。

（2）时间基准：就是在当代被人们确认为是最精确的时间尺度。在远古时期，人类以太阳的东升西落作为时间尺度；公园前二世纪，人们发明了地平日晷，一天差15分钟；一千多年前的希腊和我国的北宋时期，能工巧匠们曾设计出水钟，每日差10分钟；六百多年前，机械钟问世，并将昼夜分为24小时；到了17世纪，单摆用于机械钟，使记时精度提高近100倍；到了20世纪30年代，石英晶体振荡器出现，对于精密的石英钟，300年只差一秒。

17世纪以来，天文学家们以地球自转和世界时作为时间尺度：当地球绕轴自转一周，地球上任何地点的人连续两次看见太阳在天空中同一位置的时间间隔为一个太阳日。1820年法国科学院正式提出，一个平太阳日的1/86 400为一个平太阳秒，称为世界时秒长。

（3）4种实用的时间频率标准源（简称钟）：晶体钟、铷原子钟、氢原子钟、铯原子钟。

（4）常见的时间坐标系。时间的概念包含时刻（点）和时间间隔（段），时间坐标系由时间起点和时间尺度单位（秒）定义构成。常用的时间坐标系有世界时（UT）、地方时、原子时（AT）、协调世界时（UTC）、GNSS时。

（5）定时、授时、时间同步与守时。定时是指根据参考时间标准对本地钟进行校准的过程；授时是指采用适当的手段发播标准时间的过程；时间同步是指在母钟与子钟之间时间一致的过程，又称时间统一或简称时统；守时是指将本地钟已校准的标准时间保持下去的过程，国内外守时中心一般都采用由多台铯原子钟和氢原子钟组成的守时钟组来进行守时。

2.2 授时系统

授时系统是确定和发播精确时刻的工作系统。天文测时所依赖的是地球自转，而地球自转的不均匀性使得天文方法所得到的时间（世界时）精度只能达到10-9无法满足20世纪中叶社会经济各方面的需求。一种更为精确和稳定的时间标准应运而生，这就是“原子钟”。目前世界各国都采用原子钟来产生和保持标准时间，这就是“时间基准”，然后，通过各种手段和媒介将时间信号送达到用户，这些手段包括短波、长波、电话网、互联网、卫星等。这一整个工序，就称为“授时系统”。

3.GNSS时间系统

时间同步时卫星导航定位的基础，为得到精密的全球卫星定位系统时间，使它的准确度相对于UTC达到小于100ns，每颗GNSS卫星上都装有原子钟作星载钟。GNSS全部卫星与地面测控站构成一个闭环的自动修正系统，采用UTC作为参考基准。

3.1 GNSS定位、定时和校频的原理

（1）GNSS定位原理

基于精确测定GNSS信号的传输时延（），以得到GNSS卫星到用户间的距离（）：

（1）

式（1）中为光速，同时捕获4颗GNSS卫星，解算4各联立方程，可给出用户实时时刻（）和对应的位置参数（、、）共4个参数。

（2）

式（2）中、、为卫星的位置参数；、、为用户的位置参数。

（2）GNSS定时原理

基于在用户端精确测定和扣除GNSS时间信号的传输时延（），以达到对本地钟的定时与校准。GNSS定时准确度取决于信号发送端、信号在传输过程中和接收端所引入的误差，主要的误差有：

信号发射端：卫星钟差（预报的卫星钟差）、卫星星历误差（预报的卫星位置的误差）；

信号传输过程：电离层误差（由于电离层效应引起的观测值的误差）、对流层误差（由于对流层效应引起的观测值的误差）、地面反射多路径误差（由于反射信号进入接收机天线引起的观测值的误差）；

接收端：接收机误差（由于热噪声、软件和各通道之间的偏差引起的观测值误差，主要包括接收机时延误差、接收机坐标误差、接收机噪声误差）；

（3）GNSS校频原理

根据频率和周期互为倒数的关系，可采用比时法（测时间间隔）的方法来测量本地钟的频率准确度（），以达到校频的目的。

（3）

式（3）中、分别为、时刻测得的本地钟与GNSS时的时差值。

3.2 GNSS时间服务的特点

（1）全球覆盖、全天候、昼夜全连续地工作；

（2）单向广播体制，GNSS接收机不发射信号，电磁兼容性能好，可有无限多的用户，但无通信功能；

（3）可实时地为地面、海上和高空的各种动态和静态用户提供高精度的精密时间。

4.GNSS在电力系统中的应用

4.1 GNSS在电网时间同步中的应用

利用同一个信号对电网内的所有时钟进行实时或定期同步对时，可以达到统一时钟的目的。目的大致有三种对时方式：

（1）电网中心调度所有通信通道同步系统中各时钟；

（2）利用广播电台、电视台、天文台的无线报时信号；

（3）利用全球导航卫星系统（GNSS）的时钟信号。

第一种同步方式是目前电力系统普遍采用的方式，该同步方式需要占用通道时间。由于信号通过通道传送到不同厂站的延时不相同，所以只能保证时间的误差在ms级以上的水平，并且对通道的要求较高。第二种同步方式受气候影响比较大，与厂站所在的地理位置也有很大关系，并且容易受到电磁波的干扰，丢失信号。第三种同步方式是目前最理想的同步方式，即GNSS时钟同步方式。GNSS系统每秒发送一次信号，其时间精度在1us以内，在全球任何位置均能可靠收到信号，是理想的同步时钟源。

GNSS接收机能够送出非常精确的时间信息，它必须经过转换后，才能满足电力系统内各种装置对同步源的要求。用户对同步的要求是各不相同的，有些使用不同幅值、不同频率、不同时延的脉冲同步方式，而有些使用标准的串行编码方式，比如MSF格式或IRIG-B格式，用户大多喜欢使用当地时钟格式（比如北京时间）而不喜欢使用UTC时钟格式。于是就必然地出现了GNSS同步时钟。将GNSS接收机送出的固定信息转换成各种不同的格式输出，以满足各种装置及用户的要求。

4.2 GNSS在电网调度自动化系统时钟同步中的应用

电网调度综合自动化系统SCADA功能为调度员、集控员提供了各个变电站的实时数据及信息，并可以使他们方便地进行事故重演或历史数据和信息查询。由于系统全网时钟不同步会造成一些较为特殊的故障，如数据和信息丢失、SOE事件信息逻辑混乱、某些工作死机甚至瘫痪，因而需要进行精密时间同步。GNSS授时的准确性和开放性，完全可以满足电网调度自动化系统时钟同步的要求。

电网调度综合自动化系统是实时性很强的系统，它采集各个变电站的实时数据和信息，经过系统软件的处理后，在工作站显示相关数据和信息或存储到历史数据库中。电网调度综合自动化系统分为厂站端系统和主站端系统，实现全网时钟同步按两部分进行：

（1）主站端系统各工作站与主服务器对时

主站端系统各工作站与主服务器对时的目的，是保证数据发生增加、更改、删除等操作时全网的一致性和完整性。数据的不一致和残缺会造成主备系统切换或历史数据进行存储时，不能正确识别数据的一致性和完整性，从而造成信息和数据的丢失，甚至会导致系统的瘫痪。由于各工作站和服务器的晶振芯片长时间运行后，会出现由于漏电或其他原因造成的时钟不准问题，因而需采取相应的对时方式来实现主站端系统的网络对时。

图1 GNSS时钟装置直接接入网络

实现对时的方法有两种，一种如图1所示，GNSS时钟装置一般只提供一个网络接口，另外为了实现与GNSS对时，各服务器、工作站和前置机都需要运行对时进程，从而浪费系统资源，所以一般不采用。另一种如图2所示，只需前置机运行对时进程定期与GNSS时钟装置进行对时，并定期对服务器和工作站等网络设备广播对时命令，从而可以方便地实现全系统的对时。

图2 GNSS时钟通过前置机接入网络

（2）各厂端系统对时

各厂端系统总控单元与主控端系统对时，及各厂站端系统总控单元与各间隔智能单元对时的目的，是为了保证各间隔智能单元实时采集的数据信息，在主站系统经过处理后，能正确重演数据或信息发生的时间、先后顺序和逻辑关系。调度员、集控员根据显示的数据和信息实时掌握电网一次系统的运行状态，从而保证经济调度、安全调度。

有些无人值守变电厂站端系统安装有GNSS时钟装置，因而无须与主站端系统对时。没有安装GNSS时钟装置的厂站端系统，通过主站端前置机广播对时命令进行对时，由于无须进行数据处理，所以对时周期可设较长时间如30分钟。安装有GNSS时钟装置的厂站端系统与各间隔智能单元的对时方式如图3所示。

图3 厂站端系统与各间隔智能单元的对时方式

参考文献

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