北斗卫星在电力系统授时中的研究

2008 中国国际供电会议

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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1

1. 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。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)。空间卫星的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。卫星上主要载荷是变频转发器、S 波段天线(两个波束)和L 波段天线(两个波束)。

1.2 地面中心

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。地面中心控制系统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，它由信号收发分系统、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。

1.3 用户终端

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。

2. 分析北斗卫星时间同步系统在我国电力系统

应用的必要性和可行性

高精度时间频率传递在国民经济中的地位十分突出，其在通信网的时间同步、电力系统调控等许多方面有着无可替代的重大作用。近年来，随着国防和空间技术的发展，对高精度时间和频率传递又提出了更高的要求，空中目标的探测与拦截、无线电导航系统的时钟基准等技术对时间同步精度要求都达到纳秒量级。因此开展高精度授时技术应用研究，对解决国民经济和国防建设事业对高精度时间同步的需求具有重要的意义。

GPS 授时是典型的利用卫星进行时间传递和比对的方法，工作范围覆盖全球，并且时间传递的准确度高，目前，GPS 授时精度已经达到10~20ns 。

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。北斗导航系统又称双星快速定位通讯系统，它是星基区域双向主动式无线电导航系统，具有全天候、高精度、连续、实时、快速的导航定位和多功能、多用途、高可靠性的特点。

随着国民经济的不断发展，人们对电力的质量、需求

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量以及供电的可靠性的要求在不断地提高，因而对于电力系统的自动化和安全运行的要求也在不断提高。电力系统的自动化和安全运行的一个要素就是电力网时间的精确和统一。进入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，电力网对于时间统一的要求也越来越迫切了。

目前，电力系统对时间同步精度的要求是：①故障记录的同步精度要求1ms ；②对状态量采集的同步精度要求40μs ；③继电保护现场试验的同步精度要求10μs ；④相量实时测量的同步精度要求5μs ；⑤行波故障,若要达到300m 的定位精度,同步精度要求1μs ，考虑散射因素的影响，同步精度要求0.5μs 左右。根据时间传播技术的现状和应用前景，电力系统统一时钟的精度可以定为0.5～1μs 。

由于电力系统传统的时间同步方法只能保证全系统时钟的误差在毫秒级，而很难达到上述要求，因此亟需一种全新的时间同步方法。卫星定位系统中的同步时钟系统,因为具有授时精度高、范围广、可靠性高、全天候且又不受各种干扰影响的特点，正成为电力系统理想的时钟，逐步得到人们的重视。

3. 介绍系统1PPS 原理及实现方法

3.1 结合北斗长稳和OCXO 短稳的1PPS

本系统要得到的是高稳定度的时间频率基准源，从这个目的出发，根据输入信号和输出信号特性定性分析。并

由此确定元器件选择的趋势和范围。卫星接受机输出的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。据查资料卫星秒脉冲的抖动一般可以达到50ns ±。

同时从目的上进行分析，对标准源的要求有以下几个基本指标。

频率准确度o f f f ∆=−；频率相对准确度 o o o

f f f f f −∆=； 上式中：标称频率 f 0 ；实际振荡器频率 f ； 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，老化等。统计值表征为 n σ 测量次数n ； 第i 次测量的相对频率准确度o i

f f ⎛⎞

∆⎜⎟⎝⎠；

n 个测量数据的相对平均值o f

f

⎛⎞∆⎜⎟⎜⎟⎝⎠

； 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 ()()()2o o t t t f t t φωθπθ=+=+ 瞬时频率 ()()()1122o d t d t f t f dt

dt

φθπ

π

==+

瞬时频偏 ()12d t f dt

θπ∆=

定义短期频率稳定度Y(t)=

o

f

f ∆，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

2

2

22120

1

011

()lim (

)lim ()2n

y j j n x j f f n f στ−→→∞==−∑

每次测量的取样时间τ ； 标称频率 f 0 ；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。相对应，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 。我们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。

3.2 锁相环理论和系统软、硬件的实现

3.2.1 锁相环结构及系统硬件框图

这个系统是用锁相环来实现10M 晶振的驯服，使其达到一个高精度的性能指标。

锁相环基本原理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：