北斗卫星在电力系统授时中的应用研究

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：o
o 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 2
o i o n f f f f n 1σ （3） 上式中n 为测量次数；i
o 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：
()()()dt
t d 21f dt t d 21t f o θπφπ+== （5） 瞬时频偏：()dt
t d 21f θπ=∆ （6）
定义短期频率稳定度：o
f 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：
2
2
221201011
()lim ()lim ()2n
y
j 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 diagram
3.1.2 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
ref
θ，分频信号的瞬时相位设为
div
θ。

标准
秒脉冲同分频信号的瞬时相位差值为
e
θ，则有下式成立：
()
e
div
ref
T
T
tθ
π
θ
θ
π
⋅
=
-
⋅
=
∆
2
2
（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：
e
d
e
ns
e
k
t
T
t
θ
θ
π
θ
π
⋅
=
⋅
=
∆
⇒
⋅
⋅
=
⋅
∆
2
10
10
2
10
9
9
9
（10）
上式中，
d
k为相位增益系数；
ns
t∆为纳秒级的时间间隔测量值。

（2）可控恒温晶振同D/A环节的相位模型
可控恒温晶振的振荡频率随输入电压呈线性变化，可由下式描述：
()()t u
k
t
o
o
v
⋅
+
=ω
ω（11）对式（11）两边取积分，得到相位特性：
()()τ
τ
ω
τ
τ
ωd
u
k
t
d t
o
o
t
v⎰
⎰+
=
（12）即有：()
⎰
=t
o
ocxo
d
u
k
τ
τ
θ（13）
上式中，k o为增益系数；2
o
f
k
u
π∆
=⋅
∆
（14）设数字量的输入为n位二进制数，则D/A输出模拟量同输入数字量之间的转换关系如下所示：()
x
n
ref
n
n
n
ref D
u
d
d
u
u
2
2
2
2
1
1
=
⋅
+
+
⋅
=-
-
（15）
D x为n位二进制数的十进制表达形式；
取△u=u ref，结合恒温晶振与D/A，则可得到：
n
n
ref
o
v
f
u
k
k
2
2
2
∆
⋅
=
⋅
=π（
16）可得到晶振与D/A的传递函数模型如下图3所示：
图3 可控恒温晶振同D/A环节的相位模型
Fig.3 Mutually model of OCXO and D/A （3）其它部分的相位模型
控制算法部分采用惯性滤波加比例积分控制来实现，分频器的数学模型为比例环节。

控制算法的传递函数F(s)与分频器传递函数G(s)
表达式分
别为：
()⎪⎭⎫ ⎝⎛+⋅+=
s A Ts s F τ111 （17）
()N
s G 1
=
（18）
将上述各模型组合起来，即可建立其整个系统的模型，具体如图4所示：
图4 系统时间—频率模型 Fig.4 System time-frequency model
3.2 系统软硬件实现
系统硬件框图如下图5所示：
图5 应用锁相环结构的硬件系统框图
Fig.5 Hardware system block diagram of apply a PLL
程序概述如下：
根据此次所设计的基于单片机的北斗同步时钟，所要完成的给保护装置和自动装置同步对时的功能，程序设计分为主程序和中断程序。

a ．主程序（初始化、键盘） （1）初始化：
①定时器、串行口和中断等控制字的初始化 ②寄存器的初始化
③一些寄存器的初始化赋值 （2）键盘循环等待。

b ．中断程序（串口中断，定时器中断） （1）串口中断中主要实现的任务有： ①从OEM 板接收信息
②将接受到的信息中的需要的时间信息筛选出来，并校正可控恒温晶振输出频率。

③将BCD 码转换成真值
④将格林尼治时间转换成北京时间 ⑤输出1PPS 信号
（2）定时器中断的主要作用是按时点亮各个
指示信号灯等。

4 结论
本文在卫星时钟有效时对同步时钟的精度和稳定性进行了测试，可以得出正常情况下，同步时钟与北斗卫星时钟的误差很小，约为0.2μs ，达到相当高精度。

本文根据北斗卫星1PPS 秒脉冲与恒温晶振长、短稳互补的特性，利用锁相环结构的特性，用卫星时钟驯服晶振信号产生高精度的同步时钟信号，得到高精度、高稳定度的同步时钟。

该同步时钟装置已开发成功并应用于电网时钟同步系统，为电力系统的自动化和安全运行奠定了坚实基础，该装置适用于通信网的时间同步、电力系统调控等工业应用场合，具有良好的前景。

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作者简介：
姚李孝（1962 —），男，汉族，陕西蒲城人，教授，博士生导师，研究方向为电力系统规划与运行（E-MAIL：ylx@）张道杰（1982 —），男，汉族，山东邹平人，硕士研究生，研究方向为电力系统自动化装置（E-MAIL：sunzz1122@）杨晓萍（1963 —），女，汉族，陕西蒲城人，副教授，硕士生导师，研究方向为电力系统运行与控制
李俊强（1982 —），男，汉族，山东淄博人，硕士，研究方向为授时技术应用
Research and Application of Beidou satellite system in Electric Power System Time Service
Abstract: The development of time service technology and the present situation of time service in electric power system were described briefly. Based on a brief introduction of the Beidou satellite system, the necessity and feasibility which the Beidou time synchronization system applied to our country’s electric power system were analysesed. Theoretic and realization of electric power system time service signal – 1PPS (one pulses per second) which integrate the two characteristics of both beidou satellite system time signal and OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillators) were introduced. The beidou satellite synchronous clock equipment was designed. This beidou satellite synchronous clock equipment was made up of beidou OEM receptor、central proceeding unit and output connectors. Using the standard time signals supplied by beidou OEM receptors, the central proceeding unit can deal with the data and domesticate OCXO, the output unit can export 1PPS which is provided with good characters of short and long term stability. The output 1PPS standard time signals can keep all clock in the power network running highly synchronously. This new synchronous clock equipment has many advantages, such as simple, high precision, no confine of geography and weather environment and so on. It is the ideal way to synchronize the clock.
Key words: beidou satellite; Phase locked loop; Time service; Power system automation。